雙圓盾構施工中轉角成因及修正措施
【摘 要】 雙圓盾構機的掘進技術是一項全新的施工工藝，盾構在施工過程中產生的轉角對施工有著極其重要的影響。通過施工實踐，對其轉角產生的原因進行分析，并制定相應的施工對策進行修正，以減少因轉角產生的各種影響。在M8線施工中應用了轉角修正措施，取得了較好的效果，從而使施工順利進行。
【關鍵詞】雙圓盾構 施工技術 轉角 成因 修正措施
一、工程概況
隨著城市建設的不斷發展，地鐵建設的線路也日益增多。這就對現今的地鐵施工設備及其配套的施工工藝提出了更高的要求，為此雙圓盾構投入使用也就勢在必行。
雙圓盾構在外形上猶如一對聯體的普通單圓盾構，它能一次推進就完成兩條隧道。1981年，日本產生了采用雙圓型盾構（DOT）進行隧道施工的設想，1987年，進行了橫向二連體雙圓盾構的實地試驗，并成功注冊了DOT工法的專利；1988年，日本進行了縱向二連體雙圓盾構的實地試驗；1989年，在日本廣島進行了世界首臺雙圓盾構工程的施工。
上海市軌道交通M8線黃興綠地站～翔殷路站區間隧道為中國首條采用雙圓盾構機掘進施工的隧道，由上海隧道工程股份有限公司和日本大豐建設株式會社組成的聯營體負責施工。該區間隧道從2003年8月8日正式開始掘進，到2003年12月31日全線貫通。中國由此成為世界上第二個使用雙圓盾構機完成隧道掘進的國家。
該區間隧道長868m，隧道外尺寸為?φ6300mm×10900mm （外徑×寬度），雙線中心間距為4600mm；隧道最大坡度為28‰，最小平曲線半徑為495m，隧道覆土厚5.2～12m。隧道襯砌采用預制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝。每環襯砌由8塊圓形（A）管片、1塊大海鷗形（B）管片、1塊小海鷗形（C）管片及1塊柱形（D）管片共11塊管片構成，管片厚300mm，環寬1200mm。管片縱、環向采用螺栓連接，接縫防水均采用遇水膨脹橡膠止水條。
二、雙圓盾構轉角的控制
雙圓盾構機在施工中，諸如盾構軸線控制（平面、高程）技術措施與單圓盾構差異不大，但雙圓盾構與單圓盾構在施工中存在較大差異的是盾構機的偏轉。單圓盾構推進時，即使發生偏轉，也不會直接對建成的隧道產生影響；但雙圓盾構推進中，則會因左右管片的高低差及立柱的傾斜，直接對建成的隧道軸線產生影響。盾構軸線控制（平面、高程）是較為成熟的施工技術，然而在轉角的修正措施上，雙圓盾構則是采取了一套特殊的修正措施。
1、轉角產生的原因
雙圓盾構轉角產生的原因可分為內因和外因兩部分，內因是盾構機本身特性所造成的，外因則是由外部土體條件和施工所引起的。
(1)盾構機本體左右差異
雙圓盾構機本體左右結構和設備配置存在一定的差異，例如人行閘的設置位置、左右拼裝機的結構不同等，造成盾構機左右重量不均等。
(2)盾構機制造精度
雙圓盾構機在制造過程中，若左右外殼體存在扭曲變形，則易產生偏轉。
(3)周圍土體不均勻
雙圓盾構在推進過程中，由于土體的不均勻性，使得刀盤在切削土體時，左右刀盤力矩不同，對盾構機產生一個力矩差，從而使盾構機偏轉；另外，盾構機所處的土體性質不同，地基承載力也不同，也會造成盾構機偏轉。
(4)曲線段施工或糾偏
雙圓盾構機在曲線段施工或糾正軸線偏差時，左右兩側所受的力和方向會存在一定的差異，使盾構機發生偏轉；另外，若存在局部超挖現象，也容易造成盾構偏轉。
2、轉角引發的不利影響
雙圓盾構產生轉角，對盾構和管片的姿態、隧道成型質量、地面沉降等都會造成相當大的影響。
