盾构隧道位移控制探究

技术总结、论文申报评审表

盾构隧道位移控制技术研究

中铁十四局广州盾构分公司张智博

内容摘要：从盾构隧道线路设计、盾构机设计制造及盾构隧道施工阶段管片姿态控制的角度分析掘进盾构隧道与设计隧道线路的关系，并结合我单位广州地铁三号线［汉－市］盾构工程使用盾构设备与工程实例。本文可为盾构法隧道施工单位根据工程线路情况进行盾构机选型及施工过程控制盾构掘进姿态与分析成形管片隧道位移提供思路。

关键词：地铁盾构隧道设计线路位移控制施工

1引言

隧道施工有许多施工方法，选择合适的隧道施工方法对于安全而且经济地建设隧道是极为重要的。盾构法施工地下隧道具有适应各种地层和不同埋深，对周围环境影响小，施工机械化程度高，掘进速度快，施工安全等优点，尤其适用于城市地下开挖工程。随着盾构技术的日益完善，盾构法在欧、美、日等国家得到了广泛的应用。中国盾构隧道始建于1965年，于北京始建中国第一条地铁。目前，我国亦开始大量采用盾构法施工城市地铁。已建成地铁的城市有：北京、天津、香港、上海、广州，南京、深圳在建，武汉、长春、沈阳、大连、杭州、成都、西安等城市都在准备上马轨道交通。

盾构施工工法目前已日趋成熟，但是盾构隧道发生位移超限的问题依然较为突出，尤其是与有关施工规范（＜地下铁道工程施工及验收规范＞（GB50299－1999））要求的盾构隧道位移存在一定的差距。盾构隧道位移的控制技术是满足建筑限界的关键，从盾构机型、地质条件、盾构姿态、衬背注浆、线路设计方面进行了研究，对于影响盾构隧道位移的因素以及控制隧道位移的措施进行了阐述。

2工程实例

广州地铁三号汉市盾构区间德国维尔特(WIRTH)-砝码通(NFM)Φ6280mm土压平衡式盾构机。盾构机前体直径6280mm，盾构机长9500mm，总重320T，最小转弯半径250m。盾构隧道外径6000mm，内径5400mm，圆形隧道建筑界限为5200mm，盾构隧道衬砌管片厚度300mm，环宽为1500mm。盾构隧道区间多为直线段，左、右各有一个半径R=2000m的大半径的平面曲线段。线路最大坡度为9?，最小坡度3?。区间地层由元古界震旦系，中生界侏罗系

组成，上覆第四系，主要穿越＜5＞、＜6＞、＜7＞、＜8＞、＜9＞地层。基岩裂隙水，主要赋存于强～中等风化的＜8＞地层基岩裂隙中。

3影响盾构隧道位移的几个因素

3.1盾构机的适应性

盾构机作为盾构施工主体，应合理的进行选型，以适应特定的工程。进行盾构机设计联络时应充分考虑各项因素，尤其是对特急曲线的适应性，以具备很好的可操作性，这对于盾构掘进姿态控制至关重要。盾构机必须与设计线路的净空及线路半径相匹配，但是盾构机尺寸的选择往往又是相互制约与、相互予盾的。偏大的开挖直径有利管片隧道拼装拟合，却意味着多余的开挖方量与同步注浆量，如何寻找一个较好的结合点降低成本是关键。以下是盾构机的几个重要尺寸的选择依据。

3.2盾构机外径

盾构的外径必须根据管片外径，盾尾操作空隙和盾尾壳板厚度确定。盾尾操作空隙应考虑管片的尺寸、隧道的平面线路、蛇形修正、盾尾止水刷安装等因素。

用计算式表示盾构外径，则有下式：

D＝D0+2(X+t)＋γ

式中：D－盾构外径

D0－管片外径

X－盾尾间隙

t－盾尾壳板厚度

γ－管片组装时富裕量一般为20~40mm。参见表1。

管片拼装时富裕量表1

盾构机掘进之后，盾尾操作空隙和盾尾壳板厚度之和，作为盾尾空隙保留下来。为了进行保证地层的稳定和沉降，需进行管片壁后注浆进行填充。选择合适的盾构机外径对于降低工程固定成本有一定的影响。

