矩形盾构隧道纵横径控制及轴线纠偏技术

矩形盾构隧道纵横径控制及轴线纠偏技术

廖一蕾

上海申虹投资发展有限公司 上海 201106

摘要：盾构施工轴线控制受穿越地层参数、成型管片变形及盾构姿态多因素影响，特别是矩形盾构由于身大而平坦更易造成平面上的偏差，且推力难以协调以调整接头方向，因而轴线控制难度大。本文结合上海某地下通道矩形盾构施工实践，针对推进过程中出现的大幅上浮情况，采用纠偏设备改造、推力分配优化，发展矩形盾构管片纵横径控制技术、综合推力及成型管片变形控制，实现对矩形盾构隧道推进轴线的精细化控制。

关键字：矩形盾构；纵横经控制；轴线纠偏

1. 引言

随着城市化进程的加快，城市地面资源日益紧张，地下空间利用得到迅猛发展，盾构也随之广泛应用于各城市地下空间施工。传统盾构断面为圆形，结构受力合理、施工方便，但结构断面利用率低。为节约地下空间资源，提高盾构在狭窄道路、高层建筑及其他地下构筑物间的穿行能力，降低对周边环境影响，矩形盾构应运而生。相较于传统圆形盾构，矩形盾构有效使用面积增大了20%以上，在面积相等的情况下，节省35%以上的地下空间，从而可大大提高空间利用率，减少隧道埋深，降低施工成本。

但矩形盾构断面接近于矩形，无法形成拱效应，管片结构易在水土作用下产生纵向和横向过大变形。同时，矩形盾构因其截面特点，易产生平面偏转，给盾构姿态控制和轴线控制带来更大难度。为此，纵横径控制和轴线纠偏是矩形盾构施工质量控制的两大关键。本文以虹桥商务区核心区某地下通道盾构施工案例为背景，对矩形盾构纵横径控制及轴线纠偏技术展开研究。

2. 工程概况

虹桥商务区核心区与中国博览会会展地下人行通道东段工程（以下简称“东段工程”）是国家会展中心和虹桥商务区间地下人行系统的重要组成部分，全长249m，如图1所示。其中，穿越嘉闵高架段因地下管线众多，管线搬迁成本高且受嘉闵高架桩基间距限制，采用矩形盾构法进行施工。盾构段长度为83.95m，坡度为5‰，隧道内部净空尺寸宽为8.65m，高为3.85m，采用上海市机械施工集团有限公司研发的RS1010-1矩形盾构机进行施工，如图2所示。

图1 东段工程区位图

图2 RS1010-1矩形盾构机示意图

3. 盾构轴线控制与纠偏

推进过程中，矩形盾构盾尾离开加固土、进入原状土后，出现了整体上浮现象，切口与盾尾高程姿态与理论轴线有较大偏差，最大时达到切口+99mm，盾尾+159mm。为将矩形盾构切口及盾尾的水平姿态均控制在允许范围内，通过调节推力分配和设备改造对轴线进行纠偏，最终确保了隧道轴线与设计偏差在规范允许范围。

3.1调节推力分配纠偏

施工中，首先通过等比例调整比例阀推力分配，保证推进方向向下，推力加大至1900T，迫使盾构机向下。而后，降低推进速度，确保盾尾切口不向上变化，但实际施工中效果不明显。

鉴于管片法面始终为下长3~4cm，管片给予盾构机的推进反力为倾斜向上方向。推力与浮力合力，产生向上的分力，导致盾构机切口及盾尾高程随推进均向上变化。因此C区千斤顶推力减至极小，A区推力也同步减小，确保盾构机在推力作用下无法向前掘进。由于单侧受压，在盾构机盾尾下方产生支点，A区推力迫使盾构机绕支点转动，达到切口姿态向下变化的目的。具体措施为：①上排A区千斤顶推理减小至500T。②B区、C区、D区千斤顶推力调整至极小（B：40T、C：18T、D：20T）。③随后逐渐增大各区推力：A（500T→1300T），B（40T→130T），C（18T→60T），D（20T→120T），总推力（650T→1700T）。

