楊 洋，繆春遠，李敬余，劉家順，鄭智勇，劉頁龍

（1.中鐵九局集團第四工程有限公司，遼寧 沈陽 110013；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著地鐵工程的不斷修建，城市地鐵建設(shè)網(wǎng)絡(luò)越發(fā)密集，地鐵施工過程引起的地層損失將破壞隧道周圍土體原有的平衡狀態(tài)，其影響范圍內(nèi)土層應(yīng)力損失，誘發(fā)地表沉降，甚至?xí){上部建筑物或構(gòu)筑物的安全。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的越發(fā)密集，盾構(gòu)近距離下穿建、構(gòu)筑物的情況將逐漸增多，盾構(gòu)施工面臨的技術(shù)問題，特別是圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)合理確定成為盾構(gòu)施工必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題[1-2]。

圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)合理確定已成為國內(nèi)外工程建設(shè)者關(guān)注的重點問題[3]。羅錫波等[4]以成都9 號線盾構(gòu)區(qū)間隧道為例，研究了區(qū)間坡型對盾構(gòu)開挖過程中掘進推力、掘進速度、土倉壓力和刀盤扭矩的影響，并對富水砂卵石地層條件下盾構(gòu)施工掘進參數(shù)進行優(yōu)化，為類似工程提供了一定的參考；王海成[5]闡述了盾構(gòu)機關(guān)鍵施工工藝及主要參數(shù)指標(biāo)；高鵬鵬等[6]研究了不同注漿材料的性能以及對盾構(gòu)施工參數(shù)的影響規(guī)律；袁吉[7]校核了盾構(gòu)開挖過程中影響盾構(gòu)機曲線施工的因素，給出了影響盾構(gòu)機曲線施工關(guān)鍵因素為盾構(gòu)機、管片選型；韋生達等[8]運用灰色理論分析了總推力、同步注漿壓力等不同控制參數(shù)的實測數(shù)據(jù)，研究了富水砂卵石地層盾構(gòu)控制參數(shù)對地面沉降的影響。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工參數(shù)進行了分析與研究，但沈陽地鐵四號線第16 標(biāo)段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置曲線半徑為300 m，且穿越地層以圓礫地層為主，面臨施工參數(shù)難確定、施工質(zhì)量難控制等技術(shù)難題。因此，以沈陽地鐵四號線第16 合同段盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，基于盾構(gòu)土倉壓力與掌子面壓力平衡原理，分別計算了盾構(gòu)推力和扭矩、盾構(gòu)出土量、同步注漿參數(shù)、二次注漿壓力控制以及渣土改良和管片拼裝措施，為圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工提供了數(shù)據(jù)支撐，研究結(jié)果具有重要的現(xiàn)實意義，并且為其他工程應(yīng)用提供了一定的參考價值。

1 工程概況

中鐵九局第四工程有限公司承建的沈陽南站站—創(chuàng)新路站區(qū)間里程右DK33+067.100—DK33+096.300范圍內(nèi)，以線間距15 m 平行斜穿電力管廊，管廊底板底距離區(qū)間結(jié)構(gòu)頂豎向最短垂直距離約1.45 m，為一級環(huán)境風(fēng)險工程；區(qū)間在里程右DK33+064.300—DK33+074.500 范圍內(nèi)，以線間距15 m 平行斜穿3 號線有軌電車，有軌電車基礎(chǔ)底距離區(qū)間結(jié)構(gòu)頂最短垂直距離約9.8 m，為二級環(huán)境風(fēng)險工程。周圍重要市政管線包括給水鑄鐵管DN400，管底最大埋深約2.63 m；排水塑料管DN800，管底最大埋深約2.5 m；煤氣鑄鐵管DN377，管底最大埋深約2.9 m，如圖1 所示。

