小半徑曲線地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究

摘 要：在城市軌道交通工程的建設(shè)中會出現(xiàn)很多特殊情況，雖然目前的隧道施工技術(shù)已經(jīng)廣泛采用了方便快捷的盾構(gòu)施工法，但是小半徑曲線的地鐵盾構(gòu)施工非常特殊和復(fù)雜，一個小半徑曲線線路路段會直接影響到整條地鐵線路的成本、安全性能和速度等控制性因素。本文通過提出小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工的難點、施工中常遇到的問題，講述曲線隧道盾構(gòu)施工技術(shù)的運用的特征和方式，并且就廣州地鐵三號線某項目工程的盾構(gòu)區(qū)間為實例探究。

關(guān)鍵詞：小半徑曲線；地鐵盾構(gòu)隧道；施工技術(shù)；實例探究

1 引言

城市軌道交通的建設(shè)速度在近幾年來飛速提升，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)也漸漸成為隧道施工的主流方式。由于地鐵隧道施工的經(jīng)驗積累越來越豐富，施工流程越來越規(guī)范化，整體的施工難度在不斷降低。但隨著建設(shè)量增大，其中不可避免的出現(xiàn)更多特殊形式的軌道交通線形。其中出現(xiàn)的小半徑曲線地鐵隧道的施工和常規(guī)的直線形地鐵隧道施工相比較，復(fù)雜程度要高出很多。所以研究好如何施工小半徑曲線地鐵隧道，會對之后遇到類似情況的工程提供很強的借鑒意義。

2 小半徑曲線盾構(gòu)施工的難點分析

2.1 軸線控制難度比較大

在盾構(gòu)曲線隧道的時候，盾構(gòu)機是在設(shè)計軸線的周圍位置不規(guī)則擺動的，因此在盾構(gòu)機推進的過程當(dāng)中無法和理論上的設(shè)計軸線位置保持一致。如果曲線隧道的轉(zhuǎn)彎半徑過小的話，也就是本文研究小半徑曲線隧道，會使這種差異更加明顯。因為盾構(gòu)機本身并不彎曲，曲線半徑越小、盾構(gòu)機機身越長，就會導(dǎo)致實際盾構(gòu)和設(shè)想的偏離程度越大。由于轉(zhuǎn)彎弧度比較大，需要盾構(gòu)機左右兩側(cè)的油缸以不同的功率運行，才可以讓盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎，但是由于現(xiàn)在采用的盾構(gòu)機油缸可調(diào)程度不大，所以很難進行隧道軸線控制。此外糾偏的難度也可想而知，因為盾構(gòu)急曲路線時，盾構(gòu)機會把隧道掘進成為一小段一小段的直線隧道，在掘進過程中要連續(xù)不斷地糾偏才能保證擬合，而糾偏的參數(shù)計算本身難度很大，而且在小半徑曲線段，每次要糾偏時遇到的地質(zhì)條件都會不同，操作難度更大。

2.2 對土體擾動程度大

在糾偏時盾構(gòu)機會對周圍的土體產(chǎn)生振動和擠壓，這就會對周圍土體的擾動程度提升，容易引發(fā)比較嚴(yán)重的土體沉降。而且在轉(zhuǎn)彎部分盾構(gòu)機的實際開挖量是大于理論開挖量的，即便采用了最優(yōu)質(zhì)的盾構(gòu)機器、采用最精湛的盾構(gòu)施工手法，也很難控制挖掘造成的地層損失。

2.3 管片安裝開裂和破損可能性大

在小半徑曲線的地鐵隧道中，每兩片管片之間都存在著一定的家教，在千斤頂?shù)淖饔孟聲a(chǎn)生一個水平分力。管片可能會受到這種側(cè)向的水平推力的影響導(dǎo)致發(fā)生相對位移，形成錯臺。形成錯臺之后相鄰管片之間的作用力更加強大，要是真好作用在了某一管片的薄弱位置上，可能會導(dǎo)致管片開裂破損。此外，盾構(gòu)機在轉(zhuǎn)彎半徑很小的路段掘進時，糾偏量過大可能會導(dǎo)致盾構(gòu)機和管片卡殼，導(dǎo)致相對脆弱的管片破損等情況。

