盾構(gòu)機(jī)穿越小曲線半徑隧道施工技術(shù)

陳 杰 湯德蕓 孟憲忠 杜 影 滕炳森

中國(guó)建筑一局集團(tuán)第五建筑有限公司 北京 100024

1 工程概況

南水北調(diào)工程北京市東干渠施工第九標(biāo)段北起自13#盾構(gòu)始發(fā)井，南止于14#盾構(gòu)始發(fā)井，線路長(zhǎng)約2.77 km（里程為31+206.532～28+487.721）。26#二襯豎井至13#盾構(gòu)接收井段，盾構(gòu)掘進(jìn)里程29+013.392～28+855.303（線路長(zhǎng)度為158.09 m，地面高程31.40～32.60 m，洞內(nèi)底高程10.96～10.76 m）、28+793.184～28+707.258（線路長(zhǎng)度為85.93 m，地面高程31.01～32.05 m，洞內(nèi)底高程10.55～10.35 m）、28+587.60～28+533.721（線路長(zhǎng)度為53.88 m，地面高程31.05～31.30 m，洞內(nèi)底高程10.23～9.91 m）為連續(xù)的半徑為350 m的曲線段。小曲線半徑隧道盾構(gòu)平面位置見(jiàn)圖1。

圖1 小曲線半徑隧道盾構(gòu)平面示意

小曲線半徑隧道由南向北上坡，盾構(gòu)隧道主要穿過(guò)粉質(zhì)黏土和細(xì)中砂地層，隧道下部以粉質(zhì)黏土地層為主，隧道上部含有厚1～3 m的細(xì)中砂層。里程29+013.392～28+855.303和28+793.184～28+707.258處地面無(wú)建筑物，里程28+587.60～28+533.721處穿越五方橋和京哈高速公路。本工程盾構(gòu)穿越地層共分為2 層水位：其中第1層地下水位位于該段隧道洞頂位置，洞頂大部分地段為砂層，施工中易發(fā)生流砂、管涌和塌頂不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。第2層地下水位總體接近于隧洞底位置，其承壓性對(duì)隧洞底部具有頂托作用，對(duì)洞身穩(wěn)定不利；隔水層較薄處易發(fā)生洞底隆起或頂穿，導(dǎo)致地下水涌入洞內(nèi)，引發(fā)工程事故。

2 小曲線半徑隧道盾構(gòu)施工難點(diǎn)[1-3]

2.1 盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，糾偏量較大，對(duì)土體擾動(dòng)的增加易發(fā)生較大沉降量

盾構(gòu)施工時(shí)引起地表下沉的原因主要有地下水土的流失、施工圍巖應(yīng)力釋放和地層變形。而地下水土的流失除了地下水自身流動(dòng)的原因外，對(duì)地下管線保護(hù)不當(dāng)產(chǎn)生漏水及灌渠也是一個(gè)重要因素。鑒于上方地面現(xiàn)況交通以及地面建（構(gòu)）筑物、地下管線的重要性，控制地面沉降及隆起是工程的重點(diǎn)。

2.2 盾構(gòu)曲線掘進(jìn)中，精準(zhǔn)的軸線控制是難點(diǎn)

盾構(gòu)的掘進(jìn)管理系統(tǒng)中配備自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及光學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，為盾構(gòu)掘進(jìn)提供準(zhǔn)確的導(dǎo)向信息，替代測(cè)量速度慢、精度低和容易出錯(cuò)的人工測(cè)量方法，滿足盾構(gòu)快速準(zhǔn)確施工的要求。同時(shí)采取定期的人工復(fù)測(cè)，以確保盾構(gòu)按設(shè)計(jì)軸線正確掘進(jìn)。

通過(guò)控制測(cè)量的手段，將地面三維坐標(biāo)系統(tǒng)傳入到地下，導(dǎo)入盾構(gòu)機(jī)，引導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向，在盾構(gòu)掘進(jìn)中，跟進(jìn)延伸支導(dǎo)線和水準(zhǔn)線路，以此為依據(jù)換站為盾構(gòu)機(jī)提供掘進(jìn)修正參數(shù)。因此洞內(nèi)控制導(dǎo)線質(zhì)量的好壞直接決定了隧洞的貫通質(zhì)量，也是整個(gè)盾構(gòu)工程成敗的關(guān)鍵因素之一。

