上海隧道工程有限公司上海200032
摘要：类矩形盾构的断面形式有异于单圆盾构，盾构发生偏转时，将会影响后续的管片拼装及成型隧道使用的应力状态，同时对控制地表沉降加大了难度。因此，类矩形盾构在施工中，转角的控制至关重要。本文通过分析产生转角的因素，提出了单侧压重配合壳体注浆，同时观察纠偏趋势调整纠偏的方式控制转角的方法，纠偏结果显示，上述方法可以有效控制转角，达到技术要求。
关键词：类矩形盾构、转角控制、壳体压浆、纠偏趋势
一、前言
21世纪是地下空间的世纪[1]，随着我国经济的发展，地下空间建设日趋加快，而地铁具有运输快、运量大的优点，受到国内各城市的热捧。盾构法作为非开挖技术，减少了对人们日常生活的影响，同时具有建设安全性高的特点，因此盾构法施工的隧道成为当前的主流。Brunel于1843年首次应用盾构法建造贯穿泰晤士河的隧道成功，距今已经有174年[2]，在岁月长河的发展下，盾构家族不断加入新的成员，包括单圆盾构、双圆盾构、三圆盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、椭圆形盾构等等[3]。单圆盾构具有受力良好的特点但其空间利用率少，其他异型断面盾构虽然提高了空间利用率，但受力较差且施工工法不易控制。结合单圆盾构和其他异型断面盾构的特点，又发展出了类矩形盾构，对空间利用率有所提高也对受力状态得到改善。类矩形盾构，其断面形式由于在长度方向大于高度方向，使得在施工过程中将遇到不同于单圆盾构的转角问题，从而加大了对土体的扰动，引起地面沉降过大，因此，为了提高类矩形盾构工法的推广，必须较好的控制盾构转角问题。本文结合宁波软土地层内矩形盾构隧道施工实例，提出了控制盾构转角的方法。
二、工程概况
宁波市轨道交通3号线某标段，本工程范围主要为：部分车站、类矩形盾构段区间隧道及其附属结构、明挖段盾构井及U型槽段。区间推进施工采用1台新制的11.83mX7.27m类矩形土压平衡盾构，类矩形盾构从始发井南端头始发，沿规划广德湖南路向南下穿规划纬四路后，向西南下穿外塘河，最终到达盾构接收井。类矩形盾构段长390.3m，区间隧道纵坡最大坡度35‰，最小平曲线半径R400m，隧道顶部埋深2.5m～10.46m。
三、转角产生的因素
双圆盾构转角产生的原因，主要有土质特性的影响、盾构机制造误差、运输台车的牵引重量不同和已拼装管片对姿态的影响[4]。结合双圆盾构转角产生的原因，本文总结出类矩形盾构转角发生的可能性有土质特性影响、机械设备重量因素和工程施工参数控制影响。
1、土质特性影响
盾构机在推进过程中主要受到盾构正面阻力、土体对壳体的摩阻力、盾构自重、下卧土层的支撑力和由于刀盘旋转土体施加的扭矩。
由于类矩形断面长度小于两倍的小圆半径，为了尽可能进行全断面切削，本工程采用了两个大刀盘以“XX”固定相位角进行同步切削，前方两个刀盘切削的土体性质不同，产生的扭矩盾构机自身不能抵消，将会作用于土体，反之造成盾构机产生转角；相同道理，下卧土层性质不同对盾构机的托举力不同，也将造成盾构转角的产生。
2、机械设备重量因素
类矩形盾构是中心对称结构，但由于后续的左右牵引台车（车架）配备的设备数量不一致，或者盾构机机头制造误差，造成盾构机自身重量不对称，都将产生盾构的转角。
3、工程施工参数控制影响
