陳 杰 湯德蕓 孟憲忠 杜 影 滕炳森

中國建筑一局集團第五建筑有限公司 北京 100024

1 工程概況

南水北調(diào)工程北京市東干渠施工第九標段北起自13#盾構(gòu)始發(fā)井，南止于14#盾構(gòu)始發(fā)井，線路長約2.77 km（里程為31+206.532～28+487.721）。26#二襯豎井至13#盾構(gòu)接收井段，盾構(gòu)掘進里程29+013.392～28+855.303（線路長度為158.09 m，地面高程31.40～32.60 m，洞內(nèi)底高程10.96～10.76 m）、28+793.184～28+707.258（線路長度為85.93 m，地面高程31.01～32.05 m，洞內(nèi)底高程10.55～10.35 m）、28+587.60～28+533.721（線路長度為53.88 m，地面高程31.05～31.30 m，洞內(nèi)底高程10.23～9.91 m）為連續(xù)的半徑為350 m的曲線段。小曲線半徑隧道盾構(gòu)平面位置見圖1。

圖1 小曲線半徑隧道盾構(gòu)平面示意

小曲線半徑隧道由南向北上坡，盾構(gòu)隧道主要穿過粉質(zhì)黏土和細中砂地層，隧道下部以粉質(zhì)黏土地層為主，隧道上部含有厚1～3 m的細中砂層。里程29+013.392～28+855.303和28+793.184～28+707.258處地面無建筑物，里程28+587.60～28+533.721處穿越五方橋和京哈高速公路。本工程盾構(gòu)穿越地層共分為2 層水位：其中第1層地下水位位于該段隧道洞頂位置，洞頂大部分地段為砂層，施工中易發(fā)生流砂、管涌和塌頂不良工程地質(zhì)現(xiàn)象。第2層地下水位總體接近于隧洞底位置，其承壓性對隧洞底部具有頂托作用，對洞身穩(wěn)定不利；隔水層較薄處易發(fā)生洞底隆起或頂穿，導致地下水涌入洞內(nèi)，引發(fā)工程事故。

2 小曲線半徑隧道盾構(gòu)施工難點[1-3]

2.1 盾構(gòu)推進時，糾偏量較大，對土體擾動的增加易發(fā)生較大沉降量

盾構(gòu)施工時引起地表下沉的原因主要有地下水土的流失、施工圍巖應(yīng)力釋放和地層變形。而地下水土的流失除了地下水自身流動的原因外，對地下管線保護不當產(chǎn)生漏水及灌渠也是一個重要因素。鑒于上方地面現(xiàn)況交通以及地面建（構(gòu)）筑物、地下管線的重要性，控制地面沉降及隆起是工程的重點。

2.2 盾構(gòu)曲線掘進中，精準的軸線控制是難點

盾構(gòu)的掘進管理系統(tǒng)中配備自動導向系統(tǒng)，利用計算機技術(shù)及光學測量技術(shù)對盾構(gòu)掘進進行自動化測量，為盾構(gòu)掘進提供準確的導向信息，替代測量速度慢、精度低和容易出錯的人工測量方法，滿足盾構(gòu)快速準確施工的要求。同時采取定期的人工復測，以確保盾構(gòu)按設(shè)計軸線正確掘進。

通過控制測量的手段，將地面三維坐標系統(tǒng)傳入到地下，導入盾構(gòu)機，引導盾構(gòu)機的掘進方向，在盾構(gòu)掘進中，跟進延伸支導線和水準線路，以此為依據(jù)換站為盾構(gòu)機提供掘進修正參數(shù)。因此洞內(nèi)控制導線質(zhì)量的好壞直接決定了隧洞的貫通質(zhì)量，也是整個盾構(gòu)工程成敗的關(guān)鍵因素之一。

