關于盾構小半徑轉彎施工技術的研究

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

天津地鐵2號線3合同施工段芥園西道站—咸陽路站區間盾構推進工程，采用2 臺盾構機從咸陽路站西端頭井始發，沿黃河道向西推進至芥園西道站東端頭井接收。左、右線共1 868 環，里程為DK4+245～DK5+371.843。盾構隧道分別在左線里程DK5+102.226～DK4+836.233和右線里程DK5+108.218～DK4+836.225處需進行半徑450 m的右轉彎施工。盾構在小半徑轉彎隧道施工中，盾構機姿態及管片成型質量的控制較為困難，一但控制不力，會影響地面沉降的控制和隧道防水質量。

該區間轉彎段隧道中心標高為－12.84～－13.79 m，盾構掘進施工所在土層為：④1粉質黏土、④2粉土層、⑤1粉質黏土層、⑥1粉質黏土層，⑥2粉土層。其中主要為⑥1粉質黏土層，內摩擦角19.5°，標貫為12.4 擊，土層情況良好，對轉彎影響較小。

2 難點分析

（a）盾構機本身為直線形剛體，不能與曲線完全擬合，曲線半徑越小則糾偏量越大，軸線就越難于控制，而可用于姿態調整的千斤頂推力調整量很小，這就更加大了隧道軸線控制和糾偏的難度。

（b）在小半徑曲線隧道中盾構機每掘進一環，由于管片端面與該處軸線產生夾角，在千斤頂的推力作用下產生一個水平分力，使管環脫出盾尾后，受到側向分力的影響而向曲線外側偏移。

（c）由于盾構機處于糾偏狀態，不可避免會有超挖現象，且對土體的擾動也大，易造成長時間的后期沉降。

（d）由于管片的特殊受力狀態，管片與管片之間存在斜向應力，使得前方管片內側角和后方管片外側角形成2個薄弱點，使得相當多的管片因此破裂。還有一個破裂原因是，相鄰兩環管片產生了相對位移，使得管片螺栓對其附近處的混凝土產生剪切作用，使該處的混凝土開裂。

3 施工技術措施[1-4]

3.1 隧道軸線控制

（a）合理使用超挖刀：盾構轉彎時通過的孔洞不是圓形，而是在原來的圓洞基礎上兩邊擴挖而形成的橢圓形，超挖刀的設置正好滿足了這個增大凈空的要求。本工程中，在轉彎姿態不能達到預期時，在右側適當開啟了超挖刀，超挖量為2～3 cm。

（b）軸線控制有提前量：軸線控制有3 個方面，即設計軸線、盾構機姿態、管片姿態。管片姿態應跟著設計軸線、盾構機姿態應跟著管片姿態。因此，盾構機在進入圓曲線段前，根據線路走向趨勢，提早對管片貼片，使盾構機提前進入相應的預備姿態，減少后期因不良姿態引起的糾偏。

（c）掌握好左右千斤頂的推力差，盡量減小整體推力和左右推力差，實現慢速急轉。

（d）提高盾構機姿態測量頻率為2 次/環。

（e）盾構機小曲率半徑轉彎時，測量吊籃制作較頻繁，吊籃也容易發生偏移，所以每制作一次吊籃，都根據甲供控制點進行聯測，確保測量精度。

（f）考慮到盾構機在小半徑曲線段掘進，盾構機與隧道軸線始終存在一個夾角，導致盾構千斤頂對盾尾后的隧道存在一個向曲線外側的推力。因此，盾構糾偏控制考慮預先將軸線向軸線內側偏離20 mm，以防止隧道外移引起軸線超標，同時控制切口較盾尾多偏移10 mm以保證盾構機姿態。以此為基準，將波動幅度控制在10 mm以內，即盾構切口偏離值控制在+20～+40 mm范圍內，盾尾偏離值控制在+10～+30 mm范圍內。

3.2 分段糾偏

本工程在小半徑曲線段采取分段糾偏的方式，將每環隧道的掘進分為12 小段，每段掘進長度100 mm，根據設計軸線的線形事先確定每小段掘進的糾偏量和千斤頂行程差作為掘進施工時糾偏的控制值。實際施工時每推進一小段，測量一次千斤頂行程差，根據需要測量盾構的姿態，并根據測量數據與控制值的對比，在發生偏離時及時采取調整盾構區域油壓等措施對千斤頂行程差、盾構姿態進行調整。

3.2.1 糾偏量計算

在進行糾偏量計算時，假定盾構后部的已拼裝管片兩端面中心始終位于設計軸線上且管片端面始終垂直于設計軸線。實際施工中盾構機姿態較設計預偏了20 mm，相比450 m轉彎半徑較小，可忽略不計。

