上軟下硬地層條件下土壓平衡盾構(gòu)小半徑曲線始發(fā)控制技術(shù)研究

鄭心 南京市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站

1 前言

盾構(gòu)法作為城市地鐵區(qū)間隧道施工工法之一，具有機(jī)械化程度高、施工速度快、對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工安全性高等眾多優(yōu)點(diǎn)。隨著城市軌道交通建設(shè)速度的增加，在城市中新建隧道面臨的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，為避免直接下穿建構(gòu)筑物，盾構(gòu)在小半徑曲線上始發(fā)的情況越來越多。本文依托南京地鐵5號(hào)線三山街站—朝天宮站區(qū)間工程，通過始發(fā)條件設(shè)置、掘進(jìn)參數(shù)控制、地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)，形成南京地區(qū)上軟下硬地層小半徑曲線始發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為后期工程施工提供參考

2 工程概況

南京地鐵5號(hào)線三山街站至朝天宮站區(qū)間，盾構(gòu)從朝天宮站小里程端始發(fā)，然后沿莫愁路～升州路掘進(jìn)，直至三山街站大里程端接收。盾構(gòu)區(qū)間右線設(shè)計(jì)起終點(diǎn)里程：ZDK24+987.821m～ZDK26+422.574m，盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)度1434.753m，區(qū)間埋深16m～32m。區(qū)間右線最大縱坡27.905‰，最小縱坡4‰，平面曲率半徑最小350m，平面曲率半徑最大1500m。區(qū)間左線盾構(gòu)始發(fā)段45.327m，位于R=3000m的豎曲線、R=370m的圓曲線上，坡度漸變至-27.174‰。區(qū)間隧道左、右線采用2臺(tái)奧村復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑為6490mm。隧道管片采用通用環(huán)加轉(zhuǎn)彎環(huán)管片，管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，環(huán)寬為1.2m，轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量為37.2mm。始發(fā)段地層，隧頂為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；隧中為粉質(zhì)黏土，強(qiáng)風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；隧底為中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。

3 始發(fā)重難點(diǎn)及預(yù)控措施

3.1 上軟下硬地層始發(fā)

盾構(gòu)始發(fā)段地質(zhì)情況主要為上軟下硬，上部為粉質(zhì)黏土、下部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，同時(shí)，始發(fā)即為下坡，盾構(gòu)機(jī)可能有上仰趨勢(shì)。在穿越上軟下硬地層時(shí)，由于位于切口下半部分的土層較硬，切口下半部分阻力較大，上部土層較軟，切口上半部分阻力較小，盾構(gòu)難以提高坡度，隧道軸線控制難度較大。

預(yù)控措施：①合理利用超挖刀和盾構(gòu)鉸接功能以達(dá)到糾偏效果；控制好掘進(jìn)速度，以保證刀盤充分切削前方硬土；②防止上部軟弱土體塌方，比較上部區(qū)域土壓的變化，判斷盾構(gòu)上部是否有超挖現(xiàn)象；③使用泡沫劑，對(duì)土體進(jìn)行改良，減小地下水的滲透、流動(dòng)，保持上部土體的穩(wěn)定。

3.2 圓曲線小半徑始發(fā)

三朝區(qū)間左線，始發(fā)段位于R=370m的圓曲線上。始發(fā)段負(fù)環(huán)拼裝及加固區(qū)內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以調(diào)整，掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)超限的問題，對(duì)隧道軸線控制、盾構(gòu)糾偏及超挖引起的地表差異沉降要求高，主要涉及三方面：曲線段施工涉及軟弱土層，盾構(gòu)糾偏產(chǎn)生的土層擾動(dòng)及超挖將加劇地表沉降；曲線段施工控制不當(dāng)將帶來管片碎裂、滲水及軸線偏差的風(fēng)險(xiǎn)；曲線段施工控制造成盾尾間隙不均勻，盾構(gòu)機(jī)尾部易發(fā)生橢圓變形，從而導(dǎo)致盾尾出現(xiàn)滲漏安全事故。

