地鐵盾構(gòu)隧道施工中 管片錯臺控制技術(shù)研究

常喜軍

摘 要：地鐵隧道管片錯臺是盾構(gòu)施工中常見的質(zhì)量缺陷之一，嚴(yán)重的錯臺會導(dǎo)致成型隧道出現(xiàn)大面積破損、滲漏，不僅影響到列車的安全運營，還會嚴(yán)重影響隧道的安全性、耐久性。文章以西安地鐵某盾構(gòu)施工區(qū)段襯砌管片出現(xiàn)大面積錯臺破損為背景，對管片錯臺原因和產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行深入分析，并提出針對性的控制技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)隧道;管片錯臺;控制技術(shù)

中圖分類號：U455

1 工程概況

西安地鐵某盾構(gòu)施工區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)隧道全長2816 m，隧道最大埋深22.05m，最小平曲線半徑500 m，最大縱坡22.1‰。隧道管片周邊主要分布有粉質(zhì)黏土、黃土狀土、粗砂，采用惰性漿液進(jìn)行壁后同步注漿。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.5 m，由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B）、2塊鄰接塊（L），1塊封頂塊（F）組成。封頂塊置于隧道頂部1 點或11點處，采用錯縫拼裝形式。為了適應(yīng)曲線施工和隧道糾偏的需要，配有相應(yīng)的左彎環(huán)（Z）和右彎環(huán)（R），楔形量為38 mm。

2 管片錯臺引發(fā)的問題

管片錯臺是指管片拼裝后同一環(huán)相鄰管片塊間或者不同環(huán)管片之間的高度偏差，前者稱環(huán)向錯臺，后者稱縱向錯臺。管片錯臺不僅影響隧道的外觀，而且會導(dǎo)致管片接縫滲漏水，影響到地鐵列車的安全運營，以及隧道的安全性、耐久性。剛拼裝完畢的管片在盾尾內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向錯臺，會導(dǎo)致盾尾間隙過小，加速盾尾刷的損壞速度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致盾尾漏漿，這不僅給盾構(gòu)掘進(jìn)、清理拼裝工作面、管片拼裝帶來很大影響，還直接影響同步注漿效果，造成同步注漿漿液、盾尾油脂的大量消耗，帶來底部推進(jìn)油缸損壞以及地面沉降超限等隱患。

3 管片錯臺原因分析及控制技術(shù)措施

3.1 管片選型

管片選型正確與否是決定成型隧道質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，尤其是帶楔形量的管片選型不當(dāng)，易導(dǎo)致盾尾間隙過小、推進(jìn)油缸和鉸接油缸行程差過大、隧道軸線與設(shè)計軸線匹配不上、盾構(gòu)機(jī)糾偏困難等，從而造成管片出現(xiàn)錯臺破損、滲漏水現(xiàn)象。

管片選型要綜合考慮隧道線型、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、盾尾間隙、推進(jìn)及鉸接油缸行程差、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與管片姿態(tài)的相對關(guān)系、管片的上下左右超前量等實際情況，綜合考慮確定預(yù)拼裝管片的型號;根據(jù)隧道曲線設(shè)計情況，提前考慮后幾環(huán)的盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制及管片選型問題;封頂塊宜拼裝在隧道腰部以上，以保證管片拼裝滿足隧道質(zhì)量控制要求。

3.2 盾構(gòu)姿態(tài)

盾構(gòu)的姿態(tài)是盾構(gòu)施工控制的技術(shù)重點，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的變化直接影響盾尾間隙的變化。盾構(gòu)運動軌跡波動幅度過大，加之管片形態(tài)的慣性作用，必然導(dǎo)致盾尾間隙不均勻。盾尾間隙過小會導(dǎo)致管片安裝困難，安裝后的管片受盾尾擠壓易造成錯臺、破損，甚至滲漏水。

盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整時，要注意盾構(gòu)的趨勢控制，避免糾偏過猛，應(yīng)勤糾緩糾，避免盾構(gòu)出現(xiàn)“蛇形運動”現(xiàn)象。姿態(tài)調(diào)整一般控制在5 mm/環(huán)，并將盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計軸線偏差控制在允許范圍內(nèi)。由于隧道開挖卸荷導(dǎo)致地基回彈，管片置于粉質(zhì)黏土或黃土狀土地質(zhì)中會有上浮現(xiàn)象，因此，盾構(gòu)推進(jìn)時其盾尾垂直方向應(yīng)控制在-20mm，以抵消管片后期的上浮量。

盾構(gòu)操作員應(yīng)掌握整個區(qū)間線路的設(shè)計情況，對關(guān)鍵點予以嚴(yán)控，尤其是在盾構(gòu)進(jìn)入平曲線或豎曲線時，應(yīng)根據(jù)曲線半徑提前使盾構(gòu)向該曲線內(nèi)適當(dāng)?shù)钠?，確保盾構(gòu)姿態(tài)在曲線段能緩和調(diào)整。

