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[摘 要]本文通过石家庄地铁某盾构区间在小半径曲线穿越素桩加固区施工发生栽头的工程实例，以小半径曲线始发、穿过素桩加固区两个难点为主要研究方向，通过制定技术控制措施，并结合实际施工的反馈效果，对整个技术措施从制定到实施的全过程进行分析、评价，总结出了盾构在本工程施工时应采用的正确的方案和注意事项。对于类似工程具有较大的借鉴意义。
[关键词]盾构始发 小半径曲线 素桩加固区 盾构栽头 处理技术
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0298-03
引言
盾构始发是盾构施工的三大风险源及重难点之一。盾构始发的成功与否直接关系到整个隧道的工期、安全质量及经济效益。盾构在小半径曲线段始发更是一大难点；为防止盾构在始发时发生洞门塌方，部分盾构区间端头加固采用素桩加固的形式。在面临小半径曲线始发且洞门加固为素桩时，如何保证盾构的始发阶段姿态可控、成型管片位置偏差在允许范围是本工程的主要控制要点。
1、 工程介绍
1.1、工程概况
小灰楼站～中山广场站盾构区间左线位于中华南大街下，呈南北走向。左线区间隧道起点里程为左DK5+912.010，终点里程为左DK6+712.387，左线全长800.377m。曲線出车站2m后进入半径为400m曲线。盾构端头井加固采用2排素桩+袖阀管注浆的形式。端头井侧墙厚度0.9m，基坑围护桩直径0.8m，素桩直径0.8m（两排总宽度1.5m）。袖阀管加固有效半径0.5m，间距1m布置。总宽度4.5m。详见小灰楼站～中山广场站区间总平面图。
1.2、地质水文情况
小灰楼站～中山广场站区间地质情况从上至下依次为杂填土、素填土、黄土状粉质粘土、粉细砂、粉质粘土、粉土、粉细砂、含卵砾石中粗砂层。其中盾构主要位于粉细砂层和粉质粘土层（盾构上部2m为粉细砂，下部为4m为粉质粘土层）。见表1-1。本次勘测期间地下水水位埋深41.4～42.9m（高程30.18～31.84m）。
1.3、盾构机参数
区间采用铁建重工生产的ZTE6280盾构机施工，盾构机可适应的最小曲率半径为300m，最大坡度为3.5%；盾构机设备总重要为480T，盾构机长度79.8m，主机长7.95m。盾尾间隙13.5cm。
2、 盾构始发姿态关键技术控制
由于盾构机的特性决定了盾构机主机在未完全进入隧道前，盾构机无法进行曲线转弯掘进。且盾构机在穿越素桩时，盾构机在素桩处开挖出一直径为6250mm的圆形段面，在该断面的约束下，盾构机只能沿着既有姿态前进，无法对姿态进行调整。只有在盾构机全部穿过素桩加固区后，方可对盾构机姿态进行调整及纠偏。
2.1、平面割线姿态始发
本工程钢圆环内径为6600mm，但由于素桩对盾构机的刚性约束，导致盾构机在始发前10m范围均无法进行常规的转弯动作，只能进行直线掘进。为保证盾构姿态能与设计隧道有较好的拟合，需在始发前对盾构机始发角度进行调整，国内采用较多的一般为割线始发技术。
根据线形拟合结果，盾构始发时盾构机与车站偏角1.2°，始发中心偏离设计钢圆环中心向右23mm。
2.2、垂直姿态始发
本项目曲线始发阶段竖曲线为50m长度0.2%上坡，始发托架总长9.3m，始发托架前端较后端理论高差为18.6mm，盾构机刀盘与盾尾理论高差16mm，为防止盾构机施工过程中发生栽头，一般情况下采用将刀盘位置抬高2cm，保证盾构始发时维持上坡趋势，且为在施工过程中盾构发生栽头预留一定的富余。
3、盾构过素桩加固区盾机栽头的过程
