盾構長距離小半徑穿越建（構）筑物控制措施研究

吳 朝

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433）

0 引言

隨著城市高速發展，人口增多，城市出行對城市軌道交通的需求也也來越高。在軌道交通建設中，盾構法施工由于其對沉降控制的優勢，其應用也越來越多。隨著工程的增多，工程所面臨的環境也越來越復雜，受到規劃及現有建筑物的制約，地鐵線路的線性越來越復雜，因此小半徑隧道的應用也是越來越多。小半徑隧道的施工和常規的盾構法施工相比還是存在著一定的特殊性，因此研究小曲率半徑盾構法隧道施工技術也就很有必要了。

決定小半徑曲線隧道掘進成敗的因素很多，有地層的關系、盾構機的選型、襯砌的拼裝、超挖量控制、背后注漿量及其它輔助工法的使用。其中關鍵因素就是掌握好小半徑曲線上的盾構掘進技術、管片拼裝技術、同步注漿技術以及地面沉降控制技術等[1-3]。

1 工程概況

上海市軌道交通5號線南延伸段某區間隧道長度為978.109 m，共816環（見圖1）。區間隧道頂部埋深為 4.9～15.7 m，平面最小曲線半徑為R=370 m，縱坡為“V”字坡，最大縱坡為26‰。區間隧道采用兩臺奧村土壓平衡盾構施工。

區間隧道穿越地層包括④淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤1ta黏質粉土夾粉質黏土、⑤1tb粉砂，穿越萬科樓盤地下車庫段部分土體部分進行了加固，地層軟硬不均（見表1）。地層含水量、強度、滲透系數、自立性不一，盾構掘進過程中容易出現開挖面穩定性差、盾尾滲漏、螺旋機發生噴涌、推進困難及地表沉降較難控制等問題。

2 盾構機優化選型

盾構區間隧道施工中，必須要根據地層、隧道軸線及周邊環境特點選擇合適的盾構設備，并根據需要對盾構機進行刀盤、刀具及其它方面的優化，這是保證區間隧道安全、順利的前提條件，同時也可以保證盾構在穿越建（構）筑物時減少對地層的擾動，減小沉降。

本區間隧道需要在加固地層中長距離推進，在此種地層中推進易出現推力及扭矩大、刀盤及刀具易磨損，軸線控制難度大的特點；在中間段還需要在具有微承壓水性質的砂性土層中推進，在此種地層中推進易出現推力及扭矩大、盾尾易出現涌水，隧道滲漏水控制難度大；且本區間隧道的最小半徑為R=370，在小半徑盾構隧道施工中易出現軸線控制難度大、管片易出現錯臺、破損等情況。根據本區間的特點，首先在盾構機的刀盤上加裝了12把貝殼刀，并選用其它耐磨性好的刀具。

2.1 鉸接系統

盾構機本體在曲線段上視為有一定長度的直線形體，曲線半徑越小，盾構機身越長，則盾構機的行走線路與隧道軸線擬合就越難，偏差越大。曲線段上的盾構掘進線路為連續折線，為了與隧道設計軸線更好的擬合，盾構推進過程中則需要連續糾偏，遵循勤糾、少糾的原則。因單次糾偏量越大，糾偏靈敏度就越低，軸線就越難控制，并且會影響到成環管片的質量。在曲線段上掘進時超挖刀與盾構鉸接裝置的使用就成為了控制特急曲線上隧道軸線的關鍵。

圖1 區間隧道平面布置圖

表1 區間隧道穿越主要建（構）筑物情況

盾構機通常分成前后兩個部分用千斤頂連接起來，形成一個鉸接裝置，此系統主要使盾構機安全、平穩，快速的進行姿態調整，對曲線段的掘進提供了保障。

考慮到本區間R=370 m小曲率半徑施工，盾構機選取了配備V型主動鉸接系統的兩臺奧村盾構機，鉸接油缸規格為2 500 kN×170 mm×35 MPa×12支，鉸接角度左右1.5°上下1°，可滿足最小半徑R250 m的曲線施工要求。