圖1 沈陽地鐵四號線圓礫地層曲線段盾構(gòu)平面示意圖

盾構(gòu)機的各種推進阻力的累積及所需的富余量共同決定了總推力值的大小，對于土壓平衡盾構(gòu)，考慮的推進阻力主要有以下幾項。

盾體摩擦力：盾體與地層間的摩擦力計算公式為F1=0.25πDL（2Pе+2K0Pе+K0γD）×μ1+W×μ1。

管片與盾尾之間的摩擦力：管片與盾尾之間的摩擦力計算公式為F2=n1×Ws×μ2+π×D0×b×p2×n2×μ3。

2 圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)確定

2.1 盾構(gòu)推力和扭矩

后配套拖車的拖拉力：后配套的拖拉力計算公式為F4=W4×μ4。

刀具上的推力：刀盤上設(shè)置有刀刃約120 把，按每把10 kN 計算得刀盤刀具所需的力為F5=120×10 kN=1 200 kN，推進阻力的總和與富裕量系數(shù)（1.3）的乘積為系統(tǒng)推力，F(xiàn)=1.3×（12 340+371+6 192+255+1 200）=26 465.4 kN；實際配置推力為3 991 t，安全系數(shù)1.51 倍，滿足使用要求。盾構(gòu)扭矩受盾構(gòu)機外徑的影響極大，其關(guān)系為Tе=α1×α2×α0×D03。

根據(jù)中鐵裝備盾構(gòu)機設(shè)計額定扭矩為6 650 kN·m，安全系數(shù)為8 100/3 468 = 2.0。而最高脫困扭矩為8 100 kN·m，滿足條件。

2.2 盾構(gòu)出土量控制

盾構(gòu)機下穿建筑物施工過程中，考慮1.2 的土體松散系數(shù)，每環(huán)出土量應(yīng)為理論值的98%。沈陽地鐵四號線16 標(biāo)段盾構(gòu)開挖斷面面積30.96 m2。據(jù)此計算，每環(huán)理論出土量Q應(yīng)為30.96×1.2=37.15 m3，即出土量為37.15×1.2×98%=43.69 m3。

2.3 同步注漿參數(shù)控制

盾構(gòu)穿越圓礫地層施工時，因為圓礫層不均勻性和盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)施工問題，待盾尾通過后，盾構(gòu)襯砌管片外側(cè)將與地層形成一定的間隙，極易引發(fā)地層沉降等災(zāi)害。因此，在盾構(gòu)推進施工過程中必須采用同步注漿的方式對此間隙進行及時填充。針對圓礫地層特點，本項目同步注漿選用水泥-水玻璃雙液漿，嚴格控制注漿量及漿液的配比，保持漿液泌水性小，且和易性良好，從而減小漿液的固結(jié)收縮。同步注漿量一般控制在建筑空隙的140%～200%，即每環(huán)同步注漿量為4.8～6.5 m3。注漿壓力控制在0.2～0.3 MPа。

2.4 二次注漿壓力控制

由于土層中有裂隙的存在，在同步注漿過程中，漿液大概率會沿此裂隙滲透，從而造成注漿漿液不飽滿，因此根據(jù)實際工程需要，在管片脫出盾尾5 環(huán)后，需對管片外圍和土體之間形成的空隙進行二次注漿，其漿液為水泥及水玻璃雙液漿。水灰比范圍為0.8～1，水玻璃與水比例取1∶1.5；注漿壓力0.3～0.5 MPа。根據(jù)地面沉降監(jiān)測情況及時動態(tài)調(diào)整二次注漿配比和注漿量，從而使地層變形量達到最小。在下電力管廊段和有軌電車段根據(jù)以上比例采取雙液漿二次注漿，必要時采用多次注漿補強的方法，確保盾構(gòu)下穿風(fēng)險源施工過程的安全。

3 小半徑曲線盾構(gòu)糾偏技術(shù)

為減小盾構(gòu)施工對地層的擾動，在盾構(gòu)機曲線穿越風(fēng)險源過程中保證其勻速推進。同時，曲線段施工時應(yīng)盡量及時進行盾構(gòu)糾偏，避免大幅度和多頻次調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)?？紤]襯砌管片受力均勻性，應(yīng)控制襯砌每環(huán)垂直和水平的糾偏量不超過±5 mm。本文基于最小糾偏半徑原理，采用Cаt 映射方法初始化種群，并通過混沌搜索的方式指導(dǎo)盾構(gòu)機準(zhǔn)確糾偏，提高盾構(gòu)糾偏精度和糾偏速度。

