盾構(gòu)超小曲線半徑隧道施工工法

1、盾構(gòu)超小曲線半徑隧道施工工法中鐵十六局集團有限公司城市的發(fā)展，帶動引了軌道交通建設(shè)的發(fā)展，在地鐵線路的選擇上，由于受規(guī)劃及建、構(gòu)筑物的制約，這使得軌道交通的線形越來越復(fù)雜。小半徑隧道線形雖不屬良好，但在應(yīng)用上將會越來越多。分析急曲線地鐵隧道盾構(gòu)法施工易發(fā)生的問題，結(jié)合中鐵十六局集團有限公司在廣州軌道交通五號線楊箕站動物園站區(qū)間R200m小半徑隧道工程實例，介紹盾構(gòu)掘進小半徑隧道的施工工法。小半徑隧道的盾構(gòu)法施工技術(shù)與常規(guī)盾構(gòu)法施工技術(shù)相比存在一定的特殊性，我公司在廣州復(fù)合地層中，取得了急曲線隧道盾構(gòu)施工的成功經(jīng)驗，并總結(jié)了超小曲線半徑隧道施工工法。收到良好的技術(shù)、經(jīng)濟效果，取得了良好的社會信譽

2、。一、特點1、很好的控制盾構(gòu)機軸線，確保成型隧道質(zhì)量。在盾構(gòu)掘進時預(yù)留偏移量，根據(jù)地層的軟硬分布情況，分區(qū)操作推進油缸，設(shè)定推力和推進速度，實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)的實時控制，同時采用分區(qū)操作推進油缸、刀盤反轉(zhuǎn)等方法進行糾偏,做到緩、小、勤、勻和油缸及時回零，很好的控制了盾構(gòu)機軸線。2、從盾構(gòu)設(shè)備（超挖刀、鉸接裝置、盾構(gòu)機改造）、管片選型和拼裝、施工措施等方面采取必要措施，特別是對較軟的、地層采取了同步注漿和二次雙液注漿相結(jié)合的措施，有效地減少了小半徑圓曲線段成型管片的側(cè)向偏移量。3、盾構(gòu)掘進時，通過掘進參數(shù)的調(diào)整，較少每環(huán)的糾偏量，進行動態(tài)管理和信息化施工，控制好同步注漿的注漿時間及注漿量，必要時進行

3、二次補漿，能有效控制地層沉降，確保施工和附近地層和地面建筑物的安全。4、能適應(yīng)不同地層，可根據(jù)不同地層的特點靈活地選擇掘進模式與掘進參數(shù)，以達到高效率、低成本的目標。5、工藝可操作性強，在只要采取相應(yīng)方法和措施滿足城市環(huán)境條件即可推廣使用。二、適用范圍本工法適用于軟土、硬巖等復(fù)合地層內(nèi)掘進半徑為R200m以上特曲線盾構(gòu)隧道（直徑為6米左右）。能適應(yīng)多種環(huán)境和地層的要求，可在強度差別較大的土質(zhì)和盾構(gòu)掘進斷面土層不均勻等復(fù)雜地層，以及高粘度礫質(zhì)粘土、風(fēng)化巖等常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)無法適應(yīng)的地層中使用。三、工藝原理復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)是利用安裝在盾構(gòu)最前面帶有滾刀、刮刀或先行刀等刀具的全斷面切削刀盤，將正面

4、土體切削下來的土進入刀盤后面的密封艙內(nèi)，并使艙內(nèi)具有適當(dāng)壓力與開挖面水土壓力平衡或欠平衡，以減少盾構(gòu)推進對地層土體的擾動，從而控制地表變形，在出土?xí)r由安裝在密封艙下部的螺旋運輸機向排土口連續(xù)排土。通過測量土倉內(nèi)的土壓力來隨時調(diào)整盾構(gòu)推進速度和螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，控制出渣量。復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)主機示意圖見圖1。圖1 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)主機示意圖四、工藝流程施工前的準備施工場地布置盾構(gòu)機維修改造管模選購、管片生產(chǎn)曲線段掘進準備水平運輸設(shè)備材料的選購（電瓶車、平板車、土箱斗等）小半徑段30米的試掘進總結(jié)掘進中的各項參數(shù)指標洞口土體加固盾構(gòu)基座安裝盾構(gòu)吊裝調(diào)試洞口砼鑿除止水裝置安裝反力架安裝加固盾構(gòu)出洞

