小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)確定及糾偏方法＊

楊 洋，繆春遠(yuǎn)，李敬余，劉家順，鄭智勇，劉頁(yè)龍

（1.中鐵九局集團(tuán)第四工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著地鐵工程的不斷修建，城市地鐵建設(shè)網(wǎng)絡(luò)越發(fā)密集，地鐵施工過(guò)程引起的地層損失將破壞隧道周圍土體原有的平衡狀態(tài)，其影響范圍內(nèi)土層應(yīng)力損失，誘發(fā)地表沉降，甚至?xí){上部建筑物或構(gòu)筑物的安全。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的越發(fā)密集，盾構(gòu)近距離下穿建、構(gòu)筑物的情況將逐漸增多，盾構(gòu)施工面臨的技術(shù)問(wèn)題，特別是圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)合理確定成為盾構(gòu)施工必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題[1-2]。

圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)合理確定已成為國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[3]。羅錫波等[4]以成都9 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道為例，研究了區(qū)間坡型對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中掘進(jìn)推力、掘進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力和刀盤(pán)扭矩的影響，并對(duì)富水砂卵石地層條件下盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為類似工程提供了一定的參考；王海成[5]闡述了盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵施工工藝及主要參數(shù)指標(biāo)；高鵬鵬等[6]研究了不同注漿材料的性能以及對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)的影響規(guī)律；袁吉[7]校核了盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中影響盾構(gòu)機(jī)曲線施工的因素，給出了影響盾構(gòu)機(jī)曲線施工關(guān)鍵因素為盾構(gòu)機(jī)、管片選型；韋生達(dá)等[8]運(yùn)用灰色理論分析了總推力、同步注漿壓力等不同控制參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了富水砂卵石地層盾構(gòu)控制參數(shù)對(duì)地面沉降的影響。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行了分析與研究，但沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第16 標(biāo)段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置曲線半徑為300 m，且穿越地層以圓礫地層為主，面臨施工參數(shù)難確定、施工質(zhì)量難控制等技術(shù)難題。因此，以沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第16 合同段盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，基于盾構(gòu)土倉(cāng)壓力與掌子面壓力平衡原理，分別計(jì)算了盾構(gòu)推力和扭矩、盾構(gòu)出土量、同步注漿參數(shù)、二次注漿壓力控制以及渣土改良和管片拼裝措施，為圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工提供了數(shù)據(jù)支撐，研究結(jié)果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，并且為其他工程應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

中鐵九局第四工程有限公司承建的沈陽(yáng)南站站—?jiǎng)?chuàng)新路站區(qū)間里程右DK33+067.100—DK33+096.300范圍內(nèi)，以線間距15 m 平行斜穿電力管廊，管廊底板底距離區(qū)間結(jié)構(gòu)頂豎向最短垂直距離約1.45 m，為一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程；區(qū)間在里程右DK33+064.300—DK33+074.500 范圍內(nèi)，以線間距15 m 平行斜穿3 號(hào)線有軌電車，有軌電車基礎(chǔ)底距離區(qū)間結(jié)構(gòu)頂最短垂直距離約9.8 m，為二級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程。周圍重要市政管線包括給水鑄鐵管DN400，管底最大埋深約2.63 m；排水塑料管DN800，管底最大埋深約2.5 m；煤氣鑄鐵管DN377，管底最大埋深約2.9 m，如圖1 所示。

圖1 沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線圓礫地層曲線段盾構(gòu)平面示意圖

盾構(gòu)機(jī)的各種推進(jìn)阻力的累積及所需的富余量共同決定了總推力值的大小，對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)，考慮的推進(jìn)阻力主要有以下幾項(xiàng)。

盾體摩擦力：盾體與地層間的摩擦力計(jì)算公式為F1=0.25πDL（2Pе+2K0Pе+K0γD）×μ1+W×μ1。

管片與盾尾之間的摩擦力：管片與盾尾之間的摩擦力計(jì)算公式為F2=n1×Ws×μ2+π×D0×b×p2×n2×μ3。

2 圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)確定

2.1 盾構(gòu)推力和扭矩

后配套拖車的拖拉力：后配套的拖拉力計(jì)算公式為F4=W4×μ4。

刀具上的推力：刀盤(pán)上設(shè)置有刀刃約120 把，按每把10 kN 計(jì)算得刀盤(pán)刀具所需的力為F5=120×10 kN=1 200 kN，推進(jìn)阻力的總和與富裕量系數(shù)（1.3）的乘積為系統(tǒng)推力，F(xiàn)=1.3×（12 340+371+6 192+255+1 200）=26 465.4 kN；實(shí)際配置推力為3 991 t，安全系數(shù)1.51 倍，滿足使用要求。盾構(gòu)扭矩受盾構(gòu)機(jī)外徑的影響極大，其關(guān)系為T(mén)е=α1×α2×α0×D03。

