盾尾間隙控制分析

于萬友

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

目前，國內外學者針對隧道穿越與施工影響方面已經(jīng)做了一系列的研究。 楊芝璐[1]，何川[2]，王超東[3]等研究了不同疊交角度下新建隧道對既有隧道的影響規(guī)律， 發(fā)現(xiàn)在加載一定的情況下疊交角度越小，既有隧道變形越大；張軒[4]，陳大川[5]等利用數(shù)值仿真軟件分析了隧道施工對沿線構筑物的影響；張斌[6]通過對地層損失率的研究， 對大直徑盾構隧道產(chǎn)生的應力釋放與地表位移進行了分析研究；孫廉威[7]通過改變模型參數(shù)研究了不同工況既有地下管線存在下的開挖面失穩(wěn)機制。張岳強[8]，董禮[9]，Aygar[10]， Liang[11]等對盾構機穿越隧道與構筑物時產(chǎn)生的風險進行分析，并提出相應的解決辦法。 潘濤[12]對盾構近距離上穿運營隧道的變形規(guī)律進行探索， 綜合考慮既有隧道的縱向與水平變形， 提出了最佳的盾構掘進速度。 王超東等[13]采用室內模型實驗模擬了新建隧道斜交既有隧道的工況， 研究了施工對既有隧道自身結構及周圍土體的影響。 李小奇[14]，吳凡[15]等基于不同工況提出了下穿施工時不同上部構筑物的加固方案， 并對其加固效果進行了分析。

1 盾尾間隙的控制計算分析

1.1 隧道曲線半徑與盾尾間隙的相關計算分析

為了更好地控制盾構在曲線上掘進施工，對盾構機盾尾內壁與管片外壁之間的間隙進行分析計算；而由于不同盾構機的設備參數(shù)是不同的，因此盾尾間隙的初始值也不一樣。 假設管片環(huán)的拼裝是符合理想狀態(tài)的，并且盾尾間隙的初始值為y，其計算簡圖如圖1 所示，計算式如下

圖1 盾構曲線段施工時盾尾間隙計算簡圖Fig.1 Calculation diagram of shield tail clearance during shield construction

式中：R 為隧道曲線半徑，m；D 為管片環(huán)外直徑，mm；l 為盾尾覆蓋管片的長度，m；x/2 為盾構轉彎需要的盾尾間隙，mm；δ 為最小盾尾間隙值，mm；y 為盾尾間隙初始值，mm。

1.2 盾構俯仰角影響下的盾尾間隙計算分析

為了適應盾構俯仰角的變化情況，需對盾構在曲線段上掘進時所需要的盾尾間隙下，進一步分析在受到俯仰角的影響下，盾尾間隙的變化情況。 其計算簡圖如圖2 所示，圖2 中的x 值與式（1）中的x值算法一致但值的大小不同，而圖2 中的δ 值與圖1 中的δ 值是不一樣的，可從圖2 與式（4）得到計算式如下式中：δ′/2 為盾構俯仰角變化所產(chǎn)生的盾尾間隙變化量，mm；α 為盾構產(chǎn)生的俯仰角，（°）。

圖2 盾構施工受俯仰角影響下的盾尾間隙計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of shield tail clearance under the influence of pitch angle in shield construction

當在直線段上施工， 且只受到俯仰角的影響時，其盾尾間隙計算式為

2 盾尾間隙的影響因素分析

2.1 隧道曲線半徑對盾尾間隙的影響

隧道曲線半徑對盾尾間隙的影響是顯著的，從式（3）可知，在管片大小確定的情況下，盾尾間隙主要與隧道曲線半徑和盾尾覆蓋管片的長度有關；并且隧道曲線半徑與盾尾覆蓋管片的長度關系到盾尾間隙改變量的大小； 其中隧道曲線半徑是變量時，對盾尾間隙的影響是最顯著的。 并且在管片環(huán)直徑的大小已知時，可以通過公式計算出不同隧道曲線半徑下的盾尾間隙改變量。

