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摘要：本文通过盾构法隧道施工相关参数的分析，结合施工经验，提出了盾构法施工的关键参数，并提出控制指标，为相关工程实践提供参考。
关键词：盾构、参数、管片
中图分类号：U455文献标识码： A
盾构法隧道施工过程中，为了保证盾构法隧道的施工质量，必须对隧道的轴线进行良好的控制。隧道的设计轴线由一系列的直线、缓和曲线和圆曲线组成，而施工完成后的成环隧道是由一系列衬砌管片按照一定的规律排列而成的，可以看成一组短折线(折线长度为一环衬砌的宽度)的集合，近似地拟合成实际线路。由于采用短折线来替代光滑曲线，成环隧道的实际线形和设计轴线线形不能完全吻合，两者之间存在一定的偏差。管片实际的拼装路线与隧道的设计轴线之间的偏差控制是一个非常重要的环节，它是检验隧道完成质量的关键指标。成环隧道实际轴线和隧道设计轴线之间的偏差控制，主要是盾构施工过程中对各种施工参数的合理选择来完成。不同拼装姿态的管片按照一定的规律排列组合构成了隧道最后的姿态。不合理的管片拼装组合难以形成合乎设计要求的隧道轴线。
一、施工参数的定义
1、盾构机俯仰角、方位角以及管片面俯仰角、面方位角
图1盾构机俯仰角示意图
图2管片面俯仰角示意图
盾构机俯仰角为盾构机轴线与水平线的夹角，方位角为盾构机轴线与正北方向的夹角。以盾构机俯仰角为例，如图1所示。
α1——设计轴线坡度；
α2——盾构机与设计轴线夹角；
b1——盾尾高偏；
b2——切口高偏。
盾构机俯仰角为α1与α2的代数和，以盾构机轴线在设计轴线上方为正，其中α2=(b1—b2)/T，T为盾构机长度。盾构机方位角的计算原理与俯仰角相同，以正北方向顺时针方向的角度为正。
管片面俯仰角如图2所示，是管片切口平面法线与水平线的夹角；管片面方位角是管片切口平面法线与正北方向的夹角，正负号规定与计算方法均与盾构机俯仰角和方位角相同。
以上4个角度均可以经计算得出，也可以通过自动排版软件直接读取。
2、盾尾间隙
图3盾尾间隙正视图
图4 盾尾间隙侧面图
盾尾间隙是已拼装管片外壁与盾构机内壁的距离，见图3.4所示。
盾尾间隙可以通过盾尾间隙仪或人工测量得到。
3、管片与设计轴线偏差
管片与设计轴线偏差分为高偏和平偏，以高偏为例进行说明。
图5 管片高偏示意图
管片高偏指的是管片切口平面中心与设计轴线在垂直方向的偏差，管片平偏指的是管片切口平面中心与设计轴线在水平方向的偏差。计算方法如下：
图6 管片高偏计算简图
计算推进结束后已拼装管片的高偏σ，
（6.1）
其中，c——计算点距盾尾距离；
δ1——下侧盾尾间隙；
δ2——上侧盾尾间隙
其余符号与上文相同，管片平偏计算方法与高偏相同。
管片偏差可以通过计算得到，也可以通过实际测量得到。
4、管片面法线与盾构机轴线的夹角
管片面法线如图6所示，以垂直方向为例，与盾构机轴线夹角的计算简图见图7。
图6-4管片面法线与盾构机轴线垂直方向夹角计算简图
计算公式如下：
Β=γ2-γ1（6.2）
各符号意义如图中所示，管片面法线与盾构机轴线夹角β等于管片面俯仰角与盾构机俯仰角的差值。水平方向的夹角计算方法相同，为管片面方位角与盾构机方位角的差值。
管片面法线与盾构机轴线的夹角只能通过计算得出。
二、参数选择
