复合地层长距离小半径曲线隧道盾构姿态控制摘要：伴随着盾构施工技术的日趋完善，其安全、环保、快速的优点，使其已广泛应用于国内地铁隧道修建中。
盾构的掘进姿态控制是盾构施工中是至关重要的，它直接关系到隧道的施工质量，本文以大连地铁201标段盾构区间盾构施工为工程实例简要分析盾构在复合地层长距离小半径曲线隧道施工中的盾构姿态控制。
关键词：盾构姿态、控制一、工程概况大连市地铁二号线西安路站～交通大学站区间，本区间隧道起讫里程为DK16+803.630～CK18+462.893。
本区间主要采用盾构法施工，在靠近交通大学站一端采用矿山法。
本盾构区间隧道起讫里程为DK16+803.630～DK18+130.000，右线全长1326.370m，区间在DK16+796.63处设盾构始发井，在DK18+135.5处设盾构接收井。
西安路站至交通大学站区间平面线路出西安路站后沿南北向向南，通过半径为300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m曲线接入黄河路，到达交通大学站。
区间纵断布置形式呈“V”字形，最大纵坡为25‰。
区间为双线地下隧道，左右线路为上下重叠至区间终点左右线逐渐分离并行。
盾构段隧道开挖断面直径为6m，盾构隧道衬砌的管片采用厚300mm，宽1200mm，每环由6片管片拼装而成，拼装方式采用错缝拼装。
图1-1 西安路站至交通大学站区间平面二、工程重、难点2.1小半径（300m半径）曲线始发由于受线路和现场条件限制，盾构机设计在线路为300m小半径曲线段上的竖井始发进洞，保证开挖隧道轴线在规范允许范围内是一项技术难题。
2.2复合地层长距离小半径R300曲线掘进在硬岩地层或岩土复合地层小半径曲线掘进，对盾构掘进姿态的控制提出极高的要求。
主要问题有:（1）风化岩地层基本无压缩性，在风化岩中刀具磨损较快，当边缘滚刀磨损5-8mm后盾构即出现卡盾及转向困难趋势；在曲线外侧超差时盾构需要以更小的转弯半径才能回正；（2）掘进中对盾构姿态控制的要求高，操作者对超差趋势需极其敏感。
边缘滚刀的磨损检查及更换频率高。
(3) 推进油缸的推力方向为线路的切线方向，因此对管片有1个向外的分力，导致管片发生偏移，故油缸推力要合理设置(4) 转弯过程中，盾尾和管片有一定的夹角，导致盾尾密封刷局部防水效果不理想，易发生盾尾漏浆。
(5)盾尾密封刷局部受压容易使盾尾密封损坏，同时管片外边缘易受损，铰接油缸及纠偏强度需合理设置2.3长距离硬岩段掘进施工相比上软下硬、砂层推进中可能导致的地面环境灾害，在长距离硬岩段中掘进主要的困难在于盾构穿越硬层时会出现刀具磨损快、掘进效率低下以及管片上浮等问题。
硬岩段地层推进时管片脱出盾尾后上浮现象明显，下坡变坡段时尤盛。
出现管片上浮的原因在于赋存与岩层中的地下水、壁后注浆浆液以及向工作面注入的改良性液体等汇集到盾尾处，这些带有一定压力的液体会使脱出盾尾的管片悬浮。
在此过程中，应根据管片测量成果，对盾构姿态进行预压，保证在管片浮动后，成型隧道轴线与设计轴线偏差保持在规范允许范围内。
三、盾构姿态盾构姿态是在盾构法隧道的施工过程中,为满足盾构机掘进的施工需要，由自动测量系统或人工测量系统经过测量或计算所得到的盾构机主机偏离设计轴线的状态,其主要参数有水平偏差,垂直偏差(俯仰角)，旋转角等。
水平偏差反映盾构在水平方向上偏离设计轴线的平曲线的情况；垂直偏差(俯仰角)反映盾构在竖直方向上偏离设计轴线的竖曲线的情况；旋转角反映盾构自身的旋转情况。
