地铁隧道施工中成型管片轴线控制技术分析

李强

（中铁二局集团有限公司城通分公司，成都 610000)

1 引言

随着城市轨道交通基础设施建设的快速发展，盾构机的应用越来越多，由于盾构施工是可逆的，施工企业、工程监理都将盾构隧道施工成型管片轴线的控制作为重中之重。在施工过程中，隧道施工成型管片轴线存在偏差会影响工程进度，推迟工期，造成重大工程安全事故，对经济发展和社会造成影响，因此，采取针对性措施缩短成型管片轴线偏差，是各地铁站盾构施工专业技术人员的职责。

2 工程概述

某地铁工程机场西站—萧山机场站区间位于浙航大道与航安路路口西侧。区间出机场西站后下穿机场高速公路，过机场高速公路后以一组半径R=450 m 的曲线转向东，下穿围场河后沿浙航大道敷设，至浙航大道与航安路路口西侧，设中间风井，区间出中间风井后继续沿浙航大道敷设，至浙航大道与航景路路口西侧接一组反向曲线后接入萧山机场站。区间最小坡度为5.071‰，最大坡度为24‰，最小转弯半径为450 m，最大转弯半径为1 500 m，区间隧道最小埋深8.81 m，最大埋深18.25 m。盾构机应根据市政管网、建筑施工、桩基、河流等内容，对隧道中心线的操纵提出更高要求：进行盾构掘进施工时，隧道高程误差和平面误差应控制在50 mm 以内，成形隧道高程公差和中心线平面误差应控制在100 mm 以内。操纵隧道中心线的主要目的是更好地保证盾构机能够沿设计方案路线推进，防止盾构机超出误差极限无法达到设计方案要求。

3 成型管片轴线偏移原因

机场西站最初设置在隧道出口侧，主要是隧道施工坡度较陡（24‰），升级后改为起点站段项目。设计方案中没有考虑缓坡保护段的合理节距和可靠性。也就是说，在起点站的托架上，掘进机在进行推进时不能进行坡度调整。在工程施工过程中，由于过分追求工程进度，掘进机开挖速度过快，造成段在施工过程中偏差过大。盾构机推进施工全过程注浆施工的注浆量和注浆压力过大，造成分段偏移，导致仪器设备精度下降，产生冗余误差；每次精确测量完成后，都需要换站，测量数据信息有一定的误差；另外，由于每次换站的应用数据都是上一站的数据信息，随着换站频率的增加，会导致总误差、最终误差越来越大；机场西站至萧山机场站盾构隧道施工期间，盾尾刷更换3 次，盾尾刷一旦损坏，会出现更严重的模胀情况，即泥浆引入不足，导致管段向下移动，即使最终顺利形成，部分掘进段操纵值也会超过极限；在盾构施工过程中，盾构司机没有认真进行工程图纸和工程施工顺序研究[1-3]。验证中，当出现坡度变化时，无法立即调整盾构姿态；在盾构机掘进过程中，段型选择困难，会造成盾尾间隙缩小。为了更好地保证盾构机前进，避免管片损坏，必须改变盾构机姿态，避免盾构机偏离隧道施工设计方案的中心线。

4 测量措施

4.1 建立坐标体系

在盾构施工前，必须在地面和地下建立坐标系，根据业主给出的平面图控制网络及其横向网信息，确定平面图的各点高程和近井点；然后采用精确测量方法进行测量，将线路控制点和参考点的高程坐标传输到模型中，从而创建坐标系，并对盾构机建设进行专项指导[4]。

4.2 导向系统测量

导向系统软件在盾构施工中得到了广泛应用。激光站是盾构机自带的检测设其姿态的测量系统，测量频率为2 次/s，这样就大大减少了人工检测盾构姿态的次数。激光站是由带激光发射装置的全站仪、激光接受靶（位于盾构机刀盘后面）、后视棱镜组成。激光站的测站和后视都纳入了地下坐标控制网中，根据激光全站仪能测出掘进中盾构的具体三维坐标和其具体里程，并与主控台内的计算机资料做比较，当超限时盾构机会自动停止工作。让实际操作人员实时获取盾体和设计方案，中心线的偏差可立即纠正，保证施工质量。