預(yù)控措施：①精確控制盾尾間隙。精確控制盾尾間隙以便于管片拼裝，也便于盾構(gòu)進(jìn)行糾偏，同時(shí)能減少管片因盾尾間隙不足產(chǎn)生的碎裂及滲水問題。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，油缸行程至一半，測(cè)量一次盾尾間隙，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)合姿態(tài)及線型，調(diào)整各分區(qū)油缸推力，保證間隙均勻；推進(jìn)完畢，再次測(cè)量盾尾間隙和超前量，根據(jù)數(shù)據(jù)分析確定拼裝點(diǎn)位。②精確控制盾構(gòu)糾偏量。盾構(gòu)在曲線段推進(jìn)時(shí)，實(shí)際上是處于曲線的外切線上，由于盾構(gòu)曲線推進(jìn)時(shí)環(huán)環(huán)都處于糾偏狀態(tài)，因此必須做到勤測(cè)勤糾。③加密測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)。在曲線段推進(jìn)時(shí)，應(yīng)增加隧道測(cè)量的頻率。每班次推進(jìn)完畢，及時(shí)對(duì)管片進(jìn)行復(fù)測(cè)，將復(fù)測(cè)成果與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間的姿態(tài)控制值進(jìn)行對(duì)比，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)和糾偏，及時(shí)調(diào)整推進(jìn)參數(shù)。

3.3 豎曲線始發(fā)

三山街站至朝天宮站區(qū)間，始發(fā)掘進(jìn)45m，豎向坡度即漸變至-27.905%。端頭加固長(zhǎng)度9m，此區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)機(jī)調(diào)整姿態(tài)較困難，極易出現(xiàn)豎向線型超限的問題。

預(yù)控措施：①結(jié)合隧道軸線，模擬每環(huán)管片拼裝后的線型，按照既定45m內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)縱向坡度的目標(biāo)，對(duì)管片進(jìn)行逐環(huán)分解計(jì)算，確定始發(fā)基座豎向位置按照-10‰的坡度進(jìn)行安裝，反力架上部較下部前傾10cm,確保盾構(gòu)機(jī)在45m范圍內(nèi)，坡度漸變至-27.73‰；②結(jié)合平面圓曲線控制目標(biāo)，確定始發(fā)架平面位置，沿掘進(jìn)方向往設(shè)計(jì)軸線左側(cè)偏移

20mm。

4 初始姿態(tài)擬定

根據(jù)上節(jié)重難點(diǎn)分析結(jié)論，采用人工計(jì)算和軟件運(yùn)用相結(jié)合的方式，確定的始發(fā)架和反力架安裝姿態(tài)，在預(yù)定的-8環(huán)至+8環(huán)內(nèi)，模擬出盾構(gòu)機(jī)在每一環(huán)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)達(dá)到的姿態(tài)變化情況，如表1所示。

表1 管片姿態(tài)模擬計(jì)劃表

5 盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)

（1）推進(jìn)指標(biāo)設(shè)置。始發(fā)參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)合相鄰盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)施工經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表2 始發(fā)階段掘進(jìn)參數(shù)參考值

（2）始發(fā)基座布置。始發(fā)基座安裝精度控制在±20mm，始發(fā)基座按照-10‰的坡度進(jìn)行安裝，反力架上部較下部前傾10cm,可確保盾構(gòu)機(jī)在45m范圍內(nèi)，坡度漸變至-27.73‰；始發(fā)架平面位置，沿掘進(jìn)方向往設(shè)計(jì)軸線左側(cè)偏移20mm，可確保盾構(gòu)機(jī)出加固區(qū)后，水平姿態(tài)不會(huì)超限。

（3）洞門簾布板安裝。為保證盾構(gòu)機(jī)與洞門間建筑空隙密封，在始發(fā)過程中不造成水土及同步注漿流失，須在洞門口安裝始發(fā)止水裝置。始發(fā)裝置包括簾布橡膠板、扇形圓環(huán)板、連接螺栓、螺母和墊圈。

