小半徑圓曲線隧道盾構施工技術研究與運用

周 舟

(廣州軌道交通建設監理有限公司 廣州 510010)

隨著城市軌道交通工程建設進程的加快，盾構法隧道施工技術得以普及運用，在線路的選擇上，由于受規劃、建(構)筑物等制約，軌道交通線形越來越復雜。小半徑曲線的隧道線形雖不屬于良好，但在運用上將不可避免。小半徑曲線隧道的盾構法施工技術與常規盾構法施工技術相比，具有一定的特殊性和復雜性，研究小半徑曲線隧道的盾構法施工技術，相信對以后類似工程施工具有一定的借鑒作用。

1 小半徑曲線隧道盾構施工難點分析

1.1 小半徑曲線隧道線形較難控制

由于盾構機本身為直線形剛體，圓曲線段掘進只能形成一段段連續的折線來擬合圓曲線。為了使盾構隧道軸線與設計軸線相吻合，掘進過程中需要進行連續糾偏。圓曲線半徑越小，擬合難度越大，掘進單位距離的糾偏量也越大，糾偏精確度越低，隧道軸線因此較難控制。

1.2 管片出現破損、開裂、錯臺等質量問題

在小半徑圓曲線段隧道掘進時，需要使用不等的推進千斤頂分區油壓來實現盾構機沿設計軸線掘進。盾構推進千斤頂各分區的壓力差導致管片受力不均，管片會往推力大的一側(圓曲線外側)偏移，千斤頂對盾構管片會產生往圓曲線外側的反作用力，使管片承受三向(縱向、橫向和環向)的不均勻作用力，出現破損、開裂、錯臺等質量問題。

1.3 對土體擾動的增加易發生較大沉降量

小半徑曲線隧道的施工與直線段施工相比，除直線段隧道施工原有的地層變形因素外，還將增加3個因素的影響。

1)由于沿小半徑曲線掘進，盾構機處于糾偏狀態，實際掘進面為一橢圓形，實際挖掘量超出理論挖掘量。

2)在采用適當技術和正常施工條件下，小半徑曲線掘進將增加地層損失，地層損失達0.5% ～1%8L2πR/(R+RC)(L為盾構長度，R盾構外半徑，RC盾構掘進曲線半徑)。

3)糾偏量較大，對土體的擾動亦大，容易造成較長時間的后期沉降。

1.4 測量工作難度大

由于隧道轉彎半徑小，圓曲線段測量通視范圍縮小，使得自動導向系統移站頻率加快，次數增加。硬巖中掘進同步注漿質量難以保證，二次補注漿前管片背后空隙率較高，盾構機連續糾偏，管片受振動容易發生移位，且在縱向不均力作用下管片會在一定推進距離內產生較大水平偏移，這都將導致自動測量系統測站坐標發生變化而出現測量偏差，誤導掘進。

2 工程實例

2.1 工程概況

廣州地鐵某項目隧道工程由3段盾構區間組成，左右線隧道總長3.898 km，采用兩臺φ6340三菱土壓平衡盾構機施工。整個工程左右線共包含12段曲線段隧道，其中圓曲線半徑R≤300 m的共9段，最小半徑R=250 m。

隧道采用預制裝配式鋼筋混凝土管片，管片內、外直徑分別為5.5 m和6.2 m，管片厚度350 mm，混凝土設計強度C50，隧道管片采用錯縫方式拼裝。

2.2 工程地質及地面情況

本工程所有圓曲線段隧道埋深均在15.8～24.6 m之間，隧道洞身穿越的地層大部分為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，局部穿越泥質粉砂巖強風化帶。

本工程隧道沿線地面建筑物大部分為年代久遠的中低層房屋，圓曲線段隧道上方亦多為路面及中低層樓房。需要注意的是，需進行樁基托換施工的B110、B112和A118也位于圓曲線段隧道上方，R=250 m圓曲線段隧道從高架橋66#～68#橋墩間穿過。各小半徑圓曲線隧道的具體參數見表1。