3.3 推進(jìn)速度

盾構(gòu)推進(jìn)過程中，刀盤扭矩與推進(jìn)速度成正比例關(guān)系，過快的推進(jìn)速度可能使刀盤扭矩異常增加，推進(jìn)速度越快扭矩越大，同時盾體振動幅度也越大。盾構(gòu)推進(jìn)油缸的推力反作用在拼裝成型的管片上，并帶動剛拼裝成型尚未穩(wěn)固的幾環(huán)管片來回擺動，管片環(huán)向之間因此受到較大的擠壓力，造成管片破損。

粉質(zhì)黏土和黃土狀土地質(zhì)中，在刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，推進(jìn)速度與刀盤扭矩和管片錯臺率的統(tǒng)計關(guān)系如圖1所示。由圖1可見，在粉質(zhì)黏土地層和黃土狀土地質(zhì)中，推進(jìn)速度為20～50mm/min時，刀盤扭矩在2000kN · m以下，管片錯臺率小于5%;推進(jìn)速度為50～60mm/min時，刀盤扭矩為2 000～2 600 kN · m之間，管片錯臺率為12%;當(dāng)推進(jìn)速度大于65 mm/min時，刀盤扭矩超過3100 kN · m，管片錯臺率達(dá)25%。經(jīng)綜合考慮，在此地層中，盾構(gòu)推進(jìn)速度宜控制在45mm/min左右，刀盤扭矩控制在1 800 kN · m 以下，有利于解決管片錯臺破損問題。

3.4 同步注漿

盾構(gòu)刀盤的開挖直徑一般大于管片外徑，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，逐漸形成管片外徑與刀盤開挖直徑的環(huán)形建筑空隙。為及時填充該空隙，在盾構(gòu)推進(jìn)的同時須進(jìn)行同步注漿，以盡可能減少盾構(gòu)施工時對地面的影響。

同步注漿中，漿液初凝時間長，管片在浮力作用下有上浮趨勢，易引起管片錯臺;注漿壓力過大，對管片造成較大的擠壓，易造成管片錯臺或破損;注漿方量不足，沒有充分填充隧道襯砌間隙，管片因為沒有被砂漿完全固定而產(chǎn)生移動，形成偏心力，引起管片局部應(yīng)力超過其強(qiáng)度，同樣也會導(dǎo)致管片錯臺破損。

因此，應(yīng)根據(jù)不同的地層調(diào)整漿液配比，將漿液凝結(jié)時間控制在6～8 h，特殊情況下可合理添加速凝劑以縮短其凝固時間;注漿壓力宜高于土倉壓力0.15～0.2MPa，并根據(jù)隧道埋深及地層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整;注漿速度應(yīng)與推進(jìn)速度相匹配，注漿速度過快會使?jié){液注入到土倉內(nèi);保證足夠的注漿方量，必要時對脫出盾尾的4～6環(huán)管片壁后進(jìn)行二次注漿，將后部管片在同步注漿中未能填充滿的建筑空隙全部填筑密實，形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。

3.5 盾尾間隙

在施工過程中，盾尾間隙過小會導(dǎo)致盾尾擠壓管片造成錯臺。盾尾間隙過小與盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整過急、管片選型等因素有關(guān)，特別是在小曲線半徑內(nèi)，更容易出現(xiàn)盾尾間隙過小問題。在直線段，如果用轉(zhuǎn)彎環(huán)調(diào)整盾尾間隙，在盾尾間隙彌補(bǔ)到預(yù)期值之后，要時刻關(guān)注盾構(gòu)姿態(tài)與成型隧道測量數(shù)據(jù)的對比，若出現(xiàn)偏差且偏差有變大趨勢，一定要及時用相反的轉(zhuǎn)彎環(huán)重新拼回，否則為了使盾構(gòu)姿態(tài)在合適范圍內(nèi)，盾構(gòu)推進(jìn)線路與隧道設(shè)計軸線偏差會越來越大，管片所受的偏向力也越來越大，最終導(dǎo)致管片出現(xiàn)大面積破損。盾尾間隙示意圖如圖2所示。

3.6 推進(jìn)系統(tǒng)各組油缸壓力差值和行程差

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)主要包括A、B、C、D 4組推進(jìn)油缸，如圖3所示。推進(jìn)系統(tǒng)各組油缸壓力差值過大，推進(jìn)油缸作用在管片上的力不均勻，或者推進(jìn)油缸行程差過大，盾體與隧道會形成折角，管片會受到較大的偏心力，容易錯臺破裂;鉸接油缸行程差過大，會使鉸接處于“折角”狀態(tài)，盾尾適應(yīng)不了管片、曲線變化，也會引起管片錯臺破損;另外，推進(jìn)油缸撐靴緩沖板脫落，也容易把管片擠破。

