杨虎
中交二公局第三工程有限公司 陕西西安 710016
摘要：结合广东省深圳市城市轨道交通八号线一期工程梧桐山南站-沙头角盾构TBM（双护盾岩石硬岩隧道掘进机ZTT6470,简称TBM）区间实际情况，解析盾构管片选型依据和判断方法，拼装前后楔形量的变化计算，盾尾间隙对管片拼装的影响，分析VMT测量导向系统，施工注意事项。现以建设项目资料为研究背景，希望给相关工程技术人员提供一些参考。
关键词：双护盾岩石硬岩隧道掘进机TBM；盾构管片；选型；控制技术；VMT测量导向;豆砾石
现代城市的快速发展的生活离不开城市交通建设，发展的节奏离不开城市轨道交通。它为市民出行带来更好的服务，为城市商业化提供了更多的、更全面的优势。城市地铁隧道工程，可以节约大量的土地资源和缓解城区交通拥堵。由于城市地表周边环境复杂，在全国范围内使用比较成熟的有盾构法或TBM工法。减小了对地面建筑物或构筑物的扰动，对地表构筑物沉降控制标准高。TBM掘进时管片的拼装质量要求越来越高、对管片选型技术要求高。TBM管片拼装施工工序复杂，对不同地层之间应该采用完全不同的施工方法，伴随着我国地铁盾构隧道施工要求的逐渐提高，并且要求零误差，所以在工作时间中应该积极的总结实践经验，及时的进行工程指导，全面提升工程的质量以及技术精度。本文对此分析探讨盾构管片选型技术。结合深圳地铁8132标的实际情况谈一谈笔者的体会。
1.工程概况及地质情况
梧桐山南站-沙头角TBM本区间采用矿山法初支+TBM空推及TBM法施工，区间穿越地层主要为全～微风化泥灰岩，隧道围岩综合分级为Ⅲ～Ⅴ级。其中矿山法初支+TBM空推法段，右线里程740.7m；左线里程746.7m。TBM法段右线里程为YDK41+505～YDK44+900，总长3395m，左线里程为ZDK41+491.555～ZDK44+900，总长为3372.376m。TBM区间隧道施工中主要选择使用钢筋混凝土结构管片来衬砌施工，外径为6200m、壁厚为40cm。
2.工程采用TBM
根据工程的设计方案要求，采用两台新造双护盾TBM，该设备的制造商为中交天和/铁建重工的联合体。TBM共有盾体、双轨梁、喂片机及1#～10#台车组成，全长150米，总重约800吨，其中盾体重541吨、长12米。
3.管片选型的意义
管片选型主要根据管片的点位和设计轴线进行选型和判定，第一：管片选型要拟合隧道设计线路变化趋势，主要是拟合VMT测量导向系统；第二：管片选型要适应TBM机推进的姿态，主要是盾尾间隙和辅推油缸的行程；这两者相辅相成。存在问题就会造成偏离设计轴线，管片出现错台，隧道部分区段呈现漏水等工程质量问题，后期质保工程的成本会升高。
4.管片的几何尺寸及表外特性
本区间双护盾TBM预制衬砌管片外径6.2 m，内径5.4m，厚度0.4m，环宽1.5m。管片采用错缝拼装，每环由封顶块（K）1块，邻接块（B、C）2块，标准块（A1、A2 、A3）3块,共6块拼装。拼装时主要靠调节K块的位置来确定管片转向，与设定的轴线进行耦合。衬砌纵、环向用高强螺栓连接，环向螺栓10根M30/环，纵向螺栓12根M30/环；衬砌环缝及纵缝间防水均采用弹性密封垫。管片有标准环、左转弯环和右转弯环三种类型管片，左、右转弯环的楔形量为40mm。本标段预制管片采用耐腐蚀性混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P12；钢筋为HPB300、HRB400。
5.拼装点位选择考虑因素
5.1管片选型依据
管片的选型严格按照要求进行：盾构机姿势由趋势、油缸行程、盾尾间隙、VMT姿态等方面进行确定，还要考虑盾构线路走向及楔形量等问题。
5.2盾构机的姿态以及趋势
