盾构掘进主要由十个参数控制,即前仓压力、千斤顶顶力及分布、推进速度、盾构坡度、纠偏方向与纠偏量、浆液配式、数量、压力等。掘进过程中,必须视隧道上覆上厚度、地质条件、地面荷载、设计坡度及转弯半径、轴线偏差情况及盾构现状姿态、地表监察情况等,上述10个参数,既是独立的,又有互相匹配、优化组合的问题,其根本目的,是控制盾构推进轴线偏差不超出允许范围及尽量减少地层变形的影响。前者是建造高质量隧道的手段,目的是使衬砌成环后连接形成的隧道轴线为最佳状态;后者是确保推进沿线建筑物及地下管线不受或少受影响,避免灾害性事故发生的必要前提,特别是本工程盾构掘进区间须穿越上海繁华的南京路、北京路等市仪六大马路及大片民房,更显得重要,绝不能有丝毫不慎。
1　试推进阶段
　　本工程区段盾构自人民广场北端头井出洞后100m为试招进阶段。此阶段是摸索FCB盾构在软土地层条件下的掘进效果并从理论上和经验上摸索掌握规律,选取、调整、直至确定各项最佳掘进参数,据此指导全线的施工。
　　100m试推进根据沿线地形地貌条件,划分为三个区段：第一区段15m,基本在施工场地内;第二区段35m穿越路面;第三区段50m,过建筑群。
　　a、第一区段，该区段为最初掘进,是对各项推进参数的摸索阶段,推进中确定二组不同的施工参数进行试掘进,通过测量数据的反馈,摸索地层变化、轴线控制的规律。
　　b、第二区段。根据地面条件、建筑物及地下管线情况对上阶段试确定的三组参数作慎密调整,取得最佳参数。
　　c、第三区段。是正式掘进的准备阶段,通过本区段的掘进,对地面沉降、隧道轴线控制、衬砌安装质量等基本有了各项控制措施,施工参数也基本掌握,能利用信息反馈指导施工。
　　按上述完成的100m试推进,为整个区间隧道的掘进奠定了良好的基础。
2.前仓压力的确定
　　本区间使用的盾构是法国FCB公司制造的土压平衡式盾构,其施工方法是盾构推进过程中,前部刀盘开挖下来的上直接填在切削刀腔内,经螺旋输送机自动排土调整压力,使切削刀腔内的原上与切目前水上压力平衡,从而保持汗挖面的稳定。所以,前仓压力的确定,显得非常重要。
　　本区问隧道埋深(隧道中心轴线):人民广场端头井约9.7m,新闸路端头井约9.1m,近中间泵站处为最低点,约12.9m,中间由R“3000一5000(m)的竖圆曲线及5一20%的坡度过渡(见图1)。所以,前仓压力的确定,亦应随隧道上覆土厚度的变化而变化。如何确定前仓压力,对减少地面沉降是极其关键的,但如单凭理论土压来确定前仓压力显然是不合适的。推进阶段必须及时将实测地面沉降值与盾构推进诸要素及压浆诸要素进行分析研究,不断对其调整,直至找到最佳值。

　　在进出洞阶段。因端头井前基本上都是较开阔场地,土体经过加固,且地下管线位置也较远,确定前仓压力时应将重点放在进出洞的安全来考虑,除了推进速度严格控制外,前仓压力可相对确定得低些。
3．地面沉降浅析
　　本区段盾构基本在软弱地层中推进.因地质和盾构法施工的特定条件,掘进过程中引起的一定量的地层损失,以及盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土再固结,会不可避免地导致地面沉降。
　　施工单位的责任是尽可能准确地预测沉降范围、沉降量、沉降曲线最大坡度及最小曲率半径和对附近建筑物、地下管线的影响程度.并分析影响沉降的各种因素以求在施工中采取相应措施,从而减少地面沉降。
　　据施工测量分析的结果表明,一般情况下,横断面的沉降槽呈正态曲线分布,最大沉降量在盾构的正上方,宽度为两侧离轴线9一12m(见图2),符合Pcek理论.但由于地面荷载等原因(如建筑物),会使沉降曲线产生偏移,最大沉降量不在轴线上方(见图3)。从纵剖面看,盾构推进切口前约10~15m范围,地面有一隆起(见图4),隆起的数值与前仓压力基本成正比。

