上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通12號線26標段復興島站—利津路站區(qū)間存在多區(qū)段長距離轉(zhuǎn)彎半徑不大于350 m的小半徑曲線段，圓曲線段隧道縱坡為3％，曲線段隧道覆土深度由淺至深逐漸達到36 m，盾構(gòu)穿越的主要土層為⑥層硬土層，⑦1、⑦2層砂性土承壓含水層。

2 超深覆土下盾構(gòu)小半徑推進施工難點[1-4]

2.1 總推力計算分析

以復興島站—利津路站區(qū)間隧道為例，隧道最大覆土深度約為36 m，隧道最大中心埋深約為39 m，該位置理論土壓力約為0.5 MPa。以盾構(gòu)機位于該深度為計算模型計算總推力。

盾構(gòu)機總推力由盾構(gòu)外壁周邊與土體之間的摩阻力或粘結(jié)阻力、切口環(huán)貫入阻力、工作面正面阻力、管片與盾尾之間的摩擦力、后方臺車牽引阻力等5 個部分組成。

通過對盾構(gòu)總推力各組成部分進行計算，可以得知當隧道覆土達到30～36 m時，盾構(gòu)機總推力約40 000 kN。其中，正面阻力占44％，側(cè)摩阻力占50％，與常規(guī)覆土深度盾構(gòu)推進總推力相比較，由于覆土厚度的增加，側(cè)摩阻力增長較大。

通過對正面阻力進行計算分析，土壓力每上升0.1 MPa，總推力僅增加3 000 kN，故如因為超深覆土總推力過大而降低正面土壓力，以此來降低總推力，效果十分有限，且容易引起盾構(gòu)姿態(tài)的惡化。

故盾構(gòu)機在考慮減小總推力的措施時，應(yīng)重點考慮減小側(cè)摩阻力的措施。

2.2 難點分析

本工程所選用的盾構(gòu)機為Φ6 360 mm石川島，專門針對超深覆土隧道施工設(shè)計制造，盾構(gòu)機設(shè)計階段已考慮到超深覆土工況下總推力過大的情況，將單個千斤頂?shù)耐屏某Ｒ?guī)的2 000 kN提高到3 000 kN，共有16 個千斤頂，總推力達到48 000 kN。

但是在實際施工中，總推力仍舊達到設(shè)計總推力的83.3％，導致盾構(gòu)機在小半徑曲線段通過油壓糾偏時千斤頂總推力不足，出現(xiàn)區(qū)域油壓并壓的情況，影響盾構(gòu)機的糾偏能力。

若長期連續(xù)多環(huán)出現(xiàn)上述情況，會導致隧道實際軸線偏離設(shè)計軸線，影響成型隧道的質(zhì)量。

3 小半徑轉(zhuǎn)彎糾偏量計算[5-8]

盾構(gòu)機在圓曲線段施工時，對圓曲線段長度進行幾何分析。圓曲線段由每段長度為1.2 m的弧長組成，即盾構(gòu)機每推進1 環(huán)長度為1.2 m。每完成1 環(huán)后，盾構(gòu)方位角發(fā)生變化，如圖1所示。

故盾構(gòu)機每一環(huán)的糾偏角度即為方位角J與方位角I的夾角θ。通過計算得到盾構(gòu)機每環(huán)糾偏角度，利用三角函數(shù)關(guān)系可以計算得到盾構(gòu)機推進每一環(huán)的左、右千斤頂伸出行程差（圖2）。

圖1 每環(huán)糾偏量計算

圖2 每環(huán)糾偏量計算

小半徑圓曲線段盾構(gòu)機糾偏量計算結(jié)果見表1。

表1 小半徑圓曲線段盾構(gòu)機糾偏量計算表

4 盾構(gòu)機糾偏方法

4.1 合理設(shè)定千斤頂分區(qū)

