小半徑淺埋大坡度隧道盾構掘進施工控制技術研究

□文/邸迎濤 賈 寧

1 工程概況

鄭州地鐵4號線工程某盾構區間左線長1 034.828 m、右線長1 065.176 m；設置3 處平曲線，最小半徑為251 m，雙線間距13 m；線路的最大坡度33.14‰、最小坡度4‰；隧道頂的最小埋深約5.5 m、最大埋深12.5 m。區間斷面外徑6.2 m、內徑5.5 m，盾構始發后3.0 m開始進曲線段掘進。

區間位于鄭州市東南部，地勢略有起伏，地面標高在100.30～110.8 m，地貌單元屬于黃河沖積一級階地風積砂丘（A1區），盾構區間洞身主要穿越地層下部為細砂層、上部為粉質黏土層。工程選擇適合在細砂層、粉質黏土層中掘進的土壓平衡盾構機，盾構機主體包括切口環、支撐環、刀盤、尾盾、螺旋機，后配套設備由1#～6#拖車、連接橋組成。

2 掘進過程中的難點

1）淺覆土始發盾構機姿態控制。常規盾構始發是垂直進洞，但本工程始發段隧道頂最小埋深約5.5 m，盾構機在始發架及加固區內姿態調整困難。經模擬分析，如采取垂直進洞（切線始發）方式，盾構掘進將會產生較大的偏差：盾構機刀盤進入洞門3 m，水平產生3.6 cm的偏差；刀盤進入洞門6 m，水平產生14.4 cm的偏差；刀盤進入洞門9 m，此時刀盤處于端頭井加固體外邊緣，水平產生32.4 cm 的偏差，已嚴重偏離設計軸線。見圖1。

圖1 切線始發模擬

2）小半徑、大坡度掘進盾構機糾偏。掘進過程中隧道的軸線控制難度較大，糾偏困難，區間曲線半徑最小為251 m，盾構設備自身為圓柱體、靈活性差，曲率越大糾偏量越大，掘進軸線難以控制。

3）盾構掘進過程中區間縱向坡度大。區間縱向坡度最大為33.14‰且是下坡，施工中運輸設備極易發生溜車、制動失靈、動力不足等情況。

4）成型隧道區間管片質量控制。由于坡度較大、半徑較小，盾構掘進糾偏困難[1]，極易發生過管片錯臺、破損并且隧道管片處于地下水以下，盾構掘進過程中易產生管片上浮。

3 技術控制措施

3.1 淺覆土始發盾構機姿態控制

采用割線始發，在始發架及加固體范圍內不進行姿態糾正，盾構機出加固體時，盾構姿態處于可控范圍。見圖2。

圖2 割線始發模擬

區間左線始發縱坡為33.14‰，管片按1.2 m/環計算，垂直方向每環產生39.8 mm 的偏差,若始發架垂直安放降低7 cm，即進洞垂直姿態控制在-7 cm，可確保盾構機進洞后能按照縱坡33.14‰掘進。

3.2 小半徑、大坡度掘進盾構機糾偏控制技術

3.2.1 掘進過程中隧道的軸線控制措施[2]

盾構機左右兩側油缸形成較大油缸差，才能完成轉彎掘進。掘進時上下、左右兩側的千斤頂行程差與計劃曲線相吻合方可保證每環的行程差滿足糾偏要求。

小半徑盾構掘進對鉸接裝備、仿形刀要求高，始發前繪制好管片拼裝點位圖，編排好管片理論排環表；做好拼裝負環管片超前量控制，調試好鉸接裝置和仿形刀；掘進過程中開啟盾構鉸接裝置，開啟仿形刀進行超挖。根據設計的曲線半徑及盾構設備的直徑計算設備鉸接角度，使盾構設備前后盾體的張角與曲線吻合。縱向坡度最大為33.14‰且為下坡段，盾構主機重心位于盾構前部，下坡掘進容易栽頭，姿態控制困難，為保證盾構機垂直姿態，控制好上下油缸產生推力差，以防止發生栽頭。管片上浮的原因主要為盾構千斤頂向上的分力與同步注漿漿液的浮力共同作用，為保證盾構設備不發生栽頭，盡量降低千斤頂上下部推力差值。在大坡度掘進時，適當的增加隧道測量頻率以確保盾構掘進數據的準確性并指導盾構設備的推進及糾偏。必要時及時跟蹤測量，使盾構設備保持良好的掘進姿態。因隧道圓曲率大半徑小，內部的通視條件較差，須多次設置新的測量點和后視點并進行復測，防止出現誤測情況。因盾構設備轉彎時側向分力相對較大，可能會出現成型隧道水平位移，須定期復測后視點。掘進時姿態的測量包括線路中線水平的偏離、高程的偏離、橫向旋轉、縱向坡度、切口的里程，各項的測量誤差應滿足表1要求。