2.3 管片的位移控制難

管片出盾尾后，易受到水平分力的影響，隧道向圓弧外側(cè)偏移，極難控制。

3 盾構(gòu)機穿越小曲線半徑隧道的施工措施

3.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制及地表沉降的控制措施

（a）控制土壓平衡：盾構(gòu)機具有土壓平衡掘進模式，可實現(xiàn)地表沉降控制，保護地表建筑物。土倉內(nèi)上下左右配置有4 個具有高靈敏度的土壓傳感器，能將壓力傳送到操作臺上的顯示屏，并且能自動與設(shè)定土壓進行比較，壓力過高過低都會報警。因此能很好的控制土壓平衡，減少地面沉降，適合軟弱及復合地層掘進的需要。

（b）刀盤的特殊設(shè)計：刀盤刀具形式及布置和刀盤開口率（約54%）適應(yīng)本區(qū)間地質(zhì)條件，刀盤的設(shè)計由于采用輻條式，能防止刀盤中心結(jié)成泥餅。

（c）刀盤的驅(qū)動方式采用變頻電機驅(qū)動方式，啟動平穩(wěn)，刀盤轉(zhuǎn)速連續(xù)可靠。

（d）同步注漿：采用盾尾同步注漿系統(tǒng)，可及時填充管片與開挖直徑之間的間隙，減小沉降。同時，可防止管片上浮。

（e）配備全自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)靈敏可靠，能將盾構(gòu)姿態(tài)、推進力、刀盤扭矩、推進速度、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速等參數(shù)準確地進行檢測，并通過數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)進行高效可靠的處理和存儲，最后通過各種數(shù)字或圖表形式顯示出來。當以上過程中出現(xiàn)故障時，可通過在其上安裝的故障自動診斷系統(tǒng)進行故障自動檢索和顯示。

（f）配備激光導向系統(tǒng)，對盾構(gòu)姿態(tài)精準控制。

（g）盾尾設(shè)置3 道鋼絲刷，可通過自動和手動2 種模式向盾尾密封處的環(huán)型空腔中注入專用密封油脂，并通過改變油脂注入的壓力和數(shù)量，保證盾尾的密封效果及可靠性。

3.2 小曲線半徑隧道區(qū)段的軸線測控措施

3.2.1 曲線測量

盾構(gòu)在曲線段掘進施工中對軸線測量控制質(zhì)量要求較高，為保證施工過程中隧道軸線，在運用自動導向測量基礎(chǔ)上制定相應(yīng)曲線測量措施。

3.2.2 盾構(gòu)穿越小曲線半徑區(qū)段的軸線測控方法

為將盾構(gòu)掘進所需測量參數(shù)引入到盾構(gòu)自動測量系統(tǒng)，盾構(gòu)施工測量將包含以下測量工作：

（a）地上導線測量→近井導線測量→聯(lián)系測量→盾構(gòu)機始發(fā)姿態(tài)測量→地下控制導線測量，以上工作產(chǎn)生的誤差對橫向貫通產(chǎn)生直接影響。

（b）聯(lián)系測量是通過豎井將方位、坐標及高程從地面上的控制點傳遞到地下導線和地下水準點上，以組成地下控制測量的起始點，見圖2。采用井上井下聯(lián)系三角形幾何定向方法控制平面，修正盾構(gòu)推進的軸線。施工期間每個區(qū)間段依照具體情況進行若干次定向測量，一般第一次在推進50 m左右，最后一次離進洞大約100 m。

圖2 聯(lián)系測量示意

高程控制測量主要內(nèi)容是將地面的高程系統(tǒng)傳入井下的高程起算點上，測量施工步驟和平面施工步驟相同，具體操作見圖3。

圖3 高程聯(lián)系測量示意

3.2.3 盾構(gòu)穿越小曲線半徑區(qū)段的措施

（a）中盾和尾盾采用鉸接連接，有效地減少了盾構(gòu)的長徑，使盾構(gòu)在掘進時能靈活地進行姿態(tài)調(diào)整，順利通過小半徑轉(zhuǎn)彎。