素桩混凝土强度等级为C20，其28天抗压强度达到27.5Mpa，且加固完成后7个月才开始盾构掘进施工，预计其强度已得到进一步增长。盾构在拼装负4环完成后，刀盘进入素桩加固区。素桩加固区全部穿越后，盾构施工姿态及施工参数。详见表4-1。
盾构在素桩锚固区推进采用3mm/min速度，推进不到20cm时扭矩增大，从2000kN-m增大至3100kN-m时发生第一次刀盘卡住，无法继续转动，反转半圈时盾构又卡住，仍无法正常转动。遂加大扭矩至4100KN·m，盾构机发生转动，导致导轨和反力托架发生变形。此后采取了将推进千斤顶松开，再二次顶进的方案。实施后，刀盘开始转动。但由于导轨和托架发生变形，导致盾首垂直姿态发生较大变化，直接由+11变化至-57。遂继续推进，盾构及垂直姿态偏差进一步加大，至+1环时垂直姿态变化为-165，在刀盘进入加固区后，尽量加大下部千斤顶推力，反复尝试仍无法改善盾构垂直姿态，仍处于进一步加大趋势。遂停工分析原因。采取进一步的处理措施。
4、成因分析
通过表4-1数据和现场实际调查分析，可以看出在第-5环盾首垂直姿态发生较大变化，直接由+11变化至-57。综合数据和施工过程可以得出如下结论：刀盘卡住后由于增加扭矩导致始发托架和导轨变形是盾构姿态发生变化的主要原因，其次为保证刀盘脱困而将千斤顶松弛，使盾首失去顶托力的做法也进一步加剧了盾首下沉。由于本次失误造成的盾首急剧下沉是导致事故的主要原因。
在后续盾构推进过程中，盾构机只能保持该姿势继续前行。在素桩加固区中施工时，由于素桩的包裹作用，盾构机沿下坡线路直线推进，趋势平稳，但偏离设计轴线位置变大。
在推进完第-2环，开始进行第-1环推进时，变化趋势进一步加大。通过计算发现开始第-1环推进时，盾构铰接位置已穿过素桩。此时，素桩对盾构机的包裹作用消失，盾构有继续栽头趋势，尝试加大下部千斤顶推力时发现下部千斤顶油缸存在问题，单组油缸千斤顶只能加大至80bar，距离额定油压相差较远。故造成盾构机头无法进行抬头操作。 5、处理方案和补救措施
5.1、设备检修和维护
首先对盾构机进行方位检修。特别是对推进油缸、铰接油缸、测量系统进行了彻底全面检测检修，保证在后续始发时盾构机处于完好状态。
5.2、推进参数设定和姿态控制
首先采取有效的手段遏制盾构姿态进一步扩大的趋势，趋势控制住后，缓慢将盾构头低尾高的现状调整至头尾处于水平，再将盾构机调整为头部比尾5mm～25mm的良好趋势。最后对盾构机进行纠偏，通过一定数量的盾构推进和管片安装将盾构姿态调整至-50mm以内。主要采用两种方法配合使用，①合理设定盾构千斤顶压力差②使用转弯环。
具体做法如下：重新设定盾构推进参数，主要是通过调整盾构推力来改善盾构姿态。将盾构机上部A组千斤顶锁定，尽量不使用。下部C组千斤顶施压，施加压力控制70%左右，即达到180bar左右。左右两侧B、D组千斤顶施压，B组施加压力控制在30%左右，压力达到75bar。D组施加压力为20%左右，压力达到50bar。通过上下部千斤顶的压力差促使盾构机抬头，左右压力差促使盾构机转弯。
提前使用转弯环管片。盾构机在+1环拼装完成后，安装一块转弯环，将管片环宽长的尽量放在下部，减少管片上下法面差。也能在一定程度上为盾构抬头提供辅助。
5.3、调整后盾构姿态变化
設定好推进参数和处理方案后，盾构机继续推进，累计推进10环。详见下表。
通过以上推进情况可以看出，在调整施工参数和采用转弯环辅助后，盾构姿态在短时间内得到了极大的改善。盾构栽头趋势得到了控制，并按照预定方案逐步形成了盾构抬头向设计轴线靠拢的趋势。通过24环管片的缓慢纠偏，将盾构机垂直姿态调整至-100以内。证明预定方案可行，得到了预期的效果。
