小半徑曲線隧道盾構施工始發技術

黃志堂 張燕明 周偉 鄭子源 吳迪

摘 要：盾構進出洞施工為盾構隧道施工的關鍵，也是盾構施工的重難點。小半徑、大縱坡、淺覆土盾構始發的情況更加大了盾構始發的技術難度，如何采取安全可靠的技術措施以保證盾構始發的施工質量，是需要研究的關鍵課題。本文以工程實例作為研究對象，通過端頭加固、割線始發、堆載反壓和洞門密封等技術，有效解決了盾構始發存在的管片上浮、隧道滲漏水、地表沉降隆起大、管片姿態偏移超限和隧道成型效果難以控制等問題，既保證了施工過程的順利進行，也保證了隧道的成型質量，對今后類似工程施工具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：小半徑曲線;淺覆土;端頭加固;割線始發：洞門密封

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0111-03

Starting Technique of Shield Tunneling in Curved Tunnel with Small Radius

HUANG Zhitang1 ZHANG Yanming1 ZHOU Wei1 ZHENG Ziyuan1 WU Di2

Abstract： Shield tunneling in and out of the tunnel is the key to shield tunnel construction， but also the key point of shield construction.The initiation of shield with small radius， large longitudinal slope and shallow covering soil makes it more difficult for shield to start. How to adopt safe and reliable technical measures to ensure the construction quality of shield is a key subject that needs to be studied. In this paper， the engineering example was taken as the research object. Through the technology of end reinforcement， secant initiation， surcharge backpressure and tunnel door sealing， the problems of segment floating， tunnel leakage， large surface settlement uplift， excessive segment attitude deviation and difficult control of tunnel forming effect were effectively solved. This not only guarantees the smooth progress of the construction process， but also guarantees the quality of tunnel formation， which has important reference significance for similar projects in the future.

Keywords： small radius curve;shallow overburden soil;end reinforcement;slitting start;portal seal

自2009年鄭州市開始規劃建設城市軌道交通項目以來，鄭州市已有四條地鐵線路建成并投入運營，且仍有其他數條線路在加緊建設當中。地鐵線路由于大都建設在市區，而市區的地下情況又較為復雜，因此，出現了許多小半徑、大縱坡、淺覆土的隧道，大大增加了地鐵線路規劃和建設的難度。同時，盾構始發技術又為盾構施工過程中的重要一環。本文就小半徑、大縱坡、淺覆土工況下的盾構始發技術進行研究，介紹了施工中的技術特點和存在的問題，并提出了問題的解決方案，以期為今后類似工程建設提供借鑒。

1 工程概況

鄭州市軌道交通3號線一期土建工程一工區賈魯河出入場線盾構區間起點為賈魯河出入場，終點為新柳路站盾構井[1]。出入場線起點里程為右（左）CR-K0+073.825，終點里程為左CR-K1+603.216，右CR-K1+590.150。左線長度1 526.379m，右線長度1 516.429m。其中左CR-K0+073.825～左CR-K1+206.767，右CR-K0+073.825～右CR-K1+198.368為盾構區間。左線盾構區間長度為1 132.942m，右線盾構區間長度為1 124.543m。出入場線區間左線始發段為豎向線型為32.386‰下坡，平面型為R305m，右線始發段為豎向線型33.284‰，平面線型R300m。左右線接收段均為直線型。賈魯河出入場線盾構區間總平面圖如圖1所示。

2 工程與水文地質概況

本場區的地層自上而下依次是人工填土層、第四系全新統沖洪積層、第四系上更新沖洪積層、第四系中更新統沖洪積層。場區沿線鄰近的地表水體主要為賈魯河，在本區段已被改造，河道經硬化，與地下水基本無水力聯系，地下水類型為潛水。地下水主要賦存于約30m以上粉土、粉砂、細砂層中。靜止穩定水位埋深9.2～9.8m，靜止穩定水位標高81.4～82.5m[2]。

3 工程難點

盾構機始發技術本就受到諸多因素影響，而小半徑大縱坡曲線的盾構始發容易出現管片姿態偏移超限，管片姿態與隧道成型效果難以控制，引起盾尾卡殼、管片破損和隧道滲漏水等情況;也會給地層造成更大的擾動，容易使土體的沉降和隆起更為嚴重，再加上淺覆土的工況影響，導致管片上下受力不均勻，容易上浮，并且造成地面塌陷，更不利于盾構的軸線控制[3]。

4 解決方案

4.1 端頭加固

盾構始發端頭井埋深約5m，覆土層較薄，且小半徑大縱坡盾構施工對地層擾動大，固本工程始發端頭井采用Φ850@600三軸攪拌樁+Φ800@500三重管高壓旋噴樁加固。靠近盾構井端頭攪拌樁與圍護接縫處采用1排Φ800@500三重管旋噴樁加固。加固前，應在加固區兩側各1m處布置備用降水井，降水井深度達到加固區底部以下5m，具體方案根據現場實際情況作降水專項方案。盾構開挖輪廓外3m范圍內土體確定為Φ850@600三軸攪拌樁，靠近盾構井端頭攪拌樁與圍護接縫處采用1排Φ800@500三重管旋噴樁加固以隔斷滲水通道。攪拌轉與旋噴樁施工前應根據地質情況進行試樁，確定施工參數。Φ850@600三軸攪拌樁水泥滲入量應在施工前根據地層類型進行滲入量的強度及其他參數的對比試驗，攪拌樁實樁水泥摻量建議值取20%，空樁水泥摻量建議值取7%，空轉范圍為盾構隧道輪廓頂部3m至地面高度;旋噴樁采用強度等級42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.2，且保證注漿壓力大于20MPa。為改善水泥漿液性能，根據水泥土特點，通過室內配比試驗或現場試驗，可加入適量的外加劑和摻和料。端頭井加固長度為8m，加固寬度為盾構隧道結構外邊線每側3m，豎向為盾構隧道結構外邊線上下各3m[4]。

