超大直徑盾構小半徑圓曲線始發(fā)技術研究

陳曉飛 余郁 錢鋒

我國自上世紀90年代以來，隨著隧道建設的發(fā)展，盾構施工技術在我國得到了迅速發(fā)展，但由于受規(guī)劃及建、構筑物的制約，在某些特殊條件下盾構始發(fā)軸線在小半徑曲線上，造成施工風險大，提出相應防治措施以及合理的施工方案是施工當中最為重要的一環(huán)。

一、工程簡介

1.工程概況

揚州市瘦西湖隧道是我國直徑最大的單管雙層盾構隧道，也是國內第一座穿越國家5A級旅游核心景區(qū)和國家重點文物保護單位的隧道，其主體為單孔雙層雙向四車道盾構法隧道。本工程線路總長為4082m，上層總長2245m，隧道下層主線總長2705m。盾構段里程為K0+885～K2+160，總長度為1175m。平面位置在里程K2+160～K1+546.963處設計一條R=1500m的左轉圓曲線，曲線長613.037m，K0+933.637～K1+546.963為直線段， K0+885 ～ K0+ 9 33.637，位于R=700m的右轉圓曲線上?？v斷面最大坡度5%。盾構需在R=1500m的左轉圓曲線上始發(fā)。

揚州市瘦西湖隧道工程采用原南京長江隧道工程使用的直徑為14.93m的泥水平衡式盾構機，單機總重3500噸，長135m，額定推力185253kN，額定扭矩34735KNm，其最小轉彎半徑為750m。

2.工程與水文地質條件

隧道所經場地為一級階地和高砂平原過渡帶，地貌分區(qū)屬長江下游沖積平原區(qū)，地貌類型為長江三角洲平原中的古河口沙嘴，場地地勢較平坦，地面高程6.0～9.0m。盾構范圍內主要為雜填土、淤泥、粉土、粉砂、黏土、粗砂、泥質砂巖、泥質砂巖等。其中盾構下穿層為全黏土地層⑶-1，黏土為下蜀黏土，具有硬塑，壓縮性低，中等膨脹性，遇水易崩解等特點。場地地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，主要分布于表層（1）雜填土、（2）-1層粉土和（2）-2層粉砂層內，土層水平向呈廣泛而連續(xù)，垂向上具有一定的水平層狀沉積韻律變化。根據(jù)現(xiàn)場試驗結果可知，潛水含水層的滲透系數(shù)為2.08E-3～2.66E-3cm/s，屬中等透水性。潛水位埋深0.3～4.9m，相對于標高為3.077～4.536m，平均標高為3.8m，水位變幅一般為0.3～4.9m。

二、小半徑曲線的始發(fā)施工

1.始發(fā)方案

盾構始發(fā)軸線位于R=1500m的平面圓曲線，由于盾構機主體長度約14.3 m，不可能在工作井內曲線始發(fā)。在盾構機始發(fā)初期，為了提供足夠的推力并保持反力架和負環(huán)管片穩(wěn)定，盾構機必須沿直線推進。當盾構機整體進入隧道，盾尾完全脫離始發(fā)基座后才能開始轉彎。在直線推進的前15m過程中，盾構軸線與設計軸線將產生一定偏差；當盾構完全進入土體后，盾構機開始糾偏，糾偏曲線與設計軸線也會有一定的偏差，所以盾構機始發(fā)方向必須同時保證這兩個偏差不超過設計和規(guī)范要求。經綜合考慮，采用割線始發(fā)，在洞門位置始發(fā)線路相對設計隧道中線偏移量為0mm，在盾構進入土體直線掘進約15m位置，始發(fā)線路相對設計隧道中線偏移量為117.5mm；盾構機直線推進15m后，開始向左轉彎進行糾偏，糾偏曲線與設計軸線最大理論偏差為120mm，各個偏差的理論值均能滿足要求；待糾偏完畢后與圓曲線重合，繼續(xù)按照設計曲線施工。