3.3盾构机盾尾间隙

盾尾间隙在盾构机外径中已有考虑。但是管片的拼装部位即为盾尾，

1.盾构在曲线上施工和修正蛇行时必须的最小富裕量（x1）。见示意图1。

x1=δ/2

δ=(R-D0/2)(1-COSβ)=l2/2(R-D0/2)

2.管片组装时的富裕量一般为20~40mm 。

式中：D －盾构外径

D 0－管片外径

X －盾尾间隙

x1－最小富裕量

t －盾尾壳板厚度

R －曲线上施工半径

l －盾尾长度

3.4盾构机长度与灵敏度

盾构机应根据围岩条件、隧道线路、盾构型式、铰接的设置形式、管片宽度、K 块的拼装形式等因素确定。一般情况，盾构机本身为直线刚体不能与设计线路完合拟合，盾构掘进后形成的线形为一条边续的折线，盾构机长度越小，线路曲线半径越大，拟合程度越好。盾构机设计长度宜缩短盾构机长度，提高盾构机纠偏的灵敏度，与线路进行拟合程度亦将提高很多。

根据众多现型盾构机尺寸，盾构机外径6m~8m 时，盾构机的长度一般为0.75~1.25倍盾构机外径。

3.5盾构机铰接和仿形刀

为了确保隧道曲线施工时的线路，将盾构本

体分为前体和后体，让盾构机在前体和后体结构

处曲折，在可以减少推进时超挖量的同时产生推

进分力，以易于盾构弯曲。在盾构机的中部增加

铰接装置，即可减少盾构固定段长度。

最小内接半径R min

3.6地质条件的多样性

盾构隧道线路地质条件是隧道工程中不可忽视的。地质条件对于盾构隧道线路的影响主要表现在两方面：一、对于盾构机掘进控制的影响。当盾构机处于连续地层中掘进时，盾构刀盘受力均匀，掘进参数较稳定宜于控制线路轴线。但不可避免的、经常性的处于不均匀地层中。例如：广州地铁三号线汉市盾构区间右线第578环至600环上软下硬地层的地质情况，如图3所示。

盾构机与施工半径的关系 图

1

盾构机铰接与曲线半径关系 图2

盾构机处于上软下硬地层中掘出进

时为了克服下部硬岩阻力，一般要加大

下部千斤顶推力，造成上、下组千斤顶

油压力相差较大。当地层情况变化时或

上、下组千斤顶油压差值控制不好时常

造成盾构机“抬头”，偏离设计线路方向。

二、地层中水土压力及尚未凝固的砂浆

对于盾构管片的位移影响。盾构隧道管片是隧道衬砌的一种形式，在盾构机开挖的空间中属于两端简支的弹簧梁。管片环在自身重力及水土压力作用发生位移，而且这种位移在某些特殊地层、地段的变形量相当可观。

3.7盾构掘进姿态控制的准确性

3.7.1盾构导向系统

盾构机姿态实时正确测定是隧道顺利推进和确保工程质量的前提，其重要性不言而喻。施工中测量盾构机姿态所采用的自动监测系统多采用国外引进的设备，例如德国PPS 导向系统（见图4）。盾构机掘进控制机理为：在安装过程中通过人工测定预先确定好坐标的参考点（9）来定向经纬仪

（1），并将测量基准资料输入系统电脑（2），再通过固定好位置和方向的机动经纬仪（1）自动测量盾构机里面的两块棱镜，确定出经纬仪新的位置，进而得出盾构机姿态。系统连续跟踪测定当前盾构机的三维空间位置、姿态，和

设计轴线进行比较获得偏差信息。

主机（1）定向精度对整个地铁区间

贯通起着决定性的作用，但后视与

主机的定位失误或者掘进过程中主

机与棱镜坐标变动而未及时进行校

核将直接影响主机测量姿态的精度。施工中应经常性校核主机与后视坐标，以保证盾构机姿态信息的可靠性。

3.7.2盾构主推力千斤顶与铰接油缸

盾构机向前行进是靠安装在支承环周围的千斤顶顶力，同时盾构机的轴线控制亦靠众多千斤顶组的不同组合。通过分配给予各组千斤顶不同的油压使之获得不同的推力与行程。当加大某组油缸油压时，下部千斤顶推力与行程较其他组大一些，则盾构机向此方向偏转。同样根据调整其他分区油压差值，可分别控制盾构的坡度和方位。铰接油缸是连接前体与后体的装置，它的行程变化则反典型上软下硬地层剖面图 图3