施工中，需要利用自动测量VMT系统上TBM姿态进一步挖掘总体趋势，根据需要调整盾构机的趋势，再根据趋势来调整管片的趋势，调整管片的最大楔形量和法面的变化。
城市轨道交通方面衬砌管片通常的点位按10个点位来划分，管片的点位中没有12点和6点，3点和9点位不能拼装K块管片，即得3点和9点位置是偏移量最大的位(4.8mm)。管片具体形式决定每块管片的角度、任意相邻两点所对应夹角为360。1点12点的夹角180，11点12点的夹角180。转弯环的管片最大楔形量为40（mm）。如左转弯环管片，最大楔形管片长度1520mm, 最小楔形管片长度1480mm, 最大楔形至最小楔形量是一个渐变的过程。管片的外径是6200（mm），标准块长度1500mm。
根据Tana =20/6200=3.226×10-3
a=b可得到:偏移量=Tanb×1500=4.8mm
通过计算得出转弯环最大偏移最是4.8mm，只有12点、3点、6点、9点的时候是最大偏移量的位置。
例如，右转弯环的管片拼在1点位时,来计算管片的偏移量。其1点位的时候，正好是偏离12点位180。依据右手法则，四指和拇指撑开呈900,母指所指向方向代表K块点位,四指方向是最大楔形量的位置，四指的相反的方向是最小楔形量位置，最大楔形量和最小楔形量是一个渐变的过程。因此，12点时最大楔形最位置在9点位正朝右。拼装在2点位置的时候根据右手法则得出，楔形量最大就在10点位置。就存在楔形量偏移了180，那么管片朝向就是往右偏移又往上偏移。
根据偏移的角度通过正余弦公式计算得出:
右偏(z)=C0S180×4.8= 4.565mm
上偏(S)= Sin18×4.8=1.4832mm
依据同样的计算方法计算出其他点位左转、右转偏移量。见下表:
梧沙区间TBM左转弯和右转弯调整环盾尾间隙调整表
注明：计算依据拼装时管片姿态，沿线路前进方向，左偏数值为负，右偏数值为正；竖向数值向下为负，向上数值为正。
因此，通过左转、右转偏移量和油缸行程同理可以测算出当前管片相对于盾构机的姿态。
5.3油缸行程差
盾构机应该根据实际的情况调整姿态，采用不同的油缸压力来改变TBM的方向，此时油缸就会表现出不同的行程值，应用管片的楔形量来补充油缸的形成差，行程差值缩小的情况下，需盾构机再次调整方向保证按照原有路线行进。
5.4盾尾间隙
盾尾间隙参数对TBM选型影响较大。盾构间隙参数测量在开始掘进，完成之后分别进行一次测量，在3点，9点，6点和12点分别开始一次测量。管片拼装施工应该控制管片与盾体间隔距离。封顶块相对位置上的间隙尺寸一般比较小。标准的盾构间隙数据是固定的，上下左右的盾构间隙可以反映出管片与盾构姿态拟合情况。存在不同的情况，会挤伤管片及防水保护层，出现漏水、漏浆等问题，影响隧道成环质量。
5.5管片姿态与盾构姿态对比分析
管片姿态对于封顶块位置有直接影响，可用封顶块位置来调节盾尾间隙和管片姿态，通过摆动方向来降低两侧偏移数值，进而使管片姿态更稳定，加强管片壁后回填豆砾石和壁后注浆，整个结构非常稳定。
5.6盾构线路走向
TBM线路走向，转弯半径依据设计要素，在缓曲线及直线段应准备300环后所需转弯环，可以通过楔形量的准确计算确定转向方向，防止因为转弯过大而导致出现管片挤伤情况。
6.施工中常见问题及处理办法
6.1封顶块插入会造成其损伤
封顶块插入会直接影响整个拼装管片质量，预留空间、拼缝是经过试拼装试验，要求严格控制拼缝大小。存在的问题主要有：①拼装不合理，由于上一环管片整体出现侧滚或成环管片出现左右偏移等；②拼装机的旋转力不能满足施工需要，纵缝焊接无法满足；③拼装封顶块的姿态非最佳，在插入过程中造成挤压，止水胶条及管片结构出现一定程度损坏。
6.2管片螺栓未能顺利锁紧
