盾构隧道位移控制探究

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盾构隧道位移控制技术研究

中铁十四局广州盾构分公司张智博

内容摘要：从盾构隧道线路设计、盾构机设计制造及盾构隧道施工阶段管片姿态控制的角度分析掘进盾构隧道与设计隧道线路的关系，并结合我单位广州地铁三号线［汉－市］盾构工程使用盾构设备与工程实例。本文可为盾构法隧道施工单位根据工程线路情况进行盾构机选型及施工过程控制盾构掘进姿态与分析成形管片隧道位移提供思路。

关键词：地铁盾构隧道设计线路位移控制施工

1引言

隧道施工有许多施工方法，选择合适的隧道施工方法对于安全而且经济地建设隧道是极为重要的。盾构法施工地下隧道具有适应各种地层和不同埋深，对周围环境影响小，施工机械化程度高，掘进速度快，施工安全等优点，尤其适用于城市地下开挖工程。随着盾构技术的日益完善，盾构法在欧、美、日等国家得到了广泛的应用。中国盾构隧道始建于1965年，于北京始建中国第一条地铁。目前，我国亦开始大量采用盾构法施工城市地铁。已建成地铁的城市有：北京、天津、香港、上海、广州，南京、深圳在建，武汉、长春、沈阳、大连、杭州、成都、西安等城市都在准备上马轨道交通。

盾构施工工法目前已日趋成熟，但是盾构隧道发生位移超限的问题依然较为突出，尤其是与有关施工规范（＜地下铁道工程施工及验收规范＞（GB50299－1999））要求的盾构隧道位移存在一定的差距。盾构隧道位移的控制技术是满足建筑限界的关键，从盾构机型、地质条件、盾构姿态、衬背注浆、线路设计方面进行了研究，对于影响盾构隧道位移的因素以及控制隧道位移的措施进行了阐述。

2工程实例

广州地铁三号汉市盾构区间德国维尔特(WIRTH)-砝码通(NFM)Φ6280mm土压平衡式盾构机。盾构机前体直径6280mm，盾构机长9500mm，总重320T，最小转弯半径250m。盾构隧道外径6000mm，内径5400mm，圆形隧道建筑界限为5200mm，盾构隧道衬砌管片厚度300mm，环宽为1500mm。盾构隧道区间多为直线段，左、右各有一个半径R=2000m的大半径的平面曲线段。线路最大坡度为9‰，最小坡度3‰。区间地层由元古界震旦系，中生界侏罗系组成，上覆第四系，主要穿越＜5＞、＜6＞、＜7＞、＜8＞、＜9＞地层。基岩裂隙水，主要赋存于强～中等风化的＜8＞地层基岩裂隙中。

3影响盾构隧道位移的几个因素

3.1盾构机的适应性

盾构机作为盾构施工主体，应合理的进行选型，以适应特定的工程。进行盾构机设计联络时应充分考虑各项因素，尤其是对特急曲线的适应性，以具备很好的可操作性，这对于盾构掘进姿态控制至关重要。盾构机必须与设计线路的净空及线路半径相匹配，但是盾构机尺寸的选择往往又是相互制约与、相互予盾的。偏大的开挖直径有利管片隧道拼装拟合，却意味着多余的开挖方量与同步注浆量，如何寻找一个较好的结合点降低成本是关键。以下是盾构机的几个重要尺寸的选择依据。

3.2盾构机外径

盾构的外径必须根据管片外径，盾尾操作空隙和盾尾壳板厚度确定。盾尾操作空隙应考虑管片的尺寸、隧道的平面线路、蛇形修正、盾尾止水刷安装等因素。

用计算式表示盾构外径，则有下式：

D＝D0+2(X+t)＋γ

式中：D－盾构外径

D0－管片外径

X－盾尾间隙

t－盾尾壳板厚度

γ－管片组装时富裕量一般为20~40mm。参见表1。

盾构机掘进之后，盾尾操作空隙和盾尾壳板厚度之和，作为盾尾空隙保留下来。为了进行保证地层的稳定和沉降，需进行管片壁后注浆进行填充。选择合适的盾构机外径对于降低工程固定成本有一定的影响。