PPS 自动导向系统图 图

4

应了盾构机的前进趋势。

3.7.3掘进线路的选定

＜地下铁道工程施工及验收规范＞（GB50299－1999）8.4.4规定：“盾构掘进中应严格控制轴线平面位置和高程，其允许偏差均为50mm，……”。但是由于地质条件的变异性、施工工艺的局限性和掘进姿态控制的准确性，在实际施工过程中一般常出现超出规范要求的现象。而且由于成型管片后期位移，即使盾构沿线路轴线掘进也不一定保证成型隧道与设计线路吻合一致。因此在特定工况下，建议盾构掘进控制的重点应该是最终成型隧道管片的轴线与设计线路轴线的一致性。

3.7.4管片的符合性

管片作为盾构隧道的主体，盾构隧道管片位移控制是确保隧道线型符合设计要求、满足隧道建筑限界的关键。在盾构隧道施工过程中，隧道拼装成型的管片姿态及位移是我们最终控制的对象。管片的隆升分为三个阶段：第一阶段，从管片安装到其脱出盾尾前，主要受盾构机姿态和千斤顶影响；第二阶段（管片位移最大阶段），管片从盾尾脱出至距离盾尾2环左右，管片上浮，在同步注浆影响下管片周围充满浆液，在浆液充填率大，管片上浮也较大；第三阶段，由于浆液的渗透和固结收缩引起管片下沉。管片姿态应与盾构机姿态相吻合，在盾构机掘进过程中管片处于盾构机盾壳内，受盾构机的影响较大，但是同时在管片脱出盾尾后仍然会发生一定的位移，而且我们认为这种位移变形是影响最后成形盾构隧道空间位置的主要因素。

3.7.5管片选型

从目前盾构隧道设计采用较多管片形式来看，根据管片的结构尺寸包含标准环与楔形转弯环。通过间隔的选用转弯环可以拟合出不同曲率的曲线。管片选型的原则：控制好管片环面与盾构机及线路轴线的垂直度关系，考虑盾构机走行趋势适时选用标准环管片或转弯环管片，均衡管片与盾构三维空间关系。考虑线路包括缓和曲线和圆曲线段，首先计算理论拟合曲线的转弯环环数，然后采用蛇行修正楔形管片环数量取直线段管片环数的3%~5%。

3.8管片在盾构中的拼装质量

＜地下铁道工程施工及验收规范＞8.6.5条规定：“管片拼装允许偏差为：轴线高程和平面50mm；每环相邻管片平整度4mm；纵向相邻管片平整度5mm；衬砌环直径椭圆度5?。”要作到规范要求，必须认真作好管片的选型及管片拼装质量。每一环管片都是下一环管片拼装的基准环。

控制好成环管片的环面质量是确保及提高纠偏效果以及控制管片后期变形位移的关键因素。环面质量是环面与隧道轴线的垂直度差异，只有在垂直度良好时，盾构管片之间的自由度最大，两者没有卡碰现象，才有达到盾构自动纠偏及控制管片姿态的目的。前一环管片的基准不准，造成新拼装管片位置也不准，对于管片的受力也造成严重危害，因此管片拼装的质量一定要严格控制。

3.9掘进纠偏对管片位移的影响

＜规范＞8.4.4规定：“……,发现偏差应逐步纠正，不得猛纠硬调”。要求平稳地操作盾构机，防止过大的纠偏动作。过大的纠偏往往造成两侧千斤顶行程差较大，管片环面与线盾构轴线不垂直，造成管片与盾构机的不良相对位置。从管片姿态与盾构姿态关系图上可以看出当管片环面与线路轴线及盾构轴线不垂直时，既而造成向外侧的纠偏力偶及向外侧的水平分力，造成管片横向位移，并有可能影响到盾构推进轴线的控制。

同时为了保护管片在掘进纠偏过程中不致发生破损，一般对掘进各分区千斤顶的油压力差值作出相应限制，即不得猛纠硬调。

管片与盾构姿态相对关系图 3.10壁后注浆影响

盾构机开挖的轮廓均大于管片的外径，管片在较大的空间中的稳定是依靠管片壁后的同步注浆浆液并依靠浆液与地层构成与围岩一体化的稳定构造物。但是地层中的管片又不是静止的，一定时间内是处在浆液体中。由于受到水土压力与浆液浮力的作用存在位移，随着时间的延长然后趋于稳定。通过计算管片自重与管片受到的浮力可以计算出管片的运动趋势。以外径D ＝6m,厚300，宽

