基于盾構法的長距離地鐵隧道施工軸線糾偏方法研究

楊建偉

（中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222）

1 引言

在城市化不斷推進的過程中，地鐵成為各大城市爭相建設的公共交通項目，其中盾構技術作為地鐵隧道建設不可或缺的部分，也取得了突飛猛進的發展。盾構機一般由盾構殼、掘削機構、推進機構、正面支撐機構、運輸（或排泥）機構、管片拼裝機構、液壓系統、注漿系統和附屬系統等組成，主要用于開挖、導向盾構、充填尾部空隙和管片安裝。由于地下地鐵網絡線路的增加，其施工面臨更大的難度，也就要求有各種各樣的盾構機來滿足施工要求。而鉸接式盾構機能夠滿足小半徑隧道的施工要求，在特殊路徑施工時能發揮獨特的作用。在實際應用中，盾構機的轉向由千斤頂、仿形刀和鉸接裝置控制。千斤頂產生的推力、水平力矩和垂直力矩由千斤頂型號和盾構千斤頂壓力決定。仿形刀可沿刀面圓周進行一定深度和一定范圍的超挖，仿形刀的使用效果將直接影響盾構機鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴重地擾動土體，過小將不能充分發揮鉸接裝置的作用，以至達不到所要求設計軸線的半徑。另外，仿形刀的超挖限定了開挖面積，減小了超挖范圍內的地面反作用力，使盾構機易于向超挖范圍旋轉。鉸接式盾構機的鉸接機構可使盾構機按規定的方向和角度進行偏轉。盾構機的偏轉可以使盾構機適應其開挖區域，從而減小轉彎處的地面反作用力，使其易于轉向。

在過往的研究中，用來模擬盾構施工特性的方法有以下2種。

（1）利用盾構姿態與千斤頂力矩之間的關系，通過統計學方法獲得模型中的盾構施工參數。有關學者基于溫克爾地基模型，推導出糾偏力矩與最小糾偏曲線半徑的關系式，在現有糾偏曲線理論研究的基礎上，提出優化后的水平線形糾偏曲線模型，并在此基礎上提出了盾構姿態變化和千斤頂力矩之間的關系，同時根據現場數據和模型試驗的測量數據進行了檢驗。結果表明，由糾偏曲線曲率半徑變化而獲得的糾偏力矩變化曲線符合在實際糾偏過程中的油缸推力變化規律。

（2）在考慮千斤頂狀態、仿形刀的使用和鉸接機構使用的基礎上，采用基于平衡條件的運動盾構模型。有關學者通過對盾構推進并聯機構進行運動學分析，得到了盾構目標位姿與盾構各推進液壓缸目標（角）位移、（角）速度和（角）加速度之間的數學解析關系，提出了根據隧道設計軸線參數方程求解盾構目標位姿和各分區推進液壓目標運動特性的方法，為基于推進液壓位移控制技術的盾構姿態控制系統進行盾構沿圓曲線和緩以及曲線段隧道設計軸線掘進的姿態控制提供了目標參數。本文指出開挖區域與盾構機管片外圍之間的間隙是影響盾構機性能的主要因素。

為更好地操控盾構機，必須確定千斤頂、仿形刀和鉸接機構的操作方法。但由于在盾構機特性方面，千斤頂、仿形刀和鉸接機構這3種裝置具有很高的共線性，因此很難同時獲得唯一的操作參數。為此，本文提出一種在一定約束條件下，基于幾何條件能夠唯一確定仿形刀長度和鉸接角的數值方法。該方法可以考慮水平面上的直線、圓曲線和拋物線，以及垂直面上的直線、圓曲線和拋物線。此外，該方法還可以處理同一位置的水平曲線定線和垂直曲線定線（稱為三維復合定線），在確定仿形刀長度和鉸接角度θ后，根據平衡條件計算千斤頂力。

