小半径圆曲线隧道盾构施工技术研究与运用

2012-06-24周舟

都市快轨交通 2012年6期

周舟

(广州轨道交通建设监理有限公司广州 510010)

随着城市轨道交通工程建设进程的加快，盾构法隧道施工技术得以普及运用，在线路的选择上，由于受规划、建(构)筑物等制约，轨道交通线形越来越复杂。小半径曲线的隧道线形虽不属于良好，但在运用上将不可避免。小半径曲线隧道的盾构法施工技术与常规盾构法施工技术相比，具有一定的特殊性和复杂性，研究小半径曲线隧道的盾构法施工技术，相信对以后类似工程施工具有一定的借鉴作用。

1 小半径曲线隧道盾构施工难点分析

1.1 小半径曲线隧道线形较难控制

由于盾构机本身为直线形刚体，圆曲线段掘进只能形成一段段连续的折线来拟合圆曲线。为了使盾构隧道轴线与设计轴线相吻合，掘进过程中需要进行连续纠偏。圆曲线半径越小，拟合难度越大，掘进单位距离的纠偏量也越大，纠偏精确度越低，隧道轴线因此较难控制。

1.2 管片出现破损、开裂、错台等质量问题

在小半径圆曲线段隧道掘进时，需要使用不等的推进千斤顶分区油压来实现盾构机沿设计轴线掘进。盾构推进千斤顶各分区的压力差导致管片受力不均，管片会往推力大的一侧(圆曲线外侧)偏移，千斤顶对盾构管片会产生往圆曲线外侧的反作用力，使管片承受三向(纵向、横向和环向)的不均匀作用力，出现破损、开裂、错台等质量问题。

1.3 对土体扰动的增加易发生较大沉降量

小半径曲线隧道的施工与直线段施工相比，除直线段隧道施工原有的地层变形因素外，还将增加3个因素的影响。

1)由于沿小半径曲线掘进，盾构机处于纠偏状态，实际掘进面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量。

2)在采用适当技术和正常施工条件下，小半径曲线掘进将增加地层损失，地层损失达0.5% ～1%8L2πR/(R+RC)(L为盾构长度，R盾构外半径，RC盾构掘进曲线半径)。

3)纠偏量较大，对土体的扰动亦大，容易造成较长时间的后期沉降。

1.4 测量工作难度大

由于隧道转弯半径小，圆曲线段测量通视范围缩小，使得自动导向系统移站频率加快，次数增加。硬岩中掘进同步注浆质量难以保证，二次补注浆前管片背后空隙率较高，盾构机连续纠偏，管片受振动容易发生移位，且在纵向不均力作用下管片会在一定推进距离内产生较大水平偏移，这都将导致自动测量系统测站坐标发生变化而出现测量偏差，误导掘进。

2 工程实例

2.1 工程概况

广州地铁某项目隧道工程由3段盾构区间组成，左右线隧道总长3.898 km，采用两台φ6340三菱土压平衡盾构机施工。整个工程左右线共包含12段曲线段隧道，其中圆曲线半径R≤300 m的共9段，最小半径R=250 m。

隧道采用预制装配式钢筋混凝土管片，管片内、外直径分别为5.5 m和6.2 m，管片厚度350 mm，混凝土设计强度C50，隧道管片采用错缝方式拼装。

2.2 工程地质及地面情况

本工程所有圆曲线段隧道埋深均在15.8～24.6 m之间，隧道洞身穿越的地层大部分为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，局部穿越泥质粉砂岩强风化带。

本工程隧道沿线地面建筑物大部分为年代久远的中低层房屋，圆曲线段隧道上方亦多为路面及中低层楼房。需要注意的是，需进行桩基托换施工的B110、B112和A118也位于圆曲线段隧道上方，R=250 m圆曲线段隧道从高架桥66#～68#桥墩间穿过。各小半径圆曲线隧道的具体参数见表1。

表1 各小半径圆曲线隧道的具体参数

2.3 主要施工技术措施

2.3.1 解决轴线难控制的技术措施

为了控制好小半径曲线隧道的施工轴线，需要提高盾构机的纠偏灵敏度，而要提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是缩短盾构机头的长度。在盾构机的中部增加铰接装置，可以使得盾构机的前筒、后筒与曲线趋于吻合，预先推出弧线态势，为管片提供良好的拼装空间。

图1所示为盾构机掘进形态的两种模式。进行曲线施工时，弯道内侧如要充分超挖，在几何学上以对象曲线的中心为O(曲线中心，图中未显示)的情况下，OA＞Max(OG，OH，OD)的关系如能得到满足，盾构机便可以掘进。这相当于模式a见图1(a)。这种情况，属于铰接角度θ不足，土体超挖量δ过多，盾构机后端的外侧点D和土体之间有缝隙，超挖量一旦增大，就会有盾构机位置不稳定的倾向。

