雙護(hù)盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)

劉俊生

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 燕郊 065200）

雙護(hù)盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)

劉俊生

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 燕郊 065200）

青島地鐵2號線利津路站～臺東站區(qū)間隧道處于兩段小半徑曲線內(nèi)，曲線半徑分別為350m和320m，隧道曲線半徑幾乎達(dá)到了TBM施工的極限轉(zhuǎn)彎半徑。為滿足TBM施工中的曲線轉(zhuǎn)彎半徑需求和管片拼裝質(zhì)量，分析TBM隧道施工過程中，小半徑曲線導(dǎo)致TBM卡盾、線路不符合設(shè)計要求和管片錯臺破損的施工風(fēng)險，從設(shè)備選型及改造、施工工藝措施方面予以優(yōu)化：（1）通過調(diào)整墊片墊高滾刀實現(xiàn)小半徑曲線隧道擴(kuò)挖；（2）選擇合適的管片型號適應(yīng)轉(zhuǎn)彎半徑；（3）合理的施工參數(shù)及工藝措施對掘進(jìn)姿態(tài)控制的必要性。隧道施工結(jié)果表明，經(jīng)過設(shè)備改造和施工工藝優(yōu)化，達(dá)到了小半徑曲線隧道TBM施工的質(zhì)量控制目標(biāo)。

青島地鐵；小半徑曲線；TBM；施工技術(shù)

由于在城市中建筑物較為密集的地段修建地鐵，普通的施工工藝受地面上建筑物、城市道路、地質(zhì)和水文條件、施工設(shè)備以及建設(shè)資金等因素的影響較大，隨著設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，近些年來，全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）在城市地鐵中越來展現(xiàn)出其先進(jìn)性。尤其是雙護(hù)盾TBM，在地鐵隨帶施工中實現(xiàn)掘進(jìn)、管片拼裝和出渣流水作業(yè)一次成洞，使隧道施工達(dá)到高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)和保安全的施工目的，其設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和施工特點受到施工單位的青睞。本文根據(jù)青島地鐵2號線隧道曲線半徑和設(shè)備特性等因素，對TBM工法在青島地鐵小半徑曲線施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究總結(jié)。

1.工程概況

青島地鐵是國內(nèi)首次將雙護(hù)盾TBM運(yùn)用至地鐵施工，青島地鐵2號線一標(biāo)03工區(qū)利津路站～臺東站區(qū)間包括2段小半徑曲線，曲線半徑分別為350m、 320m。利臺區(qū)間由利津路站出發(fā)左轉(zhuǎn)進(jìn)入半徑為350m的小半徑曲線，起訖里程為YSK26+048.349～YSK26+102.963，總長54.614m。然后通過左轉(zhuǎn)緩和曲線、直線、緩和曲線右轉(zhuǎn)進(jìn)入半徑為320m的小半徑曲線，起訖里程為YSK26+249.070～YSK26+589.028，小半徑曲線總長339.958m。

區(qū)間隧道采用雙護(hù)盾TBM施工，結(jié)構(gòu)裝配式鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)、外直徑分別為5.4m和6.0m，管片厚度300mm。

2.施工難點

2.1隧道整體向弧線外側(cè)偏移，軸線難以控制

雙護(hù)盾TBM在小半徑曲線隧道掘進(jìn)施工中，管片橫向與線路的法線方向在水平方向上形成一定的角度，在輔推油缸的推力下向外產(chǎn)生一個側(cè)向分力。管片脫盾尾后，受到側(cè)向分力的影響，管片襯砌發(fā)生向曲線外側(cè)偏移的趨勢。

另外，由于雙護(hù)盾TBM盾體外殼與管片外側(cè)存在15cm空隙，在施工過程中，豆粒石不能做到同步回填，管片襯砌外側(cè)空隙與填充回填方量不一致。如果存在空隙或豆粒石與水泥漿凝結(jié)體強(qiáng)度較低的現(xiàn)象，則小曲線半徑的管片襯砌將在側(cè)向分力作用下將向曲線外側(cè)發(fā)生偏移。

