小半徑圓曲線隧道盾構施工技術研究與運用

周 舟

(廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司 廣州 510010)

隨著城市軌道交通工程建設進程的加快，盾構法隧道施工技術得以普及運用，在線路的選擇上，由于受規(guī)劃、建(構)筑物等制約，軌道交通線形越來越復雜。小半徑曲線的隧道線形雖不屬于良好，但在運用上將不可避免。小半徑曲線隧道的盾構法施工技術與常規(guī)盾構法施工技術相比，具有一定的特殊性和復雜性，研究小半徑曲線隧道的盾構法施工技術，相信對以后類似工程施工具有一定的借鑒作用。

1 小半徑曲線隧道盾構施工難點分析

1.1 小半徑曲線隧道線形較難控制

由于盾構機本身為直線形剛體，圓曲線段掘進只能形成一段段連續(xù)的折線來擬合圓曲線。為了使盾構隧道軸線與設計軸線相吻合，掘進過程中需要進行連續(xù)糾偏。圓曲線半徑越小，擬合難度越大，掘進單位距離的糾偏量也越大，糾偏精確度越低，隧道軸線因此較難控制。

1.2 管片出現(xiàn)破損、開裂、錯臺等質量問題

在小半徑圓曲線段隧道掘進時，需要使用不等的推進千斤頂分區(qū)油壓來實現(xiàn)盾構機沿設計軸線掘進。盾構推進千斤頂各分區(qū)的壓力差導致管片受力不均，管片會往推力大的一側(圓曲線外側)偏移，千斤頂對盾構管片會產(chǎn)生往圓曲線外側的反作用力，使管片承受三向(縱向、橫向和環(huán)向)的不均勻作用力，出現(xiàn)破損、開裂、錯臺等質量問題。

1.3 對土體擾動的增加易發(fā)生較大沉降量

小半徑曲線隧道的施工與直線段施工相比，除直線段隧道施工原有的地層變形因素外，還將增加3個因素的影響。

1)由于沿小半徑曲線掘進，盾構機處于糾偏狀態(tài)，實際掘進面為一橢圓形，實際挖掘量超出理論挖掘量。

2)在采用適當技術和正常施工條件下，小半徑曲線掘進將增加地層損失，地層損失達0.5% ～1%8L2πR/(R+RC)(L為盾構長度，R盾構外半徑，RC盾構掘進曲線半徑)。

3)糾偏量較大，對土體的擾動亦大，容易造成較長時間的后期沉降。

1.4 測量工作難度大

由于隧道轉彎半徑小，圓曲線段測量通視范圍縮小，使得自動導向系統(tǒng)移站頻率加快，次數(shù)增加。硬巖中掘進同步注漿質量難以保證，二次補注漿前管片背后空隙率較高，盾構機連續(xù)糾偏，管片受振動容易發(fā)生移位，且在縱向不均力作用下管片會在一定推進距離內產(chǎn)生較大水平偏移，這都將導致自動測量系統(tǒng)測站坐標發(fā)生變化而出現(xiàn)測量偏差，誤導掘進。

2 工程實例

2.1 工程概況

廣州地鐵某項目隧道工程由3段盾構區(qū)間組成，左右線隧道總長3.898 km，采用兩臺φ6340三菱土壓平衡盾構機施工。整個工程左右線共包含12段曲線段隧道，其中圓曲線半徑R≤300 m的共9段，最小半徑R=250 m。

隧道采用預制裝配式鋼筋混凝土管片，管片內、外直徑分別為5.5 m和6.2 m，管片厚度350 mm，混凝土設計強度C50，隧道管片采用錯縫方式拼裝。

2.2 工程地質及地面情況

本工程所有圓曲線段隧道埋深均在15.8～24.6 m之間，隧道洞身穿越的地層大部分為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，局部穿越泥質粉砂巖強風化帶。

本工程隧道沿線地面建筑物大部分為年代久遠的中低層房屋，圓曲線段隧道上方亦多為路面及中低層樓房。需要注意的是，需進行樁基托換施工的B110、B112和A118也位于圓曲線段隧道上方，R=250 m圓曲線段隧道從高架橋66#～68#橋墩間穿過。各小半徑圓曲線隧道的具體參數(shù)見表1。

表1 各小半徑圓曲線隧道的具體參數(shù)