因此，推進(jìn)油缸行程差在直線地段不能超過30mm，曲線地段不能超過50 mm;鉸接油缸行程應(yīng)保持在中位狀態(tài)，以確保有一定的浮動量;推進(jìn)過程中，推進(jìn)系統(tǒng)各組油缸壓力盡可能保持均衡，避免壓力差值過于懸殊;加強(qiáng)推進(jìn)油缸系統(tǒng)的日常巡查，使推進(jìn)系統(tǒng)處在完好狀態(tài);根據(jù)不同地質(zhì)優(yōu)化推進(jìn)參數(shù)，防止刀盤結(jié)泥餅，同時盡可能用較小的推力進(jìn)行推進(jìn)。

3.7 拼裝質(zhì)量

管片拼裝時，須確認(rèn)拼裝順序是否正確，管片是否均勻排布，管片螺栓是否可自由穿插，拼裝成型的管片是否適合盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整方向;嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的管片拼裝程序進(jìn)行，并且盡量使拼裝成型的管片呈豎橢圓狀態(tài)，避免出現(xiàn)“內(nèi)喇叭”或“外喇叭”現(xiàn)象;避免出現(xiàn)“拼大”或“拼小”現(xiàn)象，當(dāng)拼裝第5塊時確保封頂塊（F塊）有恰當(dāng)?shù)钠囱b空間，否則極易導(dǎo)致封頂塊（F塊）錯臺破損。

3.8 管片螺栓

管片螺栓緊固不到位、螺栓規(guī)格尺寸不合格也是導(dǎo)致管片錯臺的重要原因之一。管片螺栓緊固不到位主要是因為未對管片螺栓進(jìn)行及時復(fù)緊或者風(fēng)炮力矩不夠。在管片剛拼裝完成時進(jìn)行第1次緊固，推進(jìn)過程中管片脫出盾尾之前進(jìn)行第2次復(fù)緊，脫出盾尾后的幾環(huán)進(jìn)行第3次復(fù)緊。通過對管片螺栓的多次復(fù)緊，可有效降低管片錯臺數(shù)量。

加強(qiáng)對風(fēng)炮的日常維修保養(yǎng)，力矩不夠時及時更換或維修，以確保管片螺栓緊固時達(dá)到足夠的扭矩。進(jìn)場管片螺栓規(guī)格尺寸不合格，如管片螺栓太短、較細(xì)或者弧度不匹配，也影響到螺栓連接緊固效果，所以管片螺栓進(jìn)場時要確保每批次的螺栓都符合設(shè)計要求。

3.9 管片質(zhì)量

管片強(qiáng)度不夠、有裂紋、缺角等管片質(zhì)量問題易引發(fā)管片錯臺或破損。管片生產(chǎn)前應(yīng)對管片生產(chǎn)模具尺寸進(jìn)行檢驗，對已生產(chǎn)的管片進(jìn)行抽檢，檢驗其尺寸是否滿足規(guī)范要求;進(jìn)場管片必須有合格證、質(zhì)量證明文件，并嚴(yán)格對管片外觀及強(qiáng)度進(jìn)行驗收，杜絕有問題的管片進(jìn)入隧道拼裝。

4 結(jié)束語

在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，產(chǎn)生管片錯臺破損的原因不盡相同，當(dāng)出現(xiàn)此類問題時，應(yīng)從管片選型、推進(jìn)速度、盾尾間隙、推進(jìn)系統(tǒng)各組油缸壓力差值和行程差、拼裝質(zhì)量等方面分析原因，另外也要查驗推進(jìn)系統(tǒng)或拼裝系統(tǒng)有無故障，施工人員的技術(shù)水平和責(zé)任心及相關(guān)材料質(zhì)量是否符合規(guī)范等，通過綜合分析，及時采取相關(guān)針對措施，有效控制管片錯臺破損，以確保地鐵隧道的整體質(zhì)量。

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收稿日期 2019-12-23

責(zé)任編輯 朱開明

Research on segment staggering control technology in metro shield tunnel construction

Chang Xijun

Abstract： Segment misplacement staggering is one of the common quality defects in shield construction. Serious staggering will lead to large area damage and leakage of the formed tunnel， which not only affects the safe operation of the train， but also seriously affects the safety and durability of the tunnel. Based on the background of large-scale damage of lining segments in a shield construction section of Xi'an metro， this paper analyzes the causes and mechanism of segment dislocation， and puts forward corresponding technical control measures.

Keywords： subway， shield tunnel， segment staggering， control technology