雙圓盾構(gòu)施工中轉(zhuǎn)角成因及修正措施
　　

【摘　要】　雙圓盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)技術(shù)是一項(xiàng)全新的施工工藝，盾構(gòu)在施工過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角對(duì)施工有著極其重要的影響。通過(guò)施工實(shí)踐，對(duì)其轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的施工對(duì)策進(jìn)行修正，以減少因轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的各種影響。在M8線施工中應(yīng)用了轉(zhuǎn)角修正措施，取得了較好的效果，從而使施工順利進(jìn)行。
【關(guān)鍵詞】雙圓盾構(gòu)　施工技術(shù)　轉(zhuǎn)角　成因　修正措施
　
　　一、工程概況
　　隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵建設(shè)的線路也日益增多。這就對(duì)現(xiàn)今的地鐵施工設(shè)備及其配套的施工工藝提出了更高的要求，為此雙圓盾構(gòu)投入使用也就勢(shì)在必行。
　　雙圓盾構(gòu)在外形上猶如一對(duì)聯(lián)體的普通單圓盾構(gòu)，它能一次推進(jìn)就完成兩條隧道。1981年，日本產(chǎn)生了采用雙圓型盾構(gòu)（DOT）進(jìn)行隧道施工的設(shè)想，1987年，進(jìn)行了橫向二連體雙圓盾構(gòu)的實(shí)地試驗(yàn)，并成功注冊(cè)了DOT工法的專(zhuān)利；1988年，日本進(jìn)行了縱向二連體雙圓盾構(gòu)的實(shí)地試驗(yàn)；1989年，在日本廣島進(jìn)行了世界首臺(tái)雙圓盾構(gòu)工程的施工。
　　上海市軌道交通M8線黃興綠地站～翔殷路站區(qū)間隧道為中國(guó)首條采用雙圓盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的隧道，由上海隧道工程股份有限公司和日本大豐建設(shè)株式會(huì)社組成的聯(lián)營(yíng)體負(fù)責(zé)施工。該區(qū)間隧道從2003年8月8日正式開(kāi)始掘進(jìn)，到2003年12月31日全線貫通。中國(guó)由此成為世界上第二個(gè)使用雙圓盾構(gòu)機(jī)完成隧道掘進(jìn)的國(guó)家。
　　該區(qū)間隧道長(zhǎng)868m，隧道外尺寸為?φ6300mm×10900mm （外徑×寬度），雙線中心間距為4600mm；隧道最大坡度為28‰，最小平曲線半徑為495m，隧道覆土厚5.2～12m。隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，錯(cuò)縫拼裝。每環(huán)襯砌由8塊圓形（A）管片、1塊大海鷗形（B）管片、1塊小海鷗形（C）管片及1塊柱形（D）管片共11塊管片構(gòu)成，管片厚300mm，環(huán)寬1200mm。管片縱、環(huán)向采用螺栓連接，接縫防水均采用遇水膨脹橡膠止水條。

