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第十四届中国盾构TBM工程风险管控与刀具应用创新观摩大会 2020-12-16
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地铁隧道盾构法施工轴线偏差分析及控制

时间:2012年05月31日来源:本站原创 作者:ice-edu 点击:
 

地铁隧道盾构法施工轴线偏差分析及控制
Subway tunnel shield construction axis deviation analysis and control

任国青
Ren Guoqing
中铁十三局集团第二工程有限公司  广东  深圳  518083
No.2 Branch of China Railway 13th Bureau Group , Shenzhen, Guangdong, 518083
摘  要  从地铁盾构法施工全过程分析隧道轴线偏差的来源,提出了对隧道轴线偏差的控制措施,可供地铁隧道盾构法施工轴线偏差控制参照。

Abstract: From the subway shield construction process analysis of tunnel axis deviation source,proposed to the tunnel axis deviation control measures,for the subway by shield tunneling axis deviation control reference。
关键词  地铁隧道  盾构法 轴线偏差 分析 控制
Key Words: Subway tunnel  Shield method   Axis deviation  analysis  control
1 引言
      随着我国城市化进程的飞速发展,为缓解大城市城区交通压力而开展的地铁建设中,区间隧道盾构法施工具有机械化、自动化程度高、进度快、经济合理,并且对地层的适应性强等优点,已被大多数城市地铁工程采用。盾构机沿设计线路方向掘进、管片安装到管片背后注浆的过程中,会出现盾构轴线偏离甚至超出规范规定,而不得不通过调整线路各要素或牺牲机电安装设备尺寸来解决。盾构法施工对隧道轴线位置偏离的影响因素比较多,现从施工全过程影响隧道轴线偏差的因素分析着手,阐述隧道轴线控制方法。
2 盾构法隧道轴线偏差的来源
      盾构法隧道轴线偏差来源首先是各阶段的施工测量,其次是盾构掘进过程的控制,第三是管片拼装后由于各种因素引起的隧道变形,因此盾构法隧道轴线偏差应主要包括测量偏差、施工偏差、变形偏差等。
2.1 各阶段测量误差导致隧道轴线偏差分析
      盾构法施工测量工作主要有:①地面控制网测量、②盾构机始发和到达竖井联系测量、③地下导线测量、④盾构机姿态测量、⑤管片姿态测量、⑥贯通测量。地面控制网的布设及其精度是精确测定区间两端洞门中心坐标和始发基线方位的依据;盾构机始发和到达竖井联系测量是使地下控制和地面控制建立统一几何系统联系的方法,从而确定盾构始发基线方位及其坐标和地下水准点;地下导线测量是通过设立支导线指示盾构机掘进方向的依据。地面控制测量的误差容易控制,竖井联系测量和地下导线测量误差较难控制,此三部分测量所产生的误差会导致盾构机掘进方向存在偏差。
盾构机姿态测量是控制和调整盾构机沿设计线路掘进,合理选择下一环管片类型的关键,盾构机姿态测量包括俯仰角、滚动角、平面和高程偏离值以及切口里程等,盾构机姿态测量目前多为自动导向系统测量为主、人工测量为辅,但是由于指引盾构机掘进的全站仪要频繁移站等原因,盾构机姿态测量结果会给掘进带来一定误差影响;管片拼装完成后由于千斤顶推力、盾尾作用、注浆压力等原因管片不会停留在拼装位置,测量拖出盾尾和稳固的管片对后续掘进有很强指导作用,管片姿态测量包括管片中心的平面、高程偏离值和管片前沿里程等,管片姿态测量因也是盾构姿态测量后系统软件推导出来的结果,同样有偏差影响。