盾构姿态是为满足盾构掘进施工需要而提出并经过测量系统测得的,就西安路站至交通大学站区间右线隧道施工的实践看，只有知道了上一环的盾构姿态才可以进行下一环的掘进施工，盾构机偏离设计轴线的程度直接反映了已成型隧道偏离设计轴线的程度，盾构姿态的好坏反映了隧道的施工质量的好坏，为控制隧道的施工质量，国家住建部对隧道的轴线偏差提出了以下要求。
(1)地下盾构掘进中应严格控制中线平面位置和高程，其允许偏差均为±50mm。
发现偏离应逐步纠正。
(2)隧道轴线平面位置和高程允许偏差要求见表1。
四、盾构姿态的影响因素及控制4.1水平偏差和竖直偏差控制根据本工程的实践经验，影响水平偏差和竖直偏差的主要因素有以下几点：4.1.1地质方面在盾构施工过程中，如果在切口环两侧出现土质软硬不同的土质,而在松软土质侧的千斤顶推力未及时调整，盾构机就会呈现出向松软土质陷入的趋势，这样在推进过程中，就会造成盾构姿态偏离设计轴线,从而导致姿态偏差较大。
为防止上述情况的出现,采取了一些措施：(1)在保证盾构正常掘进的前提下，调节上下区油缸压力，同时观察各区油缸行程显示，减小盾构掘进过程中向一侧偏移的趋势，达到控制盾构姿态的目的。
(2)利用铰接千斤顶转动特点，在掘进过程中将软土侧的铰接千斤顶伸出，克服盾构向此侧偏移的趋势。
4.1.2设计方面在施工中，经常碰到设计线路转弯半径小、坡度大的隧道工程，这也在一定程度上增加了施工难度，从而使盾构机在施工过程中容易出现偏差过大的现象。
施工对策：曲线段施工时，为确保盾构机沿设计轴线掘进，必须严格控制盾构机掘进参数，如出土量、正面土压平衡、推进油缸的伸出方式与油压等，使掘进轨迹符合设计线路的曲线参数要求。
4.1.3始发过程中始发基座偏差盾构机在始发阶段是位于始发基座上的，因而始发基座的水平位置、高程等直接决定了盾构始发阶段的盾构姿态，所以在施工准备阶段对盾构始发基座准确定位，保证在始发时盾构机的中心线、高程与盾构钢环中心线、高程一致，并保证始发基座的加固牢靠，防止在盾构组装过程中始发基座的变形。
本标段盾构在300m小半径曲线上始发，设计采用割线始发，必须保证始发时盾构的中线、高程，保证能够在掘进过程中顺利纠偏。
4.1.4操作手的操作水平和操作经验盾构司机的操作水平高低和操作经验的丰富与否直接会影响到盾构姿态的好坏，因为他们直接操纵着盾构机的“方向盘”，他们是第一个能够知道盾构姿态和盾构走势的人，所以这就要求盾构司机时刻要注意盾构姿态走势，发现盾构机有跑偏现象时，及时进行纠偏，遵循“勤纠少纠”的纠偏原则，正确调节盾构推进千斤顶各区油压，直到盾构姿态不再变大时为止，在施工过程中，应严禁避免过大纠偏，这样不仅会造成管片碎裂，还容易造成盾尾刷的永久变形从而失去密封作用导致隧道漏浆、漏水等事故，更严重的还会造成盾尾钢壳变形出现测量误差。
4.1.5根据管片姿态测量成果调整盾构姿态本标段盾构穿越长距离硬岩段，且在曲线转弯过程中，此过程中安装超挖滚刀，盾构开挖面大，地层含水量丰富，易造成管片上浮，故需根据前期管片测量成果，对盾构姿态进行预压，保证隧道成型后的质量。
4.2管片拼装与盾构姿态盾构机设定有两个虚拟参考点：前点、后点。
前点在盾构机切口环处、后点在盾构机中盾与尾盾的连接处。
盾构自动测量系统会通过测量计算出盾构前点和后点水平和垂直的偏差。
通过偏差我们可以计算出盾构机轴线的方向。
即为盾构机姿态所示。
前点O1坐标：X1 、Y1、Z1，其中X1是水平偏差、Y1是垂直偏差、Z1是里程，后点O2坐标：X2 、Y2、Z2，其中X2是水平偏差、Y2是垂直偏差、Z2是里程。