　　施工造成的地表变形大致可分为三个阶段,第一阶段为盾构切口到达前10一15m,因受前仓压力影响,地面呈隆起状态,如出现下沉,可视为前仓压力确定偏低;第二阶段,随着切口前移,压力消失,地表即较快回落,且如果第一阶段隆起值人,回落值亦较人;第二阶段为滞后沉降,实测资料表明,滞后沉降是个相对较长的阶段。
　　沉降槽内任意点总沉降量,可按下列公式计算求得：
　　δ总＝δ1＋δ2＋δ3
　　式中δ1——切口到达前地面隆起(mm);
　　δ2——盾构通过或盾尾脱出后,地面回落(mm);
　　δ1——滞后沉降(mm)。
　　控制滞后沉降常用的手段是两次(或多次)注浆,但本区段盾构的施工实践表明,如同步注浆掌握得好,滞后沉降的影响将很小。本区间推进结束后,据对全部地面测点的复测,上行线最大沉降为一30mm(只出现一点);下行线最大沉降为一24mm(只出现一点),与推进时的跟踪测量数据基本一致,说明滞后沉降量极小。
4　推进速度
　　速度参量的选取应掌握使土体尽量的切削而不是挤压。过量的挤压,势必产生前仓内外压差,增加对地层的扰动。正常推进,速度可控制在2一3cm/min之间;盾构纠偏时,应取较小速度。同样,不同的地质条件,推进速度亦应不同。因土压平衡是依赖排土来控制的,所以,前仓的入土量必须与排土量匹配。由于推进速度和排土量的变化,前仓压力也会在地层压力值附近波动,施工中应特别注意调整推进速度和排土量,使压力波动控制在最小幅度。
5　同步注浆诸要紊
　　盾构掘进中,以适当的压力,必要的数量和合理配比的压浆材料,在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆,这是控制或减小地面沉降的关键措施。
5.1　浆料配比
　　本区间盾构采用的是惰性浆液,由黄砂、粉煤灰、膨润土加水以合理的配比,经充分搅拌获得。100m试推进期间,FCB技术人员提供过配比,经我们不断优化、调整,目前积累起几套浆液质量比较稳定的配比数据。
　　浆液原料的性质决定了浆液的性质.液性质可用稠度值控制。
5.2　注浆压力
　　注浆压力,在理论上只须使浆液压入口的压力大于该处水土压力之和,即能使建筑空隙得以充盈。但压浆压力不能太大,否则会使周围土层产生劈裂,管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降及隧道本身的沉降。
　　初始掘进阶段,本区间盾构曾按1.2y。,h(知为土容重,h为隧道上复土厚度)确定注浆压力,以此摸索最佳参数。但实践下来与理论计算有较大差距,我们分析,原因可能有二,一是浆液管道造成压力损失,二是实际注人量大于理论注浆量,超体积的浆液必须有高得多的压力方能压入建筑空隙。
5.3　注浆时间
　　注浆时间滞后,起不到管片脱开盾尾后控制上部土体突沉的目的,只是控制了上部土体沉降的速度,因此,浆液压人时间应与管片脱开盾尾同步为宜,采用手动操作时,可按每环注浆量算出手欺次数,再根据推进速度算出每欺一次(或6只孔循环注人一次)的间隔时间,这样,就保证了推进和注浆的同时开始和同时结束。
5.4　注浆量的确定
　　盾构推进的理论建筑总孔隙GＰ：
　　GＰ=π(R2-r2)+g=1.521(m3)
　　式中L为环宽,R为盾构外半径,r为管片外半径,g为盾壳外6根注人浆管肋总体积。
理论上讲,浆液只须100%充填建筑总空隙即可。但尚须考虑下述因素:
　　ａ、浆体的失水收缩固结,有效注人量小于实际注人量.
　　b、部分浆液会劈裂到周围地层中.
　　c、曲线推进、纠偏或盾构抬(叩)头,实际开挖断面成椭圆.
　　d、操作不慎,盾构走蛇形.
　　e、盾构推进时,壳体外周带土,使开挖断面大于盾构外径.因此,合适的注浆量应比理论注浆量要大。
5.5　压浆位置对隧道轴线及纠偏条件的改善
　　有目的地选择等角度分布于盾尾外壳6根浆管的不同压浆位置,足以使“职浮”于浆液中的隧道尾端产生位移(见图5)。这样,一可改善隧道轴线原有的偏差情况,二可改善因管片与盾尾卡壳、不能自若纠偏的状况。