本工程所使用盾構(gòu)機總推力48 000 kN，共有16 個千斤頂，劃分為4 個區(qū)域，上區(qū)5個千斤頂、下區(qū)5 個千斤頂、左區(qū)3 個千斤頂、右區(qū)3 個千斤頂。上、下區(qū)總推力均為15 000 kN，左、右區(qū)總推力均為9 000 kN。

根據(jù)上一節(jié)糾偏量計算，小半徑轉(zhuǎn)彎施工時，盾構(gòu)機左、右區(qū)千斤頂每一環(huán)必須拉出一定行程差，方可確保盾構(gòu)機前行在設(shè)計軸線上。根據(jù)原有分區(qū)，左、右區(qū)千斤頂推力遠遠小于上、下區(qū)千斤頂推力，盾構(gòu)機左、右轉(zhuǎn)彎的靈活性不足，往往無法推出要求的行程差，導致隧道軸線超出規(guī)范要求。

為滿足盾構(gòu)機左、右小半徑轉(zhuǎn)彎的需求，千斤頂分區(qū)需重新調(diào)整，如圖3所示?？紤]到盾構(gòu)自重影響，下區(qū)千斤頂推力應(yīng)大于上區(qū)千斤頂壓力，故將上區(qū)2 個千斤頂分別調(diào)整至左、右區(qū)。上區(qū)總推力調(diào)整為9 000 kN，左、右區(qū)總推力分別調(diào)整為12 000 kN，盾構(gòu)機左、右轉(zhuǎn)彎靈活度大大增加。

圖3 千斤頂分區(qū)調(diào)整示意

4.2 區(qū)域油壓糾偏方法

經(jīng)過計算，盾構(gòu)機在本工程工況下總推力將達到40 000 kN，在采取一系列減小總推力的措施后，總推力可降至30 000 kN，為額定總推力的62.5％，盾構(gòu)機有一定余力進行分區(qū)油壓調(diào)節(jié)和糾偏操作。但是，設(shè)定分區(qū)油壓時，如若設(shè)定不當，仍舊會出現(xiàn)并壓狀況，這就要求在設(shè)定調(diào)節(jié)分區(qū)油壓時，必須更加精細化，確保在能推動盾構(gòu)機的同時，能夠滿足小半徑轉(zhuǎn)彎時每環(huán)的糾偏量。

在進行油壓設(shè)定時，應(yīng)嚴格按照理論計算的總推力進行設(shè)定，并形成一套設(shè)定、調(diào)整的流程，以本工程總推力30 000 kN、左轉(zhuǎn)彎圓曲線段為例：

（a）在小半徑轉(zhuǎn)彎施工時，盾構(gòu)機以左右糾偏為主，應(yīng)先調(diào)整左右油壓。極限狀態(tài)下，右區(qū)油壓設(shè)為30 MPa，左區(qū)油壓設(shè)定為10 MPa，千斤頂額定油壓為34.3 MPa，單個千斤頂最大推力3 000 kN。根據(jù)千斤頂壓力換算，右區(qū)推力為10 496 kN，左區(qū)推力為3 499 kN。

（b）左、右區(qū)千斤頂壓力設(shè)置完成后，對上、下區(qū)千斤頂壓力進行設(shè)置，結(jié)合左、右區(qū)的推力計算，上、下區(qū)總推力需達到16 006 kN后，方可滿足推動盾構(gòu)機的條件。

為避免因盾構(gòu)機自重導致磕頭，在上、下區(qū)千斤頂壓力設(shè)置時，一般下區(qū)推力大于上區(qū)推力，下區(qū)壓力設(shè)置區(qū)間為20～26 MPa，再反算得到上區(qū)壓力，如表2所示。

每次設(shè)置、調(diào)整千斤頂壓力時，根據(jù)糾偏需要確定3 個分區(qū)壓力后，可計算得到第4個分區(qū)的壓力，可確?？偼屏M足要求，有效避免并壓的情況。