5、原加固土體補壓水硬性材料盾構(gòu)正常掘進施工同步注漿材料配比調(diào)整測量聯(lián)測3次以上調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)緩和曲線段掘進的預(yù)偏曲線段掘進進洞準備工作盾構(gòu)進洞盾構(gòu)吊運手孔封堵、嵌縫堵漏聯(lián)絡(luò)通道施工竣工驗收工藝流程見圖2。圖2 工藝流程圖五、施工要點為保證急轉(zhuǎn)彎段順利掘進，從盾構(gòu)設(shè)備（超挖刀、鉸接裝置、盾構(gòu)機改造）、管片選型和拼裝、施工措施等方面采取必要措施，特別是對較軟的、地層采取了同步注漿和二次雙液注漿相結(jié)合的措施，以保證小半徑圓曲線段成型管片不出現(xiàn)側(cè)向移動。具體措施如下：1超挖刀的應(yīng)用鉸接裝置作為一種輔助手段，需要與仿形刀的超挖、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?/p>

6、將直接影響盾構(gòu)機鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴重地擾動土體，過小將不能充分發(fā)揮鉸接裝置的作用，以至達不到所要求設(shè)計軸線的半徑。2管片選型為滿足急轉(zhuǎn)彎施工要求，管片環(huán)寬1.2m，轉(zhuǎn)彎環(huán)契形量為41mm，施工過程中要嚴格管片選型程序（主要是封頂塊點位的選擇），保證管片拼裝質(zhì)量。本段施工時，嚴格注意盾尾間隙的變化進行適當(dāng)調(diào)整。盾尾間隙標準值為75mm，在圓曲線段掘進時盾尾間隙變化較大，可將盾尾間隙保持在7515mm范圍內(nèi)。3推力控制 在強、中風(fēng)化地層中小半徑圓曲線掘進的過程中，對土體的擾動會顯著降低外圍土體的強度及自穩(wěn)能力，土體具有的蠕變特性以及出現(xiàn)水平方向土體壓力不均，管片在長時間承受千斤頂壓力的

7、等情況下，管片很可能向外側(cè)整體移動。見圖3。圖3 轉(zhuǎn)彎處管片受盾構(gòu)機推力分解示意圖小半徑曲線掘進可能帶來的管片位移量： T：盾構(gòu)機推力的反作用力P：土體對管片側(cè)面的附加應(yīng)力R：轉(zhuǎn)彎半徑：變形系數(shù)由上式得知：1、當(dāng)盾構(gòu)機的推力越大時管片側(cè)向位移也越大。2、當(dāng)掘進的轉(zhuǎn)彎半徑越小時管片側(cè)向位移也越大。故為了減小在小半徑圓曲線段施工引起的管片整體移位所帶來的隧道變形，掘進過程中必須減小盾構(gòu)推力。根據(jù)類似的施工經(jīng)驗，盾構(gòu)在很小的半徑線路上掘進施工時，推力可控制在600900t。4盾構(gòu)姿態(tài)實時控制與調(diào)整利用SLS-T系統(tǒng)對盾構(gòu)機姿態(tài)的實時監(jiān)測顯示，根據(jù)地層的軟硬分布情況，分區(qū)操作推進油缸，設(shè)定推力和推進速