2.2 盾尾密封系統

盾尾密封系統是管片的外表面和盾構殼體的內表面之間的密封，可以防止水和砂土進入隧道（見圖2）。由于本區間所經土層滲透系數較大，盾尾內新裝三道盾尾刷，外側一道為鋼板刷，內側兩道為鋼絲刷。相間2道腔體內各布置8個油脂注入孔，增加流量和壓力傳感器，達到注入壓力和時間單獨控制，以滿足盾構在小半徑穿越建（構）筑物和在微承壓水層中掘進時盾尾區域性注入盾尾油脂的要求。

圖2 奧村盾構盾尾密封系統

3 盾構小半徑穿越建（構）筑物主要技術措施

3.1 盾構機推進參數設定

土壓力設定根據隧道中心埋深及土質情況，對穿越段土壓力計算值附加建筑物荷載，具體施工設定值根據盾構埋深、所在位置的土層狀況以及監測數據進行實時優化調整。施工過程中應根據地面及建筑物監測數據及時對土壓力設定值進行調整，確保地面環境及建筑物的安全和穩定。

由于本區間隧道盾構出加固區后即進入萬科地下車庫，因此沒有常規的試驗推進階段，如何合理的設定土壓力成為了確保穿越（建）構筑物的關鍵。由于地下車庫有樁基礎，且地下部分土體已進行加固，對沉降不靈敏，因此推進時應適當提高土壓力，使地下車庫微微隆起1～2 mm，同時應根據盾構及管片之間的建筑間隙及各土層特性合理控制出土量，出土量控制在98%～100%，并通過分析調整，尋找最合理的數值。

根據以往施工經驗，盾構推進速度對盾構周圍土體的變形及應力的變化有一定的影響。盾構穿越建（構）筑物期間，必須盡量減小盾構推進對周圍土體的擾動。因此必須控制合理地推進速度，使盾構勻速施工，減少盾構對土體的撓動，達到控制地面變形的目的。

在穿越過程中，盾構推進速度宜控制在20mm/min左右，盡量保持推進速度穩定，盡量減小土壓力的波動幅度，以便減少對周邊土體的擾動影響。

3.2 軸線控制

（1）盾構糾偏量的控制

盾構在小半徑段掘進時，盾構機的糾偏控制最為重要。盾構機在曲線掘進過程中實際是處于曲線的切線上，因此掘進的關鍵是如何對盾構的機頭部位的控制，由于曲線掘進盾構每環均在糾偏，因此應做到勤測勤糾，同時每次的糾偏量應盡量小，確保襯砌楔形塊的環面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內。從而達到有效地控制軸線和地層變形的目的。

盾構掘進前，針對每環的糾偏量，通過計算得出盾構機左右千斤頂的行程差，掘進過程中則通過利用盾構機千斤頂的行程差來控制當環的糾偏量。同時，結合分析管片的選型，針對不同的管片型號（直線段、左曲、右曲管片）則有不同的千斤頂行程差。

（2）盾構測量

盾構掘進的測量是保證隧道軸線的根本，在小曲率半徑段中盾構機的測量尤為重要。本區間盾構機配有自動測量系統，推進過程中可以通過測量數據及時調整盾構機的推進和糾偏，平面軸線偏差始終控制在±30 mm范圍內，盾構機姿態保持良好。

由于隧道轉彎曲率半徑小，隧道內的通視條件受限，因此必須多次設置新的測量點和后視點。設置新的測量點后，嚴格加以復測，確保測量點的準確性，防止造成誤測。同時，由于盾構機轉彎的側向分力較大，因此可能造成成環隧道的水平位移，所以必須定期復測后視點，保證其準確性。