(1)盾構、管片姿態不良
若雙圓盾構機產生轉角達到0.6°（36′），則其左右高程差就有48mm，而一般地鐵隧道的高程偏差為50mm。因此，一旦形成較大的盾構轉角，高程就可能超過設計要求。
盾構產生轉角后，管片也逐漸發生相同方向的偏轉，從而造成管片姿態的不良，并且管片偏轉的修正比盾構機糾偏更加困難。
盾構機與管片相對轉角增大，兩者之間的間隙將變小，管片拼裝難度會大幅上升。雙圓盾構管片拼裝時，立柱原本就較難拼，若拼裝間隙變小，立柱只能強行插入，極易使管片出現較大程度的碎裂，影響隧道質量。
(2)地面沉降不易控制
雙圓盾構在施工中，由于盾構土倉內土體與正面地層直接溝通，使盾構正面設定土壓與盾構切口處的地層變形關系更直接。在修正雙圓盾構的轉角時，盾構左右兩部分的土壓力不同，造成地表的不均勻沉降。另外，為修正盾構偏轉，需開啟仿形刀對土體進行超挖，由此而形成的建筑空隙，若不及時注漿充填，就可能形成較大的地面變形。
(3)影響盾構設備的使用
由于雙圓盾構產生轉角，使原本處于相對合理位置的各種設備、裝置發生位置的移動，從而導致設備的不好使用甚至不能使用。例如，盾構機拼裝臺上的真圓保持器和螺旋機原本有一定的微小間隙，盾構推進時互不影響，但是，當轉角發生且長時間沒得到糾正時，加上機器的震動，使螺旋機發生微小的移位，導致真圓保持器無移動空間。
(4)隧道成型質量
雙圓盾構產生轉角，將造成左右隧道的高低差及立柱的傾斜，直接影響建成隧道的受力及質量。若雙圓盾構機本身高程控制不佳，加上因轉角產生的高程偏差，就有可能影響到隧道的建筑限界。當盾構出現轉角時，一般會開啟糾偏轉千斤頂，并對千斤頂進行有利于盾構糾偏的編組，但是，若千斤頂使用不當，則管片容易碎裂。
3、盾構轉角的修正措施
由于雙圓盾構的左右刀盤是逆向轉動的，因此，它不能像單圓盾構機那樣通過用刀盤正反轉來修正轉角，而是采取一套特殊的修正措施。
M8線雙圓盾構機設計轉角最大允許值為0.6°（36′），在實際施工中，一般盾構的轉角控制范圍為0.3°（18′）。
(1)修正偏轉千斤頂
修正偏轉千斤頂本身即為盾構推進千斤頂，主要設置在盾構機的兩側。在進行偏轉修正時，千斤頂的油缸可沿圓周方向進行一定量的調整，從而利用千斤頂推力在圓周方向的分力來修正偏轉（M8線使用的IHI雙圓盾構機，配備了12個修正偏轉千斤頂，左右各6個，對稱布置，千斤頂最大偏轉角度為1°）。
在使用糾偏千斤頂時，推進千斤頂應盡量多開（保證管片受糾偏千斤頂沿圓周方向的分力的影響小），并應分多次對糾偏千斤頂進行調整（對修正盾構轉角效果明顯）。
然而利用偏轉修正千斤頂進行修正時，反作用力勢必對管片造成反方向旋轉，所以，必要時應根據修正的方向，在左右線隧道管片上下部位對角進行同步注漿，既能確保盾構的修正效果，又使管片的姿態保持良好；另外，在使用糾偏千斤頂時，應經常注意千斤頂偏轉位置，防止千斤頂移位影響糾偏效果。總之，修正偏轉千斤頂的使用應慎重，以免對隧道成型質量造成不良影響。
(2)千斤頂編組
由于雙圓盾構寬度較大，在滿足盾構姿態（平面和高程）的前提下，采用不同的千斤頂的編組形式能一定程度上進行偏轉的修正。例如盾構機發生右轉時（順時針轉向），盡量多開啟左邊上部千斤頂和右邊下部千斤頂，以達到修正的目的，但應避免引起管片碎裂。
(3)仿形刀超挖
利用仿形刀對相應部位的超挖，可改變盾構機偏轉方向。當盾構機左轉時，開啟仿形刀，對盾構機的左上部和右下部進行超挖（見圖1），產生一定的施工空隙，利于盾構機修正偏轉。在使用仿形刀時，應根據超挖量，相應增加同步注漿量。