8、度，實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)的實時控制，必要時一個掘進循環(huán)可分幾次完成。即每掘進30cm收縮一次千斤頂,首次30cm全部使用千斤頂掘進,然后再以側(cè)面千斤頂為主掘進。采用分區(qū)操作推進油缸、刀盤反轉(zhuǎn)等方法進行糾偏,做到緩、小、勤、勻和油缸及時回零。盾構(gòu)機掘進時，難免出現(xiàn)姿態(tài)偏差，盾構(gòu)機姿態(tài)修正以長距離慢慢修正為原則，盾構(gòu)機姿態(tài)調(diào)整（糾偏）方式主要有：側(cè)滾糾偏采用刀盤反轉(zhuǎn)的方法進行側(cè)滾糾偏。豎直方向糾偏盾構(gòu)機抬頭時，可加大上部千斤頂?shù)耐贫冗M行糾偏；盾構(gòu)機叩頭時，可加大下部千斤頂?shù)耐贫冗M行糾偏。水平方向糾偏向左偏時，加大左側(cè)千斤頂推度；向右偏時，加大右側(cè)千斤頂推度。盾構(gòu)掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。處于

9、200m轉(zhuǎn)彎圓曲線時，為防止盾構(gòu)機抬頭以及管片上浮及向圓曲線外側(cè)移動，通過VMT系統(tǒng)調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)。根據(jù)管片監(jiān)測情況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)整為-40-50mm之間。同時應(yīng)加密VMT移站頻率，減少移站后出現(xiàn)的軸向偏差。5同步注漿及二次補充注漿 在風(fēng)化巖層中急轉(zhuǎn)彎掘進，足夠的、快凝的同步注雙液漿也是必不可少的，它能盡早地固定管片，改善管片的受力狀態(tài)，防止管片錯臺破損，因此，盾構(gòu)機配置了兩套背填注漿系統(tǒng)，一套用于常規(guī)的背填注漿，另一套用于以側(cè)面為重點的管片二次補充注漿。當(dāng)隧道在左轉(zhuǎn)彎時注漿方式主要如圖4。圖4 隧道在左轉(zhuǎn)彎時注漿方式6小半徑掘進采取的其它措施6.1 防止地下水的措施在小半

10、徑線路上掘進時，如地下水過多，土倉內(nèi)水壓力過大則難以對盾構(gòu)機進行糾偏，故需要采取一定措施控制土倉內(nèi)的含水量。對于掌子面所產(chǎn)生的水，可采取向掘進面和土倉內(nèi)注入添加劑的方法控制水量。對于盾尾后面的可能向土倉內(nèi)流入的水，可采取如下的處理措施：對盾尾后面的50環(huán)管片的每環(huán)管片都進行嚴格的同步注漿，確保注漿量和注漿效果；對于該50環(huán)管片，每隔10環(huán)則對一環(huán)管片進行雙液注漿，可形成一個比較徹底的封閉環(huán)（止水環(huán)），則可達到較好的止水效果。6.2 對地質(zhì)情況的適時了解廣州地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，可能存在地層突變的情況，因此，在盾構(gòu)掘進時要求隨時對挖掘出的土質(zhì)進行取樣分析，了解可能出現(xiàn)的地質(zhì)變化，好采取有針對性的處理

11、措施。6.3 對盾構(gòu)的水平方向偏差的控制施工過程中盡量控制好盾構(gòu)姿態(tài)，為預(yù)防管片可能的外側(cè)位移，掘進時水平偏差一般控制在設(shè)計軸線內(nèi)側(cè)范圍內(nèi)。6.4 確保管片楔形量的措施根據(jù)理論計算，本區(qū)間的管片選型能夠滿足200m的轉(zhuǎn)彎半徑，但在實際的施工過程中，為了確保管片拼裝后形成200m半徑的線路，可在管片上采取一定的輔助措施。措施主要為：由于向左轉(zhuǎn)彎時，封頂塊主要拼在8、9、10點的位置，則B1、B2、B3主要在隧道的右側(cè)，可將這三塊標準塊管片的緩沖墊增加23mm的厚度，這樣就相當(dāng)于增加了一部分楔形量，可確保管片的拼裝效果。6.5 確保超挖的措施由于本區(qū)間存在200米的小半徑，掘進時確保足夠的超挖是保