　　二、雙圓盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的控制
　　雙圓盾構(gòu)機(jī)在施工中，諸如盾構(gòu)軸線控制（平面、高程）技術(shù)措施與單圓盾構(gòu)差異不大，但雙圓盾構(gòu)與單圓盾構(gòu)在施工中存在較大差異的是盾構(gòu)機(jī)的偏轉(zhuǎn)。單圓盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，即使發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也不會(huì)直接對(duì)建成的隧道產(chǎn)生影響；但雙圓盾構(gòu)推進(jìn)中，則會(huì)因左右管片的高低差及立柱的傾斜，直接對(duì)建成的隧道軸線產(chǎn)生影響。盾構(gòu)軸線控制（平面、高程）是較為成熟的施工技術(shù)，然而在轉(zhuǎn)角的修正措施上，雙圓盾構(gòu)則是采取了一套特殊的修正措施。
　　1、轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的原因
　　雙圓盾構(gòu)轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的原因可分為內(nèi)因和外因兩部分，內(nèi)因是盾構(gòu)機(jī)本身特性所造成的，外因則是由外部土體條件和施工所引起的。
　　(1)盾構(gòu)機(jī)本體左右差異
　　雙圓盾構(gòu)機(jī)本體左右結(jié)構(gòu)和設(shè)備配置存在一定的差異，例如人行閘的設(shè)置位置、左右拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)不同等，造成盾構(gòu)機(jī)左右重量不均等。
　　(2)盾構(gòu)機(jī)制造精度
　　雙圓盾構(gòu)機(jī)在制造過(guò)程中，若左右外殼體存在扭曲變形，則易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。
　　(3)周?chē)馏w不均勻
　　雙圓盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中，由于土體的不均勻性，使得刀盤(pán)在切削土體時(shí)，左右刀盤(pán)力矩不同，對(duì)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)力矩差，從而使盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)；另外，盾構(gòu)機(jī)所處的土體性質(zhì)不同，地基承載力也不同，也會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)。
　　(4)曲線段施工或糾偏
　　雙圓盾構(gòu)機(jī)在曲線段施工或糾正軸線偏差時(shí)，左右兩側(cè)所受的力和方向會(huì)存在一定的差異，使盾構(gòu)機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；另外，若存在局部超挖現(xiàn)象，也容易造成盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)。
　　2、轉(zhuǎn)角引發(fā)的不利影響
雙圓盾構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，對(duì)盾構(gòu)和管片的姿態(tài)、隧道成型質(zhì)量、地面沉降等都會(huì)造成相當(dāng)大的影響。
　　(1)盾構(gòu)、管片姿態(tài)不良
　　若雙圓盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角達(dá)到0.6°（36′），則其左右高程差就有48mm，而一般地鐵隧道的高程偏差為50mm。因此，一旦形成較大的盾構(gòu)轉(zhuǎn)角，高程就可能超過(guò)設(shè)計(jì)要求。
　　盾構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角后，管片也逐漸發(fā)生相同方向的偏轉(zhuǎn)，從而造成管片姿態(tài)的不良，并且管片偏轉(zhuǎn)的修正比盾構(gòu)機(jī)糾偏更加困難。
　　盾構(gòu)機(jī)與管片相對(duì)轉(zhuǎn)角增大，兩者之間的間隙將變小，管片拼裝難度會(huì)大幅上升。雙圓盾構(gòu)管片拼裝時(shí)，立柱原本就較難拼，若拼裝間隙變小，立柱只能強(qiáng)行插入，極易使管片出現(xiàn)較大程度的碎裂，影響隧道質(zhì)量。
　　(2)地面沉降不易控制
　　雙圓盾構(gòu)在施工中，由于盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)土體與正面地層直接溝通，使盾構(gòu)正面設(shè)定土壓與盾構(gòu)切口處的地層變形關(guān)系更直接。在修正雙圓盾構(gòu)的轉(zhuǎn)角時(shí)，盾構(gòu)左右兩部分的土壓力不同，造成地表的不均勻沉降。另外，為修正盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)，需開(kāi)啟仿形刀對(duì)土體進(jìn)行超挖，由此而形成的建筑空隙，若不及時(shí)注漿充填，就可能形成較大的地面變形。
　　(3)影響盾構(gòu)設(shè)備的使用
　　由于雙圓盾構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，使原本處于相對(duì)合理位置的各種設(shè)備、裝置發(fā)生位置的移動(dòng)，從而導(dǎo)致設(shè)備的不好使用甚至不能使用。例如，盾構(gòu)機(jī)拼裝臺(tái)上的真圓保持器和螺旋機(jī)原本有一定的微小間隙，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)互不影響，但是，當(dāng)轉(zhuǎn)角發(fā)生且長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)得到糾正時(shí)，加上機(jī)器的震動(dòng)，使螺旋機(jī)發(fā)生微小的移位，導(dǎo)致真圓保持器無(wú)移動(dòng)空間。
　　(4)隧道成型質(zhì)量
　　雙圓盾構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，將造成左右隧道的高低差及立柱的傾斜，直接影響建成隧道的受力及質(zhì)量。若雙圓盾構(gòu)機(jī)本身高程控制不佳，加上因轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的高程偏差，就有可能影響到隧道的建筑限界。當(dāng)盾構(gòu)出現(xiàn)轉(zhuǎn)角時(shí)，一般會(huì)開(kāi)啟糾偏轉(zhuǎn)千斤頂，并對(duì)千斤頂進(jìn)行有利于盾構(gòu)糾偏的編組，但是，若千斤頂使用不當(dāng)，則管片容易碎裂。
　　3、盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的修正措施
　　由于雙圓盾構(gòu)的左右刀盤(pán)是逆向轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此，它不能像單圓盾構(gòu)機(jī)那樣通過(guò)用刀盤(pán)正反轉(zhuǎn)來(lái)修正轉(zhuǎn)角，而是采取一套特殊的修正措施。
　　M8線雙圓盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角最大允許值為0.6°（36′），在實(shí)際施工中，一般盾構(gòu)的轉(zhuǎn)角控制范圍為0.3°（18′）。
　　(1)修正偏轉(zhuǎn)千斤頂
　　修正偏轉(zhuǎn)千斤頂本身即為盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂，主要設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)的兩側(cè)。在進(jìn)行偏轉(zhuǎn)修正時(shí)，千斤頂?shù)挠透卓裳貓A周方向進(jìn)行一定量的調(diào)整，從而利用千斤頂推力在圓周方向的分力來(lái)修正偏轉(zhuǎn)（M8線使用的IHI雙圓盾構(gòu)機(jī)，配備了12個(gè)修正偏轉(zhuǎn)千斤頂，左右各6個(gè)，對(duì)稱布置，千斤頂最大偏轉(zhuǎn)角度為1°）。
在使用糾偏千斤頂時(shí)，推進(jìn)千斤頂應(yīng)盡量多開(kāi)（保證管片受糾偏千斤頂沿圓周方向的分力的影響小），并應(yīng)分多次對(duì)糾偏千斤頂進(jìn)行調(diào)整（對(duì)修正盾構(gòu)轉(zhuǎn)角效果明顯）。
　　然而利用偏轉(zhuǎn)修正千斤頂進(jìn)行修正時(shí)，反作用力勢(shì)必對(duì)管片造成反方向旋轉(zhuǎn)，所以，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)修正的方向，在左右線隧道管片上下部位對(duì)角進(jìn)行同步注漿，既能確保盾構(gòu)的修正效果，又使管片的姿態(tài)保持良好；另外，在使用糾偏千斤頂時(shí)，應(yīng)經(jīng)常注意千斤頂偏轉(zhuǎn)位置，防止千斤頂移位影響糾偏效果。總之，修正偏轉(zhuǎn)千斤頂?shù)氖褂脩?yīng)慎重，以免對(duì)隧道成型質(zhì)量造成不良影響。
　　(2)千斤頂編組
　　由于雙圓盾構(gòu)寬度較大，在滿足盾構(gòu)姿態(tài)（平面和高程）的前提下，采用不同的千斤頂?shù)木幗M形式能一定程度上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的修正。例如盾構(gòu)機(jī)發(fā)生右轉(zhuǎn)時(shí)（順時(shí)針轉(zhuǎn)向），盡量多開(kāi)啟左邊上部千斤頂和右邊下部千斤頂，以達(dá)到修正的目的，但應(yīng)避免引起管片碎裂。
　　(3)仿形刀超挖
　　利用仿形刀對(duì)相應(yīng)部位的超挖，可改變盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)方向。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)左轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)啟仿形刀，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的左上部和右下部進(jìn)行超挖（見(jiàn)圖1），產(chǎn)生一定的施工空隙，利于盾構(gòu)機(jī)修正偏轉(zhuǎn)。在使用仿形刀時(shí)，應(yīng)根據(jù)超挖量，相應(yīng)增加同步注漿量。