（4）渣土改良。土體改良系統(tǒng)（加泥、加膨潤(rùn)土、加泡沫系統(tǒng)），刀盤和土倉(cāng)壁上設(shè)計(jì)土體改良孔，刀盤面板布置3處加注口，土倉(cāng)壁上設(shè)置8處，螺旋機(jī)筒體上設(shè)置3個(gè)注入口，在螺旋機(jī)進(jìn)土口位置也設(shè)置2處加注口，同時(shí)配備相應(yīng)的加泥和泡沫土體改良設(shè)備。

（5）同步注漿及二次注漿。結(jié)合同類型盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)推進(jìn)期間同步注漿采用惰性漿液，漿液具有保水性好、抗水分散性好、不易離析、塑流性好、不易堵管等特點(diǎn)，能有效控制地面沉降，過程中按照注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)進(jìn)行控制。

（6）管片拼裝。盾構(gòu)推進(jìn)和管片拼裝二者聯(lián)系緊密，提高管片拼裝質(zhì)量，進(jìn)一步控制好盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，保證成型隧道質(zhì)量。

①拼裝前查看前一襯砌環(huán)與盾構(gòu)之間的間隙情況，結(jié)合前一環(huán)成果報(bào)表，決定本環(huán)拼裝點(diǎn)位及糾偏量。查看前一環(huán)和本環(huán)止水條環(huán)面是否完好，如有損壞應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。檢查上環(huán)管片是否有外弧面碎裂，若有碎裂，必須修補(bǔ)后方可拼裝下環(huán)管片。

②拼裝時(shí)，清除環(huán)面和盾尾內(nèi)的各種雜物，并檢查止水條的粘貼情況，保證止水條粘貼可靠。各環(huán)、縱向螺栓必須全部穿進(jìn)、擰緊，用扭力扳手抽查螺栓緊固是否達(dá)到要求。

③管片拼裝完成，對(duì)拼裝質(zhì)量進(jìn)行查驗(yàn)，滿足要求方可開始掘進(jìn)下一環(huán)。每環(huán)管片螺栓至少需要復(fù)緊四次，管片拼裝一次，推進(jìn)半環(huán)一次、推進(jìn)完成一次，脫離臺(tái)車前復(fù)緊一次。

④對(duì)于已形成環(huán)面不平的管片，在下一環(huán)拼裝時(shí)及時(shí)加貼楔子糾正環(huán)面，保證下一環(huán)管片拼裝完成的環(huán)面平整度。

6 盾構(gòu)始發(fā)控制措施

（1）盾構(gòu)始發(fā)段推進(jìn)。盾構(gòu)工作井沿軌道中心長(zhǎng)12m，負(fù)環(huán)管片共9環(huán)（含0環(huán)），每環(huán)1.2m。負(fù)環(huán)中0環(huán)～-8環(huán)全部采用錯(cuò)縫滿環(huán)拼裝，其中0環(huán)封頂塊拼裝在12點(diǎn)鐘位置。每環(huán)負(fù)環(huán)管片脫離盾尾后采用一根鋼絲繩繞管片外徑拉緊，確保管片的真圓度。

（2）盾構(gòu)機(jī)到達(dá)地連墻。拼裝負(fù)環(huán)管片，盾構(gòu)機(jī)開始向前頂進(jìn)，土倉(cāng)壓力為零。盾構(gòu)刀盤開始切削地連墻時(shí)，切削緩慢進(jìn)行，推進(jìn)速度控制約為5mm/min，此時(shí)盾構(gòu)推力維持在800t以內(nèi)，盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，借助盾構(gòu)推力作用，均勻碾磨切削地連墻正面。