4.3 人工测量

首先，明确中心坐标、盾构机总长、盾尾坐标、原件等盾构机的相关数据信息，以及盾构机的原始倾斜度、预标定、倾角标尺的标定及后标底座的安装，均应根据上述准确的测量数据信息进行。在安装坡度板的整个过程中，需要将其安装在前护罩或中护罩的底端，以便于观察。锤球的尖端需要偏向等级板的标尺线。在调整斜板位置的整个过程中，应利用盾构机的拐角并以具体精确测量得到的倾角值为依据。调整标准是使锤头与相应的刻度值准确匹配。前标、斜板和后基标安装后，必须准确测量相关数据：前标0 刻度位置与盾构机管理中心的实际高度差；后刻度0 刻度位置距离盾构机管理中心的实际高度差；监测站与前方标志的距离；前标记的长度；前标记与后标记底部的距离；盾尾的背标长度；盾尾前端标记的长度。为了更好地保证上述数据的准确性，必须对其进行校对[5]。这类数据属于计算程序的基础数据。将盾构机型号规格及相关准确测量数据输入计算机语言，即可显示盾构机主要参数数据。理论上，人工测得的数据应该与引导系统软件测得的数据一致。但由于数据误差，在实际运行的整个过程中，只有相关主要参数数据相差小于11mm，才可以判断盾构姿态是否正常。

5 施工措施

5.1 PDCA循环管理法

盾构施工轴运行中选用PDCA 循环系统进行管理。PDCA是英国质量控制权威专家戴明博士将全面质量控制主体活动的整个过程分为4 个环节：Plan（计划）、Do（实施）、Check（检查）、Action（解决）。按计划→实施→检查→解决，循环进行质量控制，这4 个环节是一个连续的循环系统。同时，PDCA 循环系统的整个过程实际上就是理解→实践活动→再理解→再实践活动的全过程。即在盾构隧道工程施工前制订轴控质量政策计划或准备，然后，按计划落实，将执行结果与原来的概念和计划进行比较。检查计划执行情况，最终根据检查结果改进工作，总结成功经验或修改原有理念，制订新的工作计划，运用科学管理计划，确保盾构施工轴线保障措施的完成。

5.2 明确盾构始发方向与注浆配比

盾构机初始状态主要决定于始发托架和反力架的安装，因此，始发托架的定位在整个盾构施工测量过程中格外重要。其主要安装精度指标为：高程偏差≤±5 mm；左右偏差≤±10 mm；竖直趋势≤±2‰；水平趋势≤±3‰。根据井下导线点准确放样出盾构机的基座及反力架位置，基座的前点高程比设计高程提高1 cm，后点高程与设计高程一致（以消除盾构机入洞后“磕头”的影响），反力架、基座的中线必须重合，标高必须顺坡。如有特殊原因限制，必须考虑隧道施工的倾斜度和始发托架的放置，以防止盾构轴线偏离。在同步注浆工程施工全过程中，要对同步注浆准备进行严格控制，对泥浆质量进行监督。试验过程中，应及时对砂浆进行取样检查，并对砂浆初凝情况进行统计和分析，明确砂浆的最佳初凝状态，然后，按规定确定能满足要求的砂浆，以满足项目建设要求。尤其是雨后，更要注意泥浆的配制和操作步骤。

