08小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)法掘進(jìn)技術(shù)研究

1、小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)法掘進(jìn)技術(shù)研究第二工程公司 付曉峰摘 要：分析小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)法施工易發(fā)生的問題，結(jié)合金科路站廣蘭路站區(qū)間小半徑曲線隧道工程實(shí)例，介紹曲線隧道的盾構(gòu)法掘進(jìn)技術(shù)。關(guān)鍵詞：小半徑線 軸線 鉸接 仿形刀 側(cè)向分力 注漿1引言城市的發(fā)展，帶動(dòng)了軌道交通建設(shè)的發(fā)展，在軌道交通線路的選擇上，由于受規(guī)劃及建、構(gòu)筑物的制約，這使軌道交通線性越來越復(fù)雜。小半徑曲線隧道的盾構(gòu)法施工技術(shù)與常規(guī)盾構(gòu)法相比存在一定的特殊性，研究小半徑曲線隧道的盾構(gòu)法施工技術(shù)，相信對(duì)以后類似的小半徑曲線隧道盾構(gòu)法施工具有一定的借鑒作用。2 小半徑曲線隧道盾構(gòu)法施工的難點(diǎn)分析及對(duì)策一般來說，設(shè)計(jì)線形中取用規(guī)范標(biāo)

2、準(zhǔn)的最小限值或與限值接近的大曲率小半徑曲線，即認(rèn)為是小半徑曲線。如果這種不僅半徑小，而且有很長(zhǎng)的延米，甚至還組合采用緩曲線而構(gòu)成的復(fù)雜線形，我們稱之為特急曲線。為了方便討論以下均稱之為“急曲線”。2.1 難點(diǎn)之一：急曲線隧道軸線比較難于控制在急曲線段，由于盾構(gòu)機(jī)本身為直線形剛體，不能與曲線完全擬合。曲線半徑越小、盾構(gòu)機(jī)身越長(zhǎng)，則擬合難度越大。在急曲線段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)形成的線形為一段段連續(xù)的折線，為了使得折線與急曲線接近吻合，掘進(jìn)施工時(shí)需連續(xù)糾偏。曲線半徑越小，盾構(gòu)機(jī)越長(zhǎng)，則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制。其施工參數(shù)需要經(jīng)過計(jì)算并結(jié)合地質(zhì)條件等因素綜合考慮，并進(jìn)行試掘進(jìn)后方可確定。特

3、別在緩和曲線段，每米的施工參數(shù)都有所不同，操作難度更大。為了控制好急曲線隧道的施工軸線，需要提高盾構(gòu)機(jī)的糾偏靈敏度。而咬提高盾構(gòu)機(jī)的靈敏度，最有效的措施試縮短盾構(gòu)機(jī)頭的長(zhǎng)度。在盾構(gòu)機(jī)的中部增加鉸接裝置，即可減少盾構(gòu)固定段長(zhǎng)度。使用鉸接裝置后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中所穿越的孔洞將不再是理論上的圓形，需要配套使用仿形刀裝置進(jìn)行超挖。因此，控制好急曲線隧道施工軸線的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何使用好盾構(gòu)機(jī)的鉸接裝置和仿形刀裝置。盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置的使用使用盾構(gòu)機(jī)的鉸接裝置，可以使得盾構(gòu)機(jī)的前筒、后筒與曲線趨于吻合，預(yù)先推出弧線態(tài)勢(shì)，為觀片提供良好的拼裝空間。如圖1所示為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)形態(tài)的三種模式。進(jìn)行曲線施工，彎道內(nèi)側(cè)

