地下工程盾構機小半徑曲線掘進控制技術研究

摘要：隨著地下工程建設的快速發展，盾構機在穿越復雜地層時面臨諸多挑戰，其中小半徑曲線掘進尤為關鍵。結合鄭許市域鐵路的小半徑曲線盾構掘進施工，通過對盾構機姿態控制、掘進參數優化、管片選型拼裝控制以及地層加固等多方面的綜合研究，建立了一套系統的小半徑曲線盾構掘進控制技術，實現小半徑曲線段快速掘進，提高施工效率，從而保障施工安全。

關鍵詞：小半徑曲線；盾構掘進；姿態控制；參數優化；管片拼裝

0" "引言

在城市地鐵建設中，盾構機的優勢尤為凸顯。它能夠在不影響地面交通秩序的情況下，快速挖掘隧道，大大縮短了施工周期。同時，其高度自動化的操作系統和精準的掘進控制技術，確保了隧道施工的安全性和質量穩定性。

復雜多變的地質條件，如軟土地層、巖石地層、地下水豐富區域等，都給盾構機的掘進帶來了巨大挑戰。在城市復雜的地下環境中，小半徑曲線掘進已成為盾構施工不可避免的挑戰。小半徑曲線掘進時，盾構機面臨著諸如盾構機姿態控制困難、管片拼裝質量難以保證、地層擾動大等諸多技術難題。

張明聚等[1]結合福州地鐵，提出了長距離小半徑曲線段盾構掘進以及姿態控制措施。余國武[2]以珠機城際橫琴隧道施工為例，針對區間復合地層，分析了土壓平衡盾構掘進過程中的重要掘進參數和地層的相關性。何寨兵等[3]結合小半徑曲線上盾構掘進，采用調整管片選型、液壓缸推進力與行程、注漿壓力與配比，增大鉸接液壓缸行程等糾偏措施，達到了預期效果。王玉花等[4]依托南昌地鐵2號線，分析了盾構機小半徑曲線掘進姿態偏離超限的原因，并通過改變盾構機的推力等措施解決了偏離超限問題。

本文結合鄭許市域鐵路，針對500m小半徑曲線盾構掘進，提出了盾構機姿態監測與調整、掘進參數優化、管片拼裝控制、地層加固與輔助措施相結合的盾構機小半徑曲線掘進控制技術，達到了預期效果。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

鄭許市域鐵路永昌大道站至許昌東站的區間里程為左DK80+719.902（右DK80+719.280）至左DK82+778.249（右DK82+778.249），左線長為2080.217m，右線長為2059.069m。永昌大道站至許昌東站的區間左、右線各設一處平曲線，左線曲線半徑為500m，右線曲線半徑為510m，線間距8.0～14.0m。

本區段隧道主要敷設在魏武大道路中，路面及兩側分布較多雨污水及弱電管線，500m轉彎曲線段沿線主要風險源為1～2層磚混結構的民用房屋淺基礎。永許區間平曲線平面如圖1所示。

區間隧道采用通用環管片，管片外徑為6200mm，管片內徑為5500mm，管片厚度為350mm，環寬為1500mm，每環襯砌環由6塊管片組成，其中1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標準塊。

1.2" "工程地質與水文狀況

根據勘探情況，工程區地層以第四系全新統及第四系上更新統粉土、粉砂和粉質黏土為主。

永昌大道站至許昌東站區間地下水補給，主要有降水入滲、地表水下滲、地下水側向徑流等補給。地下水由西、西南向東及東北徑流，水力坡度約0.5‰，徑流條件稍差。

地下水的排泄，主要為開采排泄和蒸發排泄。上部地下水以潛水為主，穩定地下潛水水位埋深介于5.1～6.7m（水位高程約63m），主要賦存于約5m以下粉土及粉質黏土層中。

1.3" "施工難點

盾構機在小半徑曲線段掘進過程中，由于盾構機主機長度達到9m，對曲線進行擬合時難度較高，造成掘進軸線的控制難度大。另外，在小半徑段掘進時，由于管片盾尾間隙調整難度較大，以及推進過程中管片受到的水平分邊影響，造成管片拼裝質量控制難度較高。

2" "小半徑曲線掘進控制技術

2.1" "盾構機姿態監測與調整

2.1.1" "精確測量與導向

采用激光導向儀等高精度的自動導向系統，實時監測盾構機的三維坐標（包括水平位置、垂直位置和盾構機的扭轉角度）。依據測量數據，通過調整盾構機各分區推進液壓缸的壓力與行程，實現對盾構姿態的糾正，在曲線外側液壓缸適當增加推力，內側液壓缸減少推力，使盾構機沿設計曲線掘進。

