双圆盾构施工中转角成因及修正措施
【摘 要】 双圆盾构机的掘进技术是一项全新的施工工艺，盾构在施工过程中产生的转角对施工有着极其重要的影响。通过施工实践，对其转角产生的原因进行分析，并制定相应的施工对策进行修正，以减少因转角产生的各种影响。在M8线施工中应用了转角修正措施，取得了较好的效果，从而使施工顺利进行。
【关键词】双圆盾构 施工技术 转角 成因 修正措施
一、工程概况
随着城市建设的不断发展，地铁建设的线路也日益增多。这就对现今的地铁施工设备及其配套的施工工艺提出了更高的要求，为此双圆盾构投入使用也就势在必行。
双圆盾构在外形上犹如一对联体的普通单圆盾构，它能一次推进就完成两条隧道。1981年，日本产生了采用双圆型盾构（DOT）进行隧道施工的设想，1987年，进行了横向二连体双圆盾构的实地试验，并成功注册了DOT工法的专利；1988年，日本进行了纵向二连体双圆盾构的实地试验；1989年，在日本广岛进行了世界首台双圆盾构工程的施工。
上海市轨道交通M8线黄兴绿地站～翔殷路站区间隧道为中国首条采用双圆盾构机掘进施工的隧道，由上海隧道工程股份有限公司和日本大丰建设株式会社组成的联营体负责施工。该区间隧道从2003年8月8日正式开始掘进，到2003年12月31日全线贯通。中国由此成为世界上第二个使用双圆盾构机完成隧道掘进的国家。
该区间隧道长868m，隧道外尺寸为?φ6300mm×10900mm （外径×宽度），双线中心间距为4600mm；隧道最大坡度为28‰，最小平曲线半径为495m，隧道覆土厚5.2～12m。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。每环衬砌由8块圆形（A）管片、1块大海鸥形（B）管片、1块小海鸥形（C）管片及1块柱形（D）管片共11块管片构成，管片厚300mm，环宽1200mm。管片纵、环向采用螺栓连接，接缝防水均采用遇水膨胀橡胶止水条。
二、双圆盾构转角的控制
双圆盾构机在施工中，诸如盾构轴线控制（平面、高程）技术措施与单圆盾构差异不大，但双圆盾构与单圆盾构在施工中存在较大差异的是盾构机的偏转。单圆盾构推进时，即使发生偏转，也不会直接对建成的隧道产生影响；但双圆盾构推进中，则会因左右管片的高低差及立柱的倾斜，直接对建成的隧道轴线产生影响。盾构轴线控制（平面、高程）是较为成熟的施工技术，然而在转角的修正措施上，双圆盾构则是采取了一套特殊的修正措施。
1、转角产生的原因
双圆盾构转角产生的原因可分为内因和外因两部分，内因是盾构机本身特性所造成的，外因则是由外部土体条件和施工所引起的。
(1)盾构机本体左右差异
双圆盾构机本体左右结构和设备配置存在一定的差异，例如人行闸的设置位置、左右拼装机的结构不同等，造成盾构机左右重量不均等。
(2)盾构机制造精度
双圆盾构机在制造过程中，若左右外壳体存在扭曲变形，则易产生偏转。
(3)周围土体不均匀
双圆盾构在推进过程中，由于土体的不均匀性，使得刀盘在切削土体时，左右刀盘力矩不同，对盾构机产生一个力矩差，从而使盾构机偏转；另外，盾构机所处的土体性质不同，地基承载力也不同，也会造成盾构机偏转。
(4)曲线段施工或纠偏
双圆盾构机在曲线段施工或纠正轴线偏差时，左右两侧所受的力和方向会存在一定的差异，使盾构机发生偏转；另外，若存在局部超挖现象，也容易造成盾构偏转。
2、转角引发的不利影响
双圆盾构产生转角，对盾构和管片的姿态、隧道成型质量、地面沉降等都会造成相当大的影响。