　　图5中A点为初始状态,管片与盾尾已卡,如盾构须抬头,盾尾还要下压,卡壳情况将更严重,甚至会危及管片,此时可先在盾构上部压浆,使管片与盾尾转变为B点状态,让出了上部空隙,改善了盾构抬头偏纠条件.此法也适用于平面方向的盾构纠偏。
　　采用本措施时,应以不影响控制地层变化为前提。
6　后构轴线控侧与地面沉降
　　盾构在土层中向前推进,由于受地层土质、千斤顶顶力分布、盾构自身的制作误差、衬砌在盾尾中的相对位置测量的误差等因家的影响,不可避免地会使盾构姿态发生变化,产生偏移、偏转和俯仰。
　　盾构轴线的纠偏,其高程(坡度)采用上下两组对称千斤顶的伸出长度(俗称上下行程差)来控制;平面采用左右两腰对称千斤顶伸出长度(俗称左右行程差)来控制。
6.1　盾构纵坡控制
　　盾构纵坡用稳坡法(见图6)控制较为有利,即在一环或一个工班推进中使用同一坡度.用此法控制盾构高程,较其他方法施工难度大,但对地层扰动最小,能使地面不产生大的沉降,从地面侧量结果看,已得到证实。

　　当然,在确定坡度时还得事先观察盾构刁管片上下左右的间隙情况,一可采用前述的选择合理压浆位置,改善管片与盾尾卡壳,防止管片拉损;二可在设计坡度允许范围内,采用抬坡或压坡的参数。
　　施工中,由于操作人员技术素质一般,对盾构的性能不熟,以及技术人员签发推进指令时.就事论事地决定纠偏参数,往往发生在一环或一工班推进中,多次进行纵坡调整,使推进轴线产生蛇形(见图7).用这种方法控制盾构,对地层扰动大,后期变形持续时间长,对建筑物危害亦大,施工中应绝对避免。

6.2　盾构平面轴线控制
　　用左右千斤顶的行程差来控制盾构平面位置的运动轨迹.行程差是指推进本环与前一环原有行程差的变化量,而不是指累计量，即：
　　△=△2一△1
式中△2为本环撰计行程差;
　　△1为前环累计行程差.
　　与纵坡控制一样,平面轴线过量、过谧的纠偏,会增加地层的扰动,地面沉降及对建筑物危害的机率就大。所以,推进时纠偏与否,纠偏量、纠偏时间的合理掌握是至关重要的。
　　设定行程差参数,是以测量测得的盾构与设计轴线的相对位置为依据的。当盾构首尾位于轴线同一侧,如切口偏离轴线的数值小于盾尾,说明盾构运动轨迹有渐近设计轴线趋势,此时可保持盾构原有姿态推进;反之则立即纠偏。当盾构与设计轴线相交,且切日偏右(或左)为a,盾尾偏左(或右)近似为Za时,是使盾构基本纠至设计轴线上的最佳时机(见图8),此时采用左长行程差,即可将盾构纠至设计轴线。需要说明的是,a的绝对值如超过10mm,则应通过几环纠偏再反向归人轴线。
　　纠偏量应每环控制在ZOmm以内,以防止过量纠偏造成地层大的扰动。
　　为取得最佳纠偏效果,在不致危及管片的前提下,应在每环推进的前50cm中即达到设定的行程差。

7　结语

　　本次盾构施工基本解决了地面沉降及轴线控制两大技术难题,除了严格的科学态度,还得益于精心组织的施工和完善的施工管理体系，者是相辅相成的。
　　工程实践证明:在合理匹配施工参数的条件下,地面沉降完全可以得到有效地控制。

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知识点：盾构掘进参数与地面沉降控制