本次計算是以無錫地鐵的盾構設備參數(shù)進行相關計算，其中盾尾外徑為6.37 m，盾尾盾殼厚度為40 mm，楔形管片環(huán)的外直徑為6.2 m，盾尾間隙為45 mm；假設盾尾覆蓋管片的最大長度與管片幅寬的值是一致的，并且根據(jù)國內管片現(xiàn)狀，把管片幅寬L 的取值為1，1.2，1.5，2 m；隧道曲線半徑的取值范圍是50～1 200 m。通過上述條件計算得到的盾尾間隙改變量與隧道曲線半徑的關系曲線圖，如圖3 所示。 并且盾尾間隙的初始值為45 mm， 由式（4）得到最小盾尾間隙值與隧道曲線半徑的關系曲線圖，如圖4 所示。

圖3 隧道曲線半徑對盾尾間隙的影響Fig.3 Influence of tunnel curve radius on shield tail clearance

圖4 隧道曲線半徑對應的最小盾尾間隙Fig.4 Minimum shield tail clearance corresponding to tunnel curve radius

在管片外直徑確定的情況下，盾尾間隙主要受隧道曲線半徑和管片幅寬的影響。 從盾尾間隙所需改變量與隧道曲線半徑關系曲線圖（圖3） 可以看出，盾尾間隙受到曲線半徑的影響更顯著；管片幅寬的大小不相同時， 盾尾間隙所需改變量不同，但曲線圖的整體趨勢都是盾尾間隙改變量隨著曲線半徑的增大而逐漸減小。 而從盾尾間隙值與曲線半徑關系曲線圖（圖4）可以看出，最小盾尾間隙值隨著隧道曲線半徑的增大而增大；其中曲線半徑取值的范圍為50～400 m 是盾尾間隙變化最明顯的階段，盾尾間隙隨著曲線半徑的增大而逐漸從快到慢的增大；曲線半徑的取值為400～800 m 是盾尾間隙變化逐漸減緩的階段，曲線圖隨著曲線半徑的增大逐漸趨近于一條直線；而當曲線半徑的取值范圍為800～1 200 m 是盾尾間隙變化最不明顯的階段，關系曲線圖已基本趨近于一條直線。

2.2 盾構俯仰角對盾尾間隙的影響

盾尾間隙在盾構機制造時就已經(jīng)確定了具體數(shù)值，并且盾尾間隙值相比于盾構機的其它參數(shù)來說是微不足道的，有時候盾構機掘進施工過程中出現(xiàn)的微小變化也是有可能對盾尾間隙造成較大影響的； 而盾構俯仰角的產(chǎn)生就是一種微小的變化，其對盾尾間隙的影響是十分顯著的。 從式（5）可知，俯仰角越大盾尾間隙所需的改變量就越大，而盾尾間隙在盾構機制造時就已經(jīng)是一個確定的值；因此盾構俯仰角不能過大，以免出現(xiàn)盾尾間隙所需的改變量大于盾尾間隙值的情況。

無錫地鐵的盾構機參數(shù)中盾尾間隙的取值為45 mm，通過式（5），式（7）可算出盾構俯仰角在不同管片幅寬時所能取到的最大值；并且管片幅寬越大，盾構俯仰角所能取得的值越小。 在管片幅寬不同的情況下繪制關系圖時， 俯仰角能取得的最大值為管片幅寬最大時所對應的俯仰角值。如圖5 所示，不同盾構俯仰角下所需要的盾尾間隙關系圖；又盾尾間隙的初始值為45 mm，由式（7）得到盾構俯仰角與盾尾間隙值的關系曲線圖，如圖6 所示。

圖5 盾構俯仰角對盾尾間隙的影響Fig.5 Influence of shield elevation angle on shield tail clearance

圖6 盾構俯仰角對應的最小盾尾間隙值Fig.6 Minimum shield tail clearance corresponding to shield elevation angle