3.3盾构机盾尾间隙

盾尾间隙在盾构机外径中已有考虑。但是管片的拼装部位即为盾尾，

1.盾构在曲线上施工和修正蛇行时必须的最小富裕量（x1）。见示意图1。

x1=δ/2

δ=(R-D 0/2)(1-COS β)=l 2/2(R-D 0/2)

2.管片组装时的富裕量一般为20~40mm 。

式中：D －盾构外径

D 0－管片外径

X －盾尾间隙

x1－最小富裕量

t －盾尾壳板厚度

R －曲线上施工半径

l －盾尾长度

3.4盾构机长度与灵敏度

盾构机应根据围岩条件、隧道线路、盾构型式、铰接的设置形式、管片宽度、K 块的拼装形式等因素确定。一般情况，盾构机本身为直线刚体不能与设计线路完合拟合，盾构掘进后形成的线形为一条边续的折线，盾构机长度越小，线路曲线半径越大，拟合程度越好。盾构机设计长度宜缩短盾构机长度，提高盾构机纠偏的灵敏度，与线路进行拟合程度亦将提高很多。

根据众多现型盾构机尺寸，盾构机外径6m~8m 时，盾构机的长度一般为0.75~1.25倍盾构机外径。

3.5盾构机铰接和仿形刀

为了确保隧道曲线施工时的线路，将盾构本

体分为前体和后体，让盾构机在前体和后体结构

处曲折，在可以减少推进时超挖量的同时产生推

进分力，以易于盾构弯曲。在盾构机的中部增加

铰接装置，即可减少盾构固定段长度。

最小内接半径R min

3.6地质条件的多样性

盾构机与施工半径的关系 图 1

盾构机铰接与曲线半径关系 图2

盾构隧道线路地质条件是隧道工程中不可忽视的。地质条件对于盾构隧道线路的影响主要表现在两方面：一、对于盾构机掘进控制的影响。当盾构机处于连续地层中掘进时，盾构刀盘受力均匀，掘进参数较稳定宜于控制线路轴线。但不可避免的、经常性的处于不均匀地层中。例如：广州地铁三号线汉市盾构区间右线第578环至600环上软下硬地层的地质情况，如图3所示。

盾构机处于上软下硬地层中掘出进

时为了克服下部硬岩阻力，一般要加大

下部千斤顶推力，造成上、下组千斤顶

油压力相差较大。当地层情况变化时或

上、下组千斤顶油压差值控制不好时常

造成盾构机“抬头”，偏离设计线路方向。

二、地层中水土压力及尚未凝固的砂浆

对于盾构管片的位移影响。盾构隧道管片是隧道衬砌的一种形式，在盾构机开挖的空间中属于两端简支的弹簧梁。管片环在自身重力及水土压力作用发生位移，而且这种位移在某些特殊地层、地段的变形量相当可观。

3.7盾构掘进姿态控制的准确性

3.7.1盾构导向系统

盾构机姿态实时正确测定是隧道顺利推进和确保工程质量的前提，其重要性不言而喻。施工中测量盾构机姿态所采用的自动监测系统多采用国外引进的设备，例如德国PPS 导向系统（见图4）。盾构机掘进控制机理为：在安装过程中通过人工测定预先确定好坐标的参考点（9）来定向经纬仪

（1），并将测量基准资料输入系统电脑（2），再通过固定好位置和方向的机动经纬仪（1）自动测量盾构机里面的两块棱镜，确定出经纬仪新的位置，进而得出盾构机姿态。系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态，和

设计轴线进行比较获得偏差信息。

主机（1）定向精度对整个地铁区间

贯通起着决定性的作用，但后视与

主机的定位失误或者掘进过程中主

机与棱镜坐标变动而未及时进行校

核将直接影响主机测量姿态的精度。施工中应经常性校核主机与后视坐标，以保证盾构机姿态信息的可靠性。

3.7.2盾构主推力千斤顶与铰接油缸

典型上软下硬地层剖面图 图3

PPS 自动导向系统图 图 4