4.2 割線始發

在小半徑曲線上始發，始發方向尤為重要。盾構始發方向有三種，即直線始發、切線始發和割線始發[5]。對于小半徑曲線隧道的始發方向，由于盾構機在始發托架和加固區內無法調節姿態，同時為保證反力架、始發托架以及負環管片的穩定，運用割線始發的方式最為合適。盾構機在進洞后的加固范圍內，只能沿直線方向推進，待盾構機推進10m推出加固區后再調整姿態。為了使盾構機進洞前10m的姿態偏差最小，滿足隧道的成型質量，為后續的盾構施工打下一個良好的基礎，本工程采用割線始發。以洞門中心作為原點畫一個半徑為10m的圓，將該圓與設計掘進線路的交點和洞門中心相連的線段作為割線始發的實際推進線路。以300m的曲線半徑為例，通過CAD軟件模擬可以得出：割線始發后，盾構機剛進洞時，計劃掘進線路和實際線路的偏差為零，繼續沿割線方向推進，兩者之間的偏差不斷增大，推出加固區時達到最大值41mm，即向設計方向內側偏移了41mm，可以滿足規范要求。而且此時盾構機姿態剛好與設計線路重合，可在此基礎上進行姿態調整，能夠有效減小姿態調節的變化量[6]。割線始發示意圖如圖2所示。

4.3 堆載反壓

盾構始發段覆土厚度為5m，小于一倍洞徑。考慮到始發段覆土較薄，無法抵消隧道的上浮力，在大縱坡曲線始發的情況下，管片從盾尾脫出后容易上浮，破壞隧道的成型質量，并引起管片破損。為了保證隧道的成型質量，本工程決定在淺覆土地段50m范圍內使用地面沙袋堆載反壓的方法來控制管片的上浮力，使隧道上方覆土的總厚度大于一倍洞徑，以中和管片上浮力，沙袋可以循環使用，且環保無污染。

4.4 洞門密封

由于洞門與盾構（或襯砌）存在建筑空隙，易造成水土流失，因此，必須在洞門口安裝始發止水裝置。始發裝置包括簾布橡膠板、扇形圓環板、連接螺栓、螺母和墊圈。

為了使盾構機在離開托架后過端墻時不發生叩頭現象，在洞門破除完成后，可在洞門圈底部鋪設河砂及水泥混合物，以進行底部止水，并支撐盾體平穩進入土體。

為了防止盾構機始發掘進時土體或水從間隙處流失，車站內襯墻施工時在洞圈預埋環狀鋼板，盾構機始發前在洞圈安裝橡膠簾布環狀板、壓板等組成的密封裝置，作為盾構始發施工階段臨時的防水措施，端頭井洞門上預留有72個螺栓孔。在安裝前，應測量螺孔的位置偏差，若發現偏差過大，應相應調整簾布橡膠板上孔的位置，同時，用鋼絲刷和絲錐逐個清理螺孔內螺紋，在其內側均勻地涂上黃油。安裝時，先安裝簾布橡膠板，后安裝圓形扇形板，壓板螺栓應盡可能擰緊，使簾布橡膠板緊貼洞門，然后將扇形板向洞內翻入，防止盾構始發后同步注漿漿液泄漏。

本區間盾構始發端圍護樁采用鋼筋混凝土施工工藝，盾構始發時進行洞門鑿出施工。賈魯河出入場明挖段盾構井內襯墻施工時在洞圈預埋環狀鋼板，盾構機始發前在洞門鋼環上采用由橡膠簾布環狀板、壓板等組成的密封裝置，作為盾構始發施工階段洞門封堵措施。

對于小半徑曲線隧道盾構始發的情況較為少見，盾構始發技術又是盾構施工的關鍵，本文就小半徑、大縱坡、淺覆土的盾構始發技術進行了探究，并進行工程實例探討。研究表明，通過端頭加固、割線始發、堆載反壓和洞門密封等技術，可以有效解決盾構始發存在的管片上浮、洞門滲漏、地表沉降隆起大、管片姿態偏移超限和隧道成型效果難以控制等問題，既保證了施工過程的順利進行，也保證了隧道的成型質量，對今后類似的工程施工具有重要借鑒意義。

參考文獻：

[1]胡俊，楊平，董朝文，等.盾構始發化學加固范圍及加固工藝研究[J].鐵道建筑，2010（2）：47-51.

[2]胡俊，楊平，董朝文，等.蘇州地鐵一號線盾構隧道端頭加固方式現場調查研究[J].鐵道建筑，2010（11）：32-35.

[3]馬龍，鄧永紅.盾構機小曲線半徑始發技術[J].施工技術，2009（6）：65-68.

[4]曾曄，楊平，胡俊，等.特殊地層下盾構始發端頭加固技術實例研究[J].鐵道建筑，2011（2）：79-81.

[5]丁海明，劉焱輝，李鐘，等.盾構施工小半徑曲線始發點及始發方向探討[J].建筑技術，2009（11）：1025-1027.

[6]周明軍.地鐵區間隧道盾構曲線始發與接收施工技術[J].鐵道建筑，2014（7）：59-62.