從圖5 可知，盾構俯仰角與管片幅寬對盾尾間隙的影響是顯著的，其中俯仰角對盾尾間隙的影響更大，且俯仰角的取值范圍與盾尾間隙所需改變量都是微小的變化。 雖管片幅寬大小不同，但曲線的趨勢都是盾尾間隙改變量隨著盾構俯仰角的增大而增大；并且管片幅寬越大，盾尾間隙的改變量的增長速率越快。 而從盾構俯仰角與盾尾間隙值的關系曲線圖（圖6）可以看出，最小盾尾間隙值隨著盾構俯仰角的增大而減小，且盾構俯仰角與盾尾間隙值的關系非常接近線性關系。 管片幅寬越大，盾構俯仰角所能取得的最大值與取值范圍越??；并且關系曲線圖的總體趨勢是盾構俯仰角越大，對盾尾間隙的影響越大，最小盾尾間隙的值也就越小。

2.3 盾尾覆蓋管片長度對盾尾間隙的影響

盾構隧道是由管片拼裝而成的，而其中管片幅寬決定了盾構機在曲線段上頂推一環(huán)所需的距離，并且也決定了盾構機盾尾所需覆蓋管片的最大長度。 從式（1），式（2）可以看出，當隧道曲線半徑不變時盾尾覆蓋管片的長度越長，實際施工中盾構轉彎所需的盾尾間隙就越大； 然而所需盾尾間隙越大，最小盾尾間隙值就越小，當盾尾間隙過小時，盾尾內壁殼上的力會直接擠壓到管片外壁上，造成盾構掘進中盾尾與管片發(fā)生碰撞。 反過來當管片幅寬過小時，造成盾尾間隙就越大，盾尾刷的密封效果就越差，密封效果不好將會導致水泥漿出現(xiàn)滲漏。 因此為了避免出現(xiàn)盾尾覆蓋管片長度不當而造成盾尾間隙過大或過小的情況發(fā)生，對于管片幅寬就需要選擇適合現(xiàn)場施工的。

盾構掘進施工過程中，盾尾覆蓋管片的最大長度是隨著盾構頂推前進而逐漸減小的；并且盾尾覆蓋管片的長度與盾尾間隙的計算是息息相關的，不管盾尾間隙是受到隧道曲線半徑還是盾構俯仰角的影響都需要通過盾尾覆蓋管片的長度來計算盾尾間隙值。 并且可以通過公式把盾尾覆蓋管片的長度設置成變量， 繪制出不同條件下的關系曲線圖。如圖7 所示，盾尾覆蓋管片長度與盾尾間隙值的關系曲線圖；如圖8 所示，盾尾間隙與盾尾覆蓋管片長度的關系曲線圖。

圖7 不同曲線半徑下盾尾覆蓋管片長度對盾尾間隙的影響Fig.7 Effect of shield tail covering segment length on shield tail clearance under different curve radius

圖8 不同俯仰角下盾尾覆蓋管片長度對盾尾間隙的影響Fig.8 Effect of shield tail covering segment length on shield tail clearance under different pitch angles

從圖7 可以看出，在隧道曲線半徑為一確定值時，盾尾覆蓋管片的長度越長，最小盾尾間隙值就越??；也就說明盾構在曲線段上施工時，最小盾尾間隙值是隨著盾構不斷向前掘進而逐漸增大的，即盾尾覆蓋管片的長度是隨著盾構掘進而逐漸減小的；隧道曲線半徑越小，最小盾尾間隙值的變化趨勢越快。 而從圖8 可以看出，在盾構俯仰角的值是確定的時候，盾尾覆蓋管片的長度越大，盾尾間隙的最小值越??；并且與圖7 對比發(fā)現(xiàn)，圖8 受到盾尾覆蓋管片長度的影響更顯著，且盾尾間隙值與盾尾覆蓋管片長度的關系非常接近線性關系；并且俯仰角越大，最小盾尾間隙值的變化趨勢越快。

3 盾尾間隙控制措施與建議

3.1 盾尾間隙控制措施

根據(jù)盾尾間隙的分析計算與盾尾間隙的影響因素分析可知， 由于盾尾間隙大小的控制范圍，以及隧道曲線半徑、盾構俯仰角、盾尾覆蓋管片的長度的大小，決定了盾尾間隙的控制措施，主要如下。