（3）管片拼裝

小曲率半徑段內的管片拼裝至關重要，而影響管片拼裝質量的最關鍵問題是襯砌管片與盾尾間的間隙。均勻的周邊間隙可以更好的便于襯砌的安裝，同時也便于盾構機掘進時進行糾偏。

a.施工中，隨時關注盾尾與管片間的間隙，一旦發現單邊間隙偏小時，及時通過盾構推進方向進行調整，使得四周間隙基本相同。

b.在管片拼裝時，應根據盾尾與管片間的間隙進行合理調整，使管片與盾尾間隙得以調整，便于下環管片的拼裝，也便于在下環管片推進過程中盾構能夠有足夠的間隙進行糾偏。

c.小半徑段時當盾構機轉彎過快時，小半徑隧道外側的盾尾間隙就相對較小。當盾構機轉彎過慢，管片超前于盾構機轉彎時，小半徑隧道內側的盾尾間隙就相對較小。因此，當無法通過盾構推進和管片拼裝來調整盾尾間隙時，可通過增加曲線管片及加貼楔子來調整盾尾間隙。

3.3 地面沉降控制及環境保護

（1）盾構同步注漿

由于曲線段推進增加了曲線推進引起的地層損失量及糾偏次數的增加導致了對土體的擾動的增加，因此在曲線段推進時應嚴格控制漿液的質量及注漿量和注漿壓力。每推進一環的建筑空隙為：π（3.1752-3.12）×1.2=1.8 m（3盾構外徑：6 350 mm；管片外徑：6 200 mm），每環注漿量為建筑間隙的150%～200%，所以每環注漿量是2.7～3.6 m3。在施工過程中采用推進和注漿聯動的方式，注漿未達到要求時盾構暫停推進，以防止土體變形。根據施工中的變形監測情況，隨時調整注漿參數，從而有效控制地面沉降。

同時應嚴格控制漿液質量，確保漿液質量的穩定。不能隨意調整漿液的注入量，防止建（構）筑物出現不均勻沉降。

（2）二次注漿

由于設計軸線為小半徑的圓滑曲線，而盾構是一條直線，故在實際推進過程中，實際推進軸線為一段段折線，且曲線外側出土量大，這樣就會造成曲線外側土體的損失，因此在曲線段推進過程中在進行同步注漿的工程中必須加強對曲線段外側的壓漿量，以填補施工空隙。當沉降監測數值接近報警值時，進行二次注漿作業，二次注漿漿液選定為雙液漿。注漿量、注漿孔位和注漿次數根據地面及建筑物沉降監測數據的情況，及時進行調整，直至建筑物沉降穩定。

（3）沉降監測

建（構）筑物沉降變形監測除常規地表沉降監測外一般還包括：沉降監測、傾斜監測和裂縫觀測。

a.沉降測點：將L型測釘打入或埋入近地面的建筑結構體內，測釘頭部磨成凸球型。測釘與建筑結構間不允許有松動。對于沉降變形控制要求較高的，盾構穿越時在建筑物的外墻角、門窗邊角等突出部位增設沉降觀測點。

b.傾斜測點：建（構）筑物傾斜量值是判別建（構）筑物是否安全的基本控制量。

c.裂縫觀測：在施工前對隧道沿線建（構）筑物巡視、觀察，若發現先天裂縫，應進行編號記錄，通過裂縫觀測儀測讀裂縫的后期寬度變化，并拍照存檔。對比盾構穿越前后裂縫變化情況。

d.應根據建（構）筑物的監測情況，及時調整監測頻率，同時應及時的將地面監測情況及時通知有關各方，及時調整施工參數。

4 結語

本盾構區間隧道在地質情況復雜、小半徑的情況下長距離下穿建（構）筑物，施工風險較高。施工前根據地層和建（構）筑物沉降的特點采取針對性措施，并有針對性的進行盾構機優化及選型；在施工過程中及時根據施工監測，及時調整施工參數，科學合理配置盾構掘進參數，控制出土量、加強注漿量和注漿壓力控制等施工措施控制，這些都是確保盾構成功穿越建（構）筑物的關鍵，同時也確保了建（構）物安全。

本工程的成功穿越經驗，也為后續其它類似的穿越施工提供借鑒。

[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2]張鳳祥,傅德明,等.構隧道施工手冊[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].陜西西安:陜西科學技術出版社,1997.