4、如要充分超挖時(shí)，在幾何學(xué)上，以對(duì)象曲線的中心為0的情況下，OA>MaxOG,OH,OD)的關(guān)系如能得到滿足，盾構(gòu)機(jī)便可以掘進(jìn)。這相當(dāng)于模式（a）。這種情況，屬于鉸接角度不足，土體超挖量過多，盾構(gòu)機(jī)后端的外側(cè)點(diǎn)D和土體之間有縫隙，超挖量一旦增大，就會(huì)有盾構(gòu)機(jī)位置不穩(wěn)定的傾向。模式（b）,OA=MAX(OG,OH,OD)的情況下，最適合鉸接狀態(tài)中的刀盤前部外端（A點(diǎn)）和前筒后端（G點(diǎn)）、后筒后端（D點(diǎn)），其中任意一點(diǎn)在同一圓弧上，其余二點(diǎn)在此圓弧之內(nèi)。此時(shí)的鉸接角度稱之為界限鉸接角度cr，此界限鉸接角度cr如果能給出曲線半徑和盾構(gòu)機(jī)的尺寸，便可計(jì)算出。作為盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造，全部用此cr值進(jìn)行鉸接

5、的話，是最為理想的。此時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的外側(cè)全體都接觸到土體，施工上最為穩(wěn)定，并且超挖量為最小值。模式（c），為過度鉸接狀態(tài)，OA仿形刀的使用鉸接裝置作為一種輔助手段，需要仿形刀的超挖、錐形管片、曲線內(nèi)外側(cè)千斤頂?shù)牟煌屏Φ仁┕ご胧┡浜显谝黄鹗褂?。仿形刀的使用效果將直接影響盾?gòu)機(jī)鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴(yán)重地?cái)_動(dòng)土體，過小將不能充分發(fā)揮鉸接裝置的作用，以致達(dá)不到所要求實(shí)際軸線的半徑。因此，急曲線隧道施工時(shí)，應(yīng)該選擇模式如圖1。2.2難點(diǎn)之二：隧道整體因側(cè)向分力向弧線外側(cè)偏移急曲線隧道每掘進(jìn)一環(huán)，管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產(chǎn)生一定的角度（見附圖2）,在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生一個(gè)側(cè)向分力。管

6、片出盾尾后，受到側(cè)向分力的影響，隧道向圓弧外側(cè)偏移。一般在圓曲線半徑取定時(shí)，已驗(yàn)算側(cè)向作用力對(duì)原狀土體的影響，管片在側(cè)向作用力下，不足于使原狀土體發(fā)生塑性破壞，即土體處于彈性變形范圍。因此研究側(cè)向分力形成原因和規(guī)律就可以有效控制土體的彈性變形范圍。側(cè)向分力計(jì)算：（見附圖2：側(cè)向分力示意圖）=tan-1RD-1= tan-1(RC+D/2)-1F側(cè)=F總Sin式中：F總盾構(gòu)千斤頂作用力 F縱垂直于管片環(huán)面的反作用力 F側(cè)平行于管片環(huán)面的反作用力 RC圓曲線半徑； D管片外徑； L管片寬度；由此可以看出，側(cè)向壓力F側(cè)的大小，取決于F總及，而 取決于L及RC、D，當(dāng)D一定時(shí)，L越小、RC越大，則越小

7、。因此設(shè)計(jì)管片尺寸時(shí)，應(yīng)選擇使用寬度較小的管片。在工程施工階段，進(jìn)入圓曲線后，L、RC為定值，側(cè)向壓力F側(cè)的大小取決于盾構(gòu)千斤頂作用力F總。為減小土體的彈性變形量，應(yīng)考慮盡量減小盾構(gòu)千斤頂作用力F總。另外，由于盾構(gòu)機(jī)外殼與管片外壁存在建筑空隙，在施工過程中，掘進(jìn)產(chǎn)生的空隙與同步注漿的漿液填充量?jī)烧卟豢赡茏龅酵耆?、完全符合一致。如果存在空隙或同步注漿漿液早期強(qiáng)度不夠的現(xiàn)象，則管片在側(cè)向壓力作用下將向弧線外側(cè)發(fā)生偏移。如果不考慮土體的彈性變形，則隧道最大偏移量為盾構(gòu)外徑與管片外徑差值的一半。從這個(gè)角度分析，筆者認(rèn)為，同步注漿的漿液宜采用雙液漿，因此雙液漿為瞬凝性漿液，具有較高的早期強(qiáng)度、良好的

