盾構(gòu)機淺覆土小半徑掘進技術(shù)

摘要：以深圳地鐵14號線為例，針對盾構(gòu)機掘進施工過程中，可能出現(xiàn)的隧道向外側(cè)偏移、對土體擾動大、管片易損壞等問題，提出了一些改進措施，減少了由于小半徑對工程造成的問題，為以后隧道盾構(gòu)工程提供了一個比較科學、合理的方案。

關(guān)鍵詞：小半徑；盾構(gòu)機；同步注漿；管片

0" "引言

在現(xiàn)代城市地鐵、公路隧道施工建設(shè)過程中，普遍使用盾構(gòu)工法。盾構(gòu)工法具有對底層擾動小、施工速度快、機械化程度高等優(yōu)點，但是對于某些特殊工程情況，如小曲線段推進施工時，由于盾構(gòu)機機身長度過長、截面積過大、機身剛度高，導致施工的靈活性受到嚴重影響，從而使得掘進效果變差[1-4]。

本文針對盾構(gòu)在小半徑曲線內(nèi)始發(fā)、到達以及掘進施工中存在的難題，通過預偏盾構(gòu)始發(fā)、到達姿態(tài)，調(diào)整始發(fā)側(cè)墻結(jié)構(gòu)、洞門位置，確保盾構(gòu)始發(fā)不超限、到達不偏離洞門中心，保證了始發(fā)姿態(tài)預偏后簾板的密封性。同時，通過對盾構(gòu)機身、管片鏈接方式進行管控以及采取超前注漿控制等技術(shù)來有效保護管片拼裝的質(zhì)量。

1" "工程概況

深圳地鐵14號線土建某工區(qū)停車場出入線區(qū)間，采用1臺開挖直徑6480mm盾構(gòu)機進行掘進。其中小半徑始發(fā)左轉(zhuǎn)彎隧道（R=250m），左線全長566.081m，右線全長481.585m，最小曲線半徑為250m，線間距13.07～86.11m，最小縱坡為10.509‰，最大縱坡為24‰，隧道埋深約3.5～10.7m。區(qū)間總平面布局如圖1所示，區(qū)間淺覆土地質(zhì)狀況如圖2所示。

2" "施工難點

2.1" " 隧道軸線難以控制

盾構(gòu)機在小曲線隧道中施工時，每往前施工掘進一段距離，由于隧道彎曲，盾構(gòu)管片斷面與隧道軸線方向都會產(chǎn)生角度偏移。同時在千斤頂?shù)耐屏ψ饔孟拢瑫霈F(xiàn)法線方向向外側(cè)的分力，由此導致隧道產(chǎn)生外側(cè)偏移現(xiàn)象。

盾構(gòu)機外殼與管片外壁存在建筑空隙，在進行掘進施工時，同步注漿產(chǎn)生的漿液填充與掘進孔隙產(chǎn)生時間差，難以實現(xiàn)完全一致。當漿液未全部填充孔隙或者漿液早期強度未能達到規(guī)定要求時，盾構(gòu)管片就會在側(cè)向壓力作用下，產(chǎn)生向隧道圓弧外側(cè)偏移現(xiàn)象，使小曲線隧道軸線變得難以控制。

2.2" " 土體擾動大

盾構(gòu)機本身長度比較長且剛度大，呈現(xiàn)出直線形剛體。在小曲線工程段中，由于盾構(gòu)機自身形態(tài)造成其無法與曲線隧道較好的擬合，導致盾構(gòu)機掘進施工時，掘進的線形呈現(xiàn)出連續(xù)的折線。

在工程施工中，要避免此種現(xiàn)象的發(fā)生，就要連續(xù)地進行糾偏。糾偏工作不僅工程量大，而且對周圍土體也會產(chǎn)生很大的擾動，從而引起地層沉降。

2.3" " 容易造成管片破損

盾構(gòu)管片產(chǎn)生推進的反力，用于推動盾構(gòu)機向前推進。但在小半徑曲線段中掘進施工過程中，由于隧道原因，盾構(gòu)機的姿態(tài)不斷發(fā)生變化，由此導致管片與液壓缸靴板之間出現(xiàn)側(cè)向偏移或一種側(cè)向偏移趨勢。這種變形會使得管片局部應力集中，從而出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。此外，管片向圓弧外側(cè)偏移時，對周圍地層產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，使得管片和地層結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，加劇了管片的破損程度。

2.4" " 盾構(gòu)與管片之間容易卡殼

在小曲線段掘進時，如遇到轉(zhuǎn)彎區(qū)段，盾構(gòu)機管片會出現(xiàn)左右兩端掘進量不同的現(xiàn)象，一段掘進量超量較大，會導致另一端掘進滯后。此時如果工作人員沒有一定的控制能力，盾構(gòu)與管片之間就會因為超量差而出現(xiàn)卡殼，使盾構(gòu)產(chǎn)生偏移。

2.5" " 容易引起滲漏、地表沉降

在曲線段施工時，管片四周的盾尾間隙分布并不均勻，盾尾刷密封裝置受管片偏心擠壓，易產(chǎn)生塑性變形而失去彈性，從而導致密封性能下降。同時曲線段施工容易出現(xiàn)管片錯臺現(xiàn)象。在縱縫錯臺產(chǎn)生后，盾尾刷無法緊密包裹整環(huán)管片，極易形成滲流通道，從而增大了隧道滲漏水的風險。

3" "治理措施

3.1" " 割線始發(fā)模擬

盾構(gòu)機割線始發(fā)模擬如圖3所示。盾構(gòu)機長度為9.5m，通過模擬可知，盾構(gòu)機中線與始發(fā)井結(jié)構(gòu)墻夾角為88°43'。盾構(gòu)機在掘進10m后脫離始發(fā)基座，此時盾構(gòu)機頭部中線與隧道中線相重合。