2.3 管片的位移控制難

管片出盾尾后，易受到水平分力的影響，隧道向圓弧外側(cè)偏移，極難控制。

3 盾構(gòu)機(jī)穿越小曲線半徑隧道的施工措施

3.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制及地表沉降的控制措施

（a）控制土壓平衡：盾構(gòu)機(jī)具有土壓平衡掘進(jìn)模式，可實(shí)現(xiàn)地表沉降控制，保護(hù)地表建筑物。土倉(cāng)內(nèi)上下左右配置有4 個(gè)具有高靈敏度的土壓傳感器，能將壓力傳送到操作臺(tái)上的顯示屏，并且能自動(dòng)與設(shè)定土壓進(jìn)行比較，壓力過(guò)高過(guò)低都會(huì)報(bào)警。因此能很好的控制土壓平衡，減少地面沉降，適合軟弱及復(fù)合地層掘進(jìn)的需要。

（b）刀盤(pán)的特殊設(shè)計(jì)：刀盤(pán)刀具形式及布置和刀盤(pán)開(kāi)口率（約54%）適應(yīng)本區(qū)間地質(zhì)條件，刀盤(pán)的設(shè)計(jì)由于采用輻條式，能防止刀盤(pán)中心結(jié)成泥餅。

（c）刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)方式采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，啟動(dòng)平穩(wěn)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速連續(xù)可靠。

（d）同步注漿：采用盾尾同步注漿系統(tǒng)，可及時(shí)填充管片與開(kāi)挖直徑之間的間隙，減小沉降。同時(shí)，可防止管片上浮。

（e）配備全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)靈敏可靠，能將盾構(gòu)姿態(tài)、推進(jìn)力、刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)進(jìn)行高效可靠的處理和存儲(chǔ)，最后通過(guò)各種數(shù)字或圖表形式顯示出來(lái)。當(dāng)以上過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)在其上安裝的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障自動(dòng)檢索和顯示。

（f）配備激光導(dǎo)向系統(tǒng)，對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)精準(zhǔn)控制。

（g）盾尾設(shè)置3 道鋼絲刷，可通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)2 種模式向盾尾密封處的環(huán)型空腔中注入專(zhuān)用密封油脂，并通過(guò)改變油脂注入的壓力和數(shù)量，保證盾尾的密封效果及可靠性。

3.2 小曲線半徑隧道區(qū)段的軸線測(cè)控措施

3.2.1 曲線測(cè)量

盾構(gòu)在曲線段掘進(jìn)施工中對(duì)軸線測(cè)量控制質(zhì)量要求較高，為保證施工過(guò)程中隧道軸線，在運(yùn)用自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量基礎(chǔ)上制定相應(yīng)曲線測(cè)量措施。

3.2.2 盾構(gòu)穿越小曲線半徑區(qū)段的軸線測(cè)控方法

為將盾構(gòu)掘進(jìn)所需測(cè)量參數(shù)引入到盾構(gòu)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，盾構(gòu)施工測(cè)量將包含以下測(cè)量工作：

（a）地上導(dǎo)線測(cè)量→近井導(dǎo)線測(cè)量→聯(lián)系測(cè)量→盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)測(cè)量→地下控制導(dǎo)線測(cè)量，以上工作產(chǎn)生的誤差對(duì)橫向貫通產(chǎn)生直接影響。

（b）聯(lián)系測(cè)量是通過(guò)豎井將方位、坐標(biāo)及高程從地面上的控制點(diǎn)傳遞到地下導(dǎo)線和地下水準(zhǔn)點(diǎn)上，以組成地下控制測(cè)量的起始點(diǎn)，見(jiàn)圖2。采用井上井下聯(lián)系三角形幾何定向方法控制平面，修正盾構(gòu)推進(jìn)的軸線。施工期間每個(gè)區(qū)間段依照具體情況進(jìn)行若干次定向測(cè)量，一般第一次在推進(jìn)50 m左右，最后一次離進(jìn)洞大約100 m。

圖2 聯(lián)系測(cè)量示意

高程控制測(cè)量主要內(nèi)容是將地面的高程系統(tǒng)傳入井下的高程起算點(diǎn)上，測(cè)量施工步驟和平面施工步驟相同，具體操作見(jiàn)圖3。

圖3 高程聯(lián)系測(cè)量示意

3.2.3 盾構(gòu)穿越小曲線半徑區(qū)段的措施

（a）中盾和尾盾采用鉸接連接，有效地減少了盾構(gòu)的長(zhǎng)徑，使盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)能靈活地進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，順利通過(guò)小半徑轉(zhuǎn)彎。

