小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工技術(shù)控制措施研究

摘 ?要：為了研究交通運(yùn)輸行業(yè)中小半徑曲線隧道工作過(guò)程的施工難點(diǎn)及控制措施。筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，以隧道施工中小半徑曲線盾構(gòu)施工技術(shù)為研究對(duì)象，運(yùn)用理論與實(shí)際相結(jié)合的研究方法，就小半徑盾構(gòu)施工過(guò)程技術(shù)要點(diǎn)及其控制難點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，以期提供建設(shè)性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：小半徑;曲線;隧道;施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：U455.43 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：2096-6903（2019）02-0000-00

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與時(shí)代的發(fā)展，以高標(biāo)準(zhǔn)、高要求、短工期為代表的交通建設(shè)行業(yè)飛速發(fā)展。其中隧道橋梁施工以復(fù)雜地質(zhì)情況下的多工藝、多設(shè)備快速施工將行業(yè)技術(shù)推向到一個(gè)新領(lǐng)域。

1 小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工技術(shù)難點(diǎn)

隧道施工需要根據(jù)環(huán)境變化以及巖土力學(xué)變化情況而動(dòng)態(tài)調(diào)整。先期的地質(zhì)勘探能為盾構(gòu)施工過(guò)程中的小半徑曲線隧道工況環(huán)境提供工藝支持。在此對(duì)明確盾構(gòu)機(jī)型號(hào)、管片楔形量以及工程細(xì)節(jié)參數(shù)后進(jìn)行工程施工的施工技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行探討。

（1）掘進(jìn)過(guò)程中在多因素誘導(dǎo)下隧道曲線段軸線定位難控制問(wèn)題探討：盾構(gòu)機(jī)的工作理論是在定位器輔助作用下產(chǎn)生直線定向運(yùn)動(dòng)，而實(shí)際工作過(guò)程中由于操作進(jìn)度和圍巖應(yīng)力影響通常盾構(gòu)機(jī)會(huì)成一定幅度的蛇形擺動(dòng)。因此在工藝要求精度較高的曲線段施工過(guò)程中會(huì)對(duì)最終施工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)l(fā)生工藝操作參數(shù)與預(yù)設(shè)單位曲線不匹配等問(wèn)題，導(dǎo)致在施工后期形成斷續(xù)直線。相關(guān)技術(shù)人員必須基于當(dāng)前工藝參數(shù)進(jìn)行不同標(biāo)段的曲線糾正，使隧道曲線轉(zhuǎn)彎段圓滑而合規(guī)。在技術(shù)控制層面需要在盾構(gòu)曲線半徑變小的同時(shí)嚴(yán)格控制左、右兩側(cè)油缸壓差，防止管片受力不均勻?qū)е碌暮罄m(xù)糾偏不利情況。但是最終的糾偏量需要結(jié)合盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度而合理控制糾偏靈敏度，實(shí)現(xiàn)軸線的合理可控。

（2）不良水平力誘導(dǎo)下的管片位移探討：小半徑曲線段，由于在特殊夾角下的長(zhǎng)時(shí)間施工會(huì)誘發(fā)水平分力的動(dòng)態(tài)變化，最終在時(shí)間積累下造成隧道管片襯砌軸線向曲線外側(cè)偏移。因此盾構(gòu)每掘進(jìn)一階段剛性管片的端面就會(huì)產(chǎn)生軸線方向的平面夾角，而在設(shè)備油缸壓力差的影響下會(huì)增加襯砌管片水平方面應(yīng)力，最終產(chǎn)生管片背向圓心一側(cè)的移動(dòng)趨勢(shì)。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中由于工程間隙的存在（盾構(gòu)機(jī)外殼與管片），導(dǎo)致在同步注漿過(guò)程中因填充缺陷產(chǎn)生的側(cè)向壓力造成向定弧線外側(cè)發(fā)生偏移。

