地下工程盾構(gòu)機小半徑曲線掘進(jìn)控制技術(shù)研究

摘要：隨著地下工程建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)機在穿越復(fù)雜地層時面臨諸多挑戰(zhàn)，其中小半徑曲線掘進(jìn)尤為關(guān)鍵。結(jié)合鄭許市域鐵路的小半徑曲線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，通過對盾構(gòu)機姿態(tài)控制、掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、管片選型拼裝控制以及地層加固等多方面的綜合研究，建立了一套系統(tǒng)的小半徑曲線盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)，實現(xiàn)小半徑曲線段快速掘進(jìn)，提高施工效率，從而保障施工安全。

關(guān)鍵詞：小半徑曲線；盾構(gòu)掘進(jìn)；姿態(tài)控制；參數(shù)優(yōu)化；管片拼裝

0" "引言

在城市地鐵建設(shè)中，盾構(gòu)機的優(yōu)勢尤為凸顯。它能夠在不影響地面交通秩序的情況下，快速挖掘隧道，大大縮短了施工周期。同時，其高度自動化的操作系統(tǒng)和精準(zhǔn)的掘進(jìn)控制技術(shù)，確保了隧道施工的安全性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，如軟土地層、巖石地層、地下水豐富區(qū)域等，都給盾構(gòu)機的掘進(jìn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。在城市復(fù)雜的地下環(huán)境中，小半徑曲線掘進(jìn)已成為盾構(gòu)施工不可避免的挑戰(zhàn)。小半徑曲線掘進(jìn)時，盾構(gòu)機面臨著諸如盾構(gòu)機姿態(tài)控制困難、管片拼裝質(zhì)量難以保證、地層擾動大等諸多技術(shù)難題。

張明聚等[1]結(jié)合福州地鐵，提出了長距離小半徑曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)以及姿態(tài)控制措施。余國武[2]以珠機城際橫琴隧道施工為例，針對區(qū)間復(fù)合地層，分析了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的重要掘進(jìn)參數(shù)和地層的相關(guān)性。何寨兵等[3]結(jié)合小半徑曲線上盾構(gòu)掘進(jìn)，采用調(diào)整管片選型、液壓缸推進(jìn)力與行程、注漿壓力與配比，增大鉸接液壓缸行程等糾偏措施，達(dá)到了預(yù)期效果。王玉花等[4]依托南昌地鐵2號線，分析了盾構(gòu)機小半徑曲線掘進(jìn)姿態(tài)偏離超限的原因，并通過改變盾構(gòu)機的推力等措施解決了偏離超限問題。

本文結(jié)合鄭許市域鐵路，針對500m小半徑曲線盾構(gòu)掘進(jìn)，提出了盾構(gòu)機姿態(tài)監(jiān)測與調(diào)整、掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、管片拼裝控制、地層加固與輔助措施相結(jié)合的盾構(gòu)機小半徑曲線掘進(jìn)控制技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期效果。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

鄭許市域鐵路永昌大道站至許昌東站的區(qū)間里程為左DK80+719.902（右DK80+719.280）至左DK82+778.249（右DK82+778.249），左線長為2080.217m，右線長為2059.069m。永昌大道站至許昌東站的區(qū)間左、右線各設(shè)一處平曲線，左線曲線半徑為500m，右線曲線半徑為510m，線間距8.0～14.0m。

本區(qū)段隧道主要敷設(shè)在魏武大道路中，路面及兩側(cè)分布較多雨污水及弱電管線，500m轉(zhuǎn)彎曲線段沿線主要風(fēng)險源為1～2層磚混結(jié)構(gòu)的民用房屋淺基礎(chǔ)。永許區(qū)間平曲線平面如圖1所示。

區(qū)間隧道采用通用環(huán)管片，管片外徑為6200mm，管片內(nèi)徑為5500mm，管片厚度為350mm，環(huán)寬為1500mm，每環(huán)襯砌環(huán)由6塊管片組成，其中1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊。

1.2" "工程地質(zhì)與水文狀況

根據(jù)勘探情況，工程區(qū)地層以第四系全新統(tǒng)及第四系上更新統(tǒng)粉土、粉砂和粉質(zhì)黏土為主。

永昌大道站至許昌東站區(qū)間地下水補給，主要有降水入滲、地表水下滲、地下水側(cè)向徑流等補給。地下水由西、西南向東及東北徑流，水力坡度約0.5‰，徑流條件稍差。