（b）掌握好左右兩側(cè)油缸的推力差，盡量地減小整體推力，實(shí)現(xiàn)慢速急轉(zhuǎn)；

（c）盾構(gòu)機(jī)司機(jī)根據(jù)地質(zhì)情況和線路走向趨勢(shì)，使盾構(gòu)機(jī)提前進(jìn)入相應(yīng)地預(yù)備姿態(tài)，減少之后的因不良姿態(tài)引起的糾偏。

（d）加密加勤移站測(cè)量，避免由此產(chǎn)生的軸線誤差。

（e）做好管片選型，北京隧道管片長(zhǎng)度為1.2 m，在350 m的圓曲線上，加上糾偏管片拼裝點(diǎn)位變化，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的拼裝關(guān)系為：4 環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+3 環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)中軸線的夾角，計(jì)算出轉(zhuǎn)彎環(huán)的增加量，然后交叉拼接，直到離開(kāi)小曲線半徑作業(yè)區(qū)為止。

（f）隧道沒(méi)有緩和段，直接由直線段過(guò)渡到圓曲線。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到圓曲線段還有20 環(huán)時(shí)，將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)往曲線內(nèi)側(cè)（靠圓心側(cè)）偏移20～30 mm（圓曲線段偏移30～40 mm），形成反向預(yù)偏移，這樣可以抵消之后管片的往曲線外側(cè)（背圓心側(cè)）的偏移。曲線段姿態(tài)偏移調(diào)整，見(jiàn)圖4。

（g）在管片偏移的方向額外進(jìn)行注漿，達(dá)到一定的壓力以抵抗管片的偏移?？s短漿液的初凝時(shí)間，盾構(gòu)機(jī)脫出盾尾五環(huán)后及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿點(diǎn)位為9點(diǎn)鐘位置（右轉(zhuǎn)彎）。注漿及補(bǔ)漿點(diǎn)位見(jiàn)圖5。

圖4 曲線段姿態(tài)偏移調(diào)整

圖5 注漿及補(bǔ)漿點(diǎn)位

3.3 管片錯(cuò)臺(tái)和破損的控制

（a）油缸推力不要太大，尤其是曲線外側(cè)（背圓心側(cè)）油缸，由于要加大推力來(lái)增加左右兩側(cè)油缸推力差，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎。但在加大油缸推力的同時(shí)，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。

（b）由于曲線外側(cè)油缸推力較大，尤其要注意不要突然加力或者突然釋放推力，這樣也會(huì)造成管片的破裂。

（c）掘進(jìn)的時(shí)候，把擰螺栓這道工序做到位，有效防止錯(cuò)臺(tái)的發(fā)生。螺栓應(yīng)進(jìn)行初擰和復(fù)擰，應(yīng)按從中間向四周的順序擰緊，初擰和復(fù)擰的順序應(yīng)一致。管片脫出盾尾后對(duì)管片進(jìn)行二次復(fù)緊，盾尾脫出盾尾10 環(huán)后進(jìn)行三次復(fù)緊或多次復(fù)緊。

（d）提高管片拼裝手的水平，管片拼裝施工之前，應(yīng)對(duì)管片拼裝人員進(jìn)行技術(shù)交底，并在正式拼裝之前進(jìn)行試拼裝。避免因拼裝不到位產(chǎn)生的錯(cuò)臺(tái)。管片拼裝時(shí)環(huán)向和縱向錯(cuò)臺(tái)控制在5 mm以?xún)?nèi)。

（e）操作手每環(huán)推進(jìn)前后都要對(duì)盾尾間隙進(jìn)行測(cè)量。合理選擇管片類(lèi)型，避免盾尾鋼環(huán)刮壞管片。調(diào)整好油缸撐靴的位置，盡量使撐靴完全作用在管片上。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)小曲線半徑隧道施工中存在的土體沉降量、盾構(gòu)穿越障礙物、軸線監(jiān)控、管片的位移等難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并制定了切實(shí)可行的施工控制措施，有效保證盾構(gòu)小曲線半徑隧道施工按照設(shè)計(jì)軸線得以實(shí)施，且在工程質(zhì)量、安全、工期等方面取得了良好的效果，值得在類(lèi)似工程中推廣使用。