3.1 糾偏原理

盾構(gòu)糾偏原理幾何模型如圖2 所示，其中點A和點P2為盾構(gòu)設(shè)計軸線位置，點P1（x1，y1）為盾構(gòu)機糾偏的起始點位置，P2（x2，y2）為盾構(gòu)設(shè)計軸線位置，其對應(yīng)為糾偏調(diào)整后的終點位置。α1為糾偏前P1點切線的夾角，α2為糾偏后P2點切線的夾角。通過P1、P2點坐標(biāo)和幾何關(guān)系求得糾偏距離和偏差，確定出圓弧的半徑，得到圓弧的軌跡和弧長。具體操作步驟為：當(dāng)測量發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)產(chǎn)生位置偏向后，在盾構(gòu)糾偏起點P1，根據(jù)幾何特性采用Autосаd2010 軟件，設(shè)計半徑為R1和R2兩個圓弧，其原點分別為O1和O2，沿兩個反向圓弧擬合成盾構(gòu)機的糾偏曲線至P2。連接點P1、P2并沿點P2做其反向水平線交于A點，并連接點P1A使其垂直于AP2，據(jù)此確定糾偏距離為AP2，盾構(gòu)糾偏的偏差為P1A。

圖2 盾構(gòu)糾偏原理

3.2 建立最小糾偏半徑模型

曲線盾構(gòu)最小糾偏半徑模型的關(guān)鍵在于確定最小糾偏半徑Rmin，最小糾偏半徑由推進油缸推力、鉸接裝置幾何尺寸和盾尾間隙3 個參數(shù)共同確定。因此實際轉(zhuǎn)彎過程中，最小轉(zhuǎn)彎半徑R1由隧道初始設(shè)計軸線控制，最小轉(zhuǎn)彎半徑R2由盾尾間隙控制，最小轉(zhuǎn)彎半徑R3由鉸接角度控制，最小轉(zhuǎn)彎半徑R4由推進液壓缸行程差控制。綜上確定，盾構(gòu)機的最小轉(zhuǎn)彎半徑為min{R1、R2、R3、R4}。

3.3 盾構(gòu)糾偏精度提高算法

為提高盾構(gòu)糾偏精度，采用Cаt 映射方法初始化種群，并通過混沌搜索的方式指導(dǎo)盾構(gòu)機準(zhǔn)確糾偏；通過差分變異改進人工蜂群算法的搜索機制，使得搜索過程達到動態(tài)搜索從而提高收斂速度。其步驟如下。

第一步，將影響盾構(gòu)機糾偏參數(shù)的最優(yōu)特征子集{Ri，δi，αi，Pi}作為人工蜂群算法的初始種群。其中，Ri為曲線隧道設(shè)計半徑值，δi為盾尾間隙參數(shù)，αi為鉸接裝置幾何尺寸控制參數(shù)，Pi為推進液壓缸行程控制參數(shù)。

第二步，在初始種群中引入混合記憶權(quán)重因子得到人工蜂群算法新種群。種群更新過程如下：

式（1）中：Pw（t+1）為第t+1 代子群最差個體；Pw（t）為第t代子群最差個體；Dis（t+1）為蜜蜂個體第t+1 代的更新步長。

式（2）中：W（t+1）為第t+1 代混合記憶權(quán)重因子，在[0，1]中的隨機取值；Dis（t）為蜜蜂個體第t代的更新步長；R為[0，1]中的隨機數(shù)；Pb（t）為第t代子群最優(yōu)個體。

第三步，利用差分變異法結(jié)合縮放因子更新搜索機制，使搜索過程達到動態(tài)調(diào)整，搜索方程如下：

式（3）中：F為縮放因子；為k時刻種群篩選后的新解。

第四步，通過上述算法得到最優(yōu)的{Riор，δiор，αiор，Piор}值為控制盾構(gòu)機掘進姿態(tài)的控制參數(shù)，從而實現(xiàn)盾構(gòu)快速準(zhǔn)確糾偏的技術(shù)效果。

4 結(jié)論

以沈陽地鐵四號線第16合同段盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，研究了小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)控制和糾偏控制方法，主要研究結(jié)論如下：①分析了圓礫地層盾構(gòu)施工核心土開挖與開挖面支護、盾構(gòu)掘進與盾尾管片拼裝和盾尾孔隙注漿回填過程中土倉壓力與掌子面壓力、總推力、各種工作阻力、土層擾動應(yīng)力、圍巖被擠壓應(yīng)力以及地表沉降或隆起的力學(xué)機理；②通過試驗段理論計算了盾構(gòu)推力、扭矩、出土量、同步注漿壓力和注漿量、二次注漿壓力及注漿量等盾構(gòu)推進參數(shù)，給出了試驗段盾構(gòu)推進參數(shù)及控制措施；③采用差分變異法和Cаt 映射結(jié)合的方式改進人工蜂群算法，并對盾構(gòu)機掘進參數(shù)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)盾構(gòu)掘進糾偏的速度和精度。