6、对成型管片高度调整方案
6.1、采用同步注浆上抬管片
管片拖出盾尾后，成型管片会因受到同步注浆浆液带来的浮力而上浮。一般情况下，同步注浆浆液量的增加会加剧管片上浮。由于盾构机姿态偏离设计轴线大，为保证同步注浆能对管片抬升起到一定效果，在盾构推进至+5环时开始实施同步注浆作业时，对于1.2m环宽的管片将注浆量达到7.2方，为理论注浆量的250%，主要目的是想通过同步注浆将管片上浮，尽量做到成型管片中心标高控制在-100mm以内。台车全部拖出后，对成型管片的姿态进行测量统计，详见表6-1。
对比表5-1和表6-1可以发现，从+12环开始，成型管片受到浮力产生了比较明显的上浮趋势，且随后管片上浮情况趋势加大。综合前26环成型管片高程和盾构姿态看，管片最大上浮量为91mm。前期成型管片没有发生上浮的主要原因是洞门前期未封闭，从+1～+5环管片未进行同步注浆，且后期同步注浆压力不能急剧增加，注浆浆液四处流窜，对管片上浮作用不明显。但随着时间推移，浆液逐渐凝固后，在推进过程中同步注浆流失逐步减少，对管片上浮作用越来越明显，至上浮90mm时趋于稳定。
6.2、通过二次注浆上抬管片
表5-1中显示+1环～+15环管片高程偏差已超过-10cm，超出规范允许范围。且未进行有效的同步注浆。在盾构快速推进至第15环以后，开始封闭洞门。洞门封闭后，对前15环管片进行二次补浆，通过二次补浆将空隙填充密实，并尝试将管片进行上抬。二次注浆采用逐块、分段、多次连续注浆的方式，注浆过程中对管片抬升、收敛情况进行监测，确保管片不损伤的情况下尽可能的抬升管片。经现场实际作业，对管片抬升确实起到了较好的效果。在管片收敛值达到报警值的临界点时停止二次注浆作业，抬升后的管片垂直轴线详见表6-2。
从以上数据可以发现，管片最大抬升为54mm。说明二次注浆对管片抬升能起到一定效果。经过24环管片注浆调整后，将将测量数据上报评估分析，认为调整后轴线位置基本满足设计和使用要求。
7、结语
本文通过对某盾构曲线在始发阶段发生较大栽头的工程实例，结合本工程的特殊性、施工过程数据分析和盾构机参数，查找分析出了盾构栽头的原因。并根据实际情况制定出了处理栽头的方案和上抬管片的措施，并在实践中得到检验，取得了成功。并得出了如下结论。
1、一般情况下，对于小半径曲线始发时，在盾构机主机全部进入加固区后才具备转弯作业条件，故在施工前，一定要预判盾构线路与设计线路的偏差。必要时一定要调整始发姿态和角度，确保盾构全部进入后能很好的和线路拟合。
2、盾构在穿越素桩加固区时，盾构机刀盘对素桩仅切割出直径为Φ6280mm圆形断面。盾构机主机在穿越素桩时，素桩对盾构机有一定的包裹作用。盾构机在素桩区会严格按照破素桩时形成的直线线路行走。
3、盾构机在切割素桩时，必须严格控制掘进速度。如速度过快，会导致刀盘扭矩过大而影响始发托架和导轨，并极有可能发生刀盘被素桩卡住无法转动的情况。
4、盾构机在砂层或土层中施工时，通过加大上下部千斤顶推力差，在配合适当的增加转弯环管片，对将盾构栽头改善成盾构抬头能起到较好的改善效果。
5、在砂层或土层中进行盾构施工时，同步注浆和二次注浆均会对成型管片起到一定的上浮效应，加大注浆量管片上浮更明显。
6、对于盾构施工而言，仅制定方案并不可以保证整个施工过程安全可控。必须对整个施工的全过程进行管理，确保制定的方案能够得到很好的落实，才能取得好的效果。
参考文献
[1] 邹超 杭广斌，盾构法地铁隧道小半径曲线始发技术控制[J].都市快轨交通，2000（5）.1-5.
