李洪哲，吳朝來

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003；2.中鐵隧道局集團有限公司 設(shè)備分公司，河南 洛陽 471009）

盾構(gòu)參數(shù)對大直徑盾構(gòu)法隧道小曲線半徑施工是否順利起到關(guān)鍵作用，特別是復(fù)雜地層及小半徑曲線隧道，盾構(gòu)的開挖直徑、管片選型、盾尾密封形式、掘進前風(fēng)險預(yù)判及掘進過程中的技術(shù)處理措施對整個盾構(gòu)隧道施工至關(guān)重要。

1 工程概況

杭州香積寺路西延工程位于杭州市拱墅區(qū)，地下隧道全長2 293m。線路西段沿既有余杭塘路、香積寺路敷設(shè)，穿越莫干山路、湖墅北路、麗水路、上塘路等城市主次干道，下穿京杭大運河等，沿線兩側(cè)分布有居住片區(qū)及公建、商務(wù)、辦公大樓等。隧道覆土厚度約7.7～19.0m，主要穿越地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、淤泥質(zhì)黏土、黏土。盾構(gòu)管片直徑11 300mm，盾構(gòu)隧道段最小水平曲線半徑為R=500m，隧道區(qū)間水平曲線在R500～R600m 范圍內(nèi)，左右隧道間距為4.6～5.5m，屬于小曲線、小間距盾構(gòu)施工隧道，盾構(gòu)掘進防止超限、姿態(tài)控制要求非常高。隧道平面圖如圖1 所示。

圖1 隧道平面圖

2 掘進前各參數(shù)確定

2.1 管片楔形量確定

根據(jù)隧道最小水平曲線(500m)進行模擬計算，采用原2m管片環(huán)寬掘進施工模擬相關(guān)問題。

2.1.1 管片在R500m楔形量計算

管片楔形量關(guān)系如圖2 所示。

圖2 管片楔形量關(guān)系圖

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1/2；

D——管片直徑；

L——管片環(huán)寬，取2m；

R——轉(zhuǎn)彎半徑，此處取最小轉(zhuǎn)彎半徑500m。

計算可得：θ=L/R=0.004rad=0.2292°

計算可得δ=22.6mm，所以楔形量為2δ=45.2mm。

2.1.2 計算錯縫拼裝有效楔形量

盾構(gòu)管片采用5+2+1 共9 塊，40°進行分布；縱向螺栓為M30 共36 顆，進行10°分布，錯縫拼裝管片?？紤]楔形量最大有效利用率，楔形量的最大利用位置在水平中心線上下30°位置，有效楔形量如圖3 所示，得到有效楔形量Sa分別如下。

圖3 水平中心線上下30°位置有效楔形量模擬圖

楔形量50mm：Sa=43.3mm＜45.2mm，不滿足。

楔形量55mm：Sa=47.6mm＞45.2mm，滿足。

楔形量60mm：Sa=51.9mm＞45.2mm，滿足。

楔形量65mm：Sa=56.2mm＞45.2mm，滿足。

采用55mm 及以上楔形量可滿足施工，但在實際施工過程中存在盾構(gòu)掘進姿態(tài)、盾尾間隙、管片拼裝質(zhì)量等不定因素影響，因此采用雙面楔形量為60mm 或65mm 比較穩(wěn)妥。

2.2 最小盾尾間隙計算

曲線施工和蛇形修正時必需的最小盾尾間隙

式中R——隧道曲線半徑，R=500m；

D0——管片外徑，D0=11.3m；

L0——盾尾長度，L0=4m;

θ′——盾尾內(nèi)管片夾角。

盾構(gòu)曲線段掘進示意圖如圖4 所示。

圖4 盾構(gòu)曲線段掘進示意圖

2.3 確定開挖直徑

CAD 模擬中以主機刀盤內(nèi)、外側(cè)最邊緣點和盾尾尾部1點共3點與開挖輪廓線對比進行模擬，管片中心位于設(shè)計中心線（R500m）上，管片采用雙面楔形量為60mm，在水平±30°錯縫拼裝有效楔形量為52mm 進行模擬（R500m 曲線需用楔形量為45.2mm）。

2.3.1 開挖直徑為11.65m

內(nèi)側(cè)刀盤在開挖輪廓線上時，外側(cè)盾尾侵入輪廓線外40mm，內(nèi)側(cè)前體幾乎與開挖輪廓線重合及侵入，無法滿足盾構(gòu)曲線轉(zhuǎn)動。開挖直徑為11.65m 模擬轉(zhuǎn)彎示意圖如圖5 所示。

圖5 開挖直徑為11.65m盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎模擬示意圖

2.3.2 開挖直徑為11.67m

外側(cè)盾尾尾部侵入輪廓線外4mm，內(nèi)側(cè)前體靠近中體接縫位置與輪廓線間隙1mm 左右。管片采用60mm 楔形量，延R500 曲線中心進行鋪設(shè)，外側(cè)盾尾與管片間隙為前加強環(huán)50.26mm、后加強環(huán)72.04mm，尾刷彈性釋放。內(nèi)側(cè)盾尾與管片間隙小為前29mm、后17mm，尾刷被壓縮。油缸行程外部完全伸出2.6m，內(nèi)側(cè)油缸行程為2.486m，差值為114mm（一環(huán)掘進完成后）。有效管片長度（2 022.6mm、1 977.4mm），基本可滿足盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)R500m 曲線。外側(cè)尾刷彈性完全釋放，內(nèi)側(cè)尾刷被壓縮，密封效果比較差。開挖直徑為11.67m 模擬轉(zhuǎn)彎示意圖如圖6 所示。