2.2地層損失增加

雙護(hù)盾TBM在掘進(jìn)線路為連續(xù)的折線，且掘進(jìn)方向的外側(cè)出渣量較大，這樣造成掘進(jìn)軸線外側(cè)巖體損失，并形成不均勻受力空間。

在施工中調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和正常掘進(jìn)參數(shù)的條件下，小半徑曲線隧道掘進(jìn)也會增大不均勻受力空間。曲線地鐵隧道的底層應(yīng)力損失的大小與雙護(hù)盾TBM主機(jī)的長度密切相關(guān)；與直線隧道相比，雙護(hù)盾TBM在曲線隧道施工中的地層應(yīng)力損失，可能隨著曲線半徑的變小而增大。

2.3糾偏量工作量大，對土體擾動的增加

由于雙護(hù)盾TBM主機(jī)為2段直線形剛體，小半徑曲線隧道施工中，盾體不能與線路曲線完全擬合。雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)形成的小半徑段隧道由一段段連續(xù)的折線組成，為了讓連續(xù)折線與小半徑段隧道軸線充分?jǐn)M合，TBM掘進(jìn)施工時需連續(xù)糾偏。曲線半徑越小，TBM主機(jī)長度就顯的越長，則糾偏量越大，糾偏效果越低。

掘進(jìn)中的糾偏頻率和糾偏量的變大，增加了對地層擾動，其結(jié)果就是延長了圍巖的后期沉降時間。在小半徑曲線隧道掘進(jìn)時，如果地層的剛度和隧道的縱向剛度偏小，可能引起管片襯砌和外側(cè)地層產(chǎn)生的較大位移，甚至發(fā)生較大范圍的地層土體的擾動變形。

2.4容易造成管片破損

雙護(hù)盾TBM換步過程中需要輔推油缸對管片施加壓力，以固定管片姿態(tài)，在一個換步過程中，尤其是在小半徑曲線段上施工時，TBM盾體的姿態(tài)曲線變化較大，這就在輔推油缸靴板與管片之間產(chǎn)生一個向外的微小滑移趨勢，在換步過程中導(dǎo)致管片局部受力過大而產(chǎn)生裂紋或破碎。

同時管片外側(cè)豆粒石松散，可向外側(cè)偏移擠壓地層，使管片姿態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定受到影響，極易造成TBM的尾盾與管片卡殼及管片碎碎現(xiàn)象發(fā)生。

2.5糾偏不及時極易造成TBM卡盾

小半徑曲線隧道均處于向左或向右轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，鑒于TBM盾體的長度和隧道曲線半徑，需要持續(xù)地保持掘進(jìn)行良好地程差掘進(jìn)施工，掘進(jìn)司機(jī)如不能控制好掘進(jìn)參數(shù)，需要頻繁地糾偏，如果糾偏不及時，極有可能造成卡盾現(xiàn)象。

3.技術(shù)措施

3.1掘進(jìn)前起始狀態(tài)

3.1.1前盾的起始姿態(tài)

前盾到轉(zhuǎn)彎處要由設(shè)計直線軸線過渡到曲線軸線。正常狀態(tài)刀盤開挖直徑為6300mm，前盾外徑6240mm，前盾與洞壁單側(cè)間隙為30mm，尾盾外徑6150mm，盾尾與洞壁單側(cè)間隙為75mm，經(jīng)過計算不超挖的最小轉(zhuǎn)彎半徑為600m，如果涉及開挖曲線最小半徑為320m，則前盾姿態(tài)調(diào)整有以下兩種方法：①使用超挖刀，一次性調(diào)整好支撐盾與前盾間夾角；曲率半徑為固定的320m。②不使用超挖刀，而曲率半徑依次從600m遞減到320m。