2.監(jiān)測控制技術

據(jù)監(jiān)控量測目的，考慮盾構隧道地質條件、隧道埋深及周邊環(huán)境進行監(jiān)測點布置。設定各項觀測項目的預警值，有超過預警值的情況發(fā)生應立即上報并采取補救措施，如依據(jù)規(guī)范最大地面沉降值為20mm，隆起值不超過10mm。

三、效果分析

始發(fā)洞口里程為K2+160，斷面1～斷面6的里程分別為K2+148、K2+120、K2+100、K2+080、K1+980、K1+820。

斷面位置圖

斷面1的位移觀測點全部布置在旋噴樁滿堂處理的復合地基之上。實測沉降結果表明，沉降槽隆起且盾構軸心處為隆起最高點，隆起量達6.1mm，并未超過規(guī)范要求10mm。由于旋噴樁復合地基可有效提高地基承載力，加強地基整體剛度與整體性，在盾構進入復合地基時，可有效限制地基土的變形，且凍結施工也具有穩(wěn)定始發(fā)線性與防止洞口涌土的作用。

斷面2位于復合地基外側，且距邊緣樁中心僅22m。實測結果表明，地表沉降沿盾構軸心基本呈現(xiàn)對稱分布，沉降最大值（6.4mm）出現(xiàn)在盾構軸心附近，且沉降值明顯小于埋深比更大的斷面3等。這可能旋噴樁施工時由于土體劈裂效應，在旋噴樁體外還存在一些支體。支體是因為土裂縫造成的，其數(shù)量、粗細和長短與土的裂隙狀況及噴射施工參數(shù)有關。也就是說復合地基的實際影響區(qū)域略大于加固區(qū)域，由于斷面2距加固區(qū)較近，受旋噴樁加固影響較大，因此其沉降較小。

糾偏曲線自K2+145起始，在盾構糾偏曲線內選取具有代表性的4條橫向斷面，并利用Peck方程進行擬合，可得如下規(guī)律：

1.隨盾構埋深的增加，沉降槽的最大沉降值明顯減小。由圖可得，隧道埋深10.4m時，其最大沉降值為14.2mm；隧道埋深為11.36m時，最大沉降值為13.1mm；埋深為14.1m時，其值為9.5mm；埋深為18.2m時，其值為3.8mm。沉降槽的最大沉降值與隧道埋深基本呈現(xiàn)良好線性關系。

2.隨盾構埋深的增加，沉降槽影響寬度呈現(xiàn)增加趨勢。隧道埋深10.4m時，其左側橫向影響范圍為15m，右側為10m；隧道埋深為11.36時，其左側橫向影響范圍為-20m；埋深達到14.1m時，其左側影響范圍為30m。沉降槽的影響范圍隨隧道埋深呈現(xiàn)明顯增大趨勢。

3.整個個斷面沉降槽均基本呈偏態(tài)分布，軸線左邊影響范圍大于軸線右側。由于割線始發(fā)完畢之后，盾構即刻進入連續(xù)向右糾偏狀態(tài)。由于糾偏勢必會造成盾構軸曲線外側超挖，引起超挖側土體向盾構一側的移動和流變，因此沉降槽左側影響范圍大于右側。

四、結語

1.結合盾構施工接收端的設計軸線、工程地質條件與周邊環(huán)境，制定了一套適合于超大直徑盾構在全黏土地層中小曲線半徑始發(fā)的施工方法，采取了如旋噴樁凍結加固洞口、盾構參數(shù)選擇優(yōu)化等措施，保證了盾構的順利始發(fā)與掘進。

2.將原1500m圓曲線始發(fā)的設計線路調整為“先割線、后糾偏、再匯合”線路。代表性斷面的地表沉降實測數(shù)據(jù)證實此種線性不僅提高施工安全性，還可有效保證沉降不超過規(guī)范限制，有效保護周邊環(huán)境，對類似工程始發(fā)掘進具有一定指導作用。

3.實測資料表明，盾構施工擾動程度隨離盾構距離的增加呈衰減趨勢，且與盾構掘進的平面曲線線性相關，曲線施工會造成沉降槽在盾構軸線兩側的偏態(tài)分布，糾偏曲線外側沉降值較內側大且影響范圍廣。