地鐵隧道施工中成型管片軸線控制技術(shù)分析

李強(qiáng)

（中鐵二局集團(tuán)有限公司城通分公司，成都 610000)

1 引言

隨著城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用越來越多，由于盾構(gòu)施工是可逆的，施工企業(yè)、工程監(jiān)理都將盾構(gòu)隧道施工成型管片軸線的控制作為重中之重。在施工過程中，隧道施工成型管片軸線存在偏差會影響工程進(jìn)度，推遲工期，造成重大工程安全事故，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會造成影響，因此，采取針對性措施縮短成型管片軸線偏差，是各地鐵站盾構(gòu)施工專業(yè)技術(shù)人員的職責(zé)。

2 工程概述

某地鐵工程機(jī)場西站—蕭山機(jī)場站區(qū)間位于浙航大道與航安路路口西側(cè)。區(qū)間出機(jī)場西站后下穿機(jī)場高速公路，過機(jī)場高速公路后以一組半徑R=450 m 的曲線轉(zhuǎn)向東，下穿圍場河后沿浙航大道敷設(shè)，至浙航大道與航安路路口西側(cè)，設(shè)中間風(fēng)井，區(qū)間出中間風(fēng)井后繼續(xù)沿浙航大道敷設(shè)，至浙航大道與航景路路口西側(cè)接一組反向曲線后接入蕭山機(jī)場站。區(qū)間最小坡度為5.071‰，最大坡度為24‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑為450 m，最大轉(zhuǎn)彎半徑為1 500 m，區(qū)間隧道最小埋深8.81 m，最大埋深18.25 m。盾構(gòu)機(jī)應(yīng)根據(jù)市政管網(wǎng)、建筑施工、樁基、河流等內(nèi)容，對隧道中心線的操縱提出更高要求：進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工時，隧道高程誤差和平面誤差應(yīng)控制在50 mm 以內(nèi)，成形隧道高程公差和中心線平面誤差應(yīng)控制在100 mm 以內(nèi)。操縱隧道中心線的主要目的是更好地保證盾構(gòu)機(jī)能夠沿設(shè)計方案路線推進(jìn)，防止盾構(gòu)機(jī)超出誤差極限無法達(dá)到設(shè)計方案要求。

3 成型管片軸線偏移原因

機(jī)場西站最初設(shè)置在隧道出口側(cè)，主要是隧道施工坡度較陡（24‰），升級后改為起點(diǎn)站段項(xiàng)目。設(shè)計方案中沒有考慮緩坡保護(hù)段的合理節(jié)距和可靠性。也就是說，在起點(diǎn)站的托架上，掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行推進(jìn)時不能進(jìn)行坡度調(diào)整。在工程施工過程中，由于過分追求工程進(jìn)度，掘進(jìn)機(jī)開挖速度過快，造成段在施工過程中偏差過大。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)施工全過程注漿施工的注漿量和注漿壓力過大，造成分段偏移，導(dǎo)致儀器設(shè)備精度下降，產(chǎn)生冗余誤差；每次精確測量完成后，都需要換站，測量數(shù)據(jù)信息有一定的誤差；另外，由于每次換站的應(yīng)用數(shù)據(jù)都是上一站的數(shù)據(jù)信息，隨著換站頻率的增加，會導(dǎo)致總誤差、最終誤差越來越大；機(jī)場西站至蕭山機(jī)場站盾構(gòu)隧道施工期間，盾尾刷更換3 次，盾尾刷一旦損壞，會出現(xiàn)更嚴(yán)重的模脹情況，即泥漿引入不足，導(dǎo)致管段向下移動，即使最終順利形成，部分掘進(jìn)段操縱值也會超過極限；在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)司機(jī)沒有認(rèn)真進(jìn)行工程圖紙和工程施工順序研究[1-3]。驗(yàn)證中，當(dāng)出現(xiàn)坡度變化時，無法立即調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)；在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，段型選擇困難，會造成盾尾間隙縮小。為了更好地保證盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，避免管片損壞，必須改變盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，避免盾構(gòu)機(jī)偏離隧道施工設(shè)計方案的中心線。