3.1.2支撐盾的起始姿態(tài)

此時主推進(jìn)缸處于收縮狀態(tài)，內(nèi)外伸縮盾處于重疊狀態(tài)，此時前盾與支撐盾的夾角為θ。

式中：

W——支撐盾起始測量點到撐靴中心距離（此數(shù)值為固定值由盾體結(jié)構(gòu)決定）；

L——在直線推進(jìn)時前盾與支撐盾的初始測量長度（此數(shù)值為固定值由操作人員確定）；

R——隧道的設(shè)計軸線曲率半徑；

以向左轉(zhuǎn)為例

此時的測定左側(cè)距離傳感器的測量長度為Lb：

a——左側(cè)傳感器到盾體中心的距離

此時測定右側(cè)距離傳感器的測量長度值為Lr：

b——右側(cè)傳感器到盾體中心的距離

左右傳感器測量長度差△L：

結(jié)論：TBM換步時首先把前盾測量端面姿態(tài)與隧道的設(shè)計軸線垂直，中心與隧道的設(shè)計軸線相切，固定前度。然后調(diào)節(jié)盾尾姿態(tài)，盾尾姿態(tài)要以左右兩側(cè)傳感器的位移差為依據(jù)。可采用主推油缸快速同步移動和慢速差動微調(diào)來保證兩側(cè)傳感器的差值；按此差值可以保證在主推油缸初始狀態(tài)下盾尾位置正確。

3.1.3伸縮盾的初始姿態(tài)

外伸縮盾：外伸縮盾與前盾固定連接，姿態(tài)隨刀盤和前盾變化。

內(nèi)伸縮盾：與支撐盾鉸接，通常狀態(tài)下鉸接油缸前后腔都有一定壓力，這是內(nèi)伸縮與支撐盾處于平行狀態(tài)，由于內(nèi)外伸縮盾間隙10mm，在小曲率半徑條件下前盾與支撐盾由夾角θ，所以外伸縮盾與內(nèi)伸縮盾會產(chǎn)生干涉。因此此時應(yīng)對鉸接油缸的工況進(jìn)行調(diào)整，釋放鉸接油缸前后腔壓力使內(nèi)伸縮盾外伸縮盾浮動，消除相互干涉。

3.2施工參數(shù)設(shè)定

3.2.1掘進(jìn)軸線預(yù)偏設(shè)置

在TBM掘進(jìn)過程中，要加強(qiáng)對推進(jìn)軸線的控制。曲線推進(jìn)時TBM實際上應(yīng)處于曲線的切線上，因此推進(jìn)的關(guān)鍵是確保對TBM姿態(tài)的控制。

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規(guī)范允許的范圍內(nèi)，TBM掘進(jìn)時給隧道預(yù)留一定的偏移量。根據(jù)理論計算和相關(guān)施工實踐經(jīng)驗的綜合分析，同時需考慮掘進(jìn)區(qū)域所處的地質(zhì)情況，在小半徑曲線隧道掘進(jìn)過程中，將設(shè)置使其向曲線內(nèi)側(cè)（圓心側(cè)）預(yù)偏移30mm～50mm。施工中通過對小半徑段隧道偏移監(jiān)測，適當(dāng)調(diào)整預(yù)偏量，預(yù)偏量如圖1所示。

3.2.2TBM掘進(jìn)參數(shù)選擇

（1）嚴(yán)格控制TBM的推進(jìn)速度

推進(jìn)時速度應(yīng)控制在3cm/min～4cm/min，降低因掘進(jìn)推力過大而引起的向外分力的增大，減小TBM推進(jìn)過程中對地層的擾動和糾偏量。另外，在小半徑曲線段為避免輔推千斤頂對管片造成破損，可采取短行程多循環(huán)的掘進(jìn)換步方式，可按照每30cm～50cm收縮主推千斤頂進(jìn)行換步，使得輔推油缸對管片的側(cè)向壓力滑移的趨勢降低，同時有助于TBM在掘進(jìn)過程中的糾偏調(diào)向。

