盾构推进轴线控制及调整.doc

上海地铁盾构施工技术
研究报告之一

盾构推进轴线控制技术研究

1项目概述
1.1工程概况
上海地铁杨浦M8线Ⅲ标段我管段区间包括黄兴绿地站～延吉中路站（简称黄延区间）、延吉中路站～黄兴路站（简称延黄区间），其中延黄区间上行线长1112.774m,下行线长1127.929m、有15.155m长链。上、下行线均有一缓和曲线长70m、半径为500m的曲线；黄延区间上行线长381.456m、下行线长398.334m， 上、下行线曲线多、半径小（最小为350m），且下行线进、出洞段均位于缓和曲线上。
洞口的导线测量受现场条件的限制，一般只能短边控制长距离；洞内的导线点及吊篮点经常受管片的沉降、旋转、及电瓶车振动等因素的影响；测量条件差受到天气、洞内光线（主要是大气折光、旁折光、大气密度、光线强弱）的影响，根据以上影响因素通过提高仪器精度，增加测量频率，采用不同测量方法、途径，以确保测量结果的精度及可靠性。
1.2项目目标
盾构轴线偏离设计值不得大于±50mm，并且将施工后地表沉降的最大变形量控制在+10～30mm之内，保证隧道顺利贯通，为今后类似工程积累经验。
2研究方法
2.1测量控制
依据规范和招标文件要求，根据现场实际条件,编制切实可行的测量方案，进行误差分配理论分析，从布置控制、施工导线点，到不同测量方法、途径的比较，采用主、副导线相结合的方法和分两阶段的测量方法,结合隧道轴线偏差情况确定最优控制方法。
2.1工艺控制
针对不同土质进行盾构机土压分析、通过100米试推进采集相关原始数据进行分析、设定参数，然后通过施工信息反馈，不断优化参数，最终通过盾构姿态的控制及调整、千斤顶推力的分布、管片纠偏、注浆孔位置、注浆量的调整等各项工艺有效地控制及调整盾构机轴线。
3研究内容
3.1测量控制
3.1.1测量施工流程
控制点竖井传递
布设井下控制点
进场控制点的桩位
交接与复测
现场踏勘、选点
地面控制点布网
盾构出洞口测量及
盾构机定位
隧道贯通导线点
盾构同步控制点
（吊篮点）
盾构姿态测量
管片状态测量
盾构进洞测量
盾构进洞，隧道贯通测量

图3.1测量施工流程图
3.1.2测量依据
严格执行《中华人民共和国国家标准GB50308-1999地下铁道、轻轨交通工程测量规范》。（参阅其中的第8、11、18章节）
严格遵守《中华人民共和国国家标准GB50299-1999地下铁道工程施工及验收规范》。
严格执行《中华人民共和国国家标准GB50026-1993工程测量规范》。
3.1.3测量方法
盾构出洞前的准备工作:
⑴测量桩位的交接（空导点、水准点）
测量桩位是由业主提供的，一定要提供多余桩位，以便校核。在使用前必须按照规范上相应的精度对其复核，经复核达到精度要求后，方可使用。
⑵实地现场踏勘、选点和布网
①地面控制点的选位
根据现场条件，我们首先要在地面上布置地面控制网，因施工场地比较狭小，临时设施、设备较多，因此布点要考虑到网形精度、通视、稳定性和受施工的影响程度等因素。
②地下控制点的布设
综合光线、通视、旁折光、空气密度等因素的影响，地下主导线控制点的平均间距布设控制在150~200m为宜，而辅助导线控制点（吊篮点）平均间距40~50m为宜，当然可根据设计路线的线形及现场情况作实际调整，地下高程控制点控制在50m 左右，高程控制点可布设膨胀螺丝在管片的左耳或右耳上。
③对所布设的控制点要严加保护，并对其位置作好记录，以便查找。
⑶出洞口三维坐标的测量及进洞方案的确定