測量頻率一般為每推進一環測量一次，確保及時掌握盾構機的姿態變化情況。根據測量數據計算盾構機與設計軸線的偏差值，為姿態調整提供準確依據。

2.1.2" "分區推進調整

盾構機的推進液壓缸通常分為多個分區。在小半徑曲線掘進時，依據盾構機的姿態偏差，通過控制不同分區液壓缸的壓力和行程，來調整盾構機的掘進方向。當盾構機向曲線外側偏移時，適當增加曲線內側液壓缸的推力，減少外側液壓缸推力，使盾構機逐漸向設計軸線靠攏。調整過程中，要密切關注液壓缸壓力變化，防止局部壓力過大對管片造成損壞。

2.2" "掘進參數優化

2.2.1" "土倉壓力平衡控制

根據隧道所處地層的地質條件（如土體類型、含水量、孔隙比等）和埋深，精確計算并設定土倉壓力。在小半徑曲線掘進過程中，維持穩定的土倉壓力至關重要。否則壓力過高可能導致地層隆起，壓力過低則易引起地層坍塌，二者都會使盾構機姿態失控，進而影響軸線穩定。

盾構在穿越過程中，須嚴格控制切口平衡土壓力，要使盾構切口處地層有微小的隆起量（0.5～1cm），以平衡盾構背土時的地層沉降量。同時，也必須嚴格控制與切口平衡壓力有關的施工參數，如出土量、推進速度、總推力、實際土壓力等，防止過量超挖、欠挖。盡量減少平衡壓力的波動，其波動值控制在0.02MPa以內。

2.2.2" "刀盤轉速與扭矩控制

合理調整刀盤轉速和扭矩，以適應小半徑曲線掘進時不同地層的切削要求。在曲線段，由于盾構機與地層的相互作用更為復雜，需要降低刀盤轉速（通常比直線段降低10%～20%），同時適當提高扭矩，確保刀盤能夠均勻切削土體，避免因切削力不均導致盾構機偏離軸線。例如，在砂質土層中，刀盤轉速可控制在1.0～1.5rpm，扭矩根據地層硬度和盾構機推進阻力進行實時調整。

2.2.3" "推進速度控制

小半徑曲線掘進時，推進速度應控制在2～3cm/min。這既可避免因推力過大而引起的側向壓力的增大，又可減小盾構推進過程中對周圍土體的擾動。以上參數根據現場情況進行調整。

同時，要根據盾構機姿態調整情況和地層反饋信息，適時調整推進速度，如在盾構機姿態偏差較大或地層變形明顯時，適當降低推進速度，待姿態穩定或地層變形得到控制后再恢復正常速度。

2.3" "管片拼裝控制

2.3.1" "管片選型與排布

管片選型需要根據推進液壓缸行程差及盾尾間隙進行選擇，楔形量最小點需安裝在液壓缸行程短及盾尾間隙大的位置，兩者以液壓缸行程控制為主。楔形管片是小半徑曲線掘進的常用選擇，其楔形量根據曲線半徑和管片環寬計算得出。

根據隧道的曲線半徑和盾構機姿態，選用合適的楔形管片，并進行合理的管片排布。排布時要考慮管片的拼裝順序和點位，使管片拼裝后能形成符合設計曲線的隧道結構，確保管片環間的連接緊密、受力均勻，減少因管片拼裝誤差累積導致的軸線偏差。

2.3.2" "開展模擬分析與現場試驗

利用計算機模擬軟件，將管片選型方案、盾構機參數、地層條件等輸入模型，模擬盾構機在小半徑曲線段的掘進過程和管片拼裝過程。觀察隧道軸線偏差、管片受力情況等指標，驗證選型方案是否合理。通過改變管片選型的關鍵參數，如楔形量、排版方式等，對比不同方案下的模擬結果，優化管片選型方案，找到最適合小半徑曲線掘進的管片配置。