因千斤頂靴板在盾構掘進過程中始終緊貼盾構后部已完成隧道的前端面，也可合理假定千斤頂靴板斷面處盾構始終與設計軸線重合，因此，盾構推進在小半徑曲線段進行擬合糾偏實際上就是調整區域油壓的分布，使盾構繞千斤頂靴板截面處設計軸線中心轉動的過程。根據以上分析，影響盾構在小半徑曲線段掘進對設計軸線擬合效果及地層損失率控制效果的主要因素，就是擬合糾偏過程中盾構軸線方向與設計軸線之間的相對位置關系。在擬合糾偏過程中使盾構切口中心始終位于設計軸線上，即始終使盾構切口中心和千斤頂靴板斷面處中心連線（前方中心線）位于設計軸線的割線位置，隧道對設計軸線的擬合效果最好且超挖量最小。

3.2.2 盾尾偏離值計算與盾尾間隙復核

盾構在掘進時其切口應始終位于設計軸線上，因此，在對設計軸線擬合過程中，切口水平方向的偏離值的理論控制值始終為0。因擬合糾偏始終保持千斤頂靴板斷面中心和切口中心連線位于設計軸線的割線上，因此盾尾存在一定量的向曲線外側的偏離值，這個偏離值可根據盾構軸線與設計軸線在千斤頂靴板中心處切線之間的夾角計算。

由于盾尾間隙的限制，盾構糾偏幅度過大會造成盾尾沒有間隙，造成管片拼裝錯臺、錯縫甚至管片破碎等質量問題，故盾構糾偏過程中盾尾保留一定量的間隙。因此，對擬合糾偏的理論計算還必須對盾尾間隙值進行復核。在對設計軸線的擬合糾偏時，盾尾間隙的變小是由于盾構軸線與已拼裝管片之間存在的夾角造成盾尾向曲線外側偏離造成的，故盾尾間隙的變小量與盾尾偏離量相同，此時盾尾間隙的最小值應為盾尾間隙的標準值減去盾尾偏離量。

3.3 成型管片偏移控制

（a）進入緩和曲線段時，將盾構機姿態往曲線內側（靠圓心側）偏移20 mm左右，形成反向預偏移，這樣可以抵消之后管片往曲線外側（背圓心側）的偏移。

（b）減小千斤頂推力：在小半徑圓曲線掘進的過程中，對土體的擾動會顯著降低外圍土體的強度及自穩能力，土體具有蠕變特性，且水平方向壓力不均，管片在長時間承受千斤頂水平分力的情況下，會向外側整體移動。

（c）在管片偏移的方向進行二次補注漿，增加外側土體強度以抵抗管片的偏移，待漿液凝固后，管片位置基本已經確定下來。

（d）加強螺栓的復緊工作，有效地增加隧道的整體剛度，以抵抗成型隧道的整體偏移。

3.4 減小對地層的擾動、避免較大沉降

（a）嚴格控制好姿態，爭取進行及時的細微糾偏、避免大的糾偏而造成對土體的擾動。

（b）盾構機在掘進時，總是在走蛇形線路，難免出現姿態偏差，蛇形修正以長距離慢慢修正為原則，根據盾構機姿態測量結果及地層的軟硬分布情況，及時調整各分區千斤頂的推力及推進速度。

（c）盾構推進糾偏量越小，則對土體的擾動越小。施工中及時調整盾構機姿態，多次小幅糾偏，并將盾構姿態控制在垂直方向－30～－40 mm之間，水平方向圓曲線內側20 mm（盾尾）左右。

（d）及時跟進同步注漿與二次注漿，將管片與土體間的空隙填充密實，達到穩固管片和減少地表沉降的效果。由于盾構機轉彎時不可避免會出現超挖現象，每環同步注漿量較正常增加15%。二次注漿根據地表監測進行。

（e）減小推力和掘進速度，速度控制在3 cm/min以內，同時根據地面監測情況合理調整土壓力設定值。

管片拼裝質量控制方法：

（a）施工過程中通過小幅貼片糾偏的方式，保持良好的盾構間隙，使左側間隙始終微大于右側約5 mm，避免管片姿態跟不上盾構機姿態，而造成管片外弧面被盾尾鋼板拉碎。

（b）合理控制千斤頂推力，盡量不要太大，尤其是曲線外側（背圓心側）千斤頂。要注意管片的承受能力，避免由推力過大造成的管片碎裂，必要時采取正環貼片1 mm的緩沖措施，以保護管片。

（c）由于曲線外側千斤頂推力較大，尤其要注意不要突然加力或者突然釋放推力，這樣也會造成管片的碎裂。

4 結語

根據盾構施工期間及后期測量數據顯示，轉彎段管片成型姿態，施工期間較設計偏差在－16～+48 mm之間；后期復測（施工完成后1個月）較設計偏差在－32～+37 mm之間。管片破碎量為6 處，基本為頂部小角拼裝破碎，避免了由于左側千斤頂受力過大可能引起的大面積破碎，符合預期控制目標。盾構在小半徑轉彎施工中對隧道成型質量的控制和環境保護是一個系統的過程。總結本次施工，分段糾偏量、盾構姿態及管片預偏量的預先精細設計，施工中貼片技術的運用和土壓力、注漿量等的合理設定是本次小半徑施工達到預期目標的關鍵點，也為以后類似工況下的盾構施工提供一些參考。