上述两坐标均由盾构机测量系统自动测量得出。
水平趋向、垂直趋向是角度值，数值以弧度来表示。
水平趋向α1= （X1- X2）/L （L为前后点的距离，约为4米）。
垂直趋向Ө1= （Y1- Y2）/L （L为前后点的距离，约为4米）。
盾构机轴线为Z轴，管片轴向也分解为水平方向X竖直方向Y，假设4个行程传感器油缸的长度为L1、L2、L3、L4如图4.2-2则:水平夹角α= (L3-L1)/Lp1p3竖直夹角θ=（L4-L2）/Lp4p2知道盾构机与设计轴线的夹角、管片与盾构机的夹角，则可计算出管片与设计轴线夹角。
管片与设计轴线水平夹角α2=α1+α管片与设计轴线垂直夹角Ө2=Ө1+Ө管片选型就是要通过选择管片的型号和点位来使管片与设计轴线水平夹角α2、管片与设计轴线垂直夹角Ө2向零靠近，以适应盾构姿态。
图4.2-1 图4.2-24.3工程实例本标段管片为六分块，共16点位，22.5度一个点位如图4.3-1。
以封顶块所在位置，参考时钟进行点位编号，分别为0、1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15。
最大楔形量δ=48mm 偏转角θ=0.46°。
图4.3-1实例1：盾尾间隙：上部：70mm 下部：85mm 左部：95mm右部：100mm由于盾尾间隙状态良好优先按照隧道轴线选择管片。
ZED导向系统显示盾构机姿态：前点:水平偏差25mm 垂直偏差-21mm，后点:水平偏差11mm 垂直偏差-39mm。
控制界面显示油缸行程： P1行程传感器：1778mm、P2行程传感器：1851mm、P3行程传感器：1766mm、P4行程传感器：1749mm。
首先计算盾构机的轴向：水平趋向：α1=（25-11）/4=3.5，垂直趋向：Ө1=（-21+39）/4=4.25。
管片轴向与盾构轴向偏差：水平夹角：α=(P3-P1)/5.7=(1766-1778)/5.7=-2垂直夹角：Ө=（P4-P2)/5.7=(1749-1851)/5.7=-18，管片轴向与设计轴线水平夹角：α2= α1+α=1.5。
管片轴向与设计轴线垂直夹角Ө2=Ө1+Ө=-13.75 经计算得：轴向。
原管环轴线与新管环轴线水平夹角=ΔL/6=0mm/m,原管环轴线与新管环轴线垂直夹角=ΔL/6=8mm/m，故拼装管片后：新管环轴线与设计线路轴线水平夹角=1.5+0=1.5，新管环轴线与设计线路轴线垂直夹角=-13.75+8=-5.75。
实例2：盾尾间隙：上部：70mm 下部：85mm 左部：45mm右部：100mm，此时盾尾间隙过小，优先按照盾尾间隙的要求来选择管片。
由表3选择R0或者L0管片，拼装后的理论盾尾间隙：上部：70mm 下部：85mm左部：55mm右部：90mm。
五、结语：盾构姿态控制直接影响到成型隧道的质量。
复合地层长距离小半径曲线隧道盾构施工中，易造成隧道偏离设计轴线，及成型隧道管片破损严重等情况，故需严格控制各组千斤顶推力，合适应用铰接千斤顶，合理的管片选型，以保证成型隧道质量及轴线复合设计轴线。
参考文献：[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，2008，盾构法隧道施工与验收规范，中国建筑工业出版社.[2]洪开荣.吴学松，2009，盾构施工技术，人民交通出版社.[3]周文波，2004，盾构法隧道施工技术及应用，中国建筑工业出版社.。