地下水的排泄，主要為開采排泄和蒸發(fā)排泄。上部地下水以潛水為主，穩(wěn)定地下潛水水位埋深介于5.1～6.7m（水位高程約63m），主要賦存于約5m以下粉土及粉質(zhì)黏土層中。

1.3" "施工難點

盾構(gòu)機在小半徑曲線段掘進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)機主機長度達(dá)到9m，對曲線進(jìn)行擬合時難度較高，造成掘進(jìn)軸線的控制難度大。另外，在小半徑段掘進(jìn)時，由于管片盾尾間隙調(diào)整難度較大，以及推進(jìn)過程中管片受到的水平分邊影響，造成管片拼裝質(zhì)量控制難度較高。

2" "小半徑曲線掘進(jìn)控制技術(shù)

2.1" "盾構(gòu)機姿態(tài)監(jiān)測與調(diào)整

2.1.1" "精確測量與導(dǎo)向

采用激光導(dǎo)向儀等高精度的自動導(dǎo)向系統(tǒng)，實時監(jiān)測盾構(gòu)機的三維坐標(biāo)（包括水平位置、垂直位置和盾構(gòu)機的扭轉(zhuǎn)角度）。依據(jù)測量數(shù)據(jù)，通過調(diào)整盾構(gòu)機各分區(qū)推進(jìn)液壓缸的壓力與行程，實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)的糾正，在曲線外側(cè)液壓缸適當(dāng)增加推力，內(nèi)側(cè)液壓缸減少推力，使盾構(gòu)機沿設(shè)計曲線掘進(jìn)。

測量頻率一般為每推進(jìn)一環(huán)測量一次，確保及時掌握盾構(gòu)機的姿態(tài)變化情況。根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算盾構(gòu)機與設(shè)計軸線的偏差值，為姿態(tài)調(diào)整提供準(zhǔn)確依據(jù)。

2.1.2" "分區(qū)推進(jìn)調(diào)整

盾構(gòu)機的推進(jìn)液壓缸通常分為多個分區(qū)。在小半徑曲線掘進(jìn)時，依據(jù)盾構(gòu)機的姿態(tài)偏差，通過控制不同分區(qū)液壓缸的壓力和行程，來調(diào)整盾構(gòu)機的掘進(jìn)方向。當(dāng)盾構(gòu)機向曲線外側(cè)偏移時，適當(dāng)增加曲線內(nèi)側(cè)液壓缸的推力，減少外側(cè)液壓缸推力，使盾構(gòu)機逐漸向設(shè)計軸線靠攏。調(diào)整過程中，要密切關(guān)注液壓缸壓力變化，防止局部壓力過大對管片造成損壞。

2.2" "掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

2.2.1" "土倉壓力平衡控制

根據(jù)隧道所處地層的地質(zhì)條件（如土體類型、含水量、孔隙比等）和埋深，精確計算并設(shè)定土倉壓力。在小半徑曲線掘進(jìn)過程中，維持穩(wěn)定的土倉壓力至關(guān)重要。否則壓力過高可能導(dǎo)致地層隆起，壓力過低則易引起地層坍塌，二者都會使盾構(gòu)機姿態(tài)失控，進(jìn)而影響軸線穩(wěn)定。

盾構(gòu)在穿越過程中，須嚴(yán)格控制切口平衡土壓力，要使盾構(gòu)切口處地層有微小的隆起量（0.5～1cm），以平衡盾構(gòu)背土?xí)r的地層沉降量。同時，也必須嚴(yán)格控制與切口平衡壓力有關(guān)的施工參數(shù)，如出土量、推進(jìn)速度、總推力、實際土壓力等，防止過量超挖、欠挖。盡量減少平衡壓力的波動，其波動值控制在0.02MPa以內(nèi)。