圖1　仿形刀超挖示意圖
　　(4)控制出土量
　　利用左、右螺旋機(jī)的出土量不同達(dá)到控制盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的目的。在保證盾構(gòu)切口處的地面不受影響的前提下，通過(guò)擴(kuò)大左右螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速的差距來(lái)調(diào)節(jié)左、右螺旋機(jī)的出土量。盾構(gòu)機(jī)高程較高的一側(cè)，出土量應(yīng)相應(yīng)多一些。
　　根據(jù)M8線雙圓盾構(gòu)工程的施工經(jīng)驗(yàn)，要使盾構(gòu)左轉(zhuǎn)，在左邊多出土同時(shí)，左下部以及右上部配合進(jìn)行仿形刀超挖。
　　(5)單側(cè)壓重
　　盾構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，在盾構(gòu)高程較大的一側(cè)加壓管片或鉛塊等重物，使盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)（若管片姿態(tài)不好，也可在單側(cè)隧道加壓管片，實(shí)現(xiàn)管片的旋轉(zhuǎn)），此法簡(jiǎn)單、實(shí)用。
　　(6)刀盤(pán)轉(zhuǎn)向
　　盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，由于土質(zhì)不同，左右刀盤(pán)力矩大小就不同，由此對(duì)盾構(gòu)機(jī)造成的偏轉(zhuǎn)影響也不同。因此，可結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的偏轉(zhuǎn)方向，通過(guò)改變刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到修正偏轉(zhuǎn)的目的。