2.3 主要施工技術措施

2.3.1 解決軸線難控制的技術措施

為了控制好小半徑曲線隧道的施工軸線，需要提高盾構機的糾偏靈敏度，而要提高盾構機的靈敏度，最有效的措施是縮短盾構機頭的長度。在盾構機的中部增加鉸接裝置，可以使得盾構機的前筒、后筒與曲線趨于吻合，預先推出弧線態(tài)勢，為管片提供良好的拼裝空間。

圖1所示為盾構機掘進形態(tài)的兩種模式。進行曲線施工時，彎道內側如要充分超挖，在幾何學上以對象曲線的中心為O(曲線中心，圖中未顯示)的情況下，OA＞Max(OG，OH，OD)的關系如能得到滿足，盾構機便可以掘進。這相當于模式a見圖1(a)。這種情況，屬于鉸接角度θ不足，土體超挖量δ過多，盾構機后端的外側點D和土體之間有縫隙，超挖量一旦增大，就會有盾構機位置不穩(wěn)定的傾向。

模式 b(見圖1(b))，OA=Max(OG，OH，OD)的情況下，最適合鉸接狀態(tài)中的刀盤前部外端(A點)和前筒后端(G點)、后筒后端(D點)，其中任意一點在同一圓弧上，其余二點在此圓弧之內。此時的鉸接角度稱為界限鉸接角度θcr，如果能給出曲線半徑和盾構機的尺寸，便可計算出θcr。作為盾構機的構造，全部用此θcr值進行鉸接的話，是最為理想的。此時，盾構機的外側全體都接觸到土體，施工上最為穩(wěn)定，并且超挖量δ為最小值。

圖1 曲線段盾構機掘進模式

在本工程中選用了帶有鉸接裝置的三菱土壓平衡式盾構機，該機頭部長度約為8625 mm，鉸接處離刀盤端面的長度為4900 mm，水平張角 ±1.5°，垂直張角 ±0.5°。該機設計定位的隧道最小半徑為200 m，但利用盾構的鉸接裝置，輔以仿形刀的使用，能夠完成出洞處緩和曲線段最小半徑為178 m的隧道施工任務。

2.3.2 解決盾構機推力不等、管片水平姿態(tài)容易超限的技術措施

2.3.2.1 控制盾構機推進千斤頂分區(qū)壓力差及行程差

為了減少由于盾構機推力不均造成管片軸線及質量問題，在施工過程中，嚴格控制盾構機左右千斤頂壓力差，使之不得超過2 MPa，上下千斤頂壓力差不得超過5 MPa，行程差不超過30 mm。

2.3.2.2 選用小管片，減小總推力

小半徑曲線隧道中掘進，管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產(chǎn)生一定的角度θ(見圖2)，在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生一個側向分力。管片出盾尾后，由于受到側向分力的影響，管片也會向圓弧外側偏移。

側向分力計算:

圖2 側向分力示意圖

式中:F總為盾構千斤頂作用力;F縱為垂直于管片環(huán)面的反作用力;F側為平行于管片環(huán)面的側向反作用力;RC為圓曲線半徑;D為管片外徑;L為管片寬度。

由此可以看出，當RC和D一定時，L越小、F總越小，則F側越小。因此本工程中，直線段采用1.5 m管片，而在R≤320 m的圓曲線段及其附近緩和曲線段均采用1.2 m管片，曲線段掘進時總推力控制在5000～6000 kN。同時，為了保證工程質量，在特殊情況下，可采用最大轉彎效果的3、9點位通縫拼裝(但不允許超過三環(huán)連續(xù)通縫)。

2.3.2.3 曲線段盾構機走向預偏

為了控制隧道軸線最終偏差在規(guī)范要求的范圍內，盾構掘進時，考慮給隧道預留一定的偏移量。使盾構沿曲線的割線方向掘進，管片拼裝時軸線位于弧線的內側，使管片出盾尾后受側向分力向弧線外側偏移時留有預偏量，而預偏量的確定往往需依據(jù)理論計算和施工實踐經(jīng)驗的綜合分析得出，同時需考慮掘進區(qū)域所處的地層情況。

本工程中，從曲線段前20環(huán)開始，至進入緩和曲線前，將盾構機水平姿態(tài)逐漸調至+30 mm;在緩和曲線段，至進入圓曲線前，將盾構機水平姿態(tài)逐漸調至+50 mm;在圓曲線段，盾構機水平姿態(tài)保持+50 mm掘進;過了圓曲線，進入緩和曲線段，盾構機水平姿態(tài)開始由+50 mm逐漸回調至+30 mm;過了緩和曲線，盾構機進入正常直線段掘進，盾構機姿態(tài)要逐漸調回－20 mm～+20 mm的正常范圍。