2.2.2" "刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩控制

合理調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩，以適應(yīng)小半徑曲線掘進(jìn)時不同地層的切削要求。在曲線段，由于盾構(gòu)機與地層的相互作用更為復(fù)雜，需要降低刀盤轉(zhuǎn)速（通常比直線段降低10%～20%），同時適當(dāng)提高扭矩，確保刀盤能夠均勻切削土體，避免因切削力不均導(dǎo)致盾構(gòu)機偏離軸線。例如，在砂質(zhì)土層中，刀盤轉(zhuǎn)速可控制在1.0～1.5rpm，扭矩根據(jù)地層硬度和盾構(gòu)機推進(jìn)阻力進(jìn)行實時調(diào)整。

2.2.3" "推進(jìn)速度控制

小半徑曲線掘進(jìn)時，推進(jìn)速度應(yīng)控制在2～3cm/min。這既可避免因推力過大而引起的側(cè)向壓力的增大，又可減小盾構(gòu)推進(jìn)過程中對周圍土體的擾動。以上參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。

同時，要根據(jù)盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整情況和地層反饋信息，適時調(diào)整推進(jìn)速度，如在盾構(gòu)機姿態(tài)偏差較大或地層變形明顯時，適當(dāng)降低推進(jìn)速度，待姿態(tài)穩(wěn)定或地層變形得到控制后再恢復(fù)正常速度。

2.3" "管片拼裝控制

2.3.1" "管片選型與排布

管片選型需要根據(jù)推進(jìn)液壓缸行程差及盾尾間隙進(jìn)行選擇，楔形量最小點需安裝在液壓缸行程短及盾尾間隙大的位置，兩者以液壓缸行程控制為主。楔形管片是小半徑曲線掘進(jìn)的常用選擇，其楔形量根據(jù)曲線半徑和管片環(huán)寬計算得出。

根據(jù)隧道的曲線半徑和盾構(gòu)機姿態(tài)，選用合適的楔形管片，并進(jìn)行合理的管片排布。排布時要考慮管片的拼裝順序和點位，使管片拼裝后能形成符合設(shè)計曲線的隧道結(jié)構(gòu)，確保管片環(huán)間的連接緊密、受力均勻，減少因管片拼裝誤差累積導(dǎo)致的軸線偏差。

2.3.2" "開展模擬分析與現(xiàn)場試驗

利用計算機模擬軟件，將管片選型方案、盾構(gòu)機參數(shù)、地層條件等輸入模型，模擬盾構(gòu)機在小半徑曲線段的掘進(jìn)過程和管片拼裝過程。觀察隧道軸線偏差、管片受力情況等指標(biāo)，驗證選型方案是否合理。通過改變管片選型的關(guān)鍵參數(shù)，如楔形量、排版方式等，對比不同方案下的模擬結(jié)果，優(yōu)化管片選型方案，找到最適合小半徑曲線掘進(jìn)的管片配置。

在正式施工前，按照選定的管片選型方案進(jìn)行試拼裝和試掘進(jìn)，監(jiān)測管片拼裝精度、盾構(gòu)機姿態(tài)變化、地層沉降等數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，對管片選型方案進(jìn)行調(diào)整和完善。如果發(fā)現(xiàn)管片拼裝困難、盾構(gòu)機姿態(tài)難以控制或地層沉降過大等問題，及時修改選型方案，直到滿足小半徑曲線掘進(jìn)的要求。

2.3.3" "拼裝工藝控制

嚴(yán)格控制管片拼裝順序與精度，保證管片環(huán)間連接緊密、平整。在管片拼裝過程中，嚴(yán)格控制管片的拼裝精度，包括環(huán)向和縱向的錯臺量。環(huán)向錯臺量一般應(yīng)控制在5mm以內(nèi)，縱向錯臺量控制在3mm以內(nèi)。同時，要及時調(diào)整管片位置與姿態(tài)，采用合理的螺栓緊固力矩與順序，使管片能有效傳遞盾構(gòu)機推進(jìn)力并約束其姿態(tài)變化，防止隧道軸線變形。

管片拼裝完成，需要將螺栓全部緊固后才能進(jìn)行盾構(gòu)機掘進(jìn)。在本環(huán)管片推進(jìn)至盾尾處時，需要對管片螺栓進(jìn)行二次復(fù)緊，在管片拖出車架前，需要對管片螺栓進(jìn)行三次復(fù)緊。

