華東地區盾構小半徑曲線施工技術研究

劉建衛

(中鐵一局集團有限公司城市軌道交通工程分公司,西安 710054)

近幾年,我國城市軌道交通發展迅速,北京、上海、南京、廣州等一線城市的軌道交通建設已經達到一定水平,帶動中西部省會城市以及二線城市的軌道交通建設相繼開工建設。盾構作為一種安全性較高、技術成熟的土建施工設備,在城市軌道交通建設中發揮著積極作用。但在各城市軌道交通線路設計中,由于某些特定因素,致使線路處于小半徑曲線中,對盾構隧道施工形成一定的制約與影響,也對工程質量形成隱憂。

結合實例,從華東地區無錫市軌道交通1號線盾構在湖濱路站—大學城站區間300 m(310 m)小半徑曲線段的設計、施工角度出發,就盾構在小半徑曲線施工中如何采取措施、盾構施工后如何保證施工質量等方面進行闡述、分析,進而推廣應用至華東地區其他城市軌道交通建設中。

1 工程概況

無錫市軌道交通1號線盾構在湖濱路站—大學城站區間位于湖濱區太湖鎮觀山路中段至西段,再轉向南沿蠡湖大道到達大學城站。里程:右CK26+421.340～CK27+944.4,右線長1 522.704 m,左線長1 500.719 m。線間距13 m,最小曲線半徑300 m,最大坡度2.5‰。區間埋深9.1～16.2 m,穿越地層主要為：(3)3層粉土夾粉質黏土、(6)1-1層粉質黏土、(6)1黏土。

里程右CK26+950處設聯絡通道兼泵房1座,里程右CK27+367.878處設聯絡通道1座(位于300 m小半徑曲線段)。兩條聯絡通道均采用冷凍法加固,礦山法施工道路兩側農田、民房、太湖高中、天鵝湖小區及小區商業街區,地形平坦。在里程CK27+910.0～CK27+927.0段分布一南北走向河道,河寬18 m,水深1.92 m。

小半徑曲線段左線曲線半徑300 m(圖1),弧長520.875 m,偏轉角約88°；右線曲線半徑310 m,弧長536.237 m,偏轉角約88°。覆土厚度14 m,小半徑曲線段線路上方地面西北側(弧外側)為停車場；東南側(弧內側)為兒童活動場、綠化土坡,并規劃有一擬建小區高層基礎(先于隧道建成),最小平面間距4.49 m。

圖1 小半徑曲線段平面示意(單位：m)

2 施工技術

盾構機在通過該小半徑曲線段的施工中,主要從施工準備、設備選型、管片選型、掘進控制、同步注漿及二次注漿控制、通過吊裝孔打錨桿或注漿加固等幾方面實現。

2.1 施工準備

(1)加密勘探鉆孔

在小半徑曲線段,將地質勘探鉆孔間距縮小至30 m一孔,平面位置布設在左、右線外側5 m處,盡量詳細地揭示小半徑曲線段的地層分布,并通過土工試驗,了解其巖土特性,為后續施工中的渣土改良提供依據。

(2)進行必要的水文勘查

聘請有資質的單位,在小半徑曲線段進行抽水試驗,判斷該段是否有承壓水的影響以及影響程度、獲取各層巖土的滲透等關鍵參數。

(3)人員培訓

施工人員包括盾構機司機、土建工程師,對其加強小半徑曲線段施工培訓,最好挑選在南京、杭州等地小半徑曲線段施工過的骨干人員。

(4)設備檢修

進入小半徑曲線段進行設備的全面檢修及維護,備好易損構件,尤其對鉸接密封及盾尾密封系統的排查務必詳細。

(5)技術準備

①制定盾構過小半徑曲線段專項施工技術方案,方案中明確通過前需預先采取的措施、通過中盾構機操作人員如何操作、設備參數的獲取與修正、輔助工法的實施與效果評價等；

②制定盾構過小半徑曲線段發生偏移等現象的預案,明確糾偏的方法、步驟、進一步預防偏移的措施等；

③制定后期加固技術方案及措施,明確實施的時間、部位、方法等；

④所有參與人員必須對制定的方案、措施詳細了解,做到胸有成竹。

2.2 設備選型

在具有小半徑曲線段的區間中采用盾構法施工,盾構機選型是一個關鍵環節。

目前,國內城市軌道中使用的盾構機主要為德國海瑞克公司和日本小松公司生產,其鉸接形式一般采用后鉸接方式——后體與中體采用鉸接連接。但在小半徑曲線段,后鉸接形式不利于盾構姿態控制及糾偏。