12、證盾構(gòu)機順利轉(zhuǎn)彎的關(guān)鍵。由于在廣州其它盾構(gòu)隧道中沒有存在如此小的半徑，故很少有使用超挖刀的成功實例。在廣州的復(fù)雜的且比較堅硬的地層中使用超挖刀存在一定的風(fēng)險，如超挖刀的損壞或油缸伸出去而縮不回來等事故，必須做好其它保證超挖的預(yù)案。主要的措施為：如由于超挖刀故障而不能確保超挖時，可在刀盤外緣焊一耐磨鋼板，相當(dāng)于加大了刀盤半徑，可達到確保超挖的目的。6.6 確保邊緣刀正常使用的措施在小半徑轉(zhuǎn)彎時，確保邊緣刀（尤其是邊緣滾刀）的正常使用是很重要的。由于在急轉(zhuǎn)彎時，邊緣刀的磨損較大，則導(dǎo)致刀盤容易卡住。故要經(jīng)常對邊緣刀進行檢查，必要時進行更換，以確保邊緣刀的正常使用。6.7 防止盾構(gòu)鉸接拉斷的措施盾構(gòu)

13、在施工小半徑隧道時，使用鉸接裝置，與普通的土壓平衡盾鉤機比較有獨特的優(yōu)點，鉸接式盾構(gòu)機不但能用于小半徑隧道施工，也能用于盾構(gòu)的糾偏。施工過程中盾構(gòu)前進方向右側(cè)被動的鉸接油缸經(jīng)常出現(xiàn)無法收回，導(dǎo)致右側(cè)個別被動的鉸接油缸給拉斷，后通過用輔助的千斤頂強行將鉸接油缸收回，或者用鋼筋等連接桿拉住中盾和尾盾，有效地防止鉸接的拉斷，避免盾構(gòu)鉸接處出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。6.8 防止盾構(gòu)連接橋拉斷的措施盾構(gòu)機連接橋是連接盾體和盾構(gòu)后配套設(shè)備的鋼架體，盾構(gòu)機主控室、管片運輸機、注漿泵等重要設(shè)備均通過連接橋與盾體連接。盾構(gòu)機在掘進小半徑掘進過程中，連接橋鋼架被拉斷的現(xiàn)象時有發(fā)生，很容易造成鋼架斷裂、倒塌事故，最好的措施是控

14、制盾構(gòu)機的姿態(tài)，尤其是控制盾構(gòu)機趨勢不易過大；其次提前對連接橋鋼架采取加固措施。6.9盾構(gòu)掘進時走向的預(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)掘進時考慮給隧道預(yù)留一定的偏移量。在盾構(gòu)機剛剛進入緩和曲線時開始對掘進姿態(tài)進行調(diào)整，將盾構(gòu)沿曲線的割線方向緩慢糾偏掘進，在盾構(gòu)機整體進入圓曲線掘進時預(yù)留偏移量,水平偏差機頭前點控制在設(shè)計軸線內(nèi)側(cè)4050mm，后點控制在設(shè)計軸線內(nèi)側(cè)3040mm。趨勢控制在3左右（設(shè)計軸線內(nèi)側(cè)方向）。將盾構(gòu)沿曲線的割線方向掘進，管片拼裝時軸線位于弧線的內(nèi)側(cè)，以使管片出盾尾后受側(cè)向分力向弧線外側(cè)偏移時留有預(yù)偏量。而預(yù)偏量的確定往往須依據(jù)理論計算和施工實踐經(jīng)驗的

