小轉(zhuǎn)彎半徑隧道盾構(gòu)施工技術(shù)探討

王 嵐

鄭州市第一建筑工程集團(tuán)有限公司（450004）

在我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，地下軌道交通可以有效的解決大型城市的交通擁堵問(wèn)題并且對(duì)地下空間實(shí)現(xiàn)了綜合利用，因此地鐵建設(shè)事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，但是同時(shí)也受城市中既有建筑物和空間的限制，出現(xiàn)了大量小半徑、大坡度的復(fù)雜線型，給工程施工造成了一定的困難和挑戰(zhàn)。

在盾構(gòu)進(jìn)行小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的反推力對(duì)曲線外側(cè)土層造成擠壓，同時(shí)因盾尾空隙的存在會(huì)使地層向隧道內(nèi)側(cè)位移；由于盾構(gòu)推進(jìn)是靠管片和地層反力掘進(jìn)的，因此在曲線段盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂直于隧道方向的水平力，使隧道向曲線外側(cè)位移,當(dāng)隧道的縱向剛度和地層的剛度過(guò)小，可能會(huì)引起管片和外側(cè)地層位移過(guò)大。因此小轉(zhuǎn)彎半徑曲線地段的隧道軸線控制難度較大，同時(shí)管片向外側(cè)扭曲而擠壓地層使地層和管片結(jié)構(gòu)均受到復(fù)雜的影響，造成盾構(gòu)和管片姿態(tài)的偏差過(guò)大。因此，在盾構(gòu)通過(guò)小轉(zhuǎn)彎半徑的隧道時(shí),應(yīng)加強(qiáng)施工控制，制定可靠的技術(shù)保證措施，保證最終成型隧道的施工質(zhì)量。

鄭州市軌道交通1號(hào)線博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道全長(zhǎng)2.2 km，整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間共設(shè)二條平曲線，曲線半徑分別為450 m、350 m；盾構(gòu)機(jī)采用德國(guó)海瑞克生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī),隧道結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土單層管片襯砌，襯砌管片內(nèi)徑5.40 m，外徑6.00 m，厚度0.30 m、寬度1.50 m，強(qiáng)度C50，每一襯砌環(huán)由6塊管片拼裝組成，采用5.8級(jí)M27彎螺栓進(jìn)行連接。

盾構(gòu)隧道主要穿越第(16)層細(xì)砂層和(17)層細(xì)砂層，隧道上部主要為(2)粉土、(8)粉砂和(16-1)粉質(zhì)粘土層，下部主要為第(17)層細(xì)砂層。

1 小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工控制技術(shù)

為保證平曲線段順利掘進(jìn),從管片選型和拼裝、盾構(gòu)機(jī)推力、軸線預(yù)偏等方面采取必要措施，同時(shí)對(duì)地層采取了同步注漿和二次注漿相結(jié)合的措施，以保證小轉(zhuǎn)彎半徑圓曲線段盾構(gòu)施工中隧道軸線、成型管片的破損量、環(huán)向和徑向錯(cuò)臺(tái)都能符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

1.1 管片選型及盾尾間隙控制

盾構(gòu)機(jī)的盾尾與管片間間隙的變化主要體現(xiàn)在水平軸線兩側(cè)，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎幅度大于隧道設(shè)計(jì)值，隧道外側(cè)的盾尾間隙就相對(duì)減??；當(dāng)管片楔形量過(guò)大超前于盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎幅度時(shí)，隧道內(nèi)側(cè)的盾尾間隙就相對(duì)較小。所以，在無(wú)法通過(guò)盾構(gòu)推進(jìn)和管片拼裝來(lái)調(diào)整盾尾間隙時(shí)，可考慮采用楔型管片和直線型管片互換的方式來(lái)調(diào)整盾尾間隙保證管片拼裝質(zhì)量。在本區(qū)間盾構(gòu)施工時(shí)，盾尾間隙標(biāo)準(zhǔn)值為80 mm，在圓曲線段掘進(jìn)時(shí)，可將盾尾間隙保持在80±20 mm范圍內(nèi)。