8、流動(dòng)性和填充的均勻性，可以在較短的時(shí)間內(nèi)將建筑空隙填充并達(dá)到一定的強(qiáng)度，與原狀土共同作用，有效減小管片受側(cè)向壓力影響在建筑空隙范圍內(nèi)向弧線外側(cè)的偏移量。2.3難點(diǎn)之三：盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，糾偏量較大，對(duì)土體擾動(dòng)的增加易發(fā)生較大沉降量急曲線隧道的施工與直線段施工相比，除直線段隧道施工原有的地層變形因素外，還將增加以下三個(gè)因素的影響：由于沿急曲線掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)處于糾偏狀態(tài)，仿形刀也處于開啟狀態(tài)進(jìn)行超挖，實(shí)際掘進(jìn)面為一橢圓形，實(shí)際挖掘量超出理論挖掘量。在采用適當(dāng)技術(shù)和良好操作的正常施工條件下，急曲線掘進(jìn)將增加地層損失，地層損失達(dá)0.51%8L2 R/(R+RC)。（L為盾構(gòu)長(zhǎng)度；R盾構(gòu)外半徑；RC盾構(gòu)掘進(jìn)曲線

9、半徑）糾偏量較大，對(duì)土體的擾動(dòng)亦大，容易造成較長(zhǎng)時(shí)間的后期沉降。相應(yīng)的解決對(duì)策為進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和信息化施工，控制好同步注漿的注漿時(shí)間及注漿量。視具體情況，必要時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。3 工程實(shí)例3.1 工程概況上海市軌道交通2號(hào)線東延伸金科路廣蘭路區(qū)間隧道，隧道總長(zhǎng)1634.42m，是通往蒲匯塘停車場(chǎng)的一條出入段線。由于宏利半導(dǎo)體公司、高斯路水管、張江創(chuàng)意大廈樁基、張江路電力頂管、馬家浜河岸駁樁等諸多客觀因素的限制，隧道線路設(shè)計(jì)選擇在祖沖之路下穿越。該區(qū)間隧道水平呈“V”字型，最小曲線半徑只有500m，圓緩點(diǎn)在盾構(gòu)工作井內(nèi)，該區(qū)間隧道垂直方向呈倒“V”字型，先下坡再上坡，最小豎曲線半徑5000m。平曲線

10、500m與豎曲線5000m交匯，形成一條立體空間的長(zhǎng)距離急曲線地鐵隧道。該區(qū)間隧道采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌用管片環(huán)寬1200mm，外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，壁厚350mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C55，抗?jié)B強(qiáng)度1.0Mpa。隧道襯砌采用通縫方式拼裝。3.2工程地質(zhì)情況根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，盾構(gòu)主要在1層淤泥質(zhì)粘土中掘進(jìn)，該土層屬高靈敏度、高塑性、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性飽和軟土，該土層含云母、有機(jī)質(zhì)、夾薄層粉砂，土質(zhì)較均勻。在該土層中，一般盾構(gòu)掘進(jìn)施工較容易，但應(yīng)注意該土層蠕變量大，易粘著盾構(gòu)設(shè)備。1層淤泥質(zhì)粘土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見下表。表1 層淤泥質(zhì)粘土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)土層序

11、號(hào)土層名稱重度含水量孔隙比液限塑限直剪固快（峰值）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度靜止側(cè)壓力系數(shù)粘聚力內(nèi)摩擦角原狀土重塑土靈敏度rWoeoWLWPCqnqnStKoKN/m3%Kpa°KpaKpa1淤泥質(zhì)粘土16.750.41.4343.423.014123967.70.583.3主要施工技術(shù)措施解決軸線難控制的技術(shù)措施.1選用帶選仿形刀的盾構(gòu)機(jī)該工程選用上海隧道股份公司的6340土壓式平衡式盾構(gòu)機(jī)，該機(jī)設(shè)計(jì)定位的隧道最小半徑為300m。經(jīng)過2線東延伸金科路廣蘭路區(qū)間隧道實(shí)踐證明，該盾構(gòu)機(jī)是一臺(tái)技術(shù)先進(jìn)，性能良好的盾構(gòu)法隧道施工機(jī)械。該盾構(gòu)機(jī)的缺點(diǎn)為同步注漿系統(tǒng)不能使用雙液漿漿液施工。.2采用仿形刀在