通过对施工参数的研究分析，结合工程实际，选择以下三个参数为关键施工参数。
1、盾尾间隙(δ)
盾尾间隙是盾构机推进和管片拼装的基本保证，也是重要的控制指标。如果盾尾间隙过小，会对拟选择的点位拼装造成困难，严重时会导致无法拼装。如果强行拼装，会导致管片错台，最终管片会由于应力集中导致破碎。因此对盾尾间隙的控制十分重要。
2、管片与设计轴线偏差(σ)
管片與设计轴线偏差是用于控制成型隧道与设计轴线拟合的重要指标，是对成型管片要求中“不偏”的重要控制。它盾构机姿态和盾尾间隙密切相关。作为日常测量中的一项重要内容，应该时时关注，如果出现偏差有超限趋势，必须引起足够重视。
3、管片面法线与盾构机轴线夹角(β)
管片面法线与盾构机轴线夹角是控制管片不破碎的重要指标，它与油缸行程差有密切联系。目前的盾构施工和管理人员已经习惯用长度单位控制盾构机的状态，这里提出的角度控制是一次全新的尝试，尤其对盾构施工管理人员而言，应该加强角度控制的观念，角度的提出有利于于提高管理人员对盾构机推进和管片拼装的空间概念。作为一项重要的控制指标，应当给予严格控制。
三、关键参数指标
将关键参数指标化，划分等级形成控制指标，具体如下：
最小盾尾间隙(δ)
最小盾尾间隙的控制标准的划分主要依据大量的实际工程经验。对于日本小松盾构机而言，当盾尾间隙小于10mm时，会造成拼装困难，因此10mm是盾尾间隙的最低要求，也就是预警值。10mm—20mm为正常情况，20mm—30mm为良好情况。
管片与设计轴线偏差(σ)
管片与设计轴线的偏差当管片未脱出盾尾时，影响因素中最主要的是盾尾偏差，其次是盾尾间隙和切口偏差。当管片脱出盾尾后，它是一个关于时间的变量。这里的偏差是指脱出盾尾稳定下来后管片和轴线的偏差量。由于管片在软土地层中会发生上浮或下沉等一系列不规则的运动，导致计算困难。根据指挥部要求管片偏差量应在50mm以内，因此设定控制范围为40mm＜σ＜50mm，为预警；20mm＜σ＜40mm，为正常；0mm＜σ＜20mm，为良好。
管片面法线与盾构机轴线夹角(β)
管片面法线与盾构机轴线夹角的计算由管片面俯仰角（面方位角）和盾构机俯仰角（方位角）得到，这些角度数据可以直接从自动排版软件读取。在实际工程中，角β也可以通过千斤顶行程差计算得到。计算公式为(以垂直方向为例)：
β=(x2-x1)/l（6.3）
x2——下方油缸伸长量；
x1——上方油缸伸长量；
l——上下油缸的轴心距
通过对多名盾构司机的调查表明，当千斤顶行程差(x2-x1)不大于20mm时，盾构机状态稳定，当行程差大于40mm时，盾构机处于不稳定状态，必须调整。本工程使用的小松盾构机上下油缸轴心距l为5850mm（水平方向相同），可计算出角β的范围是：β＞0.39°，盾构机为预警状态；0.19°＜β＜0.39°，盾构机为正常状态；0°＜β＜0.19°，盾构机为良好状态。
参考文献
（1）薄志义，王坡，张楠.盾构机轴线方位角解算原理研究[J].北京测绘。
（2）杨志萍.盾构法施工轴线偏差分析与监控[J].建设监理。
（3）包世波，张志宇，高超.基于特定参数下管片选型方法与盾构机姿态控制措施[J].铁道建筑。
（4）王升阳，高俊强，刘伟诚.地铁盾构施工中盾构姿态的控制方法[J].测绘地理信息。