表1 各小半徑圓曲線隧道的具體參數

2.3 主要施工技術措施

2.3.1 解決軸線難控制的技術措施

為了控制好小半徑曲線隧道的施工軸線，需要提高盾構機的糾偏靈敏度，而要提高盾構機的靈敏度，最有效的措施是縮短盾構機頭的長度。在盾構機的中部增加鉸接裝置，可以使得盾構機的前筒、后筒與曲線趨于吻合，預先推出弧線態勢，為管片提供良好的拼裝空間。

圖1所示為盾構機掘進形態的兩種模式。進行曲線施工時，彎道內側如要充分超挖，在幾何學上以對象曲線的中心為O(曲線中心，圖中未顯示)的情況下，OA＞Max(OG，OH，OD)的關系如能得到滿足，盾構機便可以掘進。這相當于模式a見圖1(a)。這種情況，屬于鉸接角度θ不足，土體超挖量δ過多，盾構機后端的外側點D和土體之間有縫隙，超挖量一旦增大，就會有盾構機位置不穩定的傾向。

模式 b(見圖1(b))，OA=Max(OG，OH，OD)的情況下，最適合鉸接狀態中的刀盤前部外端(A點)和前筒后端(G點)、后筒后端(D點)，其中任意一點在同一圓弧上，其余二點在此圓弧之內。此時的鉸接角度稱為界限鉸接角度θcr，如果能給出曲線半徑和盾構機的尺寸，便可計算出θcr。作為盾構機的構造，全部用此θcr值進行鉸接的話，是最為理想的。此時，盾構機的外側全體都接觸到土體，施工上最為穩定，并且超挖量δ為最小值。

圖1 曲線段盾構機掘進模式

在本工程中選用了帶有鉸接裝置的三菱土壓平衡式盾構機，該機頭部長度約為8625 mm，鉸接處離刀盤端面的長度為4900 mm，水平張角 ±1.5°，垂直張角 ±0.5°。該機設計定位的隧道最小半徑為200 m，但利用盾構的鉸接裝置，輔以仿形刀的使用，能夠完成出洞處緩和曲線段最小半徑為178 m的隧道施工任務。

2.3.2 解決盾構機推力不等、管片水平姿態容易超限的技術措施

2.3.2.1 控制盾構機推進千斤頂分區壓力差及行程差

為了減少由于盾構機推力不均造成管片軸線及質量問題，在施工過程中，嚴格控制盾構機左右千斤頂壓力差，使之不得超過2 MPa，上下千斤頂壓力差不得超過5 MPa，行程差不超過30 mm。

2.3.2.2 選用小管片，減小總推力

小半徑曲線隧道中掘進，管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產生一定的角度θ(見圖2)，在千斤頂的推力下產生一個側向分力。管片出盾尾后，由于受到側向分力的影響，管片也會向圓弧外側偏移。

側向分力計算:

圖2 側向分力示意圖

式中:F總為盾構千斤頂作用力;F縱為垂直于管片環面的反作用力;F側為平行于管片環面的側向反作用力;RC為圓曲線半徑;D為管片外徑;L為管片寬度。

由此可以看出，當RC和D一定時，L越小、F總越小，則F側越小。因此本工程中，直線段采用1.5 m管片，而在R≤320 m的圓曲線段及其附近緩和曲線段均采用1.2 m管片，曲線段掘進時總推力控制在5000～6000 kN。同時，為了保證工程質量，在特殊情況下，可采用最大轉彎效果的3、9點位通縫拼裝(但不允許超過三環連續通縫)。

2.3.2.3 曲線段盾構機走向預偏

為了控制隧道軸線最終偏差在規范要求的范圍內，盾構掘進時，考慮給隧道預留一定的偏移量。使盾構沿曲線的割線方向掘進，管片拼裝時軸線位于弧線的內側，使管片出盾尾后受側向分力向弧線外側偏移時留有預偏量，而預偏量的確定往往需依據理論計算和施工實踐經驗的綜合分析得出，同時需考慮掘進區域所處的地層情況。

本工程中，從曲線段前20環開始，至進入緩和曲線前，將盾構機水平姿態逐漸調至+30 mm;在緩和曲線段，至進入圓曲線前，將盾構機水平姿態逐漸調至+50 mm;在圓曲線段，盾構機水平姿態保持+50 mm掘進;過了圓曲線，進入緩和曲線段，盾構機水平姿態開始由+50 mm逐漸回調至+30 mm;過了緩和曲線，盾構機進入正常直線段掘進，盾構機姿態要逐漸調回－20 mm～+20 mm的正常范圍。