[2] 刘雅丹 李贵林 北京地铁10号线盾构隧道小半径曲线始发施工监管[J].铁道标准设计，2008（12）.1-3.
[3] 刘建航，侯学渊，盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991.
[4] 于书翰，杜谟远，隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.
[关键词]盾构始发 小半径曲线 素桩加固区 盾构栽头 处理技术
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0298-03
引言
盾构始发是盾构施工的三大风险源及重难点之一。盾构始发的成功与否直接关系到整个隧道的工期、安全质量及经济效益。盾构在小半径曲线段始发更是一大难点；为防止盾构在始发时发生洞门塌方，部分盾构区间端头加固采用素桩加固的形式。在面临小半径曲线始发且洞门加固为素桩时，如何保证盾构的始发阶段姿态可控、成型管片位置偏差在允许范围是本工程的主要控制要点。
1、 工程介绍
1.1、工程概况
小灰楼站～中山广场站盾构区间左线位于中华南大街下，呈南北走向。左线区间隧道起点里程为左DK5+912.010，终点里程为左DK6+712.387，左线全长800.377m。曲線出车站2m后进入半径为400m曲线。盾构端头井加固采用2排素桩+袖阀管注浆的形式。端头井侧墙厚度0.9m，基坑围护桩直径0.8m，素桩直径0.8m（两排总宽度1.5m）。袖阀管加固有效半径0.5m，间距1m布置。总宽度4.5m。详见小灰楼站～中山广场站区间总平面图。
1.2、地质水文情况
小灰楼站～中山广场站区间地质情况从上至下依次为杂填土、素填土、黄土状粉质粘土、粉细砂、粉质粘土、粉土、粉细砂、含卵砾石中粗砂层。其中盾构主要位于粉细砂层和粉质粘土层（盾构上部2m为粉细砂，下部为4m为粉质粘土层）。见表1-1。本次勘测期间地下水水位埋深41.4～42.9m（高程30.18～31.84m）。
1.3、盾构机参数
区间采用铁建重工生产的ZTE6280盾构机施工，盾构机可适应的最小曲率半径为300m，最大坡度为3.5%；盾构机设备总重要为480T，盾构机长度79.8m，主机长7.95m。盾尾间隙13.5cm。
2、 盾构始发姿态关键技术控制
由于盾构机的特性决定了盾构机主机在未完全进入隧道前，盾构机无法进行曲线转弯掘进。且盾构机在穿越素桩时，盾构机在素桩处开挖出一直径为6250mm的圆形段面，在该断面的约束下，盾构机只能沿着既有姿态前进，无法对姿态进行调整。只有在盾构机全部穿过素桩加固区后，方可对盾构机姿态进行调整及纠偏。
2.1、平面割线姿态始发
本工程钢圆环内径为6600mm，但由于素桩对盾构机的刚性约束，导致盾构机在始发前10m范围均无法进行常规的转弯动作，只能进行直线掘进。为保证盾构姿态能与设计隧道有较好的拟合，需在始发前对盾构机始发角度进行调整，国内采用较多的一般为割线始发技术。
根据线形拟合结果，盾构始发时盾构机与车站偏角1.2°，始发中心偏离设计钢圆环中心向右23mm。
2.2、垂直姿态始发
本项目曲线始发阶段竖曲线为50m长度0.2%上坡，始发托架总长9.3m，始发托架前端较后端理论高差为18.6mm，盾构机刀盘与盾尾理论高差16mm，为防止盾构机施工过程中发生栽头，一般情况下采用将刀盘位置抬高2cm，保证盾构始发时维持上坡趋势，且为在施工过程中盾构发生栽头预留一定的富余。
3、盾构过素桩加固区盾机栽头的过程
素桩混凝土强度等级为C20，其28天抗压强度达到27.5Mpa，且加固完成后7个月才开始盾构掘进施工，预计其强度已得到进一步增长。盾构在拼装负4环完成后，刀盘进入素桩加固区。素桩加固区全部穿越后，盾构施工姿态及施工参数。详见表4-1。