（5）毕小伟.盾构机位姿测量系统的关键技术研究[D].上海：上海交通大学。
（6）王领超，张永超.地铁盾构机掘进实时姿态定向测量的研究[J].隧道建设。
关键词：盾构、参数、管片
中图分类号：U455文献标识码： A
盾构法隧道施工过程中，为了保证盾构法隧道的施工质量，必须对隧道的轴线进行良好的控制。隧道的设计轴线由一系列的直线、缓和曲线和圆曲线组成，而施工完成后的成环隧道是由一系列衬砌管片按照一定的规律排列而成的，可以看成一组短折线(折线长度为一环衬砌的宽度)的集合，近似地拟合成实际线路。由于采用短折线来替代光滑曲线，成环隧道的实际线形和设计轴线线形不能完全吻合，两者之间存在一定的偏差。管片实际的拼装路线与隧道的设计轴线之间的偏差控制是一个非常重要的环节，它是检验隧道完成质量的关键指标。成环隧道实际轴线和隧道设计轴线之间的偏差控制，主要是盾构施工过程中对各种施工参数的合理选择来完成。不同拼装姿态的管片按照一定的规律排列组合构成了隧道最后的姿态。不合理的管片拼装组合难以形成合乎设计要求的隧道轴线。
一、施工参数的定义
1、盾构机俯仰角、方位角以及管片面俯仰角、面方位角
图1盾构机俯仰角示意图
图2管片面俯仰角示意图
盾构机俯仰角为盾构机轴线与水平线的夹角，方位角为盾构机轴线与正北方向的夹角。以盾构机俯仰角为例，如图1所示。
α1——设计轴线坡度；
α2——盾构机与设计轴线夹角；
b1——盾尾高偏；
b2——切口高偏。
盾构机俯仰角为α1与α2的代数和，以盾构机轴线在设计轴线上方为正，其中α2=(b1—b2)/T，T为盾构机长度。盾构机方位角的计算原理与俯仰角相同，以正北方向顺时针方向的角度为正。
管片面俯仰角如图2所示，是管片切口平面法线与水平线的夹角；管片面方位角是管片切口平面法线与正北方向的夹角，正负号规定与计算方法均与盾构机俯仰角和方位角相同。
以上4个角度均可以经计算得出，也可以通过自动排版软件直接读取。
2、盾尾间隙
图3盾尾间隙正视图
图4 盾尾间隙侧面图
盾尾间隙是已拼装管片外壁与盾构机内壁的距离，见图3.4所示。
盾尾间隙可以通过盾尾间隙仪或人工测量得到。
3、管片与设计轴线偏差
管片与设计轴线偏差分为高偏和平偏，以高偏为例进行说明。
图5 管片高偏示意图
管片高偏指的是管片切口平面中心与设计轴线在垂直方向的偏差，管片平偏指的是管片切口平面中心与设计轴线在水平方向的偏差。计算方法如下：
图6 管片高偏计算简图
计算推进结束后已拼装管片的高偏σ，
（6.1）
其中，c——计算点距盾尾距离；
δ1——下侧盾尾间隙；
δ2——上侧盾尾间隙
其余符号与上文相同，管片平偏计算方法与高偏相同。
管片偏差可以通过计算得到，也可以通过实际测量得到。
4、管片面法线与盾构机轴线的夹角
管片面法线如图6所示，以垂直方向为例，与盾构机轴线夹角的计算简图见图7。
图6-4管片面法线与盾构机轴线垂直方向夹角计算简图
计算公式如下：
Β=γ2-γ1（6.2）
各符号意义如图中所示，管片面法线与盾构机轴线夹角β等于管片面俯仰角与盾构机俯仰角的差值。水平方向的夹角计算方法相同，为管片面方位角与盾构机方位角的差值。
管片面法线与盾构机轴线的夹角只能通过计算得出。
二、参数选择
通过对施工参数的研究分析，结合工程实际，选择以下三个参数为关键施工参数。
1、盾尾间隙(δ)