15、綜合分析得出，同時需考慮掘進區(qū)域所處的地層情況。7跟蹤監(jiān)測措施在急轉(zhuǎn)彎地段施工時加大人工監(jiān)測頻率，在盾構(gòu)機過后對隧道管片姿態(tài)隨時跟蹤監(jiān)測，把信息及時反映給盾構(gòu)操作人員，以便根據(jù)變形程度調(diào)整掘進參數(shù)。因小曲線段管片側(cè)向偏移嚴重，使得測量吊籃不得不安裝離激光靶較遠的位置；再有曲線段隧道嚴重影響TCA主機的前后視通視距離，從而導(dǎo)致VMT移站次數(shù)的增加。曲線段管片在脫出盾尾20環(huán)的位置才能達到基本穩(wěn)定，這也給吊籃的復(fù)測工作量加大很多。VMT移站頻率每8-10環(huán)1次；吊籃的復(fù)測每掘進4-5環(huán)1次；定期人工復(fù)核管片姿態(tài)每10環(huán)1次，每次疊加5環(huán)復(fù)測，可實時了解管片的偏移量；隧道內(nèi)基準點坐標每50環(huán)1次。8

16、后配套設(shè)備及材料的改進措施曲線段后配套臺車使用的軌枕采用3m定長，外側(cè)軌枕超高3cm，鋼軌間距比直線段加寬2cm，直線段每6米、小曲線段每3米安設(shè)一個拉軌器，通過以上措施可以有效地減少電瓶車、托卡等水平運輸設(shè)備發(fā)生掉軌事故。六、質(zhì)量標準由于小曲線半徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)難度高，施工風(fēng)險大，工程中不可預(yù)測因素多，且一般均為百年大計(如地鐵隧道)，又具有不可返修性，故此對質(zhì)量要求極高。按照工程建設(shè)規(guī)范DGJ082331999盾構(gòu)法隧道工程施工及驗收規(guī)程和地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范進行施工。七、機械設(shè)備盾構(gòu)隧道工程的機具設(shè)備包括兩大部分，一是盾構(gòu)機械本身及其附屬設(shè)備，另一是隧道施工常用設(shè)備。1 復(fù)合型土

17、壓平衡盾構(gòu)機械及附屬設(shè)備見表1。表1 復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)機械及附屬設(shè)備系統(tǒng)機械機械要素備注開挖、支護機構(gòu)切削刀盤切削土體并起一道擋土作用密封土艙存儲切削土體并保持一定壓力盾構(gòu)千斤頂提供推力并實現(xiàn)盾構(gòu)糾偏土壓力計檢測土壓進行土壓管理添加劑注入裝置添加劑注入泵添加劑注入口攪拌裝置切削刀盤各種攪拌棒防止共轉(zhuǎn)、沉淀、粘附排土設(shè)備螺旋輸送器運輸切削土、控制出土量閘門調(diào)節(jié)出土量管片拼裝機構(gòu)拼裝機千斤頂潤滑、密封裝置油脂注入泵盾尾密封刷擴挖裝置超挖刀或仿形刀特殊情況下使用（曲線施工等）盾構(gòu)附屬設(shè)備測量設(shè)備盾構(gòu)千斤頂行程計測偏轉(zhuǎn)VMT系統(tǒng)自動測量盾構(gòu)機姿態(tài)注漿設(shè)備注漿泵一號臺車上注漿管路盡量使用活彎頭注漿壓力

18、傳感器后備套臺車液壓組件電器組件 2盾構(gòu)隧道施工一般設(shè)備見表2。表2 盾構(gòu)隧道施工一般設(shè)備設(shè)備類型設(shè)備名稱數(shù)量備注隧道運輸設(shè)備32T門式龍門吊1豎井垂直運輸電瓶車4輛隧道水平運輸35T以上平板車610輛出土箱6大小與數(shù)量與本工程特點定Y型道叉24副數(shù)量視隧道長度而定加泥設(shè)備高速攪拌機儲漿罐充電設(shè)備充電機2套平板車2輛排水設(shè)備水管污水泵或潛水泵15臺測量設(shè)備全站儀1臺萊卡1200棱鏡2套萊卡原裝精密水準儀1臺其他設(shè)備電話和對講機8/4部通訊聯(lián)絡(luò)通風(fēng)機2臺隧道通風(fēng)滅火器消防設(shè)備 八、安全與環(huán)境保護 (一)安全、衛(wèi)生1必須遵循安全第的原則。由于盾構(gòu)工作面作業(yè)空間狹小，因此既要確保作業(yè)人員安全與健康，