盾构在素桩锚固区推进采用3mm/min速度，推进不到20cm时扭矩增大，从2000kN-m增大至3100kN-m时发生第一次刀盘卡住，无法继续转动，反转半圈时盾构又卡住，仍无法正常转动。遂加大扭矩至4100KN·m，盾构机发生转动，导致导轨和反力托架发生变形。此后采取了将推进千斤顶松开，再二次顶进的方案。实施后，刀盘开始转动。但由于导轨和托架发生变形，导致盾首垂直姿态发生较大变化，直接由+11变化至-57。遂继续推进，盾构及垂直姿态偏差进一步加大，至+1环时垂直姿态变化为-165，在刀盘进入加固区后，尽量加大下部千斤顶推力，反复尝试仍无法改善盾构垂直姿态，仍处于进一步加大趋势。遂停工分析原因。采取进一步的处理措施。
4、成因分析
通过表4-1数据和现场实际调查分析，可以看出在第-5环盾首垂直姿态发生较大变化，直接由+11变化至-57。综合数据和施工过程可以得出如下结论：刀盘卡住后由于增加扭矩导致始发托架和导轨变形是盾构姿态发生变化的主要原因，其次为保证刀盘脱困而将千斤顶松弛，使盾首失去顶托力的做法也进一步加剧了盾首下沉。由于本次失误造成的盾首急剧下沉是导致事故的主要原因。
在后续盾构推进过程中，盾构机只能保持该姿势继续前行。在素桩加固区中施工时，由于素桩的包裹作用，盾构机沿下坡线路直线推进，趋势平稳，但偏离设计轴线位置变大。
在推进完第-2环，开始进行第-1环推进时，变化趋势进一步加大。通过计算发现开始第-1环推进时，盾构铰接位置已穿过素桩。此时，素桩对盾构机的包裹作用消失，盾构有继续栽头趋势，尝试加大下部千斤顶推力时发现下部千斤顶油缸存在问题，单组油缸千斤顶只能加大至80bar，距离额定油压相差较远。故造成盾构机头无法进行抬头操作。 5、处理方案和补救措施
5.1、设备检修和维护
首先对盾构机进行方位检修。特别是对推进油缸、铰接油缸、测量系统进行了彻底全面检测检修，保证在后续始发时盾构机处于完好状态。
5.2、推进参数设定和姿态控制
首先采取有效的手段遏制盾构姿态进一步扩大的趋势，趋势控制住后，缓慢将盾构头低尾高的现状调整至头尾处于水平，再将盾构机调整为头部比尾5mm～25mm的良好趋势。最后对盾构机进行纠偏，通过一定数量的盾构推进和管片安装将盾构姿态调整至-50mm以内。主要采用两种方法配合使用，①合理设定盾构千斤顶压力差②使用转弯环。
具体做法如下：重新设定盾构推进参数，主要是通过调整盾构推力来改善盾构姿态。将盾构机上部A组千斤顶锁定，尽量不使用。下部C组千斤顶施压，施加压力控制70%左右，即达到180bar左右。左右两侧B、D组千斤顶施压，B组施加压力控制在30%左右，压力达到75bar。D组施加压力为20%左右，压力达到50bar。通过上下部千斤顶的压力差促使盾构机抬头，左右压力差促使盾构机转弯。
提前使用转弯环管片。盾构机在+1环拼装完成后，安装一块转弯环，将管片环宽长的尽量放在下部，减少管片上下法面差。也能在一定程度上为盾构抬头提供辅助。
5.3、调整后盾构姿态变化
設定好推进参数和处理方案后，盾构机继续推进，累计推进10环。详见下表。
通过以上推进情况可以看出，在调整施工参数和采用转弯环辅助后，盾构姿态在短时间内得到了极大的改善。盾构栽头趋势得到了控制，并按照预定方案逐步形成了盾构抬头向设计轴线靠拢的趋势。通过24环管片的缓慢纠偏，将盾构机垂直姿态调整至-100以内。证明预定方案可行，得到了预期的效果。
6、对成型管片高度调整方案
6.1、采用同步注浆上抬管片