1.2 推力控制

盾構(gòu)機(jī)在富水砂層小半徑圓曲線掘進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)土體的擾動(dòng)會(huì)顯著降低周圍土體的強(qiáng)度及自穩(wěn)能力，飽和砂土的蠕變特性以及盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)施加在管片的水平方向土體壓力，管片在長(zhǎng)時(shí)間承受千斤頂壓力的等情況下，很可能向外側(cè)整體移動(dòng)。

1.3 推進(jìn)軸線預(yù)偏設(shè)置

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,要加強(qiáng)對(duì)推進(jìn)軸線的控制。曲線推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)實(shí)際上應(yīng)處于曲線的切線上，因此推進(jìn)的關(guān)鍵是確保對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制。由于盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的同步注漿及二次注漿的漿液效果不能有效保證管片后土體的承載強(qiáng)度，管片在承受側(cè)向壓力后，將向弧線外側(cè)偏移。為了確保隧道軸線最終偏差控制在允許的范圍內(nèi)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)給隧道預(yù)留一定的偏移量。

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入緩和曲線時(shí)即開(kāi)始對(duì)掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,將盾構(gòu)沿曲線的割線方向緩慢糾偏掘進(jìn)，在盾構(gòu)機(jī)整體進(jìn)入圓曲線掘進(jìn)時(shí)預(yù)留偏移量，水平偏差可根據(jù)曲線半徑和盾構(gòu)推力、周圍土層情況及覆土深度和施工經(jīng)驗(yàn)確定，在本工程中機(jī)頭前點(diǎn)控制在設(shè)計(jì)軸線內(nèi)側(cè)30～40 mm,后點(diǎn)控制在設(shè)計(jì)軸線內(nèi)側(cè)20～30 mm。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)，以使管片出盾尾后受側(cè)向分力向弧線外側(cè)偏移時(shí)留有預(yù)偏量。

1.4 盾構(gòu)姿態(tài)控制與調(diào)整

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，難免出現(xiàn)姿態(tài)偏差，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)可采用刀盤反轉(zhuǎn)等方法進(jìn)行糾偏，以長(zhǎng)距離慢慢修正為原則，做到緩、小、勤、勻。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整（糾偏）方式主要有：①側(cè)滾糾偏：采用刀盤反轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行側(cè)滾糾偏。②豎直方向糾偏：盾構(gòu)機(jī)抬頭時(shí)，可加大上部千斤頂?shù)耐贫冗M(jìn)行糾偏；盾構(gòu)機(jī)叩頭時(shí)，可加大下部千斤頂?shù)耐贫冗M(jìn)行糾偏。③水平方向糾偏：向左偏時(shí)，加大左側(cè)千斤頂推度；向右偏時(shí)，加大右側(cè)千斤頂推度。

盾構(gòu)掘進(jìn)的糾偏量越小,則對(duì)土體的擾動(dòng)越小。處于350 m轉(zhuǎn)彎圓曲線時(shí)，為防止盾構(gòu)機(jī)抬頭以及管片上浮及向圓曲線外側(cè)移動(dòng),通過(guò)VMT系統(tǒng)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。根據(jù)管片監(jiān)測(cè)情況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)整為-40～-50 mm之間。同時(shí)應(yīng)加密VMT移站頻率，減少移站后出現(xiàn)的軸向偏差。

1.5 同步注漿及二次注漿

同步注漿壓力略大于該地層位置的靜止水土壓力，注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力，最大不超過(guò)0.3～0.4 MPa,理論注漿量為7.29 m3/環(huán)，根據(jù)推進(jìn)時(shí)實(shí)際地面監(jiān)測(cè)結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整注漿量。通過(guò)控制同步注漿壓力和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定注漿時(shí)間。注漿量和注漿壓力達(dá)到設(shè)定值后才停止注漿，否則仍需補(bǔ)漿。