      贯通测量是在区间隧道全部贯通后,采用全区段相邻竖井控制点数据进行联测平差出来后的数据,再次对隧道进行全面的轴线位置等的测量工作,此阶段隧道已经稳定,所测量出来的隧道位置既是最终结果。
2.2 掘进施工导致隧道轴线偏差分析
(1)盾构机始发掘进过程影响隧道轴线偏差因素。
    盾构机始发时受特定条件限制,影响因素有:①依据始发位置线路设计情况采用的始发方式,在直线段比较容易控制,若在曲线段因在盾构机主机全部进入加固区前不能调向,所以应以车站预留洞门实测中心为始发原点,并与洞内15m处的隧道设计中心的连线为第—条盾构机始发轴心(割线),与洞门处线路中线的切线为第二始发轴心线,将两线延长至反力架处确定反力的轴线,再比较两轴心线与隧道设计轴心的偏差大小而定取舍。②盾构机在始发托架就位+防滚动块焊接后,从理论上就限制了盾构机五个自由度,只允许盾体沿托架导轨前行(第6个自由度),因此,盾体在托架上的掘进方向是固定的,影响隧道轴线偏差受托架、反力架制造和安装精度控制。③盾构机始发端头位置一般都需要进行加固,盾构机从始发托架推进到加固区、再由加固区推进到一般地段,地层刚度发生很大变化,且该阶段盾构机不能调向,盾体虽然脱离始发托架,但负环管片还是支垫在托架导轨上,极不稳定,尤其是0环和1环管片背后填充浆液还未凝固,负环管片难以承受调向掘进偏心推力,若负环失稳,调向不堪设想。稳妥做法是当0环和1环管背浆液凝固再调向掘进,这是前面取洞内15m为割线另—点的原因。另外,盾构机与托架、盾构机与加固区地层间摩擦力较小,受掘进推力和刀盘转速影响,盾构机易发生旋转姿态控制比较困难,导致隧道轴线存在偏差。
(2)盾构机掘进过程影响隧道轴线偏差因素。
盾构机在掘进过程中,理论上沿隧道设计中心线掘进,但由于地质条件变化和掘进参数变化,盾构机会出现“蛇形”推进状态,管片既便在盾尾内拼装正确,但管片脱离尾后,由于管片背后间隙未及时填充或填充浆液初凝时间长等原因,管片会上浮或偏离,从而造成隧道轴线偏差。
管片选型、拼装也是影响隧道轴线偏差的主要因素,管片的选型和拼装既要满足适合设计线路状态,又要适应盾构姿态和盾尾间隙,尤其在盾构机姿态不良、盾尾间隙较差的情况下,管片选型、拼装不当会加重影响隧道轴线偏差。
(3)盾构机到达段掘进影响隧道轴线偏差因素。
盾构机到达段掘进时,由于距离前方接收井已经很近,也就是说纠偏的机会及距离都比较少,存在需要进行急纠偏的现象,急纠偏容易造隧道轴线偏差。盾构机在到达时,由于前方阻力减小,掘进参数控制不当,尤其刀盘转速和推进油缸控制不当会将管片推偏,影响隧道轴线偏差。
2.3 隧道变形导致隧道轴线偏差分析
       隧道变形主要有管片变形、上浮两大因素。
管片变形为底部向上浮动、顶部向下压、在管片的腰部管片出现外扩、和相邻管片产生错台。管片变形因素有:①盾尾同步注浆量不足、压力分配不均匀和浆液初凝时间长。②盾构机掘进姿态控制不当。掘进中为控制好成型隧道轴线,即管片与盾构机基本保持同心,但在实际施工“蛇形”过程中,盾构机推力的分力作用会引起管片产生变形的趋势。同时推进过程是不断纠偏的过程,尤其是在转弯、竖曲线段和纠偏量较大时,盾构机一推进,就会造成管片被挤压变形,甚至造成管片破损。③后期注浆压力控制不当。管片背后同步注浆不足,或为控制地表沉降,一般采用在洞内通过预留注浆孔进行补充注浆,因补充注浆量不易事先确定,一般采用注浆压力控制,注浆时压力过大容易将单块管片挤压造成变形,和相邻管片产生较大错台。