2.4 漏水現(xiàn)象嚴(yán)重

如2.3所述，管片出現(xiàn)的問題直接影響的就是隧道的密封性問題，漏水和漏漿等事故很可能隨之而來。止水膠條連接出現(xiàn)破損、土壤滲水等問題產(chǎn)生的水分就會順著管片之間的縫隙進入地鐵隧道，對地鐵行車造成很大的安全隱患。

3 曲線隧道施工關(guān)鍵的技術(shù)措施

3.1 盾構(gòu)機型號選擇

盾構(gòu)機的機型選擇是小半徑隧道盾構(gòu)施工開始前的關(guān)鍵一環(huán)。比如采用土壓平衡式的盾構(gòu)機，采用鉸接裝置，就可以減少盾構(gòu)機的實際長度，使得盾構(gòu)過程中的轉(zhuǎn)彎能夠更加靈活，有利于減少盾構(gòu)過程中的實際誤差和糾偏次數(shù)。使用盾構(gòu)機的鉸接裝置可以使得盾構(gòu)機的前、后筒和理論設(shè)計軸線趨于吻合，預(yù)先形成弧線，為管片的安裝預(yù)留一定的空間。不過在使用鉸接裝置后，盾構(gòu)機挖掘的隧道就不是一個標(biāo)準(zhǔn)的原型，需要后期采用仿形刀裝置進行補挖。仿行刀的補挖質(zhì)量也會直接影響到整個工程的最終質(zhì)量。所以綜上所述，對于盾構(gòu)機的選擇、仿形刀的使用都是在控制曲線隧道施工技術(shù)中十分重要的。

3.2 始發(fā)路徑選擇

曲線段施工時，種種始發(fā)條件會制約盾構(gòu)機的初始狀態(tài)，盾構(gòu)機往往只能在工程前幾米直線掘進，這使得糾偏工作難以進行。在這種情況下，擴大洞門和始發(fā)的空間是最好的選擇，這樣盾構(gòu)機就能夠在開始階段沿曲線進行盾構(gòu)。由此可見，始發(fā)路徑的合理選擇很大程度上關(guān)系到小半徑曲線盾構(gòu)施工能否成功。

3.3 盾構(gòu)機掘進時的控制

急曲階段，由于盾構(gòu)機本身不可能呈彎曲的形狀，所以不能和規(guī)劃路徑完全重合，而且隨著轉(zhuǎn)彎半徑的減小，盾構(gòu)難度也會增長。在曲線線路盾構(gòu)的時候常常采用盾構(gòu)機盾構(gòu)一段段連續(xù)的折線，最終擬合形成規(guī)劃的曲線。關(guān)于實現(xiàn)這一目的的方式上文已經(jīng)提到，但是為了控制最終偏差處于合理的范圍內(nèi)，應(yīng)該給隧道預(yù)留一定的偏移量?？紤]施工技術(shù)指標(biāo)和土層地質(zhì)情況，一般曲線盾構(gòu)施工的預(yù)偏量在20mm左右。在掘進過程中，通過實時的偏量監(jiān)測來調(diào)整預(yù)偏量。此外，使盾構(gòu)機沿著曲線割線方向前進可以避免盾尾受到作用力而發(fā)生偏移的問題。

3.4 加強測量控制，減少測量誤差

在施工開始前就應(yīng)該出臺一份切實可行的測量方案?？梢圆捎弥?、副導(dǎo)線相結(jié)合的方法和分兩節(jié)階段測量的方法，結(jié)合盾構(gòu)機在盾構(gòu)是的形態(tài)確定最優(yōu)的控制方法。在進行急曲階段隧道的盾構(gòu)掘進時，更要密切監(jiān)測盾構(gòu)機和周圍土層的各項實時數(shù)據(jù)、利用UNS導(dǎo)向系統(tǒng)，盾構(gòu)機每掘進六環(huán)就應(yīng)當(dāng)進行一次人工復(fù)測等等。如今科技發(fā)達，還可以建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享網(wǎng)絡(luò)，使得施工人員能夠?qū)崟r查看和更新盾構(gòu)數(shù)據(jù)，使得監(jiān)測的成效更加明顯。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

廣州地鐵三號線某標(biāo)段的工程由3段盾構(gòu)區(qū)間組成，左右盾構(gòu)隧道總長接近4km。整個工程的左右線一共包含12段曲線隧道，其中有9段曲線隧道的半徑小于300m，最小半徑只有250m。