4 測量措施

4.1 建立坐標(biāo)體系

在盾構(gòu)施工前，必須在地面和地下建立坐標(biāo)系，根據(jù)業(yè)主給出的平面圖控制網(wǎng)絡(luò)及其橫向網(wǎng)信息，確定平面圖的各點(diǎn)高程和近井點(diǎn)；然后采用精確測量方法進(jìn)行測量，將線路控制點(diǎn)和參考點(diǎn)的高程坐標(biāo)傳輸?shù)侥Ｐ椭校瑥亩鴦?chuàng)建坐標(biāo)系，并對盾構(gòu)機(jī)建設(shè)進(jìn)行專項(xiàng)指導(dǎo)[4]。

4.2 導(dǎo)向系統(tǒng)測量

導(dǎo)向系統(tǒng)軟件在盾構(gòu)施工中得到了廣泛應(yīng)用。激光站是盾構(gòu)機(jī)自帶的檢測設(shè)其姿態(tài)的測量系統(tǒng)，測量頻率為2 次/s，這樣就大大減少了人工檢測盾構(gòu)姿態(tài)的次數(shù)。激光站是由帶激光發(fā)射裝置的全站儀、激光接受靶（位于盾構(gòu)機(jī)刀盤后面）、后視棱鏡組成。激光站的測站和后視都納入了地下坐標(biāo)控制網(wǎng)中，根據(jù)激光全站儀能測出掘進(jìn)中盾構(gòu)的具體三維坐標(biāo)和其具體里程，并與主控臺內(nèi)的計算機(jī)資料做比較，當(dāng)超限時盾構(gòu)機(jī)會自動停止工作。讓實(shí)際操作人員實(shí)時獲取盾體和設(shè)計方案，中心線的偏差可立即糾正，保證施工質(zhì)量。

4.3 人工測量

首先，明確中心坐標(biāo)、盾構(gòu)機(jī)總長、盾尾坐標(biāo)、原件等盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以及盾構(gòu)機(jī)的原始傾斜度、預(yù)標(biāo)定、傾角標(biāo)尺的標(biāo)定及后標(biāo)底座的安裝，均應(yīng)根據(jù)上述準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行。在安裝坡度板的整個過程中，需要將其安裝在前護(hù)罩或中護(hù)罩的底端，以便于觀察。錘球的尖端需要偏向等級板的標(biāo)尺線。在調(diào)整斜板位置的整個過程中，應(yīng)利用盾構(gòu)機(jī)的拐角并以具體精確測量得到的傾角值為依據(jù)。調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)是使錘頭與相應(yīng)的刻度值準(zhǔn)確匹配。前標(biāo)、斜板和后基標(biāo)安裝后，必須準(zhǔn)確測量相關(guān)數(shù)據(jù)：前標(biāo)0 刻度位置與盾構(gòu)機(jī)管理中心的實(shí)際高度差；后刻度0 刻度位置距離盾構(gòu)機(jī)管理中心的實(shí)際高度差；監(jiān)測站與前方標(biāo)志的距離；前標(biāo)記的長度；前標(biāo)記與后標(biāo)記底部的距離；盾尾的背標(biāo)長度；盾尾前端標(biāo)記的長度。為了更好地保證上述數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須對其進(jìn)行校對[5]。這類數(shù)據(jù)屬于計算程序的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將盾構(gòu)機(jī)型號規(guī)格及相關(guān)準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)語言，即可顯示盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)數(shù)據(jù)。理論上，人工測得的數(shù)據(jù)應(yīng)該與引導(dǎo)系統(tǒng)軟件測得的數(shù)據(jù)一致。但由于數(shù)據(jù)誤差，在實(shí)際運(yùn)行的整個過程中，只有相關(guān)主要參數(shù)數(shù)據(jù)相差小于11mm，才可以判斷盾構(gòu)姿態(tài)是否正常。

