周 舟

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510010)

隨著城市軌道交通工程建設(shè)進(jìn)程的加快，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)得以普及運(yùn)用，在線路的選擇上，由于受規(guī)劃、建(構(gòu))筑物等制約，軌道交通線形越來(lái)越復(fù)雜。小半徑曲線的隧道線形雖不屬于良好，但在運(yùn)用上將不可避免。小半徑曲線隧道的盾構(gòu)法施工技術(shù)與常規(guī)盾構(gòu)法施工技術(shù)相比，具有一定的特殊性和復(fù)雜性，研究小半徑曲線隧道的盾構(gòu)法施工技術(shù)，相信對(duì)以后類似工程施工具有一定的借鑒作用。

1 小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工難點(diǎn)分析

1.1 小半徑曲線隧道線形較難控制

由于盾構(gòu)機(jī)本身為直線形剛體，圓曲線段掘進(jìn)只能形成一段段連續(xù)的折線來(lái)擬合圓曲線。為了使盾構(gòu)隧道軸線與設(shè)計(jì)軸線相吻合，掘進(jìn)過(guò)程中需要進(jìn)行連續(xù)糾偏。圓曲線半徑越小，擬合難度越大，掘進(jìn)單位距離的糾偏量也越大，糾偏精確度越低，隧道軸線因此較難控制。

1.2 管片出現(xiàn)破損、開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量問(wèn)題

在小半徑圓曲線段隧道掘進(jìn)時(shí)，需要使用不等的推進(jìn)千斤頂分區(qū)油壓來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂各分區(qū)的壓力差導(dǎo)致管片受力不均，管片會(huì)往推力大的一側(cè)(圓曲線外側(cè))偏移，千斤頂對(duì)盾構(gòu)管片會(huì)產(chǎn)生往圓曲線外側(cè)的反作用力，使管片承受三向(縱向、橫向和環(huán)向)的不均勻作用力，出現(xiàn)破損、開(kāi)裂、錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量問(wèn)題。

1.3 對(duì)土體擾動(dòng)的增加易發(fā)生較大沉降量

小半徑曲線隧道的施工與直線段施工相比，除直線段隧道施工原有的地層變形因素外，還將增加3個(gè)因素的影響。

1)由于沿小半徑曲線掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)處于糾偏狀態(tài)，實(shí)際掘進(jìn)面為一橢圓形，實(shí)際挖掘量超出理論挖掘量。

2)在采用適當(dāng)技術(shù)和正常施工條件下，小半徑曲線掘進(jìn)將增加地層損失，地層損失達(dá)0.5% ～1%8L2πR/(R+RC)(L為盾構(gòu)長(zhǎng)度，R盾構(gòu)外半徑，RC盾構(gòu)掘進(jìn)曲線半徑)。

3)糾偏量較大，對(duì)土體的擾動(dòng)亦大，容易造成較長(zhǎng)時(shí)間的后期沉降。

1.4 測(cè)量工作難度大

由于隧道轉(zhuǎn)彎半徑小，圓曲線段測(cè)量通視范圍縮小，使得自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)移站頻率加快，次數(shù)增加。硬巖中掘進(jìn)同步注漿質(zhì)量難以保證，二次補(bǔ)注漿前管片背后空隙率較高，盾構(gòu)機(jī)連續(xù)糾偏，管片受振動(dòng)容易發(fā)生移位，且在縱向不均力作用下管片會(huì)在一定推進(jìn)距離內(nèi)產(chǎn)生較大水平偏移，這都將導(dǎo)致自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)站坐標(biāo)發(fā)生變化而出現(xiàn)測(cè)量偏差，誤導(dǎo)掘進(jìn)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

廣州地鐵某項(xiàng)目隧道工程由3段盾構(gòu)區(qū)間組成，左右線隧道總長(zhǎng)3.898 km，采用兩臺(tái)φ6340三菱土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。整個(gè)工程左右線共包含12段曲線段隧道，其中圓曲線半徑R≤300 m的共9段，最小半徑R=250 m。

隧道采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)、外直徑分別為5.5 m和6.2 m，管片厚度350 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，隧道管片采用錯(cuò)縫方式拼裝。

2.2 工程地質(zhì)及地面情況

本工程所有圓曲線段隧道埋深均在15.8～24.6 m之間，隧道洞身穿越的地層大部分為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部穿越泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶。

本工程隧道沿線地面建筑物大部分為年代久遠(yuǎn)的中低層房屋，圓曲線段隧道上方亦多為路面及中低層樓房。需要注意的是，需進(jìn)行樁基托換施工的B110、B112和A118也位于圓曲線段隧道上方，R=250 m圓曲線段隧道從高架橋66#～68#橋墩間穿過(guò)。各小半徑圓曲線隧道的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各小半徑圓曲線隧道的具體參數(shù)