2.4" "地層加固與輔助措施

2.4.1" "地層加固

在小半徑曲線盾構(gòu)掘進(jìn)前，對地層進(jìn)行注漿加固預(yù)處理，可有效減少盾構(gòu)施工過程中的地層變形，有利于盾構(gòu)軸線控制。在軟弱地層中，采用超前注漿加固，在盾構(gòu)機前方一定范圍內(nèi)采用袖閥管注入水泥漿，以此提高地層的強度和穩(wěn)定性。

其中，注漿孔均為豎向，間距為1m×1m，梅花型布置，注漿加固擴散半徑為1m，注漿終壓為0.5～1MPa。注漿過程中，注漿壓力要逐步提高，達(dá)到注漿終壓并繼續(xù)注漿10min以上。加固長度10m，豎向加固范圍為隧道頂以上3m，隧道底以下2m。水平加固范圍為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外左右側(cè)3m。

2.4.2nbsp; "輔助措施

在盾構(gòu)機外殼與周圍土體間注入膨潤土，降低盾構(gòu)機與土體間摩阻力，以利于盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整與軸線控制。同時，要設(shè)置合理的盾構(gòu)機超挖裝置。在曲線段適度超挖，為盾構(gòu)機轉(zhuǎn)向提供空間，但需嚴(yán)格控制超挖量，避免地層過度擾動引發(fā)坍塌。

2.4.3" "沉降監(jiān)測與反饋

沿隧道軸線及周邊建筑物、地下管線等設(shè)置沉降觀測點，建立完善的沉降監(jiān)測體系，定期進(jìn)行沉降觀測。觀測頻率一般為1～2次/d，在特殊地段或沉降變化較大時適當(dāng)加密觀測。

將沉降觀測數(shù)據(jù)及時反饋給盾構(gòu)施工控制中心，根據(jù)沉降情況分析盾構(gòu)機掘進(jìn)對地層的影響，及時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)和地層加固措施，確保盾構(gòu)軸線偏差和地層沉降均控制在允許范圍內(nèi)。

當(dāng)?shù)貙映两党^預(yù)警值（10mm）時，立即停止掘進(jìn)，分析原因并采取相應(yīng)的補救措施，如二次注漿、調(diào)整土倉壓力等。

3" "結(jié)束語

盾構(gòu)機小半徑曲線掘進(jìn)控制技術(shù)體系，涵蓋了從姿態(tài)控制、參數(shù)優(yōu)化、管片拼裝到地層沉降控制等多環(huán)節(jié)的有效措施與方法，可實現(xiàn)小半徑曲線段快速掘進(jìn)，提高了施工效率，減少了挖掘土壤的變形和沉降，有效降低了結(jié)構(gòu)設(shè)備受力的風(fēng)險，從而保障施工安全。

掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化方面，曲線推進(jìn)時嚴(yán)格控制盾構(gòu)的推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，加強對曲線段外側(cè)的壓漿量，提高了掘進(jìn)過程的穩(wěn)定性與安全性。

改進(jìn)管片拼裝工藝，采用楔形管片并精確設(shè)計其楔形量，結(jié)合拼裝順序和螺栓緊固工藝，不僅能使管片良好地擬合小半徑曲線形狀，還增強了管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體性與防水性。

建立完善的沉降監(jiān)測體系，實時反饋沉降數(shù)據(jù)，及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)與采取補救措施，可將地層沉降控制在允許的工程規(guī)范范圍內(nèi)，保護(hù)周邊建構(gòu)筑物與地下管線的安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 張明聚，張振波，陳鋒.高壓富水碎裂狀巖層小半徑曲線盾構(gòu)隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（6）：197-203，209.

[2] 余國武.復(fù)合地層小半徑曲線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計分析[J].施工技術(shù)，2020，49（13）：19-22.

[3] 何寨兵，耶律根迪.盾構(gòu)機在小半徑曲線段隧道掘進(jìn)姿態(tài)糾偏施工技術(shù)[J].云南水力發(fā)電，2017，33（6）：100-103.

[4] 王玉花，王志龍，許飛進(jìn).南昌地鐵2號線土壓平衡盾構(gòu)小半徑曲線的掘進(jìn)技術(shù)[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報，2018，37（3）：37-40.