(1)盾构、管片姿态不良
若双圆盾构机产生转角达到0.6°（36′），则其左右高程差就有48mm，而一般地铁隧道的高程偏差为50mm。因此，一旦形成较大的盾构转角，高程就可能超过设计要求。
盾构产生转角后，管片也逐渐发生相同方向的偏转，从而造成管片姿态的不良，并且管片偏转的修正比盾构机纠偏更加困难。
盾构机与管片相对转角增大，两者之间的间隙将变小，管片拼装难度会大幅上升。双圆盾构管片拼装时，立柱原本就较难拼，若拼装间隙变小，立柱只能强行插入，极易使管片出现较大程度的碎裂，影响隧道质量。
(2)地面沉降不易控制
双圆盾构在施工中，由于盾构土仓内土体与正面地层直接沟通，使盾构正面设定土压与盾构切口处的地层变形关系更直接。在修正双圆盾构的转角时，盾构左右两部分的土压力不同，造成地表的不均匀沉降。另外，为修正盾构偏转，需开启仿形刀对土体进行超挖，由此而形成的建筑空隙，若不及时注浆充填，就可能形成较大的地面变形。
(3)影响盾构设备的使用
由于双圆盾构产生转角，使原本处于相对合理位置的各种设备、装置发生位置的移动，从而导致设备的不好使用甚至不能使用。例如，盾构机拼装台上的真圆保持器和螺旋机原本有一定的微小间隙，盾构推进时互不影响，但是，当转角发生且长时间没得到纠正时，加上机器的震动，使螺旋机发生微小的移位，导致真圆保持器无移动空间。
(4)隧道成型质量
双圆盾构产生转角，将造成左右隧道的高低差及立柱的倾斜，直接影响建成隧道的受力及质量。若双圆盾构机本身高程控制不佳，加上因转角产生的高程偏差，就有可能影响到隧道的建筑限界。当盾构出现转角时，一般会开启纠偏转千斤顶，并对千斤顶进行有利于盾构纠偏的编组，但是，若千斤顶使用不当，则管片容易碎裂。
3、盾构转角的修正措施
由于双圆盾构的左右刀盘是逆向转动的，因此，它不能像单圆盾构机那样通过用刀盘正反转来修正转角，而是采取一套特殊的修正措施。
M8线双圆盾构机设计转角最大允许值为0.6°（36′），在实际施工中，一般盾构的转角控制范围为0.3°（18′）。
(1)修正偏转千斤顶
修正偏转千斤顶本身即为盾构推进千斤顶，主要设置在盾构机的两侧。在进行偏转修正时，千斤顶的油缸可沿圆周方向进行一定量的调整，从而利用千斤顶推力在圆周方向的分力来修正偏转（M8线使用的IHI双圆盾构机，配备了12个修正偏转千斤顶，左右各6个，对称布置，千斤顶最大偏转角度为1°）。
在使用纠偏千斤顶时，推进千斤顶应尽量多开（保证管片受纠偏千斤顶沿圆周方向的分力的影响小），并应分多次对纠偏千斤顶进行调整（对修正盾构转角效果明显）。
然而利用偏转修正千斤顶进行修正时，反作用力势必对管片造成反方向旋转，所以，必要时应根据修正的方向，在左右线隧道管片上下部位对角进行同步注浆，既能确保盾构的修正效果，又使管片的姿态保持良好；另外，在使用纠偏千斤顶时，应经常注意千斤顶偏转位置，防止千斤顶移位影响纠偏效果。总之，修正偏转千斤顶的使用应慎重，以免对隧道成型质量造成不良影响。
(2)千斤顶编组
由于双圆盾构宽度较大，在满足盾构姿态（平面和高程）的前提下，采用不同的千斤顶的编组形式能一定程度上进行偏转的修正。例如盾构机发生右转时（顺时针转向），尽量多开启左边上部千斤顶和右边下部千斤顶，以达到修正的目的，但应避免引起管片碎裂。
(3)仿形刀超挖
利用仿形刀对相应部位的超挖，可改变盾构机偏转方向。当盾构机左转时，开启仿形刀，对盾构机的左上部和右下部进行超挖（见图1），产生一定的施工空隙，利于盾构机修正偏转。在使用仿形刀时，应根据超挖量，相应增加同步注浆量。