①在盾构机到位前，应精确测量预留出洞口的三维坐标，并与设计值比较，洞口直径至少测量水平和垂直两个方向，若实测洞圈的偏移量超过规范要求或失圆明显，需报设计院予以确认、回复，以便盾构机出洞时做适当调整。
②在精确测定洞口的三维坐标后，我们要确定盾构出洞的轴线。若直线出洞，我们可采取按设计方位出洞；若曲线出洞，考虑到出洞口前有加固区，在加固区盾构机不能纠偏，我们采取割线出洞比较安全。所采取割线的出洞方位我们事先前必须计算好，使盾构机在不能纠偏时的最大偏移量处小于50mm，在盾构机曲线进洞的情况下，我们同样要考虑类似的情况。
⑷盾构姿态检验及参数确定
盾构出洞前，要仔细测量盾构机的有关数据及参数，如：盾构机的长度、半径、盾构机的前尺到切口的距离、后尺到盾尾的距离、前、后尺的水平距离、竖尺到盾构机中心的垂直距离，以及每推进一环后拼装环的大里程到盾尾的距离。为简化计算，根据这些常数我们编写了电算化程序来测量盾构机的姿态。另外，我们用普通测量的方法来测出盾构的原始姿态，以此来检验我们电算化测量盾构姿态的准确性。
3.1.4控制测量内容
控制测量是整条隧道贯通的关键，也是隧道测量的技术难点。
⑴隧道平面控制测量
隧道平面控制测量既是对影响隧道横向贯通误差的控制，首先我们要清楚影响隧道横向贯通误差的主要来源：
地面控制测量中误差—mq1
盾构出洞口处联系测量中误差—mq2
地下贯通导线点测量中误差—mq3
盾构姿态定位测量中误差—mq4（包括标尺定位误差）
盾构姿态施工测量中误差—mq5（包括盾构操作误差）
盾构进洞口处中心平面坐标测量中误差—mq6
地铁平面贯通横向中误差—mQ
因地下平面控制点不可避免是支导线测量，而且洞口联系测量一般只能是短边放长边，这在测量上是尽量避免的，但有时受施工条件的限制，我们只能采用这种方法。所以出洞口处联系测量是隧道贯通的重点。
另外，设各项误差相互独立，根据已建地铁的实际经验，根据各项误差对横向贯通精度的不同影响，采取不等精度分配原则，再根据横向贯通精度的要求±50mm (即中误差±25mm)，计算出影响横向贯通误差的各种测量误差的中误差。通过控制各项误差的中误差来达到控制隧道的横向贯通精度。具体取值计算如下：
mq1=m, mq2=3m, mq3=2m, mq4=m, mq5=m, mq6=m
mQ=√mq12+ mq22 +mq32 +mq42 +mq52 +mq62 = 4.1m
则m=±25/4.1=±6.1mm, 从而有：mq1=±6.1mm, mq2=±18.3mm
mq3=±12.2mm , mq4=±6.1mm , mq5=±6.1mm, mq6=±6.1mm
⑵隧道高程控制测量
隧道高程控制既控制隧道的纵向贯通误差，相对横向贯通误差来说，隧道的纵向贯通误差容易控制些。为了满足设计要求±50mm(既中误差±25mm)，我们必须清楚影响纵向贯通误差的主要因素。影响纵向贯通误差的主要因素有：
地面高程控制测量中误差 —mh1
盾构出洞口处高程传递测量中误差—mh2
地下高程点测量中误差—mh3
盾构姿态高程定位测量中误差—mh4
盾构机施工测量中误差—mh5
盾构机进洞口洞中心高程测量中误差—mh6
地铁区间隧道高程贯通中误差—mH
同样设各种误差相互独立，根据各种误差对纵向贯通误差的不同影响，采取误差不等分配原则，计算出各种测量误差的中误差，通过控制各项测量误差的中误差来达到设计要求的纵向贯通误差。具体取值计算如下：
mh1=m, mh2=2m, mh3=2m, mh4=m, mh5=m, mh6=2m