根據(jù)中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)額定扭矩為6 650 kN·m，安全系數(shù)為8 100/3 468 = 2.0。而最高脫困扭矩為8 100 kN·m，滿足條件。

2.2 盾構(gòu)出土量控制

盾構(gòu)機(jī)下穿建筑物施工過(guò)程中，考慮1.2 的土體松散系數(shù)，每環(huán)出土量應(yīng)為理論值的98%。沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線16 標(biāo)段盾構(gòu)開(kāi)挖斷面面積30.96 m2。據(jù)此計(jì)算，每環(huán)理論出土量Q應(yīng)為30.96×1.2=37.15 m3，即出土量為37.15×1.2×98%=43.69 m3。

2.3 同步注漿參數(shù)控制

盾構(gòu)穿越圓礫地層施工時(shí)，因?yàn)閳A礫層不均勻性和盾構(gòu)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)施工問(wèn)題，待盾尾通過(guò)后，盾構(gòu)襯砌管片外側(cè)將與地層形成一定的間隙，極易引發(fā)地層沉降等災(zāi)害。因此，在盾構(gòu)推進(jìn)施工過(guò)程中必須采用同步注漿的方式對(duì)此間隙進(jìn)行及時(shí)填充。針對(duì)圓礫地層特點(diǎn)，本項(xiàng)目同步注漿選用水泥-水玻璃雙液漿，嚴(yán)格控制注漿量及漿液的配比，保持漿液泌水性小，且和易性良好，從而減小漿液的固結(jié)收縮。同步注漿量一般控制在建筑空隙的140%～200%，即每環(huán)同步注漿量為4.8～6.5 m3。注漿壓力控制在0.2～0.3 MPа。

2.4 二次注漿壓力控制

由于土層中有裂隙的存在，在同步注漿過(guò)程中，漿液大概率會(huì)沿此裂隙滲透，從而造成注漿漿液不飽滿，因此根據(jù)實(shí)際工程需要，在管片脫出盾尾5 環(huán)后，需對(duì)管片外圍和土體之間形成的空隙進(jìn)行二次注漿，其漿液為水泥及水玻璃雙液漿。水灰比范圍為0.8～1，水玻璃與水比例取1∶1.5；注漿壓力0.3～0.5 MPа。根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)情況及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整二次注漿配比和注漿量，從而使地層變形量達(dá)到最小。在下電力管廊段和有軌電車段根據(jù)以上比例采取雙液漿二次注漿，必要時(shí)采用多次注漿補(bǔ)強(qiáng)的方法，確保盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)源施工過(guò)程的安全。

3 小半徑曲線盾構(gòu)糾偏技術(shù)

為減小盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)，在盾構(gòu)機(jī)曲線穿越風(fēng)險(xiǎn)源過(guò)程中保證其勻速推進(jìn)。同時(shí)，曲線段施工時(shí)應(yīng)盡量及時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)糾偏，避免大幅度和多頻次調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。考慮襯砌管片受力均勻性，應(yīng)控制襯砌每環(huán)垂直和水平的糾偏量不超過(guò)±5 mm。本文基于最小糾偏半徑原理，采用Cаt 映射方法初始化種群，并通過(guò)混沌搜索的方式指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)確糾偏，提高盾構(gòu)糾偏精度和糾偏速度。

3.1 糾偏原理

盾構(gòu)糾偏原理幾何模型如圖2 所示，其中點(diǎn)A和點(diǎn)P2為盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線位置，點(diǎn)P1（x1，y1）為盾構(gòu)機(jī)糾偏的起始點(diǎn)位置，P2（x2，y2）為盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸線位置，其對(duì)應(yīng)為糾偏調(diào)整后的終點(diǎn)位置。α1為糾偏前P1點(diǎn)切線的夾角，α2為糾偏后P2點(diǎn)切線的夾角。通過(guò)P1、P2點(diǎn)坐標(biāo)和幾何關(guān)系求得糾偏距離和偏差，確定出圓弧的半徑，得到圓弧的軌跡和弧長(zhǎng)。具體操作步驟為：當(dāng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)產(chǎn)生位置偏向后，在盾構(gòu)糾偏起點(diǎn)P1，根據(jù)幾何特性采用Autосаd2010 軟件，設(shè)計(jì)半徑為R1和R2兩個(gè)圓弧，其原點(diǎn)分別為O1和O2，沿兩個(gè)反向圓弧擬合成盾構(gòu)機(jī)的糾偏曲線至P2。連接點(diǎn)P1、P2并沿點(diǎn)P2做其反向水平線交于A點(diǎn)，并連接點(diǎn)P1A使其垂直于AP2，據(jù)此確定糾偏距離為AP2，盾構(gòu)糾偏的偏差為P1A。