图1 仿形刀超挖示意图
(4)控制出土量
利用左、右螺旋机的出土量不同达到控制盾构转角的目的。在保证盾构切口处的地面不受影响的前提下，通过扩大左右螺旋机转速的差距来调节左、右螺旋机的出土量。盾构机高程较高的一侧，出土量应相应多一些。
根据M8线双圆盾构工程的施工经验，要使盾构左转，在左边多出土同时，左下部以及右上部配合进行仿形刀超挖。
(5)单侧压重
盾构发生偏转时，在盾构高程较大的一侧加压管片或铅块等重物，使盾构旋转（若管片姿态不好，也可在单侧隧道加压管片，实现管片的旋转），此法简单、实用。
(6)刀盘转向
盾构机在掘进过程中，由于土质不同，左右刀盘力矩大小就不同，由此对盾构机造成的偏转影响也不同。因此，可结合盾构机的偏转方向，通过改变刀盘的旋转方向来达到修正偏转的目的。
三、修正措施使用实效
在实际施工中，应根据实际情况（结合土质等条件），单项或组合使用盾构转角的修正措施。如M8线110环～131环基本上处于④号灰色淤泥质粘土中，110环的转角为-12′（盾构向左转时角度定为负值），在推进过程中，纠偏千斤顶一直处于纠偏状态，同时千斤顶的编组由两边腰部千斤顶对称开启逐渐变为左下和右上千斤顶开启，盾构机推到131环时，其转角为0（见图2）。采用纠偏千斤顶以及千斤顶的编组取得减小盾构转角的效果。
又如在推进402环～440环 （402环的转角为21′）时，盾构基本上处于④号灰色淤泥质粘土中，纠偏千斤顶处于纠偏状态，在推进至415环后，发现管片出现碎裂，于是改变盾构千斤顶编组，并采用左侧多出土的方式进行纠偏（即左侧螺旋机转速大于右侧），达到修正盾构转角的效果，见图3。
再如，盾构机在推进600环～650环（600环的转角为-18′）时，处于②3-1、②3-2和④号混合土体中，此时，纠偏千斤顶全部开启、盾构千斤顶的编组为右上和左下千斤顶开启、右侧出土量大于左侧，并在盾构机右侧悬吊管片，进行单侧压重，在盾构推到636环时，又在盾构右侧加压4t的重物，在多种措施的综合作用下，盾构机偏转得到修正，见图4。
综上所述，在土质较好的情况下，采用少数几种修正措施即可达到纠偏效果。但若遇到土质条件较差的时候，必须综合使用多种，甚至所有的修正措施才能达到纠偏的目的。但在使用有一定副作用的修正措施时，必须配备相应的辅助手段来消除不良影响。
在盾构机出现微小偏转时，应采用一些简单、易行且副作用较小的措施（例如改变刀盘的转向、单侧悬吊管片等）加以控制，使转角始终控制在一定范围内，否则一旦转角形成趋势，在巨大惯性的作用下，就很难在短时间内得以纠正。
四、结束语
双圆盾构（DOT）施工法能代替以往地铁隧道和地下高速公路等一直使用的大断面圆形盾构构筑的复线（双向）隧道及两单圆形盾构构筑的双向（单向）隧道。DOT工法自问世以来，由于其大幅提高施工效率、有效节约地下资源、减少对周边环境的影响、降低工程造价等独特的优势，已逐渐在地铁、市政、能源等工程建设中得到更广泛的应用。
M8线是中国首条采用双圆盾构施工的隧道，由于该工法在中国还刚刚起步，有些技术尚不成熟、不完善，虽已初步掌握了盾构机转角的修正措施，隧道的施工质量优良，但双圆盾构机的掘进技术是一项全新的施工工艺，与单圆盾构施工有一定的差异，在今后的施工实践中，不断发现问题、分析原因、制定对策、解决问题、积累经验，切实掌握一套行之有效的修正措施，提升双圆盾构的施工技术水平。
文章出处：《上海隧道》2004年第3期