圖1 仿形刀超挖示意圖
(4)控制出土量
利用左、右螺旋機的出土量不同達到控制盾構轉角的目的。在保證盾構切口處的地面不受影響的前提下，通過擴大左右螺旋機轉速的差距來調節左、右螺旋機的出土量。盾構機高程較高的一側，出土量應相應多一些。
根據M8線雙圓盾構工程的施工經驗，要使盾構左轉，在左邊多出土同時，左下部以及右上部配合進行仿形刀超挖。
(5)單側壓重
盾構發生偏轉時，在盾構高程較大的一側加壓管片或鉛塊等重物，使盾構旋轉（若管片姿態不好，也可在單側隧道加壓管片，實現管片的旋轉），此法簡單、實用。
(6)刀盤轉向
盾構機在掘進過程中，由于土質不同，左右刀盤力矩大小就不同，由此對盾構機造成的偏轉影響也不同。因此，可結合盾構機的偏轉方向，通過改變刀盤的旋轉方向來達到修正偏轉的目的。
三、修正措施使用實效
在實際施工中，應根據實際情況（結合土質等條件），單項或組合使用盾構轉角的修正措施。如M8線110環～131環基本上處于④號灰色淤泥質粘土中，110環的轉角為-12′（盾構向左轉時角度定為負值），在推進過程中，糾偏千斤頂一直處于糾偏狀態，同時千斤頂的編組由兩邊腰部千斤頂對稱開啟逐漸變為左下和右上千斤頂開啟，盾構機推到131環時，其轉角為0（見圖2）。采用糾偏千斤頂以及千斤頂的編組取得減小盾構轉角的效果。
又如在推進402環～440環 （402環的轉角為21′）時，盾構基本上處于④號灰色淤泥質粘土中，糾偏千斤頂處于糾偏狀態，在推進至415環后，發現管片出現碎裂，于是改變盾構千斤頂編組，并采用左側多出土的方式進行糾偏（即左側螺旋機轉速大于右側），達到修正盾構轉角的效果，見圖3。
再如，盾構機在推進600環～650環（600環的轉角為-18′）時，處于②3-1、②3-2和④號混合土體中，此時，糾偏千斤頂全部開啟、盾構千斤頂的編組為右上和左下千斤頂開啟、右側出土量大于左側，并在盾構機右側懸吊管片，進行單側壓重，在盾構推到636環時，又在盾構右側加壓4t的重物，在多種措施的綜合作用下，盾構機偏轉得到修正，見圖4。
綜上所述，在土質較好的情況下，采用少數幾種修正措施即可達到糾偏效果。但若遇到土質條件較差的時候，必須綜合使用多種，甚至所有的修正措施才能達到糾偏的目的。但在使用有一定副作用的修正措施時，必須配備相應的輔助手段來消除不良影響。
在盾構機出現微小偏轉時，應采用一些簡單、易行且副作用較小的措施（例如改變刀盤的轉向、單側懸吊管片等）加以控制，使轉角始終控制在一定范圍內，否則一旦轉角形成趨勢，在巨大慣性的作用下，就很難在短時間內得以糾正。
四、結束語
雙圓盾構（DOT）施工法能代替以往地鐵隧道和地下高速公路等一直使用的大斷面圓形盾構構筑的復線（雙向）隧道及兩單圓形盾構構筑的雙向（單向）隧道。DOT工法自問世以來，由于其大幅提高施工效率、有效節約地下資源、減少對周邊環境的影響、降低工程造價等獨特的優勢，已逐漸在地鐵、市政、能源等工程建設中得到更廣泛的應用。
M8線是中國首條采用雙圓盾構施工的隧道，由于該工法在中國還剛剛起步，有些技術尚不成熟、不完善，雖已初步掌握了盾構機轉角的修正措施，隧道的施工質量優良，但雙圓盾構機的掘進技術是一項全新的施工工藝，與單圓盾構施工有一定的差異，在今后的施工實踐中，不斷發現問題、分析原因、制定對策、解決問題、積累經驗，切實掌握一套行之有效的修正措施，提升雙圓盾構的施工技術水平。
文章出處：《上海隧道》2004年第3期