mH=√mh12+ mh12 +mh12 +mh12 +mh12 +mh12 = 3.9m
则m=±25/3.9=±6.4mm, 从而有：mq1=±6.4mm, mq2=±12.8mm
mq3=±12.8mm , mq4=±6.4mm , mq5=±6.4mm, mq6=±12.8mm
3.1.5两阶段测量法
第一阶段测量：隧道推进前100m，导线控制点的井口传递可由井上直接传递到井下，由于传递边较短，且井上、井下高差较大，这对仪器的要求较高，对控制长距离的隧道来说精度很难得到足够的保证，由于隧道刚施工阶段，场地条件受限，无法实施更好的测量方案。利用此方法控制100m的隧道精度还是毫无问题的。

第二阶段测量：待隧道推进约100米后，导线控制点可由井上传递到车站的中层板，再由中层板传递到隧道内。这样不但可以拉长井口传递边的距离，也可使传递倾角大大减小（倾角小于规范要求的30°）。通过延吉中路站～黄兴路站区间隧道下行线两阶段测量方案的实施，效果良好。

3.1.6盾构姿态测量
盾构姿态测量是实时测量盾构机的现有状态，及时指导盾构机纠偏。盾构姿态测量是利用ET—2电子 经纬仪测量前、后横尺和竖尺的偏差来反算盾首、盾尾的偏差，即实测角度与理论设计角度相比较，再根据公式推算至盾首、盾尾。为避免复杂计算，进行程序化。这中间容易出现的问题是理论里程和实际里程不一致，导致计算出的理论偏差不是当时盾首、盾尾的偏差，为解决这一问题，需要我们经常复测里程。里程复测时，实际上我们无法实测出管片的中心里程，通常只能测管片的底部里程，这需要我们根据所测该环的坡度来计算出中心里程，特别在坡度较大的情况下，管片的底部里程和中心里程相差较大。另外，精确复测出里程后，也要根据实际里程来调整三维坐标。这样计算出的盾构姿态才能较准确地反映当时的盾构状况。
3.1.7隧道管片的法面测量
对于法国FCB土压平衡盾构机来说，盾构机的内径为6260mm,管片外径为6200mm,即盾构机内径与管片外径间有30mm的间隙。法面测量不准或测量不及时，会出现管片安装困难、管片破碎、管片错缝的现象。因此管片的法面测量也非常重要。管片的上下法面（俯仰度）相对好测一些，可利用吊线锤的方法来解决；左右法面的测量可用反射片测出该环管片左右两边对称点坐标并计算出其实际方位角，与理论方位角比较，计算出左右法面的偏差。另外，隧道平面曲线的特征点和隧道的纵断面的变坡点是我们管片法面测量的重点。
3.1.8盾构施工测量（即“倒九环”测量）
“倒九环”测量即是测量当班施工最终环号（包括该环）后九环的上下、左右偏差。我们通常用带水平气泡的5m长尺来测管片的左右偏差，左右偏差测量的方法是：把5m长尺水平放置在所测环的大里程，把经纬仪对准后视水平度盘置零，然后瞄准长尺把水平度盘拨至根据事先计算好的理论角度直接读出水平尺上的数值，即是该环的左右偏差。若读数在水平尺中心右侧，则说明隧道偏左，反之则偏右。上下偏差测量的方法是：放一水准尺于所测环的大里程的底部，根据隧道内的高程控制点测出该环大里程的高程，通过与设计高程比较得出该环管片的上下偏差。通过测量此偏差，可以反映出管片的错缝情况、管片在盾构机内和出盾尾后的变化情况以及管片最近两天的偏差变化情况。以便于及时调整注浆、推进速度等施工参数。
3.1.9隧道里程的测量
隧道的起始里程、旁通道里程、进洞里程和设计曲线的特征点是我们里程测量的重点。
隧道起始里程的确定可根据设计的旁通道里程减去旁通道前管片的长度是理论上第一环管片的小里程，再减去负环的长度是我们反力架的法面里程。
