小半徑曲線盾構施工參數確定及糾偏方法＊

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.遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

隨著地鐵工程的不斷修建，城市地鐵建設網絡越發密集，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，其影響范圍內土層應力損失，誘發地表沉降，甚至會威脅上部建筑物或構筑物的安全。隨著地鐵網絡的越發密集，盾構近距離下穿建、構筑物的情況將逐漸增多，盾構施工面臨的技術問題，特別是圓礫地層小半徑曲線盾構施工參數合理確定成為盾構施工必須要解決的關鍵技術難題[1-2]。

圓礫地層小半徑曲線盾構施工參數合理確定已成為國內外工程建設者關注的重點問題[3]。羅錫波等[4]以成都9 號線盾構區間隧道為例，研究了區間坡型對盾構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施工掘進參數進行優化，為類似工程提供了一定的參考；王海成[5]闡述了盾構機關鍵施工工藝及主要參數指標；高鵬鵬等[6]研究了不同注漿材料的性能以及對盾構施工參數的影響規律；袁吉[7]校核了盾構開挖過程中影響盾構機曲線施工的因素，給出了影響盾構機曲線施工關鍵因素為盾構機、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的實測數據，研究了富水砂卵石地層盾構控制參數對地面沉降的影響。

綜上，國內外學者已經對復雜地質條件下盾構施工參數進行了分析與研究，但沈陽地鐵四號線第16 標段在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，面臨施工參數難確定、施工質量難控制等技術難題。因此，以沈陽地鐵四號線第16 合同段盾構區間為工程背景，基于盾構土倉壓力與掌子面壓力平衡原理，分別計算了盾構推力和扭矩、盾構出土量、同步注漿參數、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施工提供了數據支撐，研究結果具有重要的現實意義，并且為其他工程應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—創新路站區間里程右DK33+067.100—DK33+096.300范圍內，以線間距15 m 平行斜穿電力管廊，管廊底板底距離區間結構頂豎向最短垂直距離約1.45 m，為一級環境風險工程；區間在里程右DK33+064.300—DK33+074.500 范圍內，以線間距15 m 平行斜穿3 號線有軌電車，有軌電車基礎底距離區間結構頂最短垂直距離約9.8 m，為二級環境風險工程。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平面示意圖

盾構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，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施工參數確定

2.1 盾構推力和扭矩

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（1.3）的乘積為系統推力，F=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1.51 倍，滿足使用要求。盾構扭矩受盾構機外徑的影響極大，其關系為Tе=α1×α2×α0×D03。

根據中鐵裝備盾構機設計額定扭矩為6 650 kN·m，安全系數為8 100/3 468 = 2.0。而最高脫困扭矩為8 100 kN·m，滿足條件。

2.2 盾構出土量控制

盾構機下穿建筑物施工過程中，考慮1.2 的土體松散系數，每環出土量應為理論值的98%。沈陽地鐵四號線16 標段盾構開挖斷面面積30.96 m2。據此計算，每環理論出土量Q應為30.96×1.2=37.15 m3，即出土量為37.15×1.2×98%=43.69 m3。

2.3 同步注漿參數控制

盾構穿越圓礫地層施工時，因為圓礫層不均勻性和盾構刀盤旋轉施工問題，待盾尾通過后，盾構襯砌管片外側將與地層形成一定的間隙，極易引發地層沉降等災害。因此，在盾構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收縮。同步注漿量一般控制在建筑空隙的140%～200%，即每環同步注漿量為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，因此根據實際工程需要，在管片脫出盾尾5 環后，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。根據地面沉降監測情況及時動態調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，確保盾構下穿風險源施工過程的安全。

3 小半徑曲線盾構糾偏技術

為減小盾構施工對地層的擾動，在盾構機曲線穿越風險源過程中保證其勻速推進。同時，曲線段施工時應盡量及時進行盾構糾偏，避免大幅度和多頻次調整盾構姿態?？紤]襯砌管片受力均勻性，應控制襯砌每環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盾構機準確糾偏，提高盾構糾偏精度和糾偏速度。

3.1 糾偏原理

盾構糾偏原理幾何模型如圖2 所示，其中點A和點P2為盾構設計軸線位置，點P1（x1，y1）為盾構機糾偏的起始點位置，P2（x2，y2）為盾構設計軸線位置，其對應為糾偏調整后的終點位置。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點坐標和幾何關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：當測量發現盾構產生位置偏向后，在盾構糾偏起點P1，根據幾何特性采用Autосаd2010 軟件，設計半徑為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，據此確定糾偏距離為AP2，盾構糾偏的偏差為P1A。

圖2 盾構糾偏原理

3.2 建立最小糾偏半徑模型

曲線盾構最小糾偏半徑模型的關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 個參數共同確定。因此實際轉彎過程中，最小轉彎半徑R1由隧道初始設計軸線控制，最小轉彎半徑R2由盾尾間隙控制，最小轉彎半徑R3由鉸接角度控制，最小轉彎半徑R4由推進液壓缸行程差控制。綜上確定，盾構機的最小轉彎半徑為min{R1、R2、R3、R4}。

3.3 盾構糾偏精度提高算法

為提高盾構糾偏精度，采用Cаt 映射方法初始化種群，并通過混沌搜索的方式指導盾構機準確糾偏；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搜索從而提高收斂速度。其步驟如下。

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

第二步，在初始種群中引入混合記憶權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；Pb（t）為第t代子群最優個體。

第三步，利用差分變異法結合縮放因子更新搜索機制，使搜索過程達到動態調整，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的{Riор，δiор，αiор，Piор}值為控制盾構機掘進姿態的控制參數，從而實現盾構快速準確糾偏的技術效果。

4 結論

以沈陽地鐵四號線第16合同段盾構區間為工程背景，研究了小半徑曲線盾構施工參數控制和糾偏控制方法，主要研究結論如下：①分析了圓礫地層盾構施工核心土開挖與開挖面支護、盾構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、土層擾動應力、圍巖被擠壓應力以及地表沉降或隆起的力學機理；②通過試驗段理論計算了盾構推力、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推進參數，給出了試驗段盾構推進參數及控制措施；③采用差分變異法和Cаt 映射結合的方式改進人工蜂群算法，并對盾構機掘進參數進行優化，從而實現盾構掘進糾偏的速度和精度。