1.5的管片为例，管片砼自重约为192KN ，如隧道处于全断面地下水中，水浮力为424KN 。浮力大于自重，而且管片外存在位移空间，由此可见管片存在上浮趋势。同时由于地层关系，当盾构隧道处于软土中时盾构开挖土体的自稳性差会产生主动土压力阻止管片的上浮运动，而当盾构隧道处于自稳性较好的硬岩中时，管片的上浮趋势则不可避免的发生了。

3.11线路设计的合理性

线路在设计过程中应充分考虑地质软硬不一的情况，避免盾构隧道过多地穿越上软下硬的地层交错区，减小施工中的盾构隧道位移控制的困难；线路设计中应考虑线路埋深、地下水土压力及土层地质特点，并验算上覆土层与盾构隧道的抗浮要求。

4控制管片隧道位移的施工措施

成型隧道管片的位移变化大多90%发生在管片脱出盾尾一至两天内，而后期上浮值则非常小。

因此隧道管片位移控制的关键时间在是管片脱出盾尾一两天内，而稳定隧道主要靠适当的衬背注浆 Fl:左侧千斤顶作用力

Fr ：右侧千斤顶作用力

Fx'：管片纵向作用分力

Fy'：管片横向作用分力 M'：弯矩

纠偏力偶分析图

与盾构姿态控制。

4.1掘进参数优化

（1）解决轴线难控制的技术措施：

a）选用带铰接装置及仿形刀的盾构机

b）开启盾构铰接装置，预先推出弧线态势

根据设计曲线半径及盾构直径计算铰接角度，开启盾构铰接装置，使得盾构机的前筒与后筒张角与曲线吻合，预先推出弧形趋势，为管片提供良好的拼装空间。

c）采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏

仿形刀的使用主要须考虑两个方面的因素，一是仿形刀的超挖范围。仿形刀通过设置，可以在圆周任意区域位置进行超挖，该工程将采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，以有利于纠偏。二是超挖量。根据公式（1）计算：R=250m, 理论超挖量δ为21mm；在缓和曲线段，它是不断变化的一个函数值。实际超挖时，超挖量必须根据隧道的设计轴线、铰接装置的设置值、盾构机的姿态、管片的拼装状态等因素综合考虑后确定。

d）解决隧道受侧向分力的影响向圆弧外侧偏移的技术措施

(2)盾构掘进时走向的预偏

为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时，考虑给隧道预留一定的偏移量。将盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定往往须依据理论计算测量监测数据分析和施工实践经验的综合分析得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。根据我们的施工经验：盾构机掘进轴线应在设计轴线内侧10mm（设计轴线高程上尚无固定参考值，需结合测量监测数据确定），这样有利盾构机掘进的姿态及轨迹的控制。

(3)控制盾构千斤顶掘进速度与推力

在常规隧道施工时，为了保证进度，盾构机掘进速度往往达到50mm/min左右，与之匹配的推力较大。而在纠偏过程中，根据成熟的施工经验，必须适当降低掘进速度，即降低千斤顶总推力，同时也意味着降低侧向分力，有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量。因此在曲线隧道施工时或者纠偏时，必须确定一个合理的推力和掘进速度。这个合理的掘进速度必须额外的增加推力，从而达到减小侧向分力的目的，同时尽可能少扰动土体。必须指出的是这个掘进速度也不是一成不变的，随着施工条件、地质状况、线形等的变化，也须即时调整，从而达到最好的施工效果。

4.2优化衬背注浆技术

衬背注浆对盾构隧道主要起以下作用：填充盾壳与管片间的建筑空隙，使隧道管片衬砌与围岩

共同作用形成一体的构造物；填充小曲率半径曲线的外侧，可作为盾构推力时的后座力，较好的控制管片间的环高差；在隧道建成后，隧道很容易产生位移，通过注浆可控制成环管片的位移量。衬背注浆技术亦一直作为控制盾构隧道位移的关键技术措施。