12、曲線內(nèi)側(cè)位置進(jìn)行超挖，有利于糾偏仿形刀的使用主要須考慮兩個(gè)方面的因素，一是仿形刀的超挖范圍。仿形刀通過設(shè)置，可以在圓周任意區(qū)域位置進(jìn)行超挖，該工程將采用仿形刀在曲線內(nèi)側(cè)位置進(jìn)行超挖，以有利于糾偏。二是超挖量。根據(jù)公式（1）計(jì)算：R=500m，理論超挖量為21mm；在緩和曲線段，它是不斷變化的一個(gè)函數(shù)值。在金科路廣蘭路區(qū)間隧道掘進(jìn)過程中，R=500m時(shí)，實(shí)際超挖量為8mm左右，小于理論超挖量。筆者分析，由于上海的地基較軟，即使不使用仿形刀，在急曲線段，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中對(duì)內(nèi)側(cè)土體的擠壓，亦能使盾構(gòu)沿軸線掘進(jìn)，故實(shí)際施工中，實(shí)際超挖量要小于理論超挖量。因此實(shí)際超挖時(shí)，超挖量必須根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)軸線、盾

13、構(gòu)機(jī)的姿態(tài)、管片的拼裝狀態(tài)等因素綜合考慮后確定。解決隧道受側(cè)向分力的影響向圓弧外側(cè)偏移的技術(shù)措施金科路廣蘭路區(qū)間隧道最小曲線半徑為500m，在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生側(cè)向分力為（參見公式2）。由于該工程采用的同步注漿漿液為惰性漿液（該工程盾構(gòu)機(jī)不能采用雙液漿作為同步注漿施工），早期強(qiáng)度較低，在承受側(cè)向壓力后會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，不能滿足抵抗要求，管片將向弧線外側(cè)偏移。根據(jù)金科路廣蘭路區(qū)間隧道初期掘進(jìn)的實(shí)際測(cè)量，在圓曲線段，管片出盾尾后的偏移量在4080mm之間，符合土體的彈性變形假設(shè)及管片建筑空隙內(nèi)偏移量分析（理論偏移量為（63406200）/2=70mm）。在該工程施工過程中，主要采取了以下措施進(jìn)行控制：.

14、1盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)走向的預(yù)偏為了控制隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，考慮給隧道預(yù)留一定的偏移量。將盾構(gòu)沿曲線的割線方向掘進(jìn)，管片拼裝時(shí)軸線位于弧線的內(nèi)側(cè)，以使管片出盾尾受側(cè)向分力向弧線外側(cè)偏移時(shí)留有預(yù)偏量。而預(yù)偏量的確定往往須依據(jù)理論計(jì)算和施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合分析得出，同時(shí)需考慮掘進(jìn)區(qū)域所處的地層情況。在金科路廣蘭路區(qū)間隧道掘進(jìn)過程中，預(yù)偏量2030mm。.2控制盾構(gòu)千斤頂掘進(jìn)速度與推力在常規(guī)隧道施工時(shí)，為了保證進(jìn)度，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度往往達(dá)到50mm/min左右，與之匹配的推力較大。而在急曲線隧道施工中，根據(jù)成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，必須適當(dāng)降低掘進(jìn)速度，即降低千斤頂推力，同時(shí)也意味著降低側(cè)向