由于受管片贴片、纠偏等因素的影响，我们从确定的起始里程推进至旁通道的实际里程会与理论里程不一致，这需要我们在旁通道前要精确复测里程，以保证旁通道的里程在设计要求范围内。根据已建地铁的推进经验，每环管片会长出0.8~1mm 。
为保证盾构机安全进洞，进洞前需要精确复测里程，根据经验，应在盾构机大刀盘距连续墙500mm,即盾构机尖头靠到连续墙时，大刀盘停止转动，且停止出土。若距连续墙太近，会对大刀盘造成损坏，若距连续墙过远，盾构机进洞后，清土工作量是会大大增加。
为保证推进路线的准确性，隧道的曲线特征点处我们也要加强里程的复测。
3.1.10隧道沉降测量
正在建设中或刚建成的隧道，因周围的土体受盾构机的扰动，管片的外围充满浆液在凝固阶段，周围土体尚不够稳定，再加上盾构机的反作用力的影响，易产生位移或沉降。因此，刚拼装成形的隧道至铺轨前对隧道的变形观测是必要的。因铺轨后还要对隧道进行定期变形观测，所以要求我们布设的观测点不但要牢固，而且能到铺轨后继续使用，这要求我们布点的位置要考虑周到。按规范要求，直线段每10m 布设一沉降点，曲线段每5m布设一点。每隔一周观测一次，直至隧道贯通，贯通后至隧道验收前每月观测一次。
技术要求
⑴导线测量时，测角、测距不少于四个测回，且左、右角测量。
⑵左、右角平均之和与360°较差不大于4"，测距往返测较差不大于5mm。
⑶高程控制点往返测闭合差不大于±4√L（L为往返测距离，单位km）。
3.2工艺控制
3.2.1盾构出洞轴线的控制
⑴由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，盾构中心坡度与隧道设计轴线坡度应保持一致，考虑隧道后期沉降因素，盾构中心轴线比设计轴线抬高10～20mm, 反力架左右偏差控制在±10mm，高程偏差控制在±5mm之内，始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰，水平趋势偏差<±3‰。
⑵根据地层结构自身必须满足整体抗压(剪)及稳定性等要求，但盾构在加固区容易产生“抬头”和“自转”现象，我们可以通过以下方式进行调整：
①改变四个区域千斤顶使用数量（如图所示）
从图可以看出，在姿态修正前， 2区使用的是7、8、9三个千斤顶，3区使用的是11、13、15三个，四区使用的是17、18、19三个（图中阴影部分），而当发现姿态偏差后，减少了2区7、8、9三个千斤顶的使用，使盾构机左右形成了较大的推力差。这样，通过改变2、4区域千斤顶的相对使用数量就能使盾构机向左产生位移，达到纠偏的目的。

②改变各区域千斤顶的推进油压
从图5中可以看出，在姿态修正过程中，并未改变千斤顶的区域及个数配置，只是相应的改变了2、4区域的油压，使盾构左右形成较大压力差，且4区压力远大于2区，从而达到使盾构向左行走的目的。
③盾构机出加固区由于土层差异及自身重量容易产生‘磕头’现象， 一般是通过调节上下(即1、3)两区域千斤顶的油压差
3.2.2盾构进洞轴线的控制
⑴在盾构进洞前要系统地对洞内的控制点进行一次全面精确的复测，确保盾构进洞位置准确。盾构进洞时其大刀盘平面偏差允许值：平面<±50mm，高程<±50mm，盾构坡度较设计坡度略大0.2%(即略抬头)。
⑵洞期间需严格控制盾构的掘进参数，一般情况应在进洞前逐渐减少盾构的推力，降低刀盘的转速和推进速度，适当减小土仓内的土压力，并严格观察进洞洞口的情况，在贯通前的最后3环，要求掘进速度小于20mm/min。