（1）注浆浆液类型：

为了达到盾构隧道壁后注浆效果，注浆浆液需考虑注浆的充填性、凝固强度和限定范围（防止流失）。只有这三者达到有机的结合，才能使隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构造物。目前主要采用的浆液类型和性能见下表：

（2）注浆浆液选用原则：

盾构隧道管片在开挖空间的位移变形，很大程度上依靠衬背填充料提供约束。在软弱地层与较坚硬地层中壁后注浆要达到的性能要求是不同的。以下是注浆浆液的一般选用原则。

a）对于地面保护要求不高的地段或较坚硬并有一定自稳能力的岩层（如广州地区隧道大部分处于强或中风化岩层中时，要均匀地填充地层，首要的是增加浆液的流动性），可考虑采用单液注浆。可使用惰性浆液或活性浆液，此时除保证浆液强度、固结率、可泵性等基本指标以外，应适当延长凝结时间（>12小时），但需密切注意其流失的可能性和程度。

b）对软弱地层和地面保护要求较高特别是有重要建筑物和地下管线的地段，宜优先采用双液注浆。如施工管理水平较高也可采用单液活性浆液，但此时应缩短凝结时间（<7小时）。

c）对于富水地层，考虑到浆液易受地下水稀释，致使早期强度下降，应优先考虑双液浆；也可考虑单液活性浆液，并要求凝结时间短、粘性大、保水性强、不离析，同时应保证盾尾的良好密封性能并提高注浆压力。

d）在盾构始发和到达段，总体上要求缩短浆液凝胶时间，以便在填充地层的同时能尽早获得浆液固结强度，保证开挖面的安全并防止从洞口处漏浆。

（3）衬背注浆策略：

一般从通过设置在盾构上的注浆孔进行同步注浆，也可从设在管片上的注浆孔进行注浆。以不偏压为原则，从下往上对称压注。注浆压力选择以能充填建筑空隙为原则，根据相应部位的土压力，水压力、泥浆压力以及衬砌强度选择合适的压力，一般注浆压力不大于500Kpa。注浆量考虑开挖空隙、围岩裂隙渗透系数、超挖量等因素，对注浆实行压力和注浆量双重控制。以开挖直径Ф6280mm，管片外径Ф6000mm，计算理论充填注浆量为4.06m3,实际注浆量为6m3,充填系数

为130%~180%。

特殊情况下，可以采用不对称注浆，利用注浆压力对管片与盾构机的相对位置进行调整，改善管片姿态。如下图所示。

当发现隧道上浮量较大、波及范围较远时，可采

取对已建成隧道进行双液浆或聚铵脂补注浆措施，使

隧道纵向形成止水带，以割断泥水补给路径，以减缓、

制约隧道上浮，从而控制隧道变形。

4.3加强测量监测 监控量测的目的是盾构隧道施工过程中，随时了解和掌握盾构掘进前后的盾构管片隧道变形位移情况和地表沉降、地下水位变化、土体位移以及对其上周围建筑物的影响等，将信息反馈优化施工方法，组织信息化施工，实行动态管理。监控量测的内容现场监测的主要内容包括：地表隆陷、隧道隆陷、土体内部位移、衬砌环内力和变形、土层压应力、建筑物沉降与倾斜。

5结束语：

随着自动测量监测系统、衬背注浆技术的日趋完善以及掘进施工经验的积累、盾构机的掘进系统的完善，大量的先进设备提供了信息化的施工的条件，但盾构隧道工程施工仍要坚持以地质条件为本、以人为本的科学思想。针对复杂多变的施工条件认真研究，采取信息化动态控制，根据测量、推力、扭矩、掘进速度、土压力和出土土样等信息及时调整参数，最大程度上地控制施工阶段的盾构位移，确保盾构隧道的线路位移符合规范要求。

作者介绍：

张智博，男，山东滕州人，生于1980年01月，2001年毕业于山东建筑工程学院交通土建工程专业。

参考文献：

1. （日）土木学会 编 朱伟 译 隧道标准规范（盾构篇）及解说 中国建筑工业出版社

2. 地下铁道工程施工及验收规范

3. 程骁 盾构施工技术 上海科学技术文献出版社

4. 编着 周文波 盾构法隧道施工技术及应用 中国建筑工业出版社

注浆纠正管片姿态