4.2 工程地質(zhì)條件和路面狀況

本標(biāo)段的所有隧道埋深在15.8m到24.6m之間，隧道遇到的地質(zhì)條件大部分是泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等。隧道沿線地面的房屋大多建于上個世紀(jì)七八十年代，曲線隧道的上部分同樣。大部分建筑年代久遠(yuǎn)，樓層不高。其中半徑為250m的曲線隧道要從高架橋66#和68#兩個橋墩之間穿過。小半徑曲線段隧道共12個，技術(shù)指標(biāo)分別如圖1。

4.3 主要施工技術(shù)方案

4.3.1 解決軸線難以控制的問題

提高盾構(gòu)機的糾偏靈敏度可以控制好小半徑曲線的盾構(gòu)隧道施工軸線。而提升盾構(gòu)機的就偏靈敏度的最重要的措施就是縮短盾構(gòu)機的整體長度。上文提到，在盾構(gòu)機兩側(cè)加裝鉸接裝置就可以有效地減少盾構(gòu)機機身長度，而且還可以使得盾構(gòu)機前、后筒直接呈曲線形狀，直接可以推出類弧線的隧道，為之后的管片拼裝打下良好的基礎(chǔ)。

那么在本工程采用了三菱土壓平衡式盾構(gòu)機，輔佐以鉸接裝置。機頭長度為8625mm，鉸接處離刀盤端面的長度為4900mm，水平張角是1.5°左右，垂直張角0.5°。這種盾構(gòu)機可以盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑最小在200m左右的急曲隧道，加上最后仿形刀的使用，本工程的所有曲線隧道在理論上都是可以順利完成的。

4.3.2 解決盾構(gòu)機推力、管片安裝等問題

為了減少盾構(gòu)機地推力不均等造成管片軸線和質(zhì)量問題，在施工過程中要實時監(jiān)測盾構(gòu)機左右千斤頂?shù)貕毫Σ畈淮笥?MPa，上下千斤頂壓力差不大于5MPa。

小半徑曲線隧道中的管片安裝，兩片管片之間會產(chǎn)生一定的角度，就會隨之而來一定的側(cè)向分力，如圖2所示。

經(jīng)過計算得知采用的管片長度越小，受到的側(cè)向分力也就越小，所以在轉(zhuǎn)彎半徑很小的隧道段相應(yīng)地采用1.2m長度的管片，與之對比直線隧道段采用1.5m長度的管片。

4.3.3 解決發(fā)生沉降的措施

在施工過程中隨著盾構(gòu)的掘進，之后安裝的管片會和土體之間產(chǎn)生縫隙，這種問題可以通過設(shè)置在盾尾的壓漿管實時同步填充混凝土漿液。同步注漿壓注一定要和施工的條件、地質(zhì)情況等方面相結(jié)合。選擇合適的注漿壓力和注漿量。為了使的管片能夠固定在位子上不側(cè)向偏移，注漿位置一般選擇在曲線隧道的曲線外側(cè)，內(nèi)側(cè)可以暫時不進行注漿，但是為了保持注漿管的通暢，對于線路內(nèi)側(cè)的注漿管也需要及時清理避免堵塞。注漿的速度和盾構(gòu)掘進速度保持同步，盾構(gòu)結(jié)束注漿也相應(yīng)結(jié)束。此外，在施工時還要加強對于盾構(gòu)隧道的沉降監(jiān)測，應(yīng)用高科技設(shè)備通過信息化，進行實時監(jiān)測，及時調(diào)整注漿量，確保地面沉降處于合理可控的范圍內(nèi)。同步注漿選用的配比如圖3。

5 結(jié)束語

在施工小半徑曲線隧道時，施工質(zhì)量控制十分重要，對于施工人員、施工設(shè)備、管理技術(shù)等都是一次重大的考驗。為了應(yīng)對施工中出現(xiàn)的難點，選擇合適的盾構(gòu)機裝置、采用鉸接模式、最后仿形刀的配合使用、盾構(gòu)機姿態(tài)的控制和調(diào)整等等都是關(guān)鍵因素。在盾構(gòu)過程中的實時監(jiān)測與管理也是要點之一，在更小更嚴(yán)的幅度中進行各種參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，實時監(jiān)測，動態(tài)管理。掘進后通過土體監(jiān)測控制土壤沉降，合理進行管片安裝，確保隧道的施工質(zhì)量滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

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作者簡介：耿石軍（1983.06）男，本科，工程師，主要從事盾構(gòu)施工技術(shù)及管理工作。