       盾构隧道管片上浮产生的原因主要有:①当管片脱离盾尾约束,若上方浆液尚未填满或浆液未能达到一定的强度,此时地下水、注浆浆液等浆液包裹管片产生的上浮力大于管片自重,管片会产生上浮现象;②伴随管片背后注浆施工过程,由于浆液种类、配合比、注浆压力、注浆位置等都会对管片上浮产生一定的影响。
3 盾构法隧道轴线偏差控制
    针对以上各种导致隧道轴线偏差因素的分析,控制隧道最终轴线偏差应从施工测量、施工过程控制、隧道变形控制等方面入手。
3.1 隧道施工测量控制
(1)降低地面控制测量、竖井联系测量、地下导线测量误差,可通过采用合适的测量方案、先进的测量仪器提高测量精度解决,从而提高隧道轴线控制精度。
(2)盾构机姿态测量控制,首先在始发前要对盾构机姿态位置准确测量、精确定位,确保盾构机掘进轴线沿隧道设计中心线行走;其次严格控制掘进过程中全站仪位置精确度,严禁全站仪由于隧道注浆等原因导致移动,同时全站仪移站要及时、数据更新准确,确保指引的方向偏差可控;第三盾构机推进过程中,坚持一定周期对盾构机姿态进行人工测量,以校核盾构机自动测量系统的精度;第四在盾构机较长时间停机重新启动前,必须进行人工姿态测量,核实盾构机位置是否移动。
(3)管片姿态测量,管片由于千斤顶的推力不均可能产生朝向推力较大一侧的变形,在盾尾内管片由于与盾尾间隙及盾尾走向的不同,会被盾尾拖拉变形,管片离开盾尾后同步注浆浆液压力会对其产生上浮力作用,同步浆液固结收缩会引起管片下沉,后期管片背后注浆会引起管片局部块变位等,因此需要对刚脱出盾尾管片及已经稳固后的管片进行姿态测量,查找变化规律、对比与线路设计轴线偏差,指导盾构掘进姿态、背后注浆等施工,从而控制成型隧道轴线偏差可控。
(4)贯通测量后的资料,可以作为分析最终隧道位置结果与过程控制比较资料,指导后续施工控制隧道轴线偏差具有一定的意义。
3.2隧道施工过程控制
(1)盾构机始发掘进过程控制。
①依据始发位置线路设计情况采用合理的始发方式,若在曲线段无论采用切线或割线始发,均应结合盾构机本身尺寸、线路要素大小进行准确计算和模拟分析,根据计算和分析判定始发方式,对于小半径曲线始发条件,甚至需要局部做出有限超限的选择,达到控制盾构机完全进入地层后能够顺利调整回到线路设计中心线位置。②在安装反力架和始发托架时,应控制盾构机中心线的平面位置、高程和坡度与隧道设计轴线和坡度保持一致,考虑到盾体离开托架可能叩头和隧道后期沉降因素,盾构机中心轴线要比设计轴线抬高10mm~20mm,托架左右偏差控制在10mm以内;反力架和始发托架整体刚度一定要足够,防止盾构机推进时反力架变形、托架变位导致盾构姿态难以控制影响到隧道轴线的偏差;③对于盾构机离开加固区推进到一般地段,要及时调整推进千斤顶推力,防止盾构机低头。
(2)盾构机正常掘进过程控制。
为保证盾构机掘进有良好的姿态,蛇行曲线要不断修正以接近隧道设计轴线,首先在掘进中要时刻注意地质条件变化,分析判断在哪个位置可能会出现引起偏差问题,提前做好盾构机姿态、参数调整的准备。其次,在推进过程中必须每天进行管片测量,及时计算出管片位移变化规律,判断后续掘进可能的偏差趋势,采取及时、连续、缓慢的纠偏措施。第三,严格进行盾构机在纵坡线形和平面线形的控制。在竖曲线段(或变坡段)推进,根据竖曲线要素,将竖曲线进行分段管理,在每段上盾构机采用不同的坡度推进,使隧道中心线尽可能逼近隧道理论曲线的线形。在纵坡恒定段推进,尽量控制盾构机推进轴线和隧道轴线线形保持一致。盾构机推进平面线形控制一般用左右侧千斤顶的推力或行程差来控制,当盾构机首尾位于隧道轴线同侧,并盾构切口偏离轴线的数值小于盾尾时,说明盾构机运动轨迹有渐进设计轴线的趋势,此时可保持原有姿态推进,反之应逐步进行纠偏处理。在直线段纠偏时,应选取盾构机当前位置点与隧道设计轴线上远方的一点做一直线;在掘进曲线段纠偏时,应选取盾构机当前位置点与隧道设计轴线上远方一点的连线同设计的曲线相切,然后再以这条新线为基线进行线路管理,避免强纠偏带来新的偏差。