表1 測量誤差

將盾構設備中心軸線的前進方向設置為X軸、垂直于中心軸線的方向設置為Y軸、高程的方向設置為Z軸，坐標圓點為刀盤的中心。將測量前點設置在刀盤后的固定螺桿，以檢測盾構姿態，在盾構主機支架上利用激光站支架置鏡設一支導線點，然后利用置鏡支導線點后視激光站導線點分別測出A、B、C三點的大地坐標。根據A、B、C三點與O1O坐標軸的固定關系以及A、B、C三點的實測坐標，計算出O1O的實際位置和盾構刀盤的中心O點坐標，然后根據O點的實測坐標確定盾構前后參考點的俯仰情況和實際里程，依據A、C兩點的實際高差和理論高差推算出盾構設備的具體旋轉情況，根據實測的盾構姿態調整盾構注漿壓力和千斤頂推力，對盾構進行糾偏，確保盾構到達預定位置。見圖3。

圖3 盾構姿態測量

3.2.2 掘進過程中區間縱向大坡度控制技術[3]

施工前調研運輸設備是否滿足大坡度制動系統并在運行前調試設備、制動作業并增加運漿車、管片車的制動系統。強化水平運輸設備之間連接件的強度，防止斷裂導致事故發生，盡量采用多種制動方式相結合，發生溜車時能在安全距離內有效制動。

1）采用大牽引力的牽引車頭。按最大坡度計算，三節渣土車、一節漿車及兩節管片車的編組進行組列，采用40 t牽引車頭可滿足粘結力的要求，為確保安全，車頭采用60 t牽引車頭。

2）強化組列的電瓶車制動系統。改造電瓶車組列的制動系統，同時增加管片和砂漿運輸車的制動系統，對電瓶車、渣土運輸車的制動系統進行加強。

3）減少電瓶車組列渣土車數量，降低組列重量。因坡度較大，電瓶車牽引及制動均受到極大考驗，須合理組織施工，降低每組列車的渣土車數量。

4）設置阻軌器及防撞梁。在盾構后配套臺車前、中、后位置安裝3道阻軌器，將防撞梁設置在1號拖車前部，可有效避免電瓶車溜車時與盾構機頭激烈碰撞帶來的安全事故。

3.3 成型隧道區間管片質量控制技術

3.3.1 掘進過程中控制管片錯臺、破損技術[4]

掘進過程中水平分力造成隧道管片的襯砌軸線向圓曲線外側偏移。因為管片端面與該處軸線在小半徑曲線隧道中存在夾角，另外在盾構千斤頂推力產生水平分力的作用下，隧道管片在脫出盾構設備盾尾后由于受側向的分力作用下而向曲線外側進行偏移，在水平力的作用下管片之間發生水平偏移而產生錯臺。由于隧道管片之間存在著斜向應力，使得隧道前后管片的內外側角形成了薄弱點，此外相鄰管片產生的相對位移使管片螺栓對其周邊混凝土產生剪切，導致混凝土開裂；因此在盾構掘進時，盡量減少油缸特別是外側油缸推力。由靠左右兩側油缸推力差實現盾構機的轉彎，但須注意管片的承受能力，避免突然增加或釋放推力，選擇經驗豐富的拼裝手拼裝管片，避免由于拼裝不達標而產生管片錯臺；拼裝完成后及時連接螺栓防止發生錯臺。盾構復推后保持良好的盾尾間隙，避免盾尾鋼環破壞管片，盡量使油缸撐靴完全作用于管片上，避免應力集中破壞管片。見圖4。

圖4 斜向受力導致轉彎處隧道管片破損

3.3.2 掘進過程中控制管片上浮技術控制[5]

區間隧道位于粉質黏土、細砂層中，土層自穩能力差，管片上浮主要是受盾構機油缸向上的分力與同步注漿漿液的浮力共同作用所致，可采取如下措施防止管片上浮。

1）為防止隧道管片受力不均，嚴格控制盾構設備掘進推力。盾構掘進推力由20組推進油缸提供，推進時，嚴格控制油缸推力，保證管片左右受力均勻；因盾構機的自重較大并且頂部油缸的推力小于底部油缸的推力，這就要求盾構掘進過程中盡量調整好上下油缸的推力，以盡可能降低上下油缸的推力差。

2）選擇快速凝結的水泥砂漿。使用速凝水泥砂漿進行同步注漿，可及時有效填充管片背后間隙，保證注漿的同步性、均勻性，按總方量計算，每100 mm需注入33～40個沖程量，上部兩個注漿管的注漿量不低于總注漿量的3/4，以保證管片的穩定，防止管片破損、錯臺、上浮等。

3）適當調整盾構機的姿態。根據監測結果及時調整盾構機的姿態，管片姿態上浮較大時要及時調整盾構機姿態，可調低到-30～-50 mm，管片盡量安裝在盾尾中間，為保證隧道成型質量應預留管片的上浮量。

4 效果

掘進過程中，嚴格按照上述多項措施實施，圓滿完成了掘進，成型隧道的軸線控制、管片錯臺及破損均符合表2要求。

表2 成型隧道質量統計

5 結語

從盾構機選型、拼裝點位排布到現場施工，總結掘進參數，根據盾構施工技術，小半徑淺埋大坡度隧道盾構始發掘進時，應做好盾構機選型及管片拼裝排布工作；施工過程中加強監測，動態化管理，及時優化掘進參數；盾構姿態糾偏時，做好“勤糾、微糾”，嚴禁“猛糾”；及時進行同步注漿、二次注漿，控制地表沉降。