15、分力，有利于減少隧道向弧線外側(cè)的偏移量。因此在急曲線隧道施工時(shí)，必須確定一個(gè)合理的推力和掘進(jìn)速度。這個(gè)合理的掘進(jìn)速度必須不額外的增加推力，從而達(dá)到減小側(cè)向分力的目的，同時(shí)盡可能少擾動(dòng)土體。必須指出的是這個(gè)掘進(jìn)速度也不是一成不變的，隨著施工條件、地質(zhì)狀況、線形等的變化，也須即時(shí)調(diào)整，從而達(dá)到最好的施工效果。值得注意的是，在盾構(gòu)掘進(jìn)啟動(dòng)時(shí)，掘進(jìn)速度要以較小的加速度遞增，這樣可以避免千斤頂起始推力過大的問題。在金科路廣蘭路區(qū)間隧道施工過程中，掘進(jìn)總推力控制在10000KN左右， .3有針對(duì)性地選用同步注漿及二次注漿相結(jié)合地施工措施由于金科路廣蘭路區(qū)間隧道工程所采用的盾構(gòu)機(jī)不能采用雙液漿作為同步注漿施

16、工，在該工程選擇所采用的同步注漿漿液時(shí)，考慮了兩個(gè)因素：一是及時(shí)充分地填充管片外的環(huán)狀空隙，避免地表沉降；二是提高漿液早期強(qiáng)度，抵抗側(cè)向分力的影響。在實(shí)際施工過程中，采用了同步注漿（漿液為惰性漿）及二次注漿（漿液為雙液漿）相結(jié)合的施工措施。.2.1同步注漿：在施工期間，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)“建筑空隙”，即通過設(shè)在盾尾的壓漿管予以同步充填漿液。同步注漿壓注要根據(jù)施工情況，地質(zhì)情況對(duì)壓漿數(shù)量和壓漿壓力二者兼顧。一般情況下，每環(huán)壓入量控制在“建筑空隙”的180%-250%（要注意急曲線隧道的注漿量要大于直線隧道注漿量），注漿壓力約0.30，5Mpa。壓漿速度和掘進(jìn)保持同步，即在盾

17、構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行注漿，掘進(jìn)停止后，注漿也相應(yīng)停止。施工時(shí)，加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)尾部地面的沉降監(jiān)測(cè)，通過信息化施工，及時(shí)調(diào)整同步注漿量，確保地面不下沉，也不能出現(xiàn)過大的隆起。惰性漿液我們選用以下配比：黃沙（公斤）粉煤灰（公斤）陶土粉（公斤）水（公斤）10001670250適量備注：該配方稠度911cm.2.2二次注漿：為了減少惰性漿液早期強(qiáng)度低、隧道受側(cè)向分力影響大的問題，在管片出盾尾56環(huán)后，通過管片注漿孔向管片外周進(jìn)行二次注漿，來抵抗側(cè)向分力。漿液為瞬凝性的具有較高的早期強(qiáng)度的雙液漿。雙液漿配比：漿液甲液乙液材料水水泥（普硅42.5級(jí)）粉煤灰膨潤(rùn)土水玻璃（35°）配比（KG）10010066

18、53050另外再加入適量的促進(jìn)劑，甲、乙兩液配比由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)初凝時(shí)間為1020分鐘確定。施工技術(shù)要點(diǎn)：先將特制球閥作為防噴裝置安裝好，用沖擊鉆或鑿子將預(yù)留孔疏通，隨即關(guān)閉特制球閥（防止地下水或漿液滲漏），并將注漿管接在特制球閥上，以便注漿。二次注漿時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況調(diào)整注漿量和壓力，注漿結(jié)束后，拆除注漿管，封閉孔口。二次注漿壓力控制在0.3Mpa以下；注漿流量控制在1015L/min。在該工程中，通過二次注漿后，隧道的軸線基本穩(wěn)定，未發(fā)生明顯的偏移。同時(shí)也解決了急曲線施工土體超挖多、擾動(dòng)大、地表沉降大的問題。4 施工效果在采取了前文所述的措施后，金科路廣蘭路區(qū)間隧道竣工后，整條隧道軸線均控制在-5050mm范圍之內(nèi)，地表沉降控制在-205mm范圍之內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良工程標(biāo)準(zhǔn)。5 結(jié)束語5.1在急曲線隧道盾構(gòu)法施工中，既有和一般的隧道掘進(jìn)相同的一面，又