（b）掌握好左右兩側(cè)油缸的推力差，盡量地減小整體推力，實現(xiàn)慢速急轉(zhuǎn)；

（c）盾構(gòu)機司機根據(jù)地質(zhì)情況和線路走向趨勢，使盾構(gòu)機提前進入相應(yīng)地預(yù)備姿態(tài)，減少之后的因不良姿態(tài)引起的糾偏。

（d）加密加勤移站測量，避免由此產(chǎn)生的軸線誤差。

（e）做好管片選型，北京隧道管片長度為1.2 m，在350 m的圓曲線上，加上糾偏管片拼裝點位變化，標準環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)的拼裝關(guān)系為：4 環(huán)標準環(huán)+3 環(huán)轉(zhuǎn)彎環(huán)。根據(jù)標準環(huán)和轉(zhuǎn)彎環(huán)中軸線的夾角，計算出轉(zhuǎn)彎環(huán)的增加量，然后交叉拼接，直到離開小曲線半徑作業(yè)區(qū)為止。

（f）隧道沒有緩和段，直接由直線段過渡到圓曲線。盾構(gòu)機掘進到圓曲線段還有20 環(huán)時，將盾構(gòu)機姿態(tài)往曲線內(nèi)側(cè)（靠圓心側(cè)）偏移20～30 mm（圓曲線段偏移30～40 mm），形成反向預(yù)偏移，這樣可以抵消之后管片的往曲線外側(cè)（背圓心側(cè)）的偏移。曲線段姿態(tài)偏移調(diào)整，見圖4。

（g）在管片偏移的方向額外進行注漿，達到一定的壓力以抵抗管片的偏移。縮短漿液的初凝時間，盾構(gòu)機脫出盾尾五環(huán)后及時進行二次補漿，補漿點位為9點鐘位置（右轉(zhuǎn)彎）。注漿及補漿點位見圖5。

圖4 曲線段姿態(tài)偏移調(diào)整

圖5 注漿及補漿點位

3.3 管片錯臺和破損的控制

（a）油缸推力不要太大，尤其是曲線外側(cè)（背圓心側(cè)）油缸，由于要加大推力來增加左右兩側(cè)油缸推力差，從而實現(xiàn)盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎。但在加大油缸推力的同時，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。

（b）由于曲線外側(cè)油缸推力較大，尤其要注意不要突然加力或者突然釋放推力，這樣也會造成管片的破裂。

（c）掘進的時候，把擰螺栓這道工序做到位，有效防止錯臺的發(fā)生。螺栓應(yīng)進行初擰和復擰，應(yīng)按從中間向四周的順序擰緊，初擰和復擰的順序應(yīng)一致。管片脫出盾尾后對管片進行二次復緊，盾尾脫出盾尾10 環(huán)后進行三次復緊或多次復緊。

（d）提高管片拼裝手的水平，管片拼裝施工之前，應(yīng)對管片拼裝人員進行技術(shù)交底，并在正式拼裝之前進行試拼裝。避免因拼裝不到位產(chǎn)生的錯臺。管片拼裝時環(huán)向和縱向錯臺控制在5 mm以內(nèi)。

（e）操作手每環(huán)推進前后都要對盾尾間隙進行測量。合理選擇管片類型，避免盾尾鋼環(huán)刮壞管片。調(diào)整好油缸撐靴的位置，盡量使撐靴完全作用在管片上。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實踐，對小曲線半徑隧道施工中存在的土體沉降量、盾構(gòu)穿越障礙物、軸線監(jiān)控、管片的位移等難點問題進行了深入的研究，并制定了切實可行的施工控制措施，有效保證盾構(gòu)小曲線半徑隧道施工按照設(shè)計軸線得以實施，且在工程質(zhì)量、安全、工期等方面取得了良好的效果，值得在類似工程中推廣使用。