1） 隧道曲線半徑對盾尾間隙的影響分析表明，在管片大小確定的情況下，盾尾間隙主要與隧道曲線半徑和盾尾覆蓋管片的長度有關；其中隧道曲線半徑對盾尾間隙的影響是更顯著的。 在管片直徑與盾尾覆蓋管片的長度已知時，可通過改變隧道曲線半徑來調節(jié)最小盾尾間隙值，找到適合施工環(huán)境的盾尾間隙值。

2） 盾構俯仰角對盾尾間隙的影響分析表明，盾構俯仰角的產(chǎn)生在盾構掘進施工中的變化是微小的，但其對盾尾間隙的影響是十分顯著的；并且俯仰角越大盾尾間隙所需的改變量就越大，而盾尾間隙在盾構機制造時就已經(jīng)是一個確定的值，因此盾構俯仰角不能過大，避免出現(xiàn)盾尾間隙所需的改變量大于盾尾間隙初始值的情況。

3） 盾尾覆蓋管片的長度對盾尾間隙的影響分析表明，當隧道曲線半徑不變時盾尾覆蓋管片的長度越長，實際施工中盾構轉彎所需的盾尾間隙就越大，盾尾間隙值就越??；反過來當盾尾覆蓋管片的長度過小時，造成的盾尾間隙值就越大。 為了避免出現(xiàn)盾尾覆蓋長度不當而造成盾尾間隙過大或過小的情況發(fā)生，對于管片幅寬就需要選擇適合現(xiàn)場施工的，并且也可通過調節(jié)隧道曲線半徑和盾構俯仰角的大小來改變最小盾尾間隙值。

3.2 盾尾間隙控制建議

由以上關于盾尾間隙控制措施可知，影響盾尾間隙的因素是多方面的，為此對盾尾間隙的控制提出以下建議。

1） 在管片外直徑與盾尾覆蓋管片的最大長度已知時，盾尾間隙的大小跟隧道曲線半徑的大小是息息相關的。 因此，為了使盾尾間隙值滿足施工條件，盡量使用更大的隧道曲線半徑。

2） 在盾構俯仰角增大的過程中所需的盾尾間隙量是非常多，而盾尾間隙的初始值是一定的。 為了使盾構俯仰角產(chǎn)生的盾尾改變量滿足盾尾間隙的初始值，盡量使產(chǎn)生的盾構俯仰角更小。

3） 盾尾覆蓋管片的長度對盾尾間隙的影響是顯著的，其對隧道曲線半徑和盾構俯仰角都有一定程度的影響。 對于盾尾覆蓋管片長度盡量選擇適中的，即管片幅寬的選擇要適當。

4 結論

1） 在管片環(huán)外直徑已知，并且盾尾間隙在受到隧道曲線半徑影響的情況下，可知隧道曲線半徑對盾尾間隙的影響主要體現(xiàn)在曲線半徑為50～400 m的區(qū)間上，并且在曲線半徑大于600 m 后對盾尾間隙的影響逐漸減小。

2） 由盾構機前重后輕而產(chǎn)生的盾構俯仰角，對盾尾間隙的影響是顯著的，且盾構俯仰角與盾尾間隙值的關系非常接近線性關系。 并且產(chǎn)生的俯仰角是有一定界限的，不能過大，避免出現(xiàn)所需盾尾間隙改變量大于盾尾間隙初始值的情況。

3） 盾尾覆蓋管片的長度越大， 對盾尾間隙的影響就越顯著， 且盾尾覆蓋管片的長度可通過隧道曲線半徑來減小對盾尾間隙的影響。 即盾尾覆蓋管片的長度過大時， 可通過增大隧道曲線的半徑來調節(jié)。

4） 盾構俯仰角受到盾尾覆蓋管片的長度的影響是顯著的，且不同盾構俯仰角下盾尾間隙值與盾尾覆蓋管片長度的關系非常接近線性關系。 而為了使最小盾尾間隙值符合施工要求，覆蓋管片的長度越長，產(chǎn)生的俯仰角就要越小。