3.2" " 負環(huán)管片加固

小半徑切線始發(fā)負環(huán)管片在水平方向受到的作用力，會使負環(huán)段襯砌管片發(fā)生水平偏移，形成錯臺、破損，導致管片之間發(fā)生相對位移。為了防止出現(xiàn)此類現(xiàn)象，可采取型鋼對負環(huán)管片進行加固。

3.3" " 小半徑掘進時液壓缸行程差控制

出入線區(qū)間在250m小半徑掘進中，可以通過計算，得出盾構(gòu)機每推一環(huán)所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角以及推進液壓缸行程差。管片尺寸如圖4所示。管片環(huán)寬1.2m，則β=1.2/πR=0，管片外徑 6.2m，管片內(nèi)徑5.5m。經(jīng)計算，得到管片外弧長度為4.378m，管片內(nèi)弧長度為4.262m。當盾構(gòu)推進處于R=250m圓曲段時，推進方向偏轉(zhuǎn)角為5.5″。每推進一環(huán)，左右行程差為32 mm。

3.4" " 管片排布模擬

本區(qū)間采用環(huán)寬1.2m通用型管片，雙面楔形量為46mm。盾構(gòu)機在250m左轉(zhuǎn)小半徑曲線上掘進時，左右液壓缸行程差為32mm。將每環(huán)掘進左右液壓缸行程差控制為35mm，每環(huán)糾偏3mm，將盾構(gòu)機向左預偏30mm，使盾構(gòu)機提前轉(zhuǎn)彎。盾構(gòu)預偏如圖5所示。

3.5" " 管片錯臺和破損控制措施

盾構(gòu)同步注漿為水泥砂漿，在小半徑地段，管片出盾尾5～6環(huán)后，需要對管片進行二次補漿，補漿過程應以上部和側(cè)面為重點。其中，針對軸線外側(cè)應增加注漿量，漿液采用水泥-水玻璃雙液注漿，并加快凝結(jié)時間，保證管片不會出現(xiàn)偏移。

在每環(huán)掘進施工過程中，千斤頂應進行3～4次伸縮，并將應力全部釋放，以保護已經(jīng)拼裝的管片，防止管片出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，并有效避免盾構(gòu)機出現(xiàn)側(cè)滾。適當調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)動方向，每掘進一斗渣土更換刀盤轉(zhuǎn)向，以解決盾構(gòu)機側(cè)滾問題。

在盾構(gòu)機管片拼裝過程中，要將原管片的螺栓擰緊。如出現(xiàn)管片脫離盾構(gòu)機尾部的情況，應及時進行復緊。此外，在盾構(gòu)機掘進施工過程中要注意增加復緊工序，以防止管片在工作時出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。

3.6" " 盾尾間隙及姿態(tài)控制

盾構(gòu)掘進小半徑過程中，嚴格按照一環(huán)一報表、一環(huán)一分析的制度，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行商討決策，防止出現(xiàn)小半徑掘進管片破損、姿態(tài)超限現(xiàn)象，結(jié)合管片實際姿態(tài)進行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。

3.7" " 仿形刀的使用

仿形刀是采用油路對刀盤前方超挖刀進行伸縮，結(jié)合刀盤轉(zhuǎn)速，可以對掌子面進行局部超挖，確保小半徑曲線轉(zhuǎn)彎過程中盾構(gòu)機軸線糾偏，減少管片側(cè)向壓力向弧線外側(cè)偏移量。

3.8" " 隧道管片選擇

在小曲線區(qū)段進行掘進施工時，盾構(gòu)管片的選擇應該根據(jù)盾構(gòu)的姿態(tài)，同時應考慮盾尾間隙的變化。管片的選擇必須要超前掘進施工4～6環(huán)，以保證在施工時，管片的姿態(tài)能夠與盾構(gòu)姿態(tài)的軸線重合。

在最小曲線半徑取值的眾多影響因素中，管片是其中一個關(guān)鍵的因素，因此在實際施工過程中，為滿足小曲線半徑盾構(gòu)掘進施工的要求，必須根據(jù)隧道的要求，適時的調(diào)整管片的寬度及楔形量。

3.9" " 增加管片縱向剛度

從應力分析角度來看，盾構(gòu)機在掘進施工過程中會對土體產(chǎn)生反力，而小曲線隧道的外側(cè)不需要通過反力臂來進行彎曲。但為了保證盾構(gòu)機能夠產(chǎn)生合理的推進反力，需要采用縱向剛度較高的盾構(gòu)管片。而采用縱向剛度較高的管片，成本也會較高。通常可以通過加固螺栓的方式，以及按照固定點位進行縱向鋼板連接的方式，來提高小半徑隧道的縱向剛度。

4" "結(jié)語

在小曲線半徑段盾構(gòu)掘進施工過程中，為了合理控制軸線，提高工作效率，減少對周圍土體的擾動等要求，需要做到以下幾點：

根據(jù)隧道特點選擇合適的盾構(gòu)機。在施工過程中，根據(jù)工程要求增加鉸接裝置和仿形刀。根據(jù)工程需求選取合適的盾構(gòu)管片，對寬度、剛度和楔形管片的選取要做到科學、合理。提高信息化施工水平，注意對工程施工過程的動態(tài)監(jiān)測，及時進行糾偏。在遇到復雜的復合地層時，可以通過采取超前注漿和同步注漿等技術(shù)，減少對周圍土體的擾動。

參考文獻：

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