（3）多因素下的管片錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂和破損問(wèn)題探討：盾構(gòu)速度以及外在圍巖應(yīng)力的影響會(huì)導(dǎo)致在管片拼裝過(guò)程中以及竣工后的內(nèi)弧面不平整事件（如環(huán)向錯(cuò)臺(tái)、縱向錯(cuò)臺(tái)）。另外在水平力作用下會(huì)發(fā)展成為整段隧道襯砌管片偏移至一定限度后的錯(cuò)臺(tái)式相對(duì)位移。在外觀質(zhì)量遭受管片錯(cuò)臺(tái)影響的情況下所產(chǎn)生的集中應(yīng)力會(huì)破壞管片的完整度。

（4）土體擾動(dòng)誘發(fā)的沉降量探討：盾構(gòu)施工需要合適的盾構(gòu)速度、壓力和刀盤旋轉(zhuǎn)量。在小半徑曲線中施工會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)糾偏狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。此外相關(guān)仿形刀掘進(jìn)也是持續(xù)進(jìn)行的，開(kāi)啟的仿形刀會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)殼體與附件圍巖土體發(fā)生不同程度的單邊擠壓和剪切，因此導(dǎo)致挖斷面最終成形為橢圓形。從而造成開(kāi)挖量的真實(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于前期模擬的計(jì)算量。

2 小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工技術(shù)控制措施

2.1 曲線掘進(jìn)糾偏與隧道軸線控制

（1）盾構(gòu)姿態(tài)控制。不同施工前提下的小半徑曲線地段施工過(guò)程需要進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，以此及時(shí)糾偏和實(shí)現(xiàn)最終施工質(zhì)量的保證。相關(guān)操作人員在施工前應(yīng)根據(jù)后續(xù)工作情況進(jìn)行先期的準(zhǔn)備與數(shù)據(jù)的輸入，保證施工過(guò)程的順利進(jìn)行。通常盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的轉(zhuǎn)彎位置已經(jīng)確認(rèn)，為減小盾構(gòu)施工過(guò)程的偏向位置累積，需要不斷進(jìn)行位置調(diào)整。

（2）掘進(jìn)參數(shù)控制?？刂茀?shù)的制度化輸入或者半自動(dòng)的控制。在確保施工設(shè)計(jì)完善的前提下進(jìn)行預(yù)先輸入并利用密封艙內(nèi)的土壓力實(shí)現(xiàn)土體挖掘的平衡與穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中保證98%～100%的持續(xù)出土量可以保證安全生產(chǎn)。

（3）糾偏量控制。糾偏量的核算需要基于當(dāng)前土體壓力、盾構(gòu)程度與偏轉(zhuǎn)角位置而時(shí)刻調(diào)整，所以實(shí)際操作中為避免錯(cuò)誤應(yīng)進(jìn)行小參數(shù)、多批次的糾偏量調(diào)整，優(yōu)化調(diào)整推進(jìn)軸線的控制，保證盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前所在位置點(diǎn)與遠(yuǎn)方點(diǎn)的連線同設(shè)計(jì)曲線相切。不同工作區(qū)的情況需要先進(jìn)行巖土力學(xué)調(diào)研，確保初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后方可開(kāi)始施工。注漿工藝流程圖1所示。

2.2 管片位移控制

（1）保留偏移量。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，承受側(cè)向壓力后，管片將偏移至圓弧外側(cè)。當(dāng)施工進(jìn)入曲線段時(shí)，根據(jù)理論計(jì)算和施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合分析，考慮曲線段的地層條件，小半徑施工段的預(yù)留偏移范圍計(jì)算為30～50毫米，為了減小盾構(gòu)姿態(tài)相對(duì)于曲線外部的偏移，盾構(gòu)的初始姿態(tài)可以偏移到曲線內(nèi)部，進(jìn)而形成反向預(yù)偏移，以此抵消一些段的外部偏移量。

（2）推力控制段選擇。為了減小小半徑曲線段施工引起的管片位移，在掘進(jìn)過(guò)程中必須減小盾構(gòu)推力。設(shè)計(jì)線段尺寸時(shí)，應(yīng)選擇寬度較小的線段。研究發(fā)現(xiàn)1.2 m段用于半徑為300 m的小半徑曲線段及其相鄰的過(guò)渡曲線段，曲線段的總控制力控制在600～900kN。