因此,本工程中采用日本小松公司生產的盾構機,該機在設計上采用了前鉸接的方式——前體與中體采用鉸接連接,推力千斤頂和中體連接。這種鉸接方式更有利于盾構姿態控制和掘進糾偏,在掘進過程中,操作司機根據線路情況(曲、直線及糾偏需要)調整好鉸接的行程差來控制盾構機前端姿態,采用推力油缸的行程差來控制好盾構機后端的姿態及盾尾間隙。也就是說在掘進過程中,一般在掘進開始時通過上一環管片拼裝讓推進油缸存在一定的行程差,在下一環的掘進過程中,逐漸削除行程差,來保證盾尾間隙,直至下一環推進結束拼裝開始時,盡量讓行程差減到最小。

一般通過計算可以得到理論的鉸接行程差和推進行程差兩個數據,在掘進的過程中盡量向這兩個參數上靠,以控制平面線路的姿態,縱斷面姿態可適當調整。

本工程中計算如下。

(1)原始數據

R=300 m；D=6 200 mm(管片外徑)；d=5 500 mm(管片內徑)；δ=37.2/2=18.6 mm(單面楔形量)；L盾構前體+中體=4 m;L盾尾=4.68 m;D推力千斤頂直徑=5 850 mm。

(2)轉彎環楔形角計算

θ=2×arctan(δ/D)=0.343 773 645 8°

(3)采用割線掘進時鉸接平面角的計算

180°-arccos(2.34/300)-arccos(2/300)=0.829°

(4)推力千斤頂的行程差計算

5 850×sinθ=35.1 mm

(5)結論

在掘進過程中,鉸接油缸平面角控制在0.829°,推力千斤頂的行程差控制在35.1 mm以內，即可完成300 mm小半徑曲線的掘進。

2.3 管片選型

管片選型與盾構機選型及掘進控制休戚相關。小半徑曲線段所選用管片最好為雙面楔形管片,最大楔形量一般為37.2 mm,采用縱向16組螺栓連接,管片的平面組合為1個轉彎環或2個轉彎環+1個標準環的組合方式來擬合線路(轉彎環擇1點或3點)。

2.4 掘進控制

(1)小半徑曲線段掘進,選派有豐富小半徑曲線段施工經驗的操作人員,從做好管片選型，拼好、貼好必要的楔貼，采取復擰緊方式改善螺栓孔處受力等幾方面入手,確保管片選型、拼裝、擰緊質量。

(2)臺車輪設轉軸,防止臺車掉道；設專人負責,防止皮帶跑偏。電瓶車適度緩行,加強、改進軌道鋪設線形及固定控制。

(3)選派經驗豐富的盾構機司機,在進入小半徑曲線段前進行模擬掘進,提前進入圓曲線操作狀態。

(4)在盾構機載電腦上安裝CAD軟件,利用CAD軟件進行曲線糾偏擬合,對線路的擬合起到預控作用。

(5)掘進過程中,合理設定行程差。盾構機司機在盾構進入小半徑曲線段時,根據線路情況(曲、直線及糾偏需要)調整好鉸接的行程差來控制盾構機前端的姿態,采用推力油缸的行程差來控制好盾構機后端的姿態及盾尾間隙。也就是說在掘進過程中,一般在掘進開始時通過上一環管片拼裝讓推進油缸存在一定的行程差,而在下一環的掘進過程中,逐漸削除行程差,來保證盾尾間隙,直至下一環推進結束拼裝開始時,盡量讓行程差減到最小，以確保小半徑曲線段的線路擬合。

(6)合理降低掘進速度,調節各分區千斤頂推力,必要時,可將水平偏角放寬到+10 mm/m,以加大盾構機的調向力度,同步調整控制左右油缸的油壓值和油缸行程,保證曲線內側處土倉壓力略小于外側。

(7)曲線段推進時,根據推進速度、出土量和地層變形的信息數據,及時調整各種施工參數,在較短的時間內將施工參數和注漿量調至最佳狀態。盾構機配備的超挖刀最大可超挖125 mm,最大超挖直徑達6 590 mm。