（2）嚴(yán)格控制TBM正面掘進(jìn)力

必須嚴(yán)格控制掘進(jìn)過程中的相關(guān)施工參數(shù)，推進(jìn)貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速等。防止發(fā)生大方量的超挖，盡量減少掘進(jìn)參數(shù)的大幅跳動。

（3）嚴(yán)格控制豆粒石的填充密度和漿液回填量

由于雙護(hù)盾TBM在小半徑曲線段隧道施工中，管片會受到向外側(cè)的一個擠壓分力，因此在小半徑曲線段施工時應(yīng)嚴(yán)格控制漿液回填量，確保盾尾段管片漿液回填總量到位。通過及時灌注水泥漿液，減少施工過程中的管片軸線偏移量。注漿量未達(dá)到施工要求時暫停推進(jìn)，以降低管片軸線偏移。

根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況，可增加盾尾段雙液漿止?jié){環(huán)，從而有效地控制管片拼裝軸線。

3.2.3嚴(yán)格控制TBM糾偏量

TBM的曲線掘進(jìn)實際上是處于線路的切線上，掘進(jìn)的重點是確保對TBM的刀盤姿態(tài)控制，由于TBM曲線掘進(jìn)時都在糾偏，必須跟蹤測量，保證掘進(jìn)行程差的前提下縮小糾偏量，確保轉(zhuǎn)彎環(huán)的端面始終處于線路軸線的徑向豎直面內(nèi)。

通過計算得出在半徑320m曲線轉(zhuǎn)彎下每環(huán)TBM左右主推油缸的行程差需控制在28mm～33mm，通過利用TBM主推油缸行程差來控制其糾偏量。同時，分析管片的選型，針對不同的管片類型選用不同的行程差。在小半徑曲線隧道掘進(jìn)中，雙護(hù)盾TBM的糾偏量控制在3mm～5mm/環(huán)。

3.2.4盾尾與管片間的間隙控制

小半徑曲線隧道的管片拼裝質(zhì)量尤為重要，而管片拼裝質(zhì)量的一個重要因素是管片的盾尾間隙。控制好盾尾間隙有助于管片拼裝，也利于TBM姿態(tài)糾偏。

（1）在管片選型時，應(yīng)根據(jù)盾尾間隙進(jìn)行合理選擇，使管片與盾尾間隙得以調(diào)整，便于下環(huán)管片的拼裝，有助于管片隧道的成型效果擬合隧道設(shè)計軸線。

（2）根據(jù)盾尾與管片間的間隙，合理選擇轉(zhuǎn)彎環(huán)管片。小半徑曲線段時，雙護(hù)盾TBM的管片盾尾間隙變化主要出現(xiàn)在水平方向，管片轉(zhuǎn)彎趨勢跟隨主機(jī)掘進(jìn)方向，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)彎過快時，曲線外側(cè)的管片盾尾間隙就相對較??；當(dāng)管片因楔形量等原因大于掘進(jìn)轉(zhuǎn)彎形成差時，曲線內(nèi)側(cè)的盾尾間隙就相對較小。因此，當(dāng)無法通過主推油缸行程差和管片拼裝來調(diào)整盾尾間隙時，可考慮采用轉(zhuǎn)彎環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片組合的方式適應(yīng)盾尾間隙變化。另外，在小半徑曲線隧道掘進(jìn)過程中，將管片向曲線內(nèi)側(cè)預(yù)偏移20mm～40mm，增加管片拼裝對盾尾間隙的適應(yīng)性。