2.3.3 解決易發生較大沉降的技術措施

由難點分析可知，在小半徑曲線掘進中，由于盾構糾偏量大，造成土體超挖和擾動，易引起后期較大沉降。相應的解決對策為進行動態管理和信息化施工，控制好同步注漿的注漿時間及注漿量，視具體情況，必要時進行二次補漿。

2.3.3.1 盾尾同步注漿

在施工期間，隨著盾構掘進，脫出盾尾的管片與土體間出現建筑空隙，可通過設在盾尾的壓漿管予以同步充填漿液。

同步注漿壓注需結合施工情況、地質情況對壓漿數量和壓漿壓力做到二者兼顧。一般情況下，每環壓入量控制在建筑空隙的130% ～180%(要注意小半徑曲線隧道的注漿量要大于直線隧道注漿量)，注漿壓力約為0.3～0.5 MPa。為約束管片往外偏移的趨勢，注漿位置通常選擇在線路轉彎圓曲線外側，圓曲線內側可暫不注漿，但為了防止漿液回流堵塞注漿管，不注漿一側的注漿管也必須及時清洗。壓漿速度應與盾構掘進保持同步，即在盾構掘進的同時進行注漿，掘進停止后，注漿也相應停止。施工時，加強對盾構尾部地面的沉降監測，通過信息化施工，及時調整同步注漿量，確保地面不下沉。同步注漿漿液選用的配比見表2。

表2 同步注漿的漿液配比 kg

2.3.3.2 二次補充注漿

為減少地面后期沉降，解決硬巖中管片上浮等問題，在管片脫出盾尾5～6環后，通過管片注漿孔向管片外周進行二次注漿。

二次補充注漿方法為:每間隔5環管片，進行2環管片整環雙液注漿，以形成封閉止水環，再在兩道止水環之間取中間一環進行補充注砂漿，采用同步注漿用的水泥砂漿，注上部左右兩側各一個孔位。

雙液注漿配合比為:水泥漿液水灰比=0.8∶1(質量比);水玻璃溶液配比為水玻璃:水=1∶3或1∶1(體積比)，可根據施工實際調整;水泥漿液:水玻璃溶液=1∶1(體積比)。

注漿孔位置及順序為:若盾構機姿態較好，無出現管片上浮現象，雙液注漿先注圓曲線外側孔位(如9點位)，再順時針注其余孔位形成密封止水環;若盾構機豎直姿態往上偏離較多，且管片出現上浮現象，則從11點位置開始注漿，再順時針注其余孔位形成密封止水環;補充注砂漿先注圓曲線外側孔位，再注圓曲線內側孔位。

2.3.4 解決測量工作難的措施

小半徑圓曲線隧道掘進對測量工作的要求更加精確和細致，必須做到勤測量、勤分析，為隧道掘進提供準確的數據，切實做好盾構機的“眼睛”。

1)由于本圓曲線段隧道將使用1.2 m環寬的管片，管片由1.5 m環寬變為1.2 m環寬，自動導向系統的變化要研究清楚，并及時調整準確。

2)根據以往施工經驗并結合區間線路特點，在小半徑圓曲線隧道掘進過程中，每15～20環自動導向系統移站一次。每掘進10環，對后視棱鏡、測站和盾構機姿態進行人工復測。

3)為及時了解二次補充注砂漿對管片姿態的影響，在二次補漿后對補漿環片進行及時監測。

3 實施效果

在采取了前述的施工措施后，本盾構隧道區間的整條隧道軸線均控制在－50～50 mm范圍之內，地表沉降控制在－18～6 mm范圍內，各項指標都達到了優良的工程標準。

4 結語

1)在小半徑圓曲線隧道盾構法施工中，既有和一般隧道掘進相同的一面，又有其特殊性，因此要著重研究和控制有差異的一面。

2)小半徑曲線隧道盾構法施工中具有曲率大、半徑小、難控制的特點，要選擇好盾構機，在更小更嚴的幅度中進行各種參數優化。

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