盾尾间隙是盾构机推进和管片拼装的基本保证，也是重要的控制指标。如果盾尾间隙过小，会对拟选择的点位拼装造成困难，严重时会导致无法拼装。如果强行拼装，会导致管片错台，最终管片会由于应力集中导致破碎。因此对盾尾间隙的控制十分重要。
2、管片与设计轴线偏差(σ)
管片與设计轴线偏差是用于控制成型隧道与设计轴线拟合的重要指标，是对成型管片要求中“不偏”的重要控制。它盾构机姿态和盾尾间隙密切相关。作为日常测量中的一项重要内容，应该时时关注，如果出现偏差有超限趋势，必须引起足够重视。
3、管片面法线与盾构机轴线夹角(β)
管片面法线与盾构机轴线夹角是控制管片不破碎的重要指标，它与油缸行程差有密切联系。目前的盾构施工和管理人员已经习惯用长度单位控制盾构机的状态，这里提出的角度控制是一次全新的尝试，尤其对盾构施工管理人员而言，应该加强角度控制的观念，角度的提出有利于于提高管理人员对盾构机推进和管片拼装的空间概念。作为一项重要的控制指标，应当给予严格控制。
三、关键参数指标
将关键参数指标化，划分等级形成控制指标，具体如下：
最小盾尾间隙(δ)
最小盾尾间隙的控制标准的划分主要依据大量的实际工程经验。对于日本小松盾构机而言，当盾尾间隙小于10mm时，会造成拼装困难，因此10mm是盾尾间隙的最低要求，也就是预警值。10mm—20mm为正常情况，20mm—30mm为良好情况。
管片与设计轴线偏差(σ)
管片与设计轴线的偏差当管片未脱出盾尾时，影响因素中最主要的是盾尾偏差，其次是盾尾间隙和切口偏差。当管片脱出盾尾后，它是一个关于时间的变量。这里的偏差是指脱出盾尾稳定下来后管片和轴线的偏差量。由于管片在软土地层中会发生上浮或下沉等一系列不规则的运动，导致计算困难。根据指挥部要求管片偏差量应在50mm以内，因此设定控制范围为40mm＜σ＜50mm，为预警；20mm＜σ＜40mm，为正常；0mm＜σ＜20mm，为良好。
管片面法线与盾构机轴线夹角(β)
管片面法线与盾构机轴线夹角的计算由管片面俯仰角（面方位角）和盾构机俯仰角（方位角）得到，这些角度数据可以直接从自动排版软件读取。在实际工程中，角β也可以通过千斤顶行程差计算得到。计算公式为(以垂直方向为例)：
β=(x2-x1)/l（6.3）
x2——下方油缸伸长量；
x1——上方油缸伸长量；
l——上下油缸的轴心距
通过对多名盾构司机的调查表明，当千斤顶行程差(x2-x1)不大于20mm时，盾构机状态稳定，当行程差大于40mm时，盾构机处于不稳定状态，必须调整。本工程使用的小松盾构机上下油缸轴心距l为5850mm（水平方向相同），可计算出角β的范围是：β＞0.39°，盾构机为预警状态；0.19°＜β＜0.39°，盾构机为正常状态；0°＜β＜0.19°，盾构机为良好状态。
参考文献
（1）薄志义，王坡，张楠.盾构机轴线方位角解算原理研究[J].北京测绘。
（2）杨志萍.盾构法施工轴线偏差分析与监控[J].建设监理。
（3）包世波，张志宇，高超.基于特定参数下管片选型方法与盾构机姿态控制措施[J].铁道建筑。
（4）王升阳，高俊强，刘伟诚.地铁盾构施工中盾构姿态的控制方法[J].测绘地理信息。
（5）毕小伟.盾构机位姿测量系统的关键技术研究[D].上海：上海交通大学。
（6）王领超，张永超.地铁盾构机掘进实时姿态定向测量的研究[J].隧道建设。