3.3管片選型

本工程管片采用平板型單層管片襯砌、錯縫拼裝（局部通縫拼裝），管片外徑6.0m，厚0.3m，環(huán)寬1.5m，每環(huán)管片分6塊，由封頂塊（F），鄰接塊（L1、L2），標(biāo)準(zhǔn)塊（B1、B2、B3）構(gòu)成，管片分塊組裝方式采用3B+2L+1F。為滿足直線段和曲線段施工和糾偏的需要，設(shè)計了有標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和左、右轉(zhuǎn)彎環(huán)，轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量38mm，通過標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的各種組合來擬合不同的線路。

以320m半徑為例計算轉(zhuǎn)彎管片選型，主要依據(jù)是線路軸線，可計算出轉(zhuǎn)彎時的管片排版如下：

轉(zhuǎn)彎環(huán)偏轉(zhuǎn)角的計算公式：

式中：

θ——轉(zhuǎn)彎環(huán)的偏轉(zhuǎn)角；

δ——轉(zhuǎn)彎環(huán)的最大楔形量的一半；

D——管片直徑。

將數(shù)據(jù)代入，得出θ=0.2864

根據(jù)圓心角的計算公式：

式中：

L——一段線路中心線的長度；

R——曲線半徑，取320m；

而θ=α，將之代入，得出：

上式表明，在320m的圓曲線上，每隔1.60m要用一環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。青島地鐵采用的管片長度為1.5m，即在320m的圓曲線上，加上糾偏，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的拼裝關(guān)系為：1環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+15環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。

3.4擴(kuò)挖刀墊厚措施

TBM刀盤上安裝有19寸擴(kuò)挖刀，在進(jìn)行擴(kuò)挖施工時在邊刀刀座與滾刀之間增加墊片，使邊刀外伸以達(dá)到擴(kuò)挖的目的。通過加墊法把邊刀墊高，推動C型嵌入座外移，來實現(xiàn)超挖，邊刀墊后尺寸見表1。

表1　刀墊厚度統(tǒng)計表

在進(jìn)行擴(kuò)挖施工時，首先將刀盤適當(dāng)后退，在已經(jīng)開挖的掌子面洞壁處用風(fēng)鎬或其他工具開挖出安裝新刀空間，安裝擴(kuò)挖施工的刀具。利用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)緩慢轉(zhuǎn)動刀盤，以較慢速度轉(zhuǎn)動刀盤，利用新安裝的刀具擴(kuò)挖洞壁，擴(kuò)挖完成后開始進(jìn)行推進(jìn)作業(yè)。推進(jìn)時，要用小推力緩慢推進(jìn)，直到新刀已擴(kuò)挖出一定距離，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后，方可正常操作掘進(jìn)。在安裝新刀擴(kuò)挖時，刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力不要過大，防止新刀的損壞。

擴(kuò)挖施工時要注意啟動和推進(jìn)作業(yè)，嚴(yán)格按照擴(kuò)挖施工程序進(jìn)行，避免啟動過猛或推進(jìn)過快造成新安裝刀具的損壞。

3.5及時注漿

管片背后回填注漿對減少地層變形和維持管片穩(wěn)定起著重要的作用，也是控制地面建筑物和管線沉降變形的有效措施。因此小曲線半徑隧道掘進(jìn)施工時，應(yīng)密切關(guān)注TBM掘進(jìn)和注漿的綜合影響，按比例拌合水泥單液漿，并在合適位置進(jìn)行管片背后注漿，同時加強(qiáng)地面監(jiān)控量測。

3.6TBM測量與姿態(tài)控制

TBM的測量是確保隧道軸線的根本，在小曲率半徑段對TBM的測量尤為重要。

在小半徑曲線段掘進(jìn)時，應(yīng)適當(dāng)提高隧道測量的頻率，通過多次測量來確保導(dǎo)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時，可以通過測量數(shù)據(jù)來反饋TBM的掘進(jìn)姿態(tài)和糾偏。