　　三、修正措施使用實(shí)效
　　在實(shí)際施工中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況（結(jié)合土質(zhì)等條件），單項(xiàng)或組合使用盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的修正措施。如M8線110環(huán)～131環(huán)基本上處于④號(hào)灰色淤泥質(zhì)粘土中，110環(huán)的轉(zhuǎn)角為-12′（盾構(gòu)向左轉(zhuǎn)時(shí)角度定為負(fù)值），在推進(jìn)過(guò)程中，糾偏千斤頂一直處于糾偏狀態(tài)，同時(shí)千斤頂?shù)木幗M由兩邊腰部千斤頂對(duì)稱開(kāi)啟逐漸變?yōu)樽笙潞陀疑锨Ы镯旈_(kāi)啟，盾構(gòu)機(jī)推到131環(huán)時(shí)，其轉(zhuǎn)角為0（見(jiàn)圖2）。采用糾偏千斤頂以及千斤頂?shù)木幗M取得減小盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的效果。

　　又如在推進(jìn)402環(huán)～440環(huán) （402環(huán)的轉(zhuǎn)角為21′）時(shí)，盾構(gòu)基本上處于④號(hào)灰色淤泥質(zhì)粘土中，糾偏千斤頂處于糾偏狀態(tài)，在推進(jìn)至415環(huán)后，發(fā)現(xiàn)管片出現(xiàn)碎裂，于是改變盾構(gòu)千斤頂編組，并采用左側(cè)多出土的方式進(jìn)行糾偏（即左側(cè)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速大于右側(cè)），達(dá)到修正盾構(gòu)轉(zhuǎn)角的效果，見(jiàn)圖3。

　　
　　再如，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)600環(huán)～650環(huán)（600環(huán)的轉(zhuǎn)角為-18′）時(shí)，處于②3-1、②3-2和④號(hào)混合土體中，此時(shí)，糾偏千斤頂全部開(kāi)啟、盾構(gòu)千斤頂?shù)木幗M為右上和左下千斤頂開(kāi)啟、右側(cè)出土量大于左側(cè)，并在盾構(gòu)機(jī)右側(cè)懸吊管片，進(jìn)行單側(cè)壓重，在盾構(gòu)推到636環(huán)時(shí)，又在盾構(gòu)右側(cè)加壓4t的重物，在多種措施的綜合作用下，盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)得到修正，見(jiàn)圖4。

　　綜上所述，在土質(zhì)較好的情況下，采用少數(shù)幾種修正措施即可達(dá)到糾偏效果。但若遇到土質(zhì)條件較差的時(shí)候，必須綜合使用多種，甚至所有的修正措施才能達(dá)到糾偏的目的。但在使用有一定副作用的修正措施時(shí)，必須配備相應(yīng)的輔助手段來(lái)消除不良影響。
　　在盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)微小偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)采用一些簡(jiǎn)單、易行且副作用較小的措施（例如改變刀盤(pán)的轉(zhuǎn)向、單側(cè)懸吊管片等）加以控制，使轉(zhuǎn)角始終控制在一定范圍內(nèi)，否則一旦轉(zhuǎn)角形成趨勢(shì)，在巨大慣性的作用下，就很難在短時(shí)間內(nèi)得以糾正。

　　四、結(jié)束語(yǔ)
　　雙圓盾構(gòu)（DOT）施工法能代替以往地鐵隧道和地下高速公路等一直使用的大斷面圓形盾構(gòu)構(gòu)筑的復(fù)線（雙向）隧道及兩單圓形盾構(gòu)構(gòu)筑的雙向（單向）隧道。DOT工法自問(wèn)世以來(lái)，由于其大幅提高施工效率、有效節(jié)約地下資源、減少對(duì)周邊環(huán)境的影響、降低工程造價(jià)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已逐漸在地鐵、市政、能源等工程建設(shè)中得到更廣泛的應(yīng)用。
　　M8線是中國(guó)首條采用雙圓盾構(gòu)施工的隧道，由于該工法在中國(guó)還剛剛起步，有些技術(shù)尚不成熟、不完善，雖已初步掌握了盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)角的修正措施，隧道的施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，但雙圓盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)技術(shù)是一項(xiàng)全新的施工工藝，與單圓盾構(gòu)施工有一定的差異，在今后的施工實(shí)踐中，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析原因、制定對(duì)策、解決問(wèn)題、積累經(jīng)驗(yàn)，切實(shí)掌握一套行之有效的修正措施，提升雙圓盾構(gòu)的施工技術(shù)水平。

文章出處：《上海隧道》2004年第3期