管片拖出盾尾后，成型管片会因受到同步注浆浆液带来的浮力而上浮。一般情况下，同步注浆浆液量的增加会加剧管片上浮。由于盾构机姿态偏离设计轴线大，为保证同步注浆能对管片抬升起到一定效果，在盾构推进至+5环时开始实施同步注浆作业时，对于1.2m环宽的管片将注浆量达到7.2方，为理论注浆量的250%，主要目的是想通过同步注浆将管片上浮，尽量做到成型管片中心标高控制在-100mm以内。台车全部拖出后，对成型管片的姿态进行测量统计，详见表6-1。
对比表5-1和表6-1可以发现，从+12环开始，成型管片受到浮力产生了比较明显的上浮趋势，且随后管片上浮情况趋势加大。综合前26环成型管片高程和盾构姿态看，管片最大上浮量为91mm。前期成型管片没有发生上浮的主要原因是洞门前期未封闭，从+1～+5环管片未进行同步注浆，且后期同步注浆压力不能急剧增加，注浆浆液四处流窜，对管片上浮作用不明显。但随着时间推移，浆液逐渐凝固后，在推进过程中同步注浆流失逐步减少，对管片上浮作用越来越明显，至上浮90mm时趋于稳定。
6.2、通过二次注浆上抬管片
表5-1中显示+1环～+15环管片高程偏差已超过-10cm，超出规范允许范围。且未进行有效的同步注浆。在盾构快速推进至第15环以后，开始封闭洞门。洞门封闭后，对前15环管片进行二次补浆，通过二次补浆将空隙填充密实，并尝试将管片进行上抬。二次注浆采用逐块、分段、多次连续注浆的方式，注浆过程中对管片抬升、收敛情况进行监测，确保管片不损伤的情况下尽可能的抬升管片。经现场实际作业，对管片抬升确实起到了较好的效果。在管片收敛值达到报警值的临界点时停止二次注浆作业，抬升后的管片垂直轴线详见表6-2。
从以上数据可以发现，管片最大抬升为54mm。说明二次注浆对管片抬升能起到一定效果。经过24环管片注浆调整后，将将测量数据上报评估分析，认为调整后轴线位置基本满足设计和使用要求。
7、结语
本文通过对某盾构曲线在始发阶段发生较大栽头的工程实例，结合本工程的特殊性、施工过程数据分析和盾构机参数，查找分析出了盾构栽头的原因。并根据实际情况制定出了处理栽头的方案和上抬管片的措施，并在实践中得到检验，取得了成功。并得出了如下结论。
1、一般情况下，对于小半径曲线始发时，在盾构机主机全部进入加固区后才具备转弯作业条件，故在施工前，一定要预判盾构线路与设计线路的偏差。必要时一定要调整始发姿态和角度，确保盾构全部进入后能很好的和线路拟合。
2、盾构在穿越素桩加固区时，盾构机刀盘对素桩仅切割出直径为Φ6280mm圆形断面。盾构机主机在穿越素桩时，素桩对盾构机有一定的包裹作用。盾构机在素桩区会严格按照破素桩时形成的直线线路行走。
3、盾构机在切割素桩时，必须严格控制掘进速度。如速度过快，会导致刀盘扭矩过大而影响始发托架和导轨，并极有可能发生刀盘被素桩卡住无法转动的情况。
4、盾构机在砂层或土层中施工时，通过加大上下部千斤顶推力差，在配合适当的增加转弯环管片，对将盾构栽头改善成盾构抬头能起到较好的改善效果。
5、在砂层或土层中进行盾构施工时，同步注浆和二次注浆均会对成型管片起到一定的上浮效应，加大注浆量管片上浮更明显。
6、对于盾构施工而言，仅制定方案并不可以保证整个施工过程安全可控。必须对整个施工的全过程进行管理，确保制定的方案能够得到很好的落实，才能取得好的效果。
参考文献
[1] 邹超 杭广斌，盾构法地铁隧道小半径曲线始发技术控制[J].都市快轨交通，2000（5）.1-5.
[2] 刘雅丹 李贵林 北京地铁10号线盾构隧道小半径曲线始发施工监管[J].铁道标准设计，2008（12）.1-3.
[3] 刘建航，侯学渊，盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991.
[4] 于书翰，杜谟远，隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.