2.3 主要施工技術(shù)措施

2.3.1 解決軸線難控制的技術(shù)措施

為了控制好小半徑曲線隧道的施工軸線，需要提高盾構(gòu)機(jī)的糾偏靈敏度，而要提高盾構(gòu)機(jī)的靈敏度，最有效的措施是縮短盾構(gòu)機(jī)頭的長(zhǎng)度。在盾構(gòu)機(jī)的中部增加鉸接裝置，可以使得盾構(gòu)機(jī)的前筒、后筒與曲線趨于吻合，預(yù)先推出弧線態(tài)勢(shì)，為管片提供良好的拼裝空間。

圖1所示為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)形態(tài)的兩種模式。進(jìn)行曲線施工時(shí)，彎道內(nèi)側(cè)如要充分超挖，在幾何學(xué)上以對(duì)象曲線的中心為O(曲線中心，圖中未顯示)的情況下，OA＞Max(OG，OH，OD)的關(guān)系如能得到滿足，盾構(gòu)機(jī)便可以掘進(jìn)。這相當(dāng)于模式a見(jiàn)圖1(a)。這種情況，屬于鉸接角度θ不足，土體超挖量δ過(guò)多，盾構(gòu)機(jī)后端的外側(cè)點(diǎn)D和土體之間有縫隙，超挖量一旦增大，就會(huì)有盾構(gòu)機(jī)位置不穩(wěn)定的傾向。

模式 b(見(jiàn)圖1(b))，OA=Max(OG，OH，OD)的情況下，最適合鉸接狀態(tài)中的刀盤前部外端(A點(diǎn))和前筒后端(G點(diǎn))、后筒后端(D點(diǎn))，其中任意一點(diǎn)在同一圓弧上，其余二點(diǎn)在此圓弧之內(nèi)。此時(shí)的鉸接角度稱為界限鉸接角度θcr，如果能給出曲線半徑和盾構(gòu)機(jī)的尺寸，便可計(jì)算出θcr。作為盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造，全部用此θcr值進(jìn)行鉸接的話，是最為理想的。此時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的外側(cè)全體都接觸到土體，施工上最為穩(wěn)定，并且超挖量δ為最小值。

圖1 曲線段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模式

在本工程中選用了帶有鉸接裝置的三菱土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，該機(jī)頭部長(zhǎng)度約為8625 mm，鉸接處離刀盤端面的長(zhǎng)度為4900 mm，水平張角 ±1.5°，垂直張角 ±0.5°。該機(jī)設(shè)計(jì)定位的隧道最小半徑為200 m，但利用盾構(gòu)的鉸接裝置，輔以仿形刀的使用，能夠完成出洞處緩和曲線段最小半徑為178 m的隧道施工任務(wù)。

2.3.2 解決盾構(gòu)機(jī)推力不等、管片水平姿態(tài)容易超限的技術(shù)措施

2.3.2.1 控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂分區(qū)壓力差及行程差

為了減少由于盾構(gòu)機(jī)推力不均造成管片軸線及質(zhì)量問(wèn)題，在施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)左右千斤頂壓力差，使之不得超過(guò)2 MPa，上下千斤頂壓力差不得超過(guò)5 MPa，行程差不超過(guò)30 mm。

2.3.2.2 選用小管片，減小總推力

小半徑曲線隧道中掘進(jìn)，管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產(chǎn)生一定的角度θ(見(jiàn)圖2)，在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生一個(gè)側(cè)向分力。管片出盾尾后，由于受到側(cè)向分力的影響，管片也會(huì)向圓弧外側(cè)偏移。

側(cè)向分力計(jì)算:

圖2 側(cè)向分力示意圖

式中:F總為盾構(gòu)千斤頂作用力;F縱為垂直于管片環(huán)面的反作用力;F側(cè)為平行于管片環(huán)面的側(cè)向反作用力;RC為圓曲線半徑;D為管片外徑;L為管片寬度。

由此可以看出，當(dāng)RC和D一定時(shí)，L越小、F總越小，則F側(cè)越小。因此本工程中，直線段采用1.5 m管片，而在R≤320 m的圓曲線段及其附近緩和曲線段均采用1.2 m管片，曲線段掘進(jìn)時(shí)總推力控制在5000～6000 kN。同時(shí)，為了保證工程質(zhì)量，在特殊情況下，可采用最大轉(zhuǎn)彎效果的3、9點(diǎn)位通縫拼裝(但不允許超過(guò)三環(huán)連續(xù)通縫)。

2.3.2.3 曲線段盾構(gòu)機(jī)走向預(yù)偏

為了控制隧道軸線最終偏差在規(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。使盾構(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)，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，而預(yù)偏量的確定往往需依據(jù)理論計(jì)算和施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合分析得出，同時(shí)需考慮掘進(jìn)區(qū)域所處的地層情況。

本工程中，從曲線段前20環(huán)開(kāi)始，至進(jìn)入緩和曲線前，將盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)逐漸調(diào)至+30 mm;在緩和曲線段，至進(jìn)入圓曲線前，將盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)逐漸調(diào)至+50 mm;在圓曲線段，盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)保持+50 mm掘進(jìn);過(guò)了圓曲線，進(jìn)入緩和曲線段，盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)開(kāi)始由+50 mm逐漸回調(diào)至+30 mm;過(guò)了緩和曲線，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入正常直線段掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)要逐漸調(diào)回－20 mm～+20 mm的正常范圍。