2.3.3 解決易發(fā)生較大沉降的技術措施

由難點分析可知，在小半徑曲線掘進中，由于盾構糾偏量大，造成土體超挖和擾動，易引起后期較大沉降。相應的解決對策為進行動態(tài)管理和信息化施工，控制好同步注漿的注漿時間及注漿量，視具體情況，必要時進行二次補漿。

2.3.3.1 盾尾同步注漿

在施工期間，隨著盾構掘進，脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)建筑空隙，可通過設在盾尾的壓漿管予以同步充填漿液。

同步注漿壓注需結合施工情況、地質情況對壓漿數(shù)量和壓漿壓力做到二者兼顧。一般情況下，每環(huán)壓入量控制在建筑空隙的130% ～180%(要注意小半徑曲線隧道的注漿量要大于直線隧道注漿量)，注漿壓力約為0.3～0.5 MPa。為約束管片往外偏移的趨勢，注漿位置通常選擇在線路轉彎圓曲線外側，圓曲線內側可暫不注漿，但為了防止?jié){液回流堵塞注漿管，不注漿一側的注漿管也必須及時清洗。壓漿速度應與盾構掘進保持同步，即在盾構掘進的同時進行注漿，掘進停止后，注漿也相應停止。施工時，加強對盾構尾部地面的沉降監(jiān)測，通過信息化施工，及時調整同步注漿量，確保地面不下沉。同步注漿漿液選用的配比見表2。

表2 同步注漿的漿液配比 kg

2.3.3.2 二次補充注漿

為減少地面后期沉降，解決硬巖中管片上浮等問題，在管片脫出盾尾5～6環(huán)后，通過管片注漿孔向管片外周進行二次注漿。

二次補充注漿方法為:每間隔5環(huán)管片，進行2環(huán)管片整環(huán)雙液注漿，以形成封閉止水環(huán)，再在兩道止水環(huán)之間取中間一環(huán)進行補充注砂漿，采用同步注漿用的水泥砂漿，注上部左右兩側各一個孔位。

雙液注漿配合比為:水泥漿液水灰比=0.8∶1(質量比);水玻璃溶液配比為水玻璃:水=1∶3或1∶1(體積比)，可根據(jù)施工實際調整;水泥漿液:水玻璃溶液=1∶1(體積比)。

注漿孔位置及順序為:若盾構機姿態(tài)較好，無出現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象，雙液注漿先注圓曲線外側孔位(如9點位)，再順時針注其余孔位形成密封止水環(huán);若盾構機豎直姿態(tài)往上偏離較多，且管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，則從11點位置開始注漿，再順時針注其余孔位形成密封止水環(huán);補充注砂漿先注圓曲線外側孔位，再注圓曲線內側孔位。

2.3.4 解決測量工作難的措施

小半徑圓曲線隧道掘進對測量工作的要求更加精確和細致，必須做到勤測量、勤分析，為隧道掘進提供準確的數(shù)據(jù)，切實做好盾構機的“眼睛”。

1)由于本圓曲線段隧道將使用1.2 m環(huán)寬的管片，管片由1.5 m環(huán)寬變?yōu)?.2 m環(huán)寬，自動導向系統(tǒng)的變化要研究清楚，并及時調整準確。

2)根據(jù)以往施工經(jīng)驗并結合區(qū)間線路特點，在小半徑圓曲線隧道掘進過程中，每15～20環(huán)自動導向系統(tǒng)移站一次。每掘進10環(huán)，對后視棱鏡、測站和盾構機姿態(tài)進行人工復測。

3)為及時了解二次補充注砂漿對管片姿態(tài)的影響，在二次補漿后對補漿環(huán)片進行及時監(jiān)測。

3 實施效果

在采取了前述的施工措施后，本盾構隧道區(qū)間的整條隧道軸線均控制在－50～50 mm范圍之內，地表沉降控制在－18～6 mm范圍內，各項指標都達到了優(yōu)良的工程標準。

4 結語

1)在小半徑圓曲線隧道盾構法施工中，既有和一般隧道掘進相同的一面，又有其特殊性，因此要著重研究和控制有差異的一面。

2)小半徑曲線隧道盾構法施工中具有曲率大、半徑小、難控制的特點，要選擇好盾構機，在更小更嚴的幅度中進行各種參數(shù)優(yōu)化。

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