在正式施工前，按照選定的管片選型方案進行試拼裝和試掘進，監測管片拼裝精度、盾構機姿態變化、地層沉降等數據。

根據現場試驗結果，對管片選型方案進行調整和完善。如果發現管片拼裝困難、盾構機姿態難以控制或地層沉降過大等問題，及時修改選型方案，直到滿足小半徑曲線掘進的要求。

2.3.3" "拼裝工藝控制

嚴格控制管片拼裝順序與精度，保證管片環間連接緊密、平整。在管片拼裝過程中，嚴格控制管片的拼裝精度，包括環向和縱向的錯臺量。環向錯臺量一般應控制在5mm以內，縱向錯臺量控制在3mm以內。同時，要及時調整管片位置與姿態，采用合理的螺栓緊固力矩與順序，使管片能有效傳遞盾構機推進力并約束其姿態變化，防止隧道軸線變形。

管片拼裝完成，需要將螺栓全部緊固后才能進行盾構機掘進。在本環管片推進至盾尾處時，需要對管片螺栓進行二次復緊，在管片拖出車架前，需要對管片螺栓進行三次復緊。

2.4" "地層加固與輔助措施

2.4.1" "地層加固

在小半徑曲線盾構掘進前，對地層進行注漿加固預處理，可有效減少盾構施工過程中的地層變形，有利于盾構軸線控制。在軟弱地層中，采用超前注漿加固，在盾構機前方一定范圍內采用袖閥管注入水泥漿，以此提高地層的強度和穩定性。

其中，注漿孔均為豎向，間距為1m×1m，梅花型布置，注漿加固擴散半徑為1m，注漿終壓為0.5～1MPa。注漿過程中，注漿壓力要逐步提高，達到注漿終壓并繼續注漿10min以上。加固長度10m，豎向加固范圍為隧道頂以上3m，隧道底以下2m。水平加固范圍為盾構隧道結構外左右側3m。

2.4.2nbsp; "輔助措施

在盾構機外殼與周圍土體間注入膨潤土，降低盾構機與土體間摩阻力，以利于盾構姿態調整與軸線控制。同時，要設置合理的盾構機超挖裝置。在曲線段適度超挖，為盾構機轉向提供空間，但需嚴格控制超挖量，避免地層過度擾動引發坍塌。

2.4.3" "沉降監測與反饋

沿隧道軸線及周邊建筑物、地下管線等設置沉降觀測點，建立完善的沉降監測體系，定期進行沉降觀測。觀測頻率一般為1～2次/d，在特殊地段或沉降變化較大時適當加密觀測。

將沉降觀測數據及時反饋給盾構施工控制中心，根據沉降情況分析盾構機掘進對地層的影響，及時調整盾構機姿態、掘進參數和地層加固措施，確保盾構軸線偏差和地層沉降均控制在允許范圍內。

當地層沉降超過預警值（10mm）時，立即停止掘進，分析原因并采取相應的補救措施，如二次注漿、調整土倉壓力等。

3" "結束語

盾構機小半徑曲線掘進控制技術體系，涵蓋了從姿態控制、參數優化、管片拼裝到地層沉降控制等多環節的有效措施與方法，可實現小半徑曲線段快速掘進，提高了施工效率，減少了挖掘土壤的變形和沉降，有效降低了結構設備受力的風險，從而保障施工安全。

掘進參數優化方面，曲線推進時嚴格控制盾構的推進速度，嚴格控制同步注漿量和漿液質量，加強對曲線段外側的壓漿量，提高了掘進過程的穩定性與安全性。

改進管片拼裝工藝，采用楔形管片并精確設計其楔形量，結合拼裝順序和螺栓緊固工藝，不僅能使管片良好地擬合小半徑曲線形狀，還增強了管片襯砌結構的整體性與防水性。

建立完善的沉降監測體系，實時反饋沉降數據，及時調整掘進參數與采取補救措施，可將地層沉降控制在允許的工程規范范圍內，保護周邊建構筑物與地下管線的安全。

參考文獻

[1] 張明聚，張振波，陳鋒.高壓富水碎裂狀巖層小半徑曲線盾構隧道施工技術[J].現代隧道技術，2018，55（6）：197-203，209.

[2] 余國武.復合地層小半徑曲線隧道盾構掘進參數統計分析[J].施工技術，2020，49（13）：19-22.

[3] 何寨兵，耶律根迪.盾構機在小半徑曲線段隧道掘進姿態糾偏施工技術[J].云南水力發電，2017，33（6）：100-103.

[4] 王玉花，王志龍，許飛進.南昌地鐵2號線土壓平衡盾構小半徑曲線的掘進技術[J].南昌工程學院學報，2018，37（3）：37-40.