2.3.3 解決易發(fā)生較大沉降的技術(shù)措施

由難點(diǎn)分析可知，在小半徑曲線掘進(jìn)中，由于盾構(gòu)糾偏量大，造成土體超挖和擾動(dòng)，易引起后期較大沉降。相應(yīng)的解決對(duì)策為進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和信息化施工，控制好同步注漿的注漿時(shí)間及注漿量，視具體情況，必要時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

2.3.3.1 盾尾同步注漿

在施工期間，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)建筑空隙，可通過(guò)設(shè)在盾尾的壓漿管予以同步充填漿液。

同步注漿壓注需結(jié)合施工情況、地質(zhì)情況對(duì)壓漿數(shù)量和壓漿壓力做到二者兼顧。一般情況下，每環(huán)壓入量控制在建筑空隙的130% ～180%(要注意小半徑曲線隧道的注漿量要大于直線隧道注漿量)，注漿壓力約為0.3～0.5 MPa。為約束管片往外偏移的趨勢(shì)，注漿位置通常選擇在線路轉(zhuǎn)彎圓曲線外側(cè)，圓曲線內(nèi)側(cè)可暫不注漿，但為了防止?jié){液回流堵塞注漿管，不注漿一側(cè)的注漿管也必須及時(shí)清洗。壓漿速度應(yīng)與盾構(gòu)掘進(jìn)保持同步，即在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行注漿，掘進(jìn)停止后，注漿也相應(yīng)停止。施工時(shí)，加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)尾部地面的沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)信息化施工，及時(shí)調(diào)整同步注漿量，確保地面不下沉。同步注漿漿液選用的配比見(jiàn)表2。

表2 同步注漿的漿液配比 kg

2.3.3.2 二次補(bǔ)充注漿

為減少地面后期沉降，解決硬巖中管片上浮等問(wèn)題，在管片脫出盾尾5～6環(huán)后，通過(guò)管片注漿孔向管片外周進(jìn)行二次注漿。

二次補(bǔ)充注漿方法為:每間隔5環(huán)管片，進(jìn)行2環(huán)管片整環(huán)雙液注漿，以形成封閉止水環(huán)，再在兩道止水環(huán)之間取中間一環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充注砂漿，采用同步注漿用的水泥砂漿，注上部左右兩側(cè)各一個(gè)孔位。

雙液注漿配合比為:水泥漿液水灰比=0.8∶1(質(zhì)量比);水玻璃溶液配比為水玻璃:水=1∶3或1∶1(體積比)，可根據(jù)施工實(shí)際調(diào)整;水泥漿液:水玻璃溶液=1∶1(體積比)。

注漿孔位置及順序?yàn)?若盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較好，無(wú)出現(xiàn)管片上浮現(xiàn)象，雙液注漿先注圓曲線外側(cè)孔位(如9點(diǎn)位)，再順時(shí)針注其余孔位形成密封止水環(huán);若盾構(gòu)機(jī)豎直姿態(tài)往上偏離較多，且管片出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，則從11點(diǎn)位置開(kāi)始注漿，再順時(shí)針注其余孔位形成密封止水環(huán);補(bǔ)充注砂漿先注圓曲線外側(cè)孔位，再注圓曲線內(nèi)側(cè)孔位。

2.3.4 解決測(cè)量工作難的措施

小半徑圓曲線隧道掘進(jìn)對(duì)測(cè)量工作的要求更加精確和細(xì)致，必須做到勤測(cè)量、勤分析，為隧道掘進(jìn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，切實(shí)做好盾構(gòu)機(jī)的“眼睛”。

1)由于本圓曲線段隧道將使用1.2 m環(huán)寬的管片，管片由1.5 m環(huán)寬變?yōu)?.2 m環(huán)寬，自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的變化要研究清楚，并及時(shí)調(diào)整準(zhǔn)確。

2)根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合區(qū)間線路特點(diǎn)，在小半徑圓曲線隧道掘進(jìn)過(guò)程中，每15～20環(huán)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)移站一次。每掘進(jìn)10環(huán)，對(duì)后視棱鏡、測(cè)站和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行人工復(fù)測(cè)。

3)為及時(shí)了解二次補(bǔ)充注砂漿對(duì)管片姿態(tài)的影響，在二次補(bǔ)漿后對(duì)補(bǔ)漿環(huán)片進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)施效果

在采取了前述的施工措施后，本盾構(gòu)隧道區(qū)間的整條隧道軸線均控制在－50～50 mm范圍之內(nèi)，地表沉降控制在－18～6 mm范圍內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了優(yōu)良的工程標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在小半徑圓曲線隧道盾構(gòu)法施工中，既有和一般隧道掘進(jìn)相同的一面，又有其特殊性，因此要著重研究和控制有差異的一面。

2)小半徑曲線隧道盾構(gòu)法施工中具有曲率大、半徑小、難控制的特點(diǎn)，要選擇好盾構(gòu)機(jī)，在更小更嚴(yán)的幅度中進(jìn)行各種參數(shù)優(yōu)化。

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