小半徑曲線、大坡度飽和軟黃土地層條件下盾構(gòu)施工技術(shù)

田志龍

摘 要：在小曲線過飽和軟黃土盾構(gòu)施工時(shí)，控制地表沉降與成型隧道質(zhì)量是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。飽和軟黃土由于長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，多成軟塑和流塑，承載力底，壓縮性較高，為軟弱地層，出現(xiàn)地面不均勻沉降和建構(gòu)筑物沉降破壞等問題。而且由于曲線的半徑過小，盾構(gòu)作用于管片后座的側(cè)向分力很容易使成環(huán)管片外移，產(chǎn)生管片環(huán)的高差，同時(shí)已建成的隧道在盾構(gòu)機(jī)的推力作用下，極易產(chǎn)生偏移，軸線控制難度較大。

關(guān)鍵詞：飽和軟黃土;軟弱地層;小半徑曲線;大坡度;盾構(gòu)法施工

盾構(gòu)法施工是以盾構(gòu)機(jī)為隧道掘進(jìn)設(shè)備，以盾構(gòu)機(jī)的盾殼作支護(hù)，用前端刀盤切削土體，由千斤頂頂推盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，以開挖面上拼裝預(yù)制好的管片作襯砌，從而形成隧道的施工方法。盾構(gòu)法下穿飽和軟黃土地層的地表沉降控制成為一大難題;且需在下穿飽和軟黃土地層同時(shí)通過小半徑曲線大坡道隧道;小半徑曲線地段的軸線控制難度較大，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。

工藝特點(diǎn)：（1）滿足盾構(gòu)法過飽和軟黃土地層地表沉降控制（2）可保證盾構(gòu)法施工隧道成型質(zhì)量。

適用范圍：（1）對(duì)于小半徑曲線大坡度地段有利于減少管片的碎裂和隧道的整體防水（2）可有效控制飽和軟黃土地區(qū)地表沉降或隆起，避免地面建構(gòu)筑物破壞。（3）用于地面建構(gòu)筑物安全及成型隧道質(zhì)量要求較高處。

一、工程概況

區(qū)間隧道為小半徑曲線大坡度，并處在覆土較厚的飽和軟黃土地層中，管片采用1.5m管片，施工人員如不能很好地控制，將造成盾構(gòu)機(jī)與管片之間卡殼、管片碎裂、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水、地表沉降嚴(yán)重等問題。由于曲線的半徑過小且飽和軟黃土可塑性較差，盾構(gòu)作用于管片后座的側(cè)向分力很容易使成環(huán)管片外移，產(chǎn)生管片環(huán)的高差，同時(shí)已建成的隧道在盾構(gòu)的推力作用下，極易產(chǎn)生偏移，軸線控制難度較大，地表沉降難以控制。

（一）設(shè)備選型

盾構(gòu)穿越小曲線，使用小松盾構(gòu)機(jī);小松盾構(gòu)機(jī)采用的是主動(dòng)鉸接，對(duì)于小半徑曲線糾偏有較好的控制，同時(shí)確保鉸接密封不出現(xiàn)滲漏等情況。對(duì)刀盤配備的2把超挖刀進(jìn)行了更換，確保在小半徑段推進(jìn)時(shí)對(duì)隧道線性的擬合度。

盾構(gòu)穿越飽和軟黃土，該地層有變形過大、不均勻沉降、厚度可變的特性，施工時(shí)自承能力差，不易穩(wěn)定，當(dāng)盾構(gòu)穿越該地層含水量較大時(shí)，易發(fā)生涌水涌泥，對(duì)盾構(gòu)機(jī)螺旋、對(duì)閘門密封、密封刷，同步注漿機(jī)、同步注漿壓力傳感器及流量計(jì)和氣動(dòng)閥進(jìn)行全面檢查，完全確保盾構(gòu)機(jī)在穿越飽和軟黃土安全有效的通過。