5 施工措施

5.1 PDCA循環(huán)管理法

盾構(gòu)施工軸運(yùn)行中選用PDCA 循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行管理。PDCA是英國質(zhì)量控制權(quán)威專家戴明博士將全面質(zhì)量控制主體活動的整個過程分為4 個環(huán)節(jié)：Plan（計劃）、Do（實(shí)施）、Check（檢查）、Action（解決）。按計劃→實(shí)施→檢查→解決，循環(huán)進(jìn)行質(zhì)量控制，這4 個環(huán)節(jié)是一個連續(xù)的循環(huán)系統(tǒng)。同時，PDCA 循環(huán)系統(tǒng)的整個過程實(shí)際上就是理解→實(shí)踐活動→再理解→再實(shí)踐活動的全過程。即在盾構(gòu)隧道工程施工前制訂軸控質(zhì)量政策計劃或準(zhǔn)備，然后，按計劃落實(shí)，將執(zhí)行結(jié)果與原來的概念和計劃進(jìn)行比較。檢查計劃執(zhí)行情況，最終根據(jù)檢查結(jié)果改進(jìn)工作，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)或修改原有理念，制訂新的工作計劃，運(yùn)用科學(xué)管理計劃，確保盾構(gòu)施工軸線保障措施的完成。

5.2 明確盾構(gòu)始發(fā)方向與注漿配比

盾構(gòu)機(jī)初始狀態(tài)主要決定于始發(fā)托架和反力架的安裝，因此，始發(fā)托架的定位在整個盾構(gòu)施工測量過程中格外重要。其主要安裝精度指標(biāo)為：高程偏差≤±5 mm；左右偏差≤±10 mm；豎直趨勢≤±2‰；水平趨勢≤±3‰。根據(jù)井下導(dǎo)線點(diǎn)準(zhǔn)確放樣出盾構(gòu)機(jī)的基座及反力架位置，基座的前點(diǎn)高程比設(shè)計高程提高1 cm，后點(diǎn)高程與設(shè)計高程一致（以消除盾構(gòu)機(jī)入洞后“磕頭”的影響），反力架、基座的中線必須重合，標(biāo)高必須順坡。如有特殊原因限制，必須考慮隧道施工的傾斜度和始發(fā)托架的放置，以防止盾構(gòu)軸線偏離。在同步注漿工程施工全過程中，要對同步注漿準(zhǔn)備進(jìn)行嚴(yán)格控制，對泥漿質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督。試驗(yàn)過程中，應(yīng)及時對砂漿進(jìn)行取樣檢查，并對砂漿初凝情況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，明確砂漿的最佳初凝狀態(tài)，然后，按規(guī)定確定能滿足要求的砂漿，以滿足項(xiàng)目建設(shè)要求。尤其是雨后，更要注意泥漿的配制和操作步驟。

5.3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)包括盾構(gòu)機(jī)主體轉(zhuǎn)動和方向操縱。操縱的優(yōu)劣直接關(guān)系到隧道施工中心線是否符合直線規(guī)定。調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的方向，容易造成盾構(gòu)加深、盾構(gòu)滑動摩擦力擴(kuò)大，引起周圍地質(zhì)構(gòu)造振動，使地基沉降。因此，應(yīng)立即糾正推盾機(jī)造成的方向偏差，使盾構(gòu)機(jī)的推力方向始終與計劃路線一致，這一點(diǎn)尤為重要。由于諸多因素的影響，往往會在盾構(gòu)施工整個過程中進(jìn)行調(diào)整和修正。在盾構(gòu)施工整個過程中，必須遵循糾偏標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)常糾偏，少糾偏（一般±5 mm/m，少數(shù)為±10 mm/m），早糾偏。同時，要有偏差管理方法值和規(guī)定值，必須制定偏差調(diào)整戰(zhàn)略方針，否則會出現(xiàn)連續(xù)糾偏，造成隧道施工中出現(xiàn)蛇形運(yùn)動軌跡，嚴(yán)重時會發(fā)生安全事故。因此，應(yīng)根據(jù)不同的問題采取不同的預(yù)防措施，明確盾構(gòu)操作范圍和控制措施，對偏差采取正確的處理方法。另外，在掘進(jìn)過程中，管片直徑與盾尾內(nèi)腔之間要保持30～70 mm 的間隙。節(jié)段從盾尾脫離后，會受到重力的作用，造成位移；同時，盾尾的那一段會被釋放出來。同樣，注漿的擠壓成型效果也會引起位移。如果再加上人工作業(yè)的影響，例如，管片地腳螺栓沒有及時擰緊，管片中心最終會偏離設(shè)計方案的中心線。管段三維坐標(biāo)的精確測量雖然屬于后期監(jiān)管，時效性比較落后，但可以反映形成管段的偏差[6]。