5.3 盾构机姿态控制

盾构机的姿态包括盾构机主体转动和方向操纵。操纵的优劣直接关系到隧道施工中心线是否符合直线规定。调整盾构机的方向，容易造成盾构加深、盾构滑动摩擦力扩大，引起周围地质构造振动，使地基沉降。因此，应立即纠正推盾机造成的方向偏差，使盾构机的推力方向始终与计划路线一致，这一点尤为重要。由于诸多因素的影响，往往会在盾构施工整个过程中进行调整和修正。在盾构施工整个过程中，必须遵循纠偏标准：经常纠偏，少纠偏（一般±5 mm/m，少数为±10 mm/m），早纠偏。同时，要有偏差管理方法值和规定值，必须制定偏差调整战略方针，否则会出现连续纠偏，造成隧道施工中出现蛇形运动轨迹，严重时会发生安全事故。因此，应根据不同的问题采取不同的预防措施，明确盾构操作范围和控制措施，对偏差采取正确的处理方法。另外，在掘进过程中，管片直径与盾尾内腔之间要保持30～70 mm 的间隙。节段从盾尾脱离后，会受到重力的作用，造成位移；同时，盾尾的那一段会被释放出来。同样，注浆的挤压成型效果也会引起位移。如果再加上人工作业的影响，例如，管片地脚螺栓没有及时拧紧，管片中心最终会偏离设计方案的中心线。管段三维坐标的精确测量虽然属于后期监管，时效性比较落后，但可以反映形成管段的偏差[6]。

5.4 重视管片轴线控制工作

实际操作人员必须了解各路段的地质环境概况、设计方案的倾斜度和道路转弯半径等情况，防止再次发生非即时边坡变化。针对此类问题，每周应组织技术人员进行统一的安全报告，便于提前制定开挖的主要参数。由于在风化层推进时，驾驶姿态难以控制，实际作业人员应做到早发现、早解决，提前纠正推进位置和姿态，防止出现恶性姿态和超标情况。此外，各单位应加强现场沟通，做到早发现、早沟通、早解决。

6 平竖曲线上盾构推进轴线控制

当发现盾构开挖方向偏差超过允许误差时，需立即调整。调整时，要按照“慢调整、多调整”的基本原则进行整改，并按时进行跟踪走访和开挖指导；根据区域蒸气压的调整，控制屏蔽装置的位置，采用固定连接等对策进行中心线定位、调整，以达到控制中心线的目的。

6.1 控制圆曲线盾构轴线

施工企业在进行圆曲线段的推进时，需要进行液压千斤顶行程布置的提前计算。推进时，控制好围绕设置的控制管理中心伤口位置。左右液压千斤顶的推进力应保持一定的差值，并根据主轴承载能力进行调整。需要控制环面的方位角和平面度，全程控制围绕设置管理中心的护罩尾部和固定位置，避免在校正过程中对绕线位置调整过大，导致之后盾构施工姿态无法控制。

6.2 竖曲线上盾构施工轴线控制

在平面曲线上进行盾构施工时，需要对开挖边坡的过渡进行控制。在进行推平行线工作时，要尽量保持绕轴线的缠绕。在所有正常工程施工全过程中，偏差应保持在20 mm 以内。同时，操纵掘进机的坡度应与设计平面轴线的水平坡度一致。误差需小于或等于4%，需根据掘进坡度值调整左右区域液压千斤顶的推汽压力，使掘进机的波纹度保持较长时间，并根据掘进机的坡度值进行适当调整，同时，加大主轴承载力关注力度，使液压千斤顶上下保持一致。

7 效果验证

根据机场西站—萧山机场站的偏移量，机场西站—萧山机场站开挖全过程未发生调整，但坡度已超限，即偏移量超过50 mm。对于超限情况，采用本文中提出的轴线控制系统，将后期工程项目各掘进段的检测偏移量快速恢复到允许范围内。

8 结语

综上所述，对于机场西站至萧山机场站段施工期间隧道施工轴线的超标偏差，在超限偏差分析总结中明确提出了新的轴线控制系统，并从精确测量和施工的角度进行了详细的讨论，利用数学分析模型进行标准数据信息的引入，并在后期进行站台变化的精确测量时应用。综合后施工过程中左右线段偏差的评价数据信息表明，该方法合理地防止了隧道施工偏差超限，保证了掘进姿态正常，使整个施工过程基本保持在50 mm，并且满足设计方案规定和标准规定。