（二）主要考慮因素及措施

本工程主要考慮兩個(gè)因素：（1）小曲線大坡度軸線控制難度大。線路曲線段最小半徑為R=350m，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。（2）盾構(gòu)穿越飽和軟黃土地層沉降控制難度大。隧道上方為城市主干道，沉降控制要求高，地表沉降控制值-30mm，沉降速率控制值2mm/d。

措施：選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)，制定合理的監(jiān)測(cè)方案。

二、施工工藝流程及施工方法

（一）管片選擇與拼裝

在盾構(gòu)法施工中，管片的選型和安裝好壞直接影響著隧道的質(zhì)量和使用壽命。就盾構(gòu)管片選型和安裝技術(shù)做總結(jié)分析。

右線經(jīng)計(jì)算從第65環(huán)進(jìn)入圓緩曲線，其R350m的小曲線上共計(jì)220環(huán)管片。根據(jù)公式：36.2/6000=L/350? ? ? ? ?L=2.112

由此得出轉(zhuǎn)彎環(huán)：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)=2.112：1，因此在推進(jìn)過程中每2環(huán)核查一次楔形量。

利用每一環(huán)的理論楔形量指導(dǎo)推進(jìn)（1.5/350=X/6000? ? ?X=25.7mm）。

推進(jìn)前后左右行程差變化量為25.7mm。

左線經(jīng)計(jì)算從第22環(huán)進(jìn)入圓緩曲線，其R350m的小曲線上共計(jì)222環(huán)管片。根據(jù)公式：36.2/6000=L/350? ? ? ? ?L=2.112

由此得出轉(zhuǎn)彎環(huán)：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)=2.112：1，因此在推進(jìn)過程中每2環(huán)核查一次楔形量。

利用每一環(huán)的理論楔形量指導(dǎo)推進(jìn)（1.5/350=X/6000? ? ?X=25.7mm）。

（二）管片拼裝舉例

（1）左側(cè)油缸行程300mm，右側(cè)油缸行程280mm。左右鉸接度數(shù)=0°，推進(jìn)前左右行程差為20mm。

（2）推進(jìn)完成后左右油缸行程差為40mm，即變化20mm。左側(cè)油缸行程1840mm，右側(cè)油缸行程1800mm。

（3）檢測(cè)盾尾間隙是否均勻，在間隙均勻的情況下選擇右轉(zhuǎn)環(huán)拼1點(diǎn)，由此左超36.2mm，上超1.8mm。

（4）拼完之后油缸行程：左側(cè)303.8mm，右側(cè)300mm，行程差3.8mm。

（三）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片在承受側(cè)向壓力后將向弧線外側(cè)偏移。特別在飽和軟黃土地層，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不易控制。為了使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)機(jī)掘進(jìn)水平姿態(tài)控制在圓曲線內(nèi)，確保曲線段施工的推進(jìn)軸線控制，減少管片外弧碎裂、控制管片偏移量及地表沉降量符合要求。

在曲線上掘進(jìn)時(shí)，以盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度8.68m作割線，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)水平趨向按照割線進(jìn)行控制。使整個(gè)盾構(gòu)機(jī)沿著曲線內(nèi)弧面前進(jìn)，縮小盾構(gòu)機(jī)軸線與隧道中心線之間的夾角。必要時(shí)，開啟水平鉸接，使盾構(gòu)機(jī)更好地?cái)M合曲線前進(jìn)。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)行糾偏時(shí)，宜慢不宜急，防止盾構(gòu)機(jī)蛇行量過大，一般每環(huán)糾偏量不宜超過5mm。為避免盾構(gòu)掘進(jìn)“急糾”，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)機(jī)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。

（四）管片背后注漿

理論注漿量：

根據(jù)刀盤開挖直徑和管片外徑，可以按下式計(jì)算出一環(huán)管片的注漿量。

V=π/4×K×L×（D2-D22）式中：

V —— 一環(huán)注漿量（m3）

L —— 環(huán)寬（m）

D1—— 開挖直徑（m）

D2—— 管片外徑（m）

K—— 擴(kuò)大系數(shù)取1.5～2

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得：

標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)：V=π/4×（1.7）×1.5（38-36）=4.2m3