為減少同步注漿漿液早期強(qiáng)度低，隧道受側(cè)向反力影響大的問(wèn)題，在管片出盾尾后，通過(guò)管片注漿孔向管片外周進(jìn)行二次注漿，來(lái)填補(bǔ)同步注漿流失造成的空隙和抵抗側(cè)向分力,為盡快穩(wěn)定管片，二次注漿位置應(yīng)盡量靠近盾尾，但太靠近盾尾又會(huì)損害盾尾刷，因此選擇在管片出盾尾約3～5環(huán)位置進(jìn)行二次注漿。

二次注漿漿液為瞬混性且具有較高早期強(qiáng)度的水泥—水玻璃雙液漿。實(shí)驗(yàn)室凝固時(shí)間控制在15～25 s，凝固時(shí)間少于15 s時(shí)，極易發(fā)生堵管，且易在管片背后注漿孔的周圍形成“鼓包”，影響漿液繼續(xù)擴(kuò)散，使?jié){液不能充分的填充空隙；當(dāng)凝固時(shí)間大于25 s時(shí)，則會(huì)由于地下水的稀釋作用使?jié){液不能及時(shí)凝固而產(chǎn)生較大的流失。二次注漿主要采用壓力控制，壓力控制在0.2～0.3 MPa。最大瞬間壓力不能大于0.4 MPa，以免對(duì)管片造成損壞。

1.6 隧道管片縱向加強(qiáng)及螺栓復(fù)緊

針對(duì)小半徑曲線上隧道縱向位移較大，在隧道靠近開(kāi)挖面后40～50 m范圍管片設(shè)置加強(qiáng)肋以增強(qiáng)隧道縱向剛度，減少其縱向位移。加強(qiáng)肋采用兩根[22a槽鋼用鋼板焊接成型，用螺栓將其與管片的吊裝孔進(jìn)行連接，從而將隧道縱向連接起來(lái)，以增強(qiáng)隧道縱向剛度。

每環(huán)推進(jìn)結(jié)束后，須擰緊當(dāng)前環(huán)管片的連接螺栓，并在下環(huán)推進(jìn)時(shí)進(jìn)行復(fù)緊，克服作用于管片推力產(chǎn)生的垂直分力，減少成環(huán)隧道浮動(dòng)。每掘進(jìn)完成3環(huán)，對(duì)10環(huán)以內(nèi)的管片連接螺栓再?gòu)?fù)緊一次。

2 其他控制措施

同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線掘進(jìn)過(guò)程中，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水的控制，防止土艙內(nèi)水壓過(guò)大造成的糾偏困難；保證成型隧道管片后的注漿效果，形成有效的止水環(huán)；降低盾構(gòu)推進(jìn)速度，減小盾構(gòu)千斤頂推力，從而減小管片間作用力；合理選取盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂編組，均衡盾構(gòu)對(duì)每塊管片的推力，避免作用力集中造成的管片破損；杜絕盾構(gòu)千斤頂左右分區(qū)大推力差糾偏，保證管片受力均勻。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,還應(yīng)建立有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)軸線偏差、收斂及周邊地表、建(構(gòu))筑物沉降的監(jiān)測(cè),及時(shí)分析并不斷調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的信息化施工。

在鄭州市軌道交通1號(hào)線博體盾構(gòu)區(qū)間，通過(guò)以上施工措施的綜合應(yīng)用順利完成曲線掘進(jìn)，解決了小半徑曲線段盾構(gòu)掘進(jìn)軸線控制和管片拼裝問(wèn)題，各項(xiàng)控制指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)。通過(guò)本區(qū)間對(duì)小轉(zhuǎn)彎半徑隧道盾構(gòu)施工控制技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為以后類似工程提供了借鑒意義。