圖2 盾構(gòu)糾偏原理

3.2 建立最小糾偏半徑模型

曲線盾構(gòu)最小糾偏半徑模型的關(guān)鍵在于確定最小糾偏半徑Rmin，最小糾偏半徑由推進(jìn)油缸推力、鉸接裝置幾何尺寸和盾尾間隙3 個(gè)參數(shù)共同確定。因此實(shí)際轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，最小轉(zhuǎn)彎半徑R1由隧道初始設(shè)計(jì)軸線控制，最小轉(zhuǎn)彎半徑R2由盾尾間隙控制，最小轉(zhuǎn)彎半徑R3由鉸接角度控制，最小轉(zhuǎn)彎半徑R4由推進(jìn)液壓缸行程差控制。綜上確定，盾構(gòu)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為min{R1、R2、R3、R4}。

3.3 盾構(gòu)糾偏精度提高算法

為提高盾構(gòu)糾偏精度，采用Cаt 映射方法初始化種群，并通過(guò)混沌搜索的方式指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)確糾偏；通過(guò)差分變異改進(jìn)人工蜂群算法的搜索機(jī)制，使得搜索過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)搜索從而提高收斂速度。其步驟如下。

第一步，將影響盾構(gòu)機(jī)糾偏參數(shù)的最優(yōu)特征子集{Ri，δi，αi，Pi}作為人工蜂群算法的初始種群。其中，Ri為曲線隧道設(shè)計(jì)半徑值，δi為盾尾間隙參數(shù)，αi為鉸接裝置幾何尺寸控制參數(shù)，Pi為推進(jìn)液壓缸行程控制參數(shù)。

第二步，在初始種群中引入混合記憶權(quán)重因子得到人工蜂群算法新種群。種群更新過(guò)程如下：

式（1）中：Pw（t+1）為第t+1 代子群最差個(gè)體；Pw（t）為第t代子群最差個(gè)體；Dis（t+1）為蜜蜂個(gè)體第t+1 代的更新步長(zhǎng)。

式（2）中：W（t+1）為第t+1 代混合記憶權(quán)重因子，在[0，1]中的隨機(jī)取值；Dis（t）為蜜蜂個(gè)體第t代的更新步長(zhǎng)；R為[0，1]中的隨機(jī)數(shù)；Pb（t）為第t代子群最優(yōu)個(gè)體。

第三步，利用差分變異法結(jié)合縮放因子更新搜索機(jī)制，使搜索過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整，搜索方程如下：

式（3）中：F為縮放因子；為k時(shí)刻種群篩選后的新解。

第四步，通過(guò)上述算法得到最優(yōu)的{Riор，δiор，αiор，Piор}值為控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)快速準(zhǔn)確糾偏的技術(shù)效果。

4 結(jié)論

以沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第16合同段盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，研究了小半徑曲線盾構(gòu)施工參數(shù)控制和糾偏控制方法，主要研究結(jié)論如下：①分析了圓礫地層盾構(gòu)施工核心土開(kāi)挖與開(kāi)挖面支護(hù)、盾構(gòu)掘進(jìn)與盾尾管片拼裝和盾尾孔隙注漿回填過(guò)程中土倉(cāng)壓力與掌子面壓力、總推力、各種工作阻力、土層擾動(dòng)應(yīng)力、圍巖被擠壓應(yīng)力以及地表沉降或隆起的力學(xué)機(jī)理；②通過(guò)試驗(yàn)段理論計(jì)算了盾構(gòu)推力、扭矩、出土量、同步注漿壓力和注漿量、二次注漿壓力及注漿量等盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，給出了試驗(yàn)段盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)及控制措施；③采用差分變異法和Cаt 映射結(jié)合的方式改進(jìn)人工蜂群算法，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)糾偏的速度和精度。