理論注漿量：V=4.2 m3

由于注漿量飽和，因此管片不易發(fā)生偏移錯(cuò)臺(tái)、滲漏水及地表沉降現(xiàn)象。

小曲線半徑、大坡度掘進(jìn)時(shí)控制參數(shù)表

掘進(jìn)速度mm/min 推力（kN） 扭距（kN·m） 刀盤轉(zhuǎn)速（r/min） 土倉壓力（bar）

20～30 8000～12000 1800～2500 1.0～1.4 1.7～1.9

（五）掘進(jìn)過程管控

（1）加強(qiáng)螺栓復(fù)緊

每環(huán)推進(jìn)結(jié)束后，必須對(duì)當(dāng)前管片連接螺栓進(jìn)行復(fù)緊，并在下環(huán)推進(jìn)過程中再?gòu)?fù)緊一次，克服作用于管片上的推力所產(chǎn)生的垂直分力，減少成型隧道上浮，每掘進(jìn)3環(huán)對(duì)拖出盾尾的管片進(jìn)行一次復(fù)緊。此過程由班組長(zhǎng)監(jiān)督落實(shí)，并將螺栓復(fù)緊情況做好記錄。

（2）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率

在小半徑大坡度曲線飽和軟黃土地層段推進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增加隧道測(cè)量的頻率，應(yīng)通過多次測(cè)量來確保盾構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以通過測(cè)量數(shù)據(jù)來反饋盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)和糾偏。因此，太～興區(qū)間隧道監(jiān)測(cè)約25環(huán)移站一次，每10環(huán)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)成型隧道姿態(tài)。

（3）嚴(yán)格控制推進(jìn)速度

推進(jìn)時(shí)速度控制在2～3cm/min，既可以避免因推力過大而引起的側(cè)向壓力的增大，又能減少盾構(gòu)推進(jìn)過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。

（4）嚴(yán)格控制土倉壓力

盾構(gòu)在推進(jìn)過程中土倉壓力，上部壓力控制在0.12Mpa，下部壓力控制在0.15Mpa，為防止過量超挖、欠挖，盡量減少土倉壓力的波動(dòng)，其波動(dòng)值控制在0.02Mpa。

（5）盾尾間隙控制

小半徑曲線段內(nèi)的管片拼裝至關(guān)重要，而影響管片拼裝質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵問題盾尾間隙。合理的盾尾間隙既便于管片拼裝，也便于盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行糾偏。因此，盾構(gòu)機(jī)司機(jī)在掘進(jìn)前，掘進(jìn)后，拼裝前、拼裝后分別進(jìn)行盾尾間隙量測(cè)、對(duì)比，便于及時(shí)進(jìn)行合理調(diào)整，并將數(shù)據(jù)做好記錄。

三、應(yīng)運(yùn)實(shí)例

西安地鐵五號(hào)線太乙路站～興慶路站區(qū)間隧道埋深約9m～26m，區(qū)間最大平曲線半徑為1500m，最小平曲線為350m，最大坡度為（上坡）28.5‰，最小坡度為（下坡）2‰;區(qū)間穿越大厚度飽和軟黃土;本區(qū)間現(xiàn)已安全、順利貫通，盾構(gòu)區(qū)間質(zhì)量及地表沉降均符合要求。

四、結(jié)語

本工程采用盾構(gòu)法穿越小曲線大坡度飽和軟黃土地層，線路上方為城市主干道，線路曲線半徑小、坡度大、地層不穩(wěn)，線路兩側(cè)建筑物眾多。通過嚴(yán)格控制管片選型、管片拼裝、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)等手段，能實(shí)現(xiàn)穿越過程中地表沉降、建筑物沉降均受控、隧道中心線符合要求、管片拼裝質(zhì)量好、無滲漏水的目標(biāo)。