圖6 開挖直徑為11.67m模擬轉(zhuǎn)彎示意圖

2.3.3 開挖直徑11.68m

刀盤內(nèi)外2 點和外側(cè)盾尾與開挖輪廓線重合，檢測主機其他弧面沒有與開挖輪廓線存在相交侵入現(xiàn)象。以主機3 個點在輪廓線內(nèi)進行模擬，主機弧面都在輪廓線內(nèi)。2m 環(huán)寬60mm 楔形量，水平30°旋轉(zhuǎn)的有效楔形 量：2026-1974=52mm。外側(cè)間隙（前59.69mm、后70.53mm），內(nèi)側(cè)間隙（前20.88mm、后15.93mm），行程差值：2600-2486.76≈113mm。外側(cè)尾刷彈性完全釋放，內(nèi)側(cè)尾刷被壓縮，密封效果差。開挖直徑為11.68m模擬轉(zhuǎn)彎示意圖如圖7 所示。

圖7 開挖直徑為11.68m模擬轉(zhuǎn)彎示意圖

綜合盾尾刷密封性能、管片間隙及注漿量等因素考慮，確定刀盤開挖直徑控制在11.67m。同時將盾尾刷刷毛及前后護板長度增加20mm 有效地降低了盾尾漏漿返漿的風(fēng)險。

3 小曲線半徑掘進中的風(fēng)險及應(yīng)對措施

3.1 盾構(gòu)曲線掘進調(diào)向問題

在淤泥質(zhì)軟土地層掘進，地層自穩(wěn)性差、盾體包裹嚴重，管片約束盾尾調(diào)向困難。掘進過程中采用減少油缸、單邊注漿穩(wěn)定管片、過程中回收油缸調(diào)整靴板受力點位置等方式。盾構(gòu)管片拼裝第60 環(huán)，盾尾進入第一個530m 轉(zhuǎn)彎半徑段42m，盾構(gòu)姿態(tài)如圖8 所示。

圖8 60環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)圖

水平方向:前-42mm，后-63mm（正值右偏，負值左偏），偏航2mm/m。豎直方向:前-138mm，后-160mm（正值上偏，負值下偏），偏航2.1mm/m。盾尾間隙：上20mm，下45mm，左70mm，右12mm。從盾構(gòu)實際姿態(tài)可看出，與前期計算參數(shù)較接近，在可控范圍之內(nèi)。

3.2 盾尾漏漿處理及控制

淤泥質(zhì)粉土為不透水地層，盾尾在小曲線半徑掘進過程中，單邊尾刷密封彈性釋放，密封效果差。漿液來源主要是土倉內(nèi)的泥漿和注入管片背部的砂漿。注入的砂漿存入尾刷內(nèi)固結(jié)、占位，將油脂腔堵塞，破壞尾刷、密封效果差。

采取措施：水平曲線掘進間隙最大位置在左右3 點、9 點位置，調(diào)整盾尾注漿點位，將注漿點放到上部1 點、11 點位置。

土倉漿液竄入管片內(nèi)側(cè)，土倉壓力不穩(wěn)定，根據(jù)盾尾尾刷安裝的空間尺寸，對尾刷尺寸進行調(diào)整（將刷長192mm 調(diào)整到225mm，保證刷絲不搭接到后部尾刷前端）。

3.3 管片開裂問題

掘進過程中盾尾間隙過小、油缸行程差值過大、安裝質(zhì)量等原因會導(dǎo)致管片外弧面破損、管片通透裂紋等問題。盾尾理論間隙為40mm，曲線半徑掘進最大轉(zhuǎn)角時的間隙在75mm，為盾尾極限間隙，很容易造成管片破損。

采取措施：實時調(diào)整掘進參數(shù)，轉(zhuǎn)速控制在0.5～0.7rpm，掘進速度20～40mm/min,進漿量1 000～1 200m3/h 之間，出渣量控制在1 300～1 500m3/h，單側(cè)盾尾間隙30～40mm；15～25 環(huán)、78～92 環(huán)掘進參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 15～25環(huán)掘進參數(shù)表

表2 78～92環(huán)掘進參數(shù)表

同時推進過程中禁止2 組以上油缸進行調(diào)向，防止應(yīng)力集中造成管片破損。結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)，封頂塊放置在能擬合盾構(gòu)姿態(tài)的方向上，同時考慮盾尾間隙，放置于間隙較大一側(cè)確保盾尾間隙均勻，有利于掘進方向的控制，防止管片的破損。

4 結(jié)論

大直徑盾構(gòu)在適應(yīng)小曲線半徑掘進施工前，針對各項關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的確定是工程能夠順利推進的重要前提，同時有效地結(jié)合以往類似項目施工經(jīng)驗，充分考慮施工過程中可能造成的影響因素，施工過程中嚴格控制各項參數(shù)，能夠有效地避免一些施工風(fēng)險，提高施工效率及工程質(zhì)量。