（3）灌漿控制。在小半徑曲線隧道中，由于盾構(gòu)糾偏量大，土體擾動(dòng)和管片位移增大。因此，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控灌漿壓力、灌漿質(zhì)量和灌漿量。灌漿是主要的方法，根據(jù)灌漿時(shí)間可分為同步灌漿和二次灌漿。灌漿的材料、比例、參數(shù)和工藝是根據(jù)工程的具體地質(zhì)、水文和環(huán)境條件，參照以往類似地質(zhì)區(qū)灌漿的成功經(jīng)驗(yàn)確定的。

（4）減少地層擾動(dòng)。施工前應(yīng)根據(jù)相應(yīng)安全措施及工藝要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)和相應(yīng)設(shè)備的部署，通常選擇固定式沉降觀測(cè)點(diǎn)于建筑物距離地面20 cm處，切單點(diǎn)間距5 m及以上，墻體根據(jù)厚度進(jìn)行全面化測(cè)斜儀傾角測(cè)量標(biāo)定。同時(shí)需要進(jìn)行系統(tǒng)工程框架下的施工區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)以防止各種參數(shù)誤差帶來(lái)的地面沉降以及隧道塌方等惡性事故。相應(yīng)技術(shù)人員應(yīng)注意分析地質(zhì)勘探資料以避免沉降或隆起的產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)模擬器會(huì)提供當(dāng)前工藝下的改進(jìn)建議，避免參數(shù)偏差累計(jì)而成的誤差事故，及時(shí)進(jìn)行土筒倉(cāng)、壓力、灌漿量、灌漿壓力、行駛速度等施工工藝的調(diào)整。在管理方面應(yīng)根據(jù)安全細(xì)則及相應(yīng)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行不同施工節(jié)點(diǎn)的連貫式監(jiān)控。如根據(jù)工程需要在不同施工段進(jìn)行軟硬區(qū)域劃分并優(yōu)化盾構(gòu)系統(tǒng)工作方式，實(shí)時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

由于狹長(zhǎng)隧道施工作業(yè)面的有限性，在小半徑曲線部分該種情況更加突出。因此相應(yīng)技術(shù)人員應(yīng)該基于盾構(gòu)機(jī)尺寸綜合優(yōu)化隧道挖掘工作方式，在曲線半徑與轉(zhuǎn)彎方式方面進(jìn)行一定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換，以形成數(shù)學(xué)模型式的操作規(guī)程和設(shè)備控制算法。根據(jù)前進(jìn)軸線的曲折度和現(xiàn)場(chǎng)難以確定的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行施工方式的確定，以此來(lái)克服小半徑曲線惡劣施工環(huán)境帶來(lái)的施工誤差。盾構(gòu)機(jī)是隧道施工的必備設(shè)備。為了在小半徑曲線施工過(guò)程中盡可能發(fā)揮其作用，在實(shí)際操作過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的管片寬度來(lái)滿足小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工要求。由于曲線部分的曲率和其他因素的影響，表面變形更加困難并且變形量更大，因此在小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工中，不可避免地會(huì)造成較大的地層損失，導(dǎo)致較大的地表變形。

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收稿日期：2019-05-05

作者簡(jiǎn)介：張曉勇（1985—），男，甘肅武威人，本科，工程師，研究方向：城市軌道交通施工技術(shù)與管理。

Study on Control Measures of Shield Construction Technology for Small Radius Curved Tunnel

ZHANG Xiaoyong

（CCCC Tunnel Engineering Bureau Co.， Ltd. Beijing Shield Engineering Branch ， Beijing 100102）

Abstract： In order to study the difficulties and control measures in the working process of small radius curve tunnel in transportation industry. Based on years of working experience， taking the development of small radius curve shield construction technology in tunnel construction as the research object， use the research method of combining theory with practice to solve problems systematically，?this paper systematically summarizes the technical points and control difficulties in the process of shield construction under the premise of small radius construction， in order to provide constructive suggestions.

Key words： small radius; curve; tunnel; construction technology