在盾构推进和拼装过程中，同步注浆、千斤顶顶推、螺旋机出土和管片拼装均有赖于人为操作，这就会带来不可控因素。管片拼装时，由于拼装姿态差，造成管片与盾构机尾部产生不均匀力，导致盾构机产生转角；同步注浆时，由于浆液填充不均匀，将造成管片与土体间隙不良，管片沉降上浮不对称，对盾构造成外作用力，行程扭矩转角；在推进过程中，盾构高程和平面纠正时，千斤顶长度不对称，形成千斤顶顶推力分力效果，施加于盾构机形成转角；本工程中，是左右两个螺旋机出土，转速控制不好，将影响两边出土量，如果一侧出土过多，行程下卧土层的减少，盾构机对称的托举力将变化，使得盾构一侧下沉，形成转角。
四、类矩形盾构转角控制方法及效果
通过分析盾构产生转角的因素，为了防止转角的发生应该控制好设备制造问题和施工参数的控制。但转角发生时，目前常见的是单侧压重[5]，本工程结合以往的经验，提出在盾构机机头中下部壳体开孔进行压浆操作配合单侧压重的方法进行纠偏，同时提出转角纠正不是个静态的问题，应该时刻关注纠偏后盾构转角变化的趋势，达到良好的姿态。
单侧压重方法指在盾构机头单侧加压铁块等重物，抵消盾构机制造重量误差，同时等同于施加外扭矩于盾构机，纠偏转角。此方法简单但较为费时费力，且对于控制纠偏趋势不利，即转角回归趋势出来时，是否立即进行铁块的去除，难以把握。
壳体压浆方法指在盾构机机头中下部壳体开设孔洞，向壳体外注浆，对孔洞处土体产生挤压力，根据作用力与反作用力，土体将在此处对盾构机产生相反的力，形成扭矩进行纠偏。壳体压浆孔洞开设位置如下图。
盾构转角纠偏措施：
在当盾构机转角在±3′以内时，向前壳体底部开注的注浆孔反向缓慢压浆，监测方量和注浆压力。当转角有回归趋势时，停止压浆，观察转角随着推进距离的变化；
当盾构机转角＞±3′、＜±6′时，依靠壳体压浆的需求量将增加，由于浆液具有流动性，容易造成浆液的流窜，反而影响纠偏效果。因此基本通过机头、0#车架单侧配重的方法进行盾构机转角控制；
当盾构机转角＞±6′时，盾构机内部单侧压重的铁块需求量将极大且考虑盾构机机头位置有限，无法满足大量的铁块摆放，同时压重方法对何时减少铁块不宜掌控。因此考虑通过壳体底部反向压浆与机头、0#车架单侧配重并用的方法进行盾构机转角控制。在盾构机转角回归趋势较大时，应立即停止压浆，观察转角的后续变化，直到调整到转角在＜±6′以内，再采用相对应的方法。
本工程转角控制效果如下：
通过387m的试验段推进，较大程度上控制了盾构转角在±3′以内，通过上图可以发现当盾构机转角在±6′以内时，控制较易，转角回归时间较短，当盾构机转角超过6′时，较难进行纠偏，将需要较多环的连续纠正，这对管片拼装和地表沉降控制产生不利影响。因此建议最好在转角较小时，即进行相应的控制方法。
五、结论
类矩形盾构的姿态控制较为困难，尤其转角的控制，而且转角的发生将造成拼装困难、土体扰动过大和成型管片受力不均等难题。本文通过分析转角产生的原因，除了提出应该控制好设备制造问题和施工参数的控制等预防转角发生的建议，更进一步提出了壳体压浆和单侧压重对转角控制行之有效的方法，依靠宁波三号线的类矩形科研项目，监测到通过上述方法，转角基本控制在±3′以内，并建议了转角纠偏的开始时间（±3′），过程中注意趋势控制。
参考文献
[1]21世纪地下空间开发利用展望[C].钱七虎,陈志龙.中国土木工程学会第八届年会.1998.
[2]盾构法隧道[M].刘建航,侯学渊.中国铁道出版社.1991.
[3]盾构隧道[M].张凤祥,朱合华,傅德明.北京人民交通出版社.2004.
[4]双圆盾构施工中转角的控制[J].郑坚,张兆逵.岩土工程界.2006.
[5]双圆盾构机侧向滚动控制技术研究[J].郑坚.建筑施工.2010.