2 數值分析

2.1 計算假定

根據現場施工經驗，本文中的數值分析方法均基于以下假定：

（1）管片端部中心坐標PCSE遵循規劃隧道線形；

（2）盾尾軸線方向R2為PCSE擬建隧道線形的切線方向；

（3）確定鉸接角度θ，使曲線凸側使用的仿形刀長度最小化；

（4）確定仿形刀的范圍和長度，使盾體不與地面接觸，即盾體處于開挖空間內。

2.2 盾構機分類

（1）按照幾何長度，盾構機類型可按L1、LCSE、L2的最大長度分為3類，如表1所示。其中L1、L2表達式如下：

表1 盾構機類型及最大長度

式（1）中，LM1為盾構機前體長度，LM2為盾尾長度，LCSE為從中折中心到盾體端部平面的長度，如圖1所示。

（2）從隧道線形角度分析，可按所處位置將隧道劃分為4個區段：直線區段；BC（曲線起點）區段；曲線區段；EC（曲線終點）區段。圖2為不同類型盾構機的開挖軌跡示意圖。由此，在不同的開挖斷面上，應分別考慮不同的操作規則。

2.3 計算流程

圖3為在三維定線中確定鉸接角度θ和仿形刀長度的流程圖，計算流程如下：

（1）在計算假定（1）和假定（2）條件下，利用計劃的隧道線形計算盾尾的盾構軸線方向和PCSE的坐標；

（2）在計算假定（3）的幾何條件下計算鉸接角度θ；

（3）利用幾何條件計算前體的盾構軸線方向和中折中心的坐標；

（4）在假定（4）的條件下，仿形刀長度由從刀面周長到前體和盾尾的最外層軌跡的長度定義。

3 工程案例分析

3.1 盾構機歸類

本研究假設鉸接式泥水盾構的尺寸如表2所示，則有：

表2 盾構機尺寸 m

由式（2）可見，盾構機被歸為表1中的類型2。

3.2 隧道線形

本研究假設一種三維復合定線，該定線由1條拋物線和1條圓曲線的水平定線和2條圓曲線的垂直定線組成，如圖4所示，其中（Y，Z）為水平面內隧道線形的坐標，（X，Z）為豎向平面內隧道線形的坐標， BVC是豎曲線的起點，EVC是豎曲線的終點（其中BVC1和EVC1分別為豎曲線1的起點和終點，BVC2和EVC2分別為豎曲線2的起點和終點）。按照隧道線形可劃分隧道區域，具體劃分見表3。

表3 基于隧道線形的區域劃分 m

3.3 結果和討論

由計算得到的鉸接角度θ在水平和垂直方向上的鉸接角度θCH、θCV如圖5所示，由此得到仿形刀沿其長度（CCL）在隧道周圍的等高線分布圖，如圖6所示。從這些與盾構操作有關的數據中，可以發現以下規律。

（1）區域1（豎曲線）。垂直方向上的鉸接角度θCV從0°增加到2.5°，并在區域1周圍迅速減小到0°。然而，水平方向的鉸接角度θCH近似為0°。距PCSE的距離為-2～2 m、6～10 m的CCL在隧道底部（0°）周圍為正值，PCSE的距離2～6 m的CCL在隧道頂部（180°）周圍為正值，這是因為盾體處于向上的垂直圓曲線上。CCL沿隧道頂部（隧道線形的法向）達到最大值33 mm，且CCL沿隧道底部（隧道線形的反法向）達到最小值0 mm。

（2）區域2（水平曲線）。θCH沿隧道定線逐漸增加，θCV幾乎等于0°，CCL施加在向左起拱線周圍，因為在該區域，盾體位于拋物線中，仿形刀刀面接觸該曲線相反主法向上的盾尾軌跡，從而在曲線內側產生間隙。因此，CCL沿曲線的主法向和隧道的左起拱線周圍分布。值得注意的是，在此區域中，主法線方向朝向隧道的左側起拱線。

（3）區域3（三維曲線）。在該區域內θCH和θCV均為負值。CCL在水平方向上向右和垂直方向上向下都適用，主要分布在315°附近（從270°到360°），這是因為盾體處于由向右水平圓曲線和向下垂直圓曲線組成的三維曲線中，并且由于2.1節中的計算假定（3）和計算假定（4），盾構機實際掘進線路與規劃曲線之間產生了偏差。

（4）區域4（水平曲線）。θCH為負常數值，θCV為0°。CCL沿隧道線形分布均勻，這種分布趨勢類似于區域 2，但由于盾構的旋轉方向是相反的，曲線的主要法向也是相反的。

4 結論

（1）鉸接角度取決于盾構尺寸、隧道線形和盾構回轉操作規則。

（2）仿形刀的長度分布在隧道的主要法向上，約為盾構機面板面積的一半。

（3）分析結果表明，該方法可從盾構幾何條件的角度合理給出鉸接角度和仿形刀的長度范圍。