19、還應(yīng)盡量創(chuàng)造個舒適愉快的工作環(huán)境。2工作環(huán)境。應(yīng)充分考慮地下作業(yè)的特殊性，在盾構(gòu)施工中，確保通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、通路的完整和有效，采取措施，消除影響工作人員健康的因素。3勞動防護。井下一切工作人員必須戴安全帽及勞動用品，集中思想操作，防止碰傷和不必要的安全事故，此外應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境設(shè)置安全標志，配備相應(yīng)的保護用品。4防上災(zāi)害發(fā)生。一般事故：如墜物、蹋落、軌道事故等；特殊事故：如火災(zāi)、缺氧、有毒氣體中毒等。由于隧道中具有相對封閉的特性，這些災(zāi)害的發(fā)生將產(chǎn)生不可估量的損害，為此要遵照預(yù)防為主的原則，相應(yīng)采取有效措施。 5其他方面。吊運土箱、混凝土管片及其他材料時井下吊運活動范圍嚴禁人員停留；起吊重物

20、前應(yīng)檢查索具吊具等有無損傷，發(fā)現(xiàn)磨損及時更換；保證機械設(shè)備的維修保養(yǎng)，嚴禁機器；節(jié)病超負工作；加強電機車安全管理；井下電機車嚴禁搭乘人員。 (二)環(huán)境保護1施工前，對工作井周圍及隧道軸線沿途建筑物、構(gòu)筑物進行調(diào)查，以便采取對策；采用低噪聲沒備，音源配置合理或采用隔音設(shè)備。2建筑物保護采取有效措施，控制地表下沉，盡量減少對沿線建筑物的影響。九、勞動組織復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)施工技術(shù)要求高，專業(yè)性較強，要求工種多，且由于其特殊性，現(xiàn)場需配備土建工程師、電氣工程師和測量工程師。作業(yè)人員考慮一天24h連續(xù)作業(yè)，每作業(yè)班配備人員見表3。表3 每作業(yè)班配備人員種類崗位每班人數(shù)備注井口下及隧道電瓶車司機2注 漿

21、2千斤頂操作1安裝器操作手1管片安裝工3管片卸運工1井下掛鉤2軌道維護2盾構(gòu)機維護保養(yǎng)機械工程師1為兩條隧道服務(wù)電氣工程師1維修工2地面/隧道現(xiàn)場施工負責(zé)人3專職管理工人總 計全體工人21十、效益分析一般土壓平衡盾構(gòu)很難在軟土和巖石混合地層中施工，復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)充分顯示其在各種復(fù)雜地層中掘進的能力。復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)掘進工法與礦山法相比，具有安全、作業(yè)環(huán)境好、掘進速度快、隧道整體防水好及綜合造價低的優(yōu)點。復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)一般不需要輔助施工法，受環(huán)境影響少，能保持連續(xù)均衡施工，既縮短工期又能保證高質(zhì)量。對施工人員來說，由于其機械化程度高，隧道內(nèi)噪音低，無氣壓，減輕了勞動強度，有利于施工人員的健康和安全。該工法具有較明顯的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。十一、工程實例由中鐵十六局集團有限公司承建的廣州市軌道交通五號線區(qū)莊站楊箕站盾構(gòu)區(qū)間土建工程是整個地鐵五號線的重點控制工程，區(qū)楊盾構(gòu)區(qū)間包括兩個區(qū)間（區(qū)莊站動物園站和動物園站楊箕站），其中楊