管片选型既要适合设计线路,又要适应盾构机姿态和盾尾间隙,在实际拼装过程中,特别是曲线段,管片的拼装点位决定了调向中不同方向的偏移量。一定要根据线路方向、盾尾间隙、推进和铰接油缸的差值等进行综合考虑,精确计算每一环的调整量,选择适当的管片拼装点位,给下一环推进提供良好的姿态和降低盾尾对刚拼装完管片的影响。
(3)盾构机到达段掘进过程控制。
首先,要系统地对洞内控制点进行精确复测,确保盾构机到达位置准确,同时将盾构机姿态调整到最佳状态,尽量减少在到达段纠偏,确保盾构机顺利到达。其次,严格控制掘进参数、观察盾构机姿态,逐渐减小千斤顶的推力、降低刀盘转速和推进速度。
3.3 盾构法隧道变形控制
控制管片变形、上浮主要采用以下控制措施。
(1)规范管片拼装。拼装前清理干净拼装位置底部的渣土,防止拼装过程中两环管片之间夹有渣土等杂物。拼装过程中保证管片块与块之间的平顺度。推进油缸的伸缩顺序与管片拼装顺序一致,同一块上对应油缸应同时收缩或伸出。封顶块安装前,应实测并确保顶部两邻接块的间距。竖曲线段掘进时,在安装底部块时根据实际情况予以落低或抬高,减少管片“卡壳”现象。调整管片相邻面粘贴的软木衬垫,以改善管片之间的受力情况。复紧管片间的连接螺栓,减小管片与螺栓间的自由活动空间。
(2)选择合适注浆浆液配比,严格控制注浆量和注浆压力。
根据不同地质条件配置不同的浆液配比,选择合适的同步注浆浆液稠度,在富水地层适当缩短浆液的凝固时间、增加浆液的强度。选择合适的注浆参数,严格控制注浆量和注浆压力,控制注浆时间,在每环注浆过程中要始终保持注浆压力均衡,保持所有同步注浆管道畅通,注浆量根据地层情况确定,保持到最佳扩散系数数量。控制注浆压力在理论计算范围内,要控制注浆压力过高,不能采用通过提高注浆压力来改善注浆加固效果,防止因注浆压力增大引起管片上浮或变形。同步注浆浆液不能将管片上方完全填充密实时,需要对管片周边土体进行注浆加固,可通过管片上预留注浆孔进行注浆,快速进行填充。
(3)控制盾构机姿态及参数防止管片变形。
掘进时不要频繁进行纠偏,发现偏差时应逐步纠正,避免纠偏过急造成管片受力严重不均导致变形或破损,应保持每环一定的纠偏控制量,通过连续几环进行纠正。根据管片姿态测量得到的隧道上浮情况,在推进过程中将盾构机轴线高程降至设计轴线以下一定数值,用此来抵消管片衬砌后的上浮量,可以有效控制隧道的轴线。
4 结束语
      盾构法隧道施工引起隧道轴线偏差的原因比较多,一方面不同的误差来源对隧道轴线偏差的影响各不相同,另一方面随着施工过程条件的改变,各种误差影响随之发生变化,需要根据既有的盾构机工况、工程地质条件、线路设计要素、施工条件,选择不同的方法、仪器,制定不同的技术方案。在施工过程中以掘进线形管理为基准,可以显著地改变偏差来源对隧道轴线偏差的影响,提高成型隧道质量。


参考文献
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2.张凤祥,朱合华,傅德明. 盾构遂道.第1版.北京,人民交通出版社,2004年9月,787~791
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4.杨书江,孙谋,洪开荣.富水砂卵石地层盾构施工技术.第1版.北京,人民交通出版社,2009年5月,104~116
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