3.2设备改造纠偏

为了防止切口与高程姿态随推进进一步增大，将切口环左右两侧泥垫压泥口锥形盖板拆除，改为新的盖板——每个盖板上面均有1个4寸出泥孔及1个1.5寸注水孔，均接对应尺寸球阀。同时，在支撑环下部左、中、右处各开一个4寸孔，接4寸球阀后，使用水管注水冲击支撑环下部土体，搅松后随水排出，达到盾尾高程减小的目的。

4. 矩形盾构管片纵横径控制

为减少矩形盾构管片结构纵横向变形，主要采取如下措施：

1. 拼装拱底块时应控制管片落低；

2. 拼装左下块与右下块邻接块时，应尽量向内拉紧管片，并应复核横径满足设计要求后，方可进行左上及右上块邻接块的拼装。

3. 左上块及右上块邻接块拼装完成后，应再复核一次管片横径，满足设计要求后进行封顶块拼装。

4. 封顶块到位后，测量一次管片纵径，满足设计要求后方可进行螺栓人工拧紧施工。

5. 每块管片拼装时，应满足管片与盾尾间隙为5.5cm。

6. 每块管片调整到位后，方可使用千斤顶顶紧。

7. 在新拼装管片拼装成环后，使用液压扳手拧紧螺栓前，应先测量一次新成环管片的横纵内径，符合设计允许偏差时，可直接进行螺栓拧紧施工。如横纵径不符合设计允许偏差，则形状保持器应前进至如图3位置，顶紧已拼装管片，直至新拼装管片纵径达到设计尺寸，然后才能进行下一步的螺栓拧紧施工。

8. 拼装机抓紧管片就位后，千斤顶油缸伸出顶住管片，然后使用普通扳手适当的拧紧环纵缝螺栓。右下邻接块、左下邻接块紧固纵缝螺栓时，先紧固管片内侧螺栓，再紧固管片外侧螺栓；右上邻接块、左上邻接块紧固纵缝螺栓时，先紧固管片外侧螺栓，再紧固管片内侧螺栓；封顶块紧固纵缝螺栓时，先紧固管片内侧螺栓，再紧固管片内侧螺栓。

9. 每一环管片拼装成环后，应先测量一次新成环管片的横纵内径，满足设计要求后使用液压扳手进行螺栓拧紧。管片纵缝螺栓的拧紧力矩应符合设计要求，为3300N•m。螺栓拧紧施工完成后，再测量一次成环管片的横纵内径，确保管片横纵内径偏差在设计允许范围内，然后进行下一环掘进。

10. 当盾构在推进时，由于油缸的作用力，使相邻管环间发生移位变形，这时应复紧管环的环缝螺栓。

11. 管片出了盾尾后由于管片外围土的压力作用，使管片的径向发生变化，这时应根据监测结果复紧管片间的纵缝螺栓。当管片脱离盾尾7至8环的距离后，再次复紧所有螺栓。

图3 形状保持器使用示意图

经上述措施后，管片横径偏差控制在+20mm以内，纵径偏差为-30mm以内，符合规范要求。

5. 结论

本文以虹桥商务区核心区与中国博览会会展地下人行通道东段工程为背景，针对盾构管片结构在推进过程中出现横纵径变形和轴线偏差情况，研究和优化矩形盾构隧道纵横径控制及轴线纠偏技术并得到如下结论：

（1）通过等比例调整推进千斤顶比例阀推力分配，保证推进方向向下，难以确保盾尾切口不向上变化，从而有效控制上浮发生。

（2）应综合考虑推力及浮力影响，通过盾构分区推力加载，实现盾构姿态的柔性变化。

（3）在推进过程中应有序开展成型管片纵横径测量并进行实时调整，从而有效控制管片纵横径变形。

参考文献：

[1]田海洋,季倩倩,陆雅萍.长距离越江跨海盾构隧道三维轴线控制技术[J].地下空间与工程学报,2011,7(01):121-126+149.

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[1]宋德聪,乐贵平.浅议曲线段盾构施工的轴线控制[J].市政技术,2000(01):38-41.