(8)加強對推進軸線的控制,勤測勤糾,每次糾偏量盡量小,確保管片的環面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內。同時加強線路的監測和人工符合測量,當線路出現偏移時,及時糾偏。

(9)在小半徑曲線段尤其要注重同步注漿及二次注漿的量及凝固時間控制,確保漿液飽滿,壓力適中,有效控制已成環管片的小位移偏移影響到設備小半徑擬合。

(10)曲線推進引起的地層損失及糾偏次數的增加導致了土體擾動的增加,小半徑曲線段推進時嚴格控制同步注漿漿液的質量和注漿壓力、注漿量,尤其需要適當增加外弧側的注漿量。必要時,采用壁后二次注漿。二次注漿時,根據測量及監測分析確定是否需要對外側增加適當的注漿量。

(11)加強盾構操作人員的技術培訓,力求操作精細、標準。

(12)重視測量的重要性,首先在小半徑曲線段加密導線復測；其次對盾構機姿態采用機載測量系統與人工測量相結合,相互對照、符合；最后將對管片實際位置的人工測量由5環/次加密至每2～3環/次。

2.5 后期通過吊裝孔打錨桿或注漿加固

主要針對富水的黏土、粉質黏土、粉土、粉細砂等軟土地層。

(1)錨桿或注漿加固施工

盾構設備通過后,由于開挖直徑與管片外徑亦即成洞直徑之間有7 cm(單側、日本小松盾構機)的空隙,盡管通過同步注漿在一定程度上可以彌補由于該地層缺失造成的圍巖松動或地層應力重分布,但是并不能完全阻止小半徑曲線段管片的輕微位移趨勢,進而造成線路的微偏移。

經研究分析,通過將位于每一塊管片上的吊裝孔打通,進行注漿錨桿打設或直接注漿(圖2),單根注漿錨桿長度控制在隧道半徑長度即3.1 m左右,所注漿液采用具有凝固速度快、適合于富水地層的雙液漿,注漿后固結體與錨桿形成整體,對小半徑曲線段管片的位移具有高效的抑制、阻滯作用。

圖2 管片外側注漿錨桿示意(單位：mm)

圖3 吊裝孔在管片中橫斷面示意(單位：mm)

(2)吊裝孔的封堵

吊裝孔(圖3)打通注漿后,需要及時、嚴格封堵,以免形成新的地下水滲水通道。

注漿或打設錨桿后,吊裝孔的封堵通過注漿管蓋、注漿管蓋密封圈及注漿管密封圈實現。構造見圖4。

圖4 吊裝孔封堵細部構造示意(單位：mm)

上述為通過打設注漿錨桿來加固隧道洞身,是一種在軟土地層中施工雖然較為復雜,但加固效果較好的方法。也可僅通過注漿而不打設錨桿來實現,則該施工類似于二次注漿,不同點在于通過注漿管實現柱狀加固體防止隧道洞身管片發生偏移,對其起到阻滯的作用。

2.6 對承壓水的處理

華東地區在軌道交通施工時,局部地段分布有承壓水或者微承壓水,對盾構施工影響很大,是目前城市軌道交通施工中較難處理的問題之一。其處理方式主要有以下3種。

(1)渣土改良

通過加注聚合物添加劑,改良土倉內泥漿體,形成黏聚力較強的漿體,可有效防止螺旋輸送機口發生噴涌。

(2)盾尾注漿

盾尾密封是關鍵環節,在有承壓水地段采取在盾尾注雙液漿,雙液漿通過現場試驗確定配合比,每五環通過注雙液漿打一道封閉的止水環,降低承壓水的側向壓力。

(3)通過吊裝孔注漿封閉

必要時,打通吊裝孔進行雙液注漿,阻止及降低承壓水對盾尾的浸壓。

3 結語

華東地區城市軌道交通盾構施工地質環境為典型的南方軟土地層,以黏土、粉細砂、粉質黏土為主,地下水豐富,多有承壓水影響。在該地質條件下的小半徑曲線段施工,對施工設計、施工人員、機械設備、技術水平等均是重大考驗。通過加強施工準備、設備及管片選型、掘進過程中技術控制、后期通過吊裝孔打設錨桿或注漿加固等多方面控制,從始至終確保小半徑曲線段線路不發生明顯偏移，為后續類似工程中設備選型、技術準備及措施的制定具有一定的借鑒作用。

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