⑶由于管片出盾尾时都要受到很大的弯曲应力，所以进洞时应尽量使盾构机保持头高尾低的姿态，与端头井接收架的高程相当，使管片受到的弯曲应力尽量小。
3.2.3合理控制盾构“蛇行”
一般情况下引起盾构“蛇行”的原因为:
①盾构前进遇到的阻力不均衡；
②盾构制作安装误差；
③管片的拼装质量较差；
④测量精度不高。
在推进施工中必须精心作业，对每一环都必须提交切口、盾尾高程及平面偏差实测结果，并由此计算出盾构姿态及成环隧道中心与设计轴线的偏差，将测量的成果绘制成隧道施工轴线与设计轴线偏差图, 发现有偏离轴线的趋势，就应及时、连续、缓慢的纠偏。每推进100环，请监测队伍用高精度经纬仪和水准仪进行三角网贯通测量校核。并用激光测量仪、陀螺仪进行盾构姿态自动跟踪测量控制。
3.2.3提高管片拼装质量
在盾构施工过程中，管片与盾构机的相对关系常常不能保持理想状态，管片的环面与盾构推进方向存在夹角，因而管片在推进过程中易产生破裂现象，影响盾构的正常推进。故管片拼装过程中应保证和提高衬砌环的拼装精度，使管片与盾构机相对关系一致，尽量避免因管片法面的较大倾斜及环、纵缝的较大错位而使盾尾间隙上下、左右产生较大偏差使盾构千斤顶在各区域内实际作用的推力不均匀，影响盾构姿态的正常调整。一般情况下，其环面不平整度应＜3mm，相邻环高差≤4mm，环、纵缝张开＜2mm。
3.2.4采用合理纠偏方式
⑴采用石棉橡胶板进行贴片纠偏
盾构推进过程是个不断动态纠偏的过程，对管片纠偏则是个静态纠偏的过程，隧道转弯或纠正轴线时，除了安装不同方向的楔形管片外，同时在管片背对千斤顶环缝凹处分段粘贴不同厚度的石棉橡胶板进行纠偏, 石棉橡胶板的压缩率为12％，分段粘贴好的石棉橡胶板经推进过程中千斤顶压缩后，会成为一平整楔形环面, 以达到转弯和纠偏的目的(该项工作对管片法面及环纵缝的纠偏尤其重要)。 管片姿态可通过分段粘贴不同厚度的石棉橡胶板来纠正, 若法面前倾（或隧道上坡时），则可采取如图a所视的贴片方式进行，贴片厚度要求呈阶梯形分布，以免因楔形量突变而使管片集中受力，造成破坏(例如在拱底块上贴3mm厚，标准块上贴2mm厚，邻接块上贴1mm厚。法面后仰（或隧道下坡）时，可在封顶块、邻接块及标准块（适量弧度范围内）上贴片，贴片厚度同上分布。向右纠偏时贴片方式如上图b所示，向左时相反，贴片厚度同样要求呈阶梯形分布。
⑵用注浆孔位合理纠偏
该方法可以减少周围土体的松动，增强管片的稳定性和达到修正隧道蛇行的目的，但不足之处是如果注浆量、注浆压力及其孔位分布不能根据施工需要得到良好控制，反而会使管片产生较大的反向位移，导致盾尾间隙偏差量增大，影响到姿态的调整。例如在上海地铁M8线三标黄～延区间中使用的法国FCB土压平衡式盾构机其注浆孔有六个，从左下角起按顺时针顺序排列。注浆过程中，根据需要确定每个注浆孔的浆液注入量，一般情况下，若管片轴向位置发生下沉，盾构下部间隙减小或没有间隙，为防止管片的破坏，则应加大1、6号孔的注入量，3、4号孔可尽量少注或不注，使管片适量上浮，如图所示。反之亦反。

4实施效果
通过已贯通黄兴绿地～延吉中路区间、延吉中路～黄兴路区间下行线情况看，隧道轴线误差均≦50mm，轴线控制情况良好。
5结论
盾构推进中，轴线控制应以精确的测量为基础，通过进出洞轴线控制、蛇行控制、管片拼装质量控制、合理注浆以及良好的盾构姿态控制来实现，以达到符合要求的轴线。通过这些方法实践，盾构推进轴线可有效控制。