5.4 重視管片軸線控制工作

實(shí)際操作人員必須了解各路段的地質(zhì)環(huán)境概況、設(shè)計方案的傾斜度和道路轉(zhuǎn)彎半徑等情況，防止再次發(fā)生非即時邊坡變化。針對此類問題，每周應(yīng)組織技術(shù)人員進(jìn)行統(tǒng)一的安全報告，便于提前制定開挖的主要參數(shù)。由于在風(fēng)化層推進(jìn)時，駕駛姿態(tài)難以控制，實(shí)際作業(yè)人員應(yīng)做到早發(fā)現(xiàn)、早解決，提前糾正推進(jìn)位置和姿態(tài)，防止出現(xiàn)惡性姿態(tài)和超標(biāo)情況。此外，各單位應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場溝通，做到早發(fā)現(xiàn)、早溝通、早解決。

6 平豎曲線上盾構(gòu)推進(jìn)軸線控制

當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)開挖方向偏差超過允許誤差時，需立即調(diào)整。調(diào)整時，要按照“慢調(diào)整、多調(diào)整”的基本原則進(jìn)行整改，并按時進(jìn)行跟蹤走訪和開挖指導(dǎo)；根據(jù)區(qū)域蒸氣壓的調(diào)整，控制屏蔽裝置的位置，采用固定連接等對策進(jìn)行中心線定位、調(diào)整，以達(dá)到控制中心線的目的。

6.1 控制圓曲線盾構(gòu)軸線

施工企業(yè)在進(jìn)行圓曲線段的推進(jìn)時，需要進(jìn)行液壓千斤頂行程布置的提前計算。推進(jìn)時，控制好圍繞設(shè)置的控制管理中心傷口位置。左右液壓千斤頂?shù)耐七M(jìn)力應(yīng)保持一定的差值，并根據(jù)主軸承載能力進(jìn)行調(diào)整。需要控制環(huán)面的方位角和平面度，全程控制圍繞設(shè)置管理中心的護(hù)罩尾部和固定位置，避免在校正過程中對繞線位置調(diào)整過大，導(dǎo)致之后盾構(gòu)施工姿態(tài)無法控制。

6.2 豎曲線上盾構(gòu)施工軸線控制

在平面曲線上進(jìn)行盾構(gòu)施工時，需要對開挖邊坡的過渡進(jìn)行控制。在進(jìn)行推平行線工作時，要盡量保持繞軸線的纏繞。在所有正常工程施工全過程中，偏差應(yīng)保持在20 mm 以內(nèi)。同時，操縱掘進(jìn)機(jī)的坡度應(yīng)與設(shè)計平面軸線的水平坡度一致。誤差需小于或等于4%，需根據(jù)掘進(jìn)坡度值調(diào)整左右區(qū)域液壓千斤頂?shù)耐破麎毫?，使掘進(jìn)機(jī)的波紋度保持較長時間，并根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的坡度值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時，加大主軸承載力關(guān)注力度，使液壓千斤頂上下保持一致。

7 效果驗(yàn)證

根據(jù)機(jī)場西站—蕭山機(jī)場站的偏移量，機(jī)場西站—蕭山機(jī)場站開挖全過程未發(fā)生調(diào)整，但坡度已超限，即偏移量超過50 mm。對于超限情況，采用本文中提出的軸線控制系統(tǒng)，將后期工程項(xiàng)目各掘進(jìn)段的檢測偏移量快速恢復(fù)到允許范圍內(nèi)。

8 結(jié)語

綜上所述，對于機(jī)場西站至蕭山機(jī)場站段施工期間隧道施工軸線的超標(biāo)偏差，在超限偏差分析總結(jié)中明確提出了新的軸線控制系統(tǒng)，并從精確測量和施工的角度進(jìn)行了詳細(xì)的討論，利用數(shù)學(xué)分析模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息的引入，并在后期進(jìn)行站臺變化的精確測量時應(yīng)用。綜合后施工過程中左右線段偏差的評價數(shù)據(jù)信息表明，該方法合理地防止了隧道施工偏差超限，保證了掘進(jìn)姿態(tài)正常，使整個施工過程基本保持在50 mm，并且滿足設(shè)計方案規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。