管片螺栓连接可以提升整体结构的刚度，应该采用多次复紧方式，符合设计方案要求，拼装螺栓孔如不能设置在准确位置上，长期使用会因为无法正常的锁紧导致其性能不足，原因和处理方法：①第一块管片的拼装未能达到指定的位置，导致盾体侧滚或者管片旋转，在延续几块的偏差就导致螺栓无法正常的插入，确保螺栓准确定位，保证每一个管片位置精度都要达标。辅推油缸对应管片拼缝的位置准确，未发生偏转变化。②施工前检查螺栓孔位，清理尾盾壳和管片、辅推油缸之间的杂物。
6.3管片拼装错台、渗水
全断面硬岩掘进出现管片错台是质量问题，隧道漏水、开裂、盾尾遭到严重破坏等；防水条脱落或者错台比较严重，造成相邻管片的防水条搭接出现缝隙，地下水较大就容易出现管片漏水；盾构机推力千斤顶直接作用在管片结构上，以反作用力来推动向前掘进，管片存在严重错台问题，就会使相邻管片容易存在应力集中的问题，造成边缘部分波动幅度过大，容易造成管片与盾尾间隙不均匀，在后续管片拼装难度较高，出现崩角的问题存在。管片错台通常是出现在脱离盾尾后，盾尾部分间隙出现问题，盾尾受到挤压存在漏浆、渗水问题，成环管片防水质量都无法满足要求，推进过程中应该时刻观察，存在漏浆问题需及时封堵。
对于上述问题需采取措施：
①根据要求来调整浆液比例，提升浆液质量。采用大量的实践经验总结确定各种材料的比例参数，提升止水浆液质量，具备更高的性能，满足施工需要；②采用双液浆封闭环来固定管片。每十环进行一次封闭处理，从而形成封闭结构，防止浆液流失，提升加固效果，对漏水处进行集中排放，排放后再用双液浆及时封堵③对管片顶部120°范围，用双液浆进行施工，管片背千斤顶位置上设置2mm厚的丁腈橡胶衬垫，消除其存在的缺陷，环缝间隙扩大。
6.4管片破碎及处理措施
管片存在破碎因素有：①搬运过程中管理不善造成破碎，是最容易出现问题的，造成边角位置发生小破裂。②拼装过程管片环面间以及相邻管片接触面处于不理想的平衡状态，管片边角位置应力过于集中。③插入封顶块，预留位置和间隙不足，选择强行插入，造成角部或整体结构出现损坏。④盾尾间隙管片外径与盾尾距离不均匀，管片中心与盾构中心不拟合，盾尾上下左右间隙范围0-60mm,最佳间隙水平30mm,垂直15-45mm，掘进中给周边结构造成过大压力出现破损。⑤衬砌管片圆度达不到标准要求，造成油缸支撑力布置不合理，造成不同程度管片损坏。⑥TBM掘进中注豆砾石量、注浆量分布不合理，造成了局部的受压不平衡而出现偏压，在盾尾间隙反映出压力的变化，导致盾尾出现一定偏移量或损坏。⑦受TBM掘进震动造成，壁厚的浆液在未完成凝固，底部浆液压力大而出现上浮，造成管片损坏。
针对管片破碎，拟采取措施：
（1）TBM掘进或拼装时，主、副推进油缸受力分配基本均匀，各组油缸行程差控制38cm以内。
（2）拼装中应该确保刀盘、盾体圆度参数达到要求，相邻管片平顺无错台。辅推油泵伸缩与管片拼装的施工顺序是相同的。
（3）封顶块在插入之前，应该检测相邻两块的间隔距离，确保其实际距离较之设计值要稍大，从而可以进行封顶块安装施工。
（4）盾构掘进施工中，地形条件的不同也会造成施工技术参数存在差异，无论任何变化都要保证盾构中轴线与管片中轴线重合，可以通过改变盾构姿态保证拟合。
（5）转变或者弯曲线掘进应该提前与管片、盾构趋势进行拟合，确保拼装环和前一换坡度相同，严格控制盾构姿态偏移数据，避免出现错台问题
（6）建立参数系统，记录壁后回填豆砾石、壁后及时注浆、同步注浆、二次补浆用量，关注注浆压力参数，稳定管片偏移。
7.结论
管片选型需要多因素考虑后确定，施工中应该深入分析，控制TBM管片姿态精度，以符合设计方案要求。随着技术的发展和管理的规范，管片拼装技术会逐渐提升，满足当前工程技术发展需要。
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