模式 b(见图1(b))，OA=Max(OG，OH，OD)的情况下，最适合铰接状态中的刀盘前部外端(A点)和前筒后端(G点)、后筒后端(D点)，其中任意一点在同一圆弧上，其余二点在此圆弧之内。此时的铰接角度称为界限铰接角度θcr，如果能给出曲线半径和盾构机的尺寸，便可计算出θcr。作为盾构机的构造，全部用此θcr值进行铰接的话，是最为理想的。此时，盾构机的外侧全体都接触到土体，施工上最为稳定，并且超挖量δ为最小值。

图1 曲线段盾构机掘进模式

在本工程中选用了带有铰接装置的三菱土压平衡式盾构机，该机头部长度约为8625 mm，铰接处离刀盘端面的长度为4900 mm，水平张角 ±1.5°，垂直张角 ±0.5°。该机设计定位的隧道最小半径为200 m，但利用盾构的铰接装置，辅以仿形刀的使用，能够完成出洞处缓和曲线段最小半径为178 m的隧道施工任务。

2.3.2 解决盾构机推力不等、管片水平姿态容易超限的技术措施

2.3.2.1 控制盾构机推进千斤顶分区压力差及行程差

为了减少由于盾构机推力不均造成管片轴线及质量问题，在施工过程中，严格控制盾构机左右千斤顶压力差，使之不得超过2 MPa，上下千斤顶压力差不得超过5 MPa，行程差不超过30 mm。

2.3.2.2 选用小管片，减小总推力

小半径曲线隧道中掘进，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度θ(见图2)，在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，由于受到侧向分力的影响，管片也会向圆弧外侧偏移。

侧向分力计算:

图2 侧向分力示意图

式中:F总为盾构千斤顶作用力;F纵为垂直于管片环面的反作用力;F侧为平行于管片环面的侧向反作用力;RC为圆曲线半径;D为管片外径;L为管片宽度。

由此可以看出，当RC和D一定时，L越小、F总越小，则F侧越小。因此本工程中，直线段采用1.5 m管片，而在R≤320 m的圆曲线段及其附近缓和曲线段均采用1.2 m管片，曲线段掘进时总推力控制在5000～6000 kN。同时，为了保证工程质量，在特殊情况下，可采用最大转弯效果的3、9点位通缝拼装(但不允许超过三环连续通缝)。

2.3.2.3 曲线段盾构机走向预偏

为了控制隧道轴线最终偏差在规范要求的范围内，盾构掘进时，考虑给隧道预留一定的偏移量。使盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量，而预偏量的确定往往需依据理论计算和施工实践经验的综合分析得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。

本工程中，从曲线段前20环开始，至进入缓和曲线前，将盾构机水平姿态逐渐调至+30 mm;在缓和曲线段，至进入圆曲线前，将盾构机水平姿态逐渐调至+50 mm;在圆曲线段，盾构机水平姿态保持+50 mm掘进;过了圆曲线，进入缓和曲线段，盾构机水平姿态开始由+50 mm逐渐回调至+30 mm;过了缓和曲线，盾构机进入正常直线段掘进，盾构机姿态要逐渐调回－20 mm～+20 mm的正常范围。

2.3.3 解决易发生较大沉降的技术措施

由难点分析可知，在小半径曲线掘进中，由于盾构纠偏量大，造成土体超挖和扰动，易引起后期较大沉降。相应的解决对策为进行动态管理和信息化施工，控制好同步注浆的注浆时间及注浆量，视具体情况，必要时进行二次补浆。

2.3.3.1 盾尾同步注浆

在施工期间，随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与土体间出现建筑空隙，可通过设在盾尾的压浆管予以同步充填浆液。

同步注浆压注需结合施工情况、地质情况对压浆数量和压浆压力做到二者兼顾。一般情况下，每环压入量控制在建筑空隙的130% ～180%(要注意小半径曲线隧道的注浆量要大于直线隧道注浆量)，注浆压力约为0.3～0.5 MPa。为约束管片往外偏移的趋势，注浆位置通常选择在线路转弯圆曲线外侧，圆曲线内侧可暂不注浆，但为了防止浆液回流堵塞注浆管，不注浆一侧的注浆管也必须及时清洗。压浆速度应与盾构掘进保持同步，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后，注浆也相应停止。施工时，加强对盾构尾部地面的沉降监测，通过信息化施工，及时调整同步注浆量，确保地面不下沉。同步注浆浆液选用的配比见表2。