（3）盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入加固區(qū)。推進(jìn)第-5環(huán)時(shí)，刀盤中心刀抵達(dá)加固區(qū)，觀察刀盤扭矩、盾構(gòu)始發(fā)基座、反力架及側(cè)滾限位塊情況，并在進(jìn)入洞門前割除，若發(fā)現(xiàn)異常立即停機(jī)處理。推進(jìn)速度控制在1cm/min～2cm/min之內(nèi)，注意出現(xiàn)推力及刀盤扭矩突變過大時(shí)，應(yīng)停推刀盤，防止刀盤卡住。加固體內(nèi)推進(jìn)：盾構(gòu)開始掘進(jìn)加固土體，螺旋機(jī)暫不啟動(dòng)出土，觀察土壓變化情況，直到切削土體填充土倉(cāng)使土壓力達(dá)到一定數(shù)值以平衡盾構(gòu)正面土壓。在此區(qū)域施工時(shí)，土壓力設(shè)定值應(yīng)略低于理論值，推進(jìn)速度不宜過快，盾構(gòu)坡度略大于設(shè)計(jì)坡度。推進(jìn)第+2環(huán)行程1470mm時(shí)，盾構(gòu)機(jī)即將完全進(jìn)入洞門簾布板，管片拼裝時(shí)密切關(guān)注橡膠簾布板及壓板情況，防止?jié)B漏水。

（4）盾構(gòu)機(jī)刀盤脫離加固區(qū)。推進(jìn)第+3環(huán)行程800mm時(shí)，此時(shí)刀盤即將脫離加固區(qū)域，盾構(gòu)出加固區(qū)后，為防止正面土質(zhì)變化而造成盾構(gòu)突然“磕頭”，將平衡壓力值設(shè)定略高于理論值，實(shí)際推進(jìn)過程中盾構(gòu)土壓力設(shè)定值以中部2區(qū)或3區(qū)的土壓為準(zhǔn)，結(jié)合已推進(jìn)完成的朝上區(qū)間沉降控制經(jīng)驗(yàn)，出加固區(qū)的土壓力控制在0.15MPa左右，推進(jìn)速度控制在2cm/min～4cm/min之間。+3環(huán)拼裝完成時(shí)，推進(jìn)+4環(huán)行程700mm時(shí)，+1環(huán)管片脫出盾尾，此時(shí)利用盾構(gòu)機(jī)同步注漿管進(jìn)行注漿，漿液采用可硬性漿液，注漿量以填充+1環(huán)管片與洞門之間的空隙為宜。

7 盾體脫離加固區(qū)

盾構(gòu)掘進(jìn)拼裝完成第10環(huán)，盾體即將脫離加固區(qū)。需要對(duì)2環(huán)、4環(huán)、6環(huán)進(jìn)行二次注漿，施工環(huán)箍，分多次、均勻、少量進(jìn)行，以達(dá)到擴(kuò)散填充和加固均勻有效的目的，并控制不流漿、不漏漿，以達(dá)到封堵洞門的目的。施工效果評(píng)估分析：按照計(jì)劃施工參數(shù)和控制措施，三朝區(qū)間左線順利完成始發(fā)并安全穿越始發(fā)段的建構(gòu)筑物，成型隧道軸線偏差數(shù)據(jù)和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 成型隧道管片姿態(tài)表

8 結(jié)束語

（1）通過實(shí)測(cè)成型隧道管片姿態(tài)與理論擬定參數(shù)對(duì)比可得，水平姿態(tài)最大差值在+4環(huán)管片位置，為24mm，垂直姿態(tài)最大差值在+2環(huán)管片為22mm，符合設(shè)計(jì)要求，理論擬定的始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)是合理的，對(duì)后期同類型盾構(gòu)工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。（2）本工程按照專項(xiàng)方案要求，在始發(fā)過程中進(jìn)行重點(diǎn)控制，通過對(duì)區(qū)間成型隧道軸線偏差和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，三朝左線始發(fā)段整體施工效果較好，管片水平姿態(tài)最大偏差為-75mm，垂直姿態(tài)最大偏差為-64mm，滿足規(guī)范允許偏差（±100）要求，各項(xiàng)沉降控制均在控制值范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果。