由于隧道轉(zhuǎn)彎半徑較小，隧道內(nèi)的通視條件相對較差，因此必須多次轉(zhuǎn)站、設(shè)置新的控制點和后視點。在設(shè)置新的全站儀控制點后，應(yīng)嚴(yán)格加以復(fù)測，確保測量點的準(zhǔn)確性，防止造成誤測。同時，由于管片小半徑轉(zhuǎn)彎的側(cè)向分力較大，可能造成管片襯砌的水平移動，所以必須定期復(fù)測后視點，保證其準(zhǔn)確性。

由于線路的急轉(zhuǎn)彎，間距5-15環(huán)布置測量支架，每推進(jìn)5環(huán)復(fù)測一次導(dǎo)線點。TBM掘進(jìn)進(jìn)采用自動導(dǎo)向系統(tǒng)，推進(jìn)時每30s自動記錄一次TBM姿態(tài)。

TBM主機(jī)組裝后，應(yīng)進(jìn)行TBM縱向軸線和徑向軸線測量，其主要測量內(nèi)容包括刀盤、前盾、中盾和盾尾姿態(tài)測量；TBM外殼長度測量；TBM刀盤、盾尾的直徑測量；以及盾尾的橢圓度測量。TBM掘進(jìn)時姿態(tài)測量應(yīng)包括其與線路中線的水平方向、高程、縱向坡度、滾動角的測量。

3.7監(jiān)控量測及信息反饋

（1）跟蹤監(jiān)測

在小半徑曲線段施工時加大人工監(jiān)測頻率，在TBM后配套通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TBM操作人員，以便根據(jù)管片變形程度調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

（2）針對該區(qū)間隧道沿線的建（構(gòu)）筑物及地下管線設(shè)施，結(jié)合TBM掘進(jìn)施工中引起地面沉降的機(jī)理采用如下監(jiān)測內(nèi)容：①地表環(huán)境沉降監(jiān)測：地表沉降地下管線沉降和建（構(gòu)）筑物沉降；②在建隧道沉降監(jiān)測。

4.施工效果

本段雙護(hù)盾TBM施工的小曲線半徑隧道，在國內(nèi)地鐵施工中尚屬首例，該段小曲線半徑隧道對設(shè)備的適應(yīng)性和施工技術(shù)管理水平提出了嚴(yán)苛的考驗，在采取了本文所述的措施后，利津路站～臺東站區(qū)間隧道貫通后，整條隧道軸線均控制在-50mm～50mm范圍之內(nèi)，TBM小半徑曲線施工成型隧道符合驗收標(biāo)準(zhǔn)，平均錯臺控制在1cm以內(nèi)，管片破損和漏水部分較少，地表沉降控制在-15mm～0mm范圍之內(nèi)，各項指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良工程標(biāo)準(zhǔn)，很好地完成了這一重難點的施工任務(wù)。

5.結(jié)論與建議

（1）在雙護(hù)盾TBM小半徑曲線隧道施工中，既有和一般的隧道掘進(jìn)相同的一面，又有其特殊性，我們要著重研究和控制它差異的一面。

（2）在雙護(hù)盾TBM小半徑曲線隧道施工中，要抓住隧道軸線曲率大半徑小、盾體姿態(tài)難以控制的特點，選擇好盾體掘進(jìn)姿態(tài)，使用好擴(kuò)挖刀，要在更小更嚴(yán)的糾偏幅度中進(jìn)行各種參數(shù)優(yōu)化。

（3）在雙護(hù)盾TBM小半徑曲線隧道施工中，針對TBM管片易向隧道軸線外側(cè)偏移的特征，最好使用雙液漿作為同步注漿。當(dāng)采用惰性漿時，要做好軸線預(yù)偏及二次注漿工作，加強(qiáng)監(jiān)測，進(jìn)行動態(tài)管理，信息化施工。

［1］陳強(qiáng).小半徑曲線地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2009（8）：98-99.

［2］張穎，李銘軍，何肖健.小半徑曲線盾構(gòu)隧道設(shè)計及施工新技術(shù)［J］.都市快軌交通，2010（10）：128.

U416

A