表2 上、下區(qū)千斤頂壓力設(shè)置表

4.3 停千斤頂糾偏方法

當盾構(gòu)機總推力繼續(xù)增大后，通過區(qū)域油壓調(diào)節(jié)時如若部分分區(qū)壓力小于5 MPa，即無法滿足總推力的要求時，千斤頂實際未產(chǎn)生推力，此時可選擇采用暫停部分千斤頂、其余千斤頂壓力全部釋放的方式進行糾偏，能夠達到立竿見影的效果，以右轉(zhuǎn)彎為例，通過將右上區(qū)域5 個千斤頂暫停，把盾構(gòu)機的推力中心調(diào)整至左下方，可以達到保證盾構(gòu)機在不磕頭的情況下，使盾構(gòu)機向右轉(zhuǎn)彎（圖4）。在該工況下，共有11 個千斤頂為工作狀態(tài)，在每個千斤頂都能達到額定推力的情況下，此時盾構(gòu)機總推力可達到33 000 kN。

圖4 暫停部分千斤頂示意

5 管片貼片計算

在盾構(gòu)小半徑轉(zhuǎn)彎施工中，由于盾構(gòu)機左、右區(qū)千斤頂推力的設(shè)定差異大，造成管片左、右段受力不一致。例如在右轉(zhuǎn)彎時，管片左端受到的推力遠遠大于右端所受到的推力，不均勻的受力會使得管片軸線逐漸偏向圓弧外側(cè)，漸漸跟不上設(shè)計軸線，同時盾構(gòu)機在持續(xù)糾偏的情況下，盾構(gòu)機左右行程差越拉越大，盾構(gòu)機與管片夾角也會越來越大，極易引發(fā)盾尾間隙過小、外弧面碎裂等一系列質(zhì)量問題。

所以在小半徑轉(zhuǎn)彎施工時，在盾構(gòu)機糾偏的同時，同樣需考慮管片的糾偏，通過貼片使管片的軸線接近設(shè)計軸線。我們通過分析設(shè)計軸線、盾構(gòu)機、管片三者的相對關(guān)系，來確定合理的貼片方式。

（a）第一步，分析設(shè)計軸線與盾構(gòu)機的相對位置關(guān)系，通過每一環(huán)的盾構(gòu)姿態(tài)測量數(shù)據(jù)來計算：設(shè)計軸線與盾構(gòu)機夾角X‰=（切口左右偏差－盾尾左右偏差）/盾構(gòu)機長度；

（b）第二步，分析盾構(gòu)機與管片的相對位置關(guān)系，通過左、右千斤頂推進時的行程差進行計算：盾構(gòu)機與管片夾角Y‰=行程差/管片直徑；

（c）第三步，計算設(shè)計軸線與管片的相對位置關(guān)系：設(shè)計軸線與管片夾角Z‰=X‰+Y‰。

我們需要通過在管片上貼片使端面成為楔形來減小設(shè)計軸線與管片間的夾角，通常采用厚4 mm或5 mm的貼片。每環(huán)糾偏角度（‰）=貼片厚度/管片直徑。通過分析設(shè)計軸線與管片的夾角以及貼片后每環(huán)糾偏角度，確定管片糾偏貼片方式，確定貼片環(huán)數(shù)時需考慮貼片材料在承受千斤頂推力時的壓縮量。

6 結(jié)語

針對超深覆土條件下的小半徑盾構(gòu)推進施工，形成了一套調(diào)整千斤頂區(qū)域壓力的計算方法。通過對總推力及4 個分區(qū)千斤頂壓力的計算，可確定在不同土層、不同總推力的工況下最合理的區(qū)域壓力設(shè)定值，并判斷是否需要暫停部分千斤頂運作，為施工人員進行盾構(gòu)機糾偏提供了理論依據(jù)。

對于小半徑轉(zhuǎn)彎時的管片糾偏，形成一套管片貼片計算方法，通過對設(shè)計軸線、盾構(gòu)軸線、管片軸線三者相對關(guān)系的計算，合理確定每環(huán)管片的貼片厚度，防止小半徑轉(zhuǎn)彎時隧道偏移。