盾構超小曲線半徑隧道施工工法

盾構超小曲線半徑隧道施工工法中鐵十六局集團有限公司都市的發(fā)展，帶動引了軌道交通建設的發(fā)展，在地鐵線路的選擇上，由于受規(guī)劃及建、構筑物的制約，這使得軌道交通的線形越來越復雜。小半徑隧道線形雖不屬良好，但在應用上將會越來越多。分析急曲線地鐵隧道盾構法施工易發(fā)生的問題，結合中鐵十六局集團有限公司在廣州軌道交通五號線楊箕站～動物園站區(qū)間R200m小半徑隧道工程實例，介紹盾構掘進小半徑隧道的施工工法。小半徑隧道的盾構法施工技術與常規(guī)盾構法施工技術相比存在一定的特殊性，我公司在廣州復合地層中，獲得了急曲線隧道盾構施工的成功經(jīng)驗，并總結了超小曲線半徑隧道施工工法。收到良好的技術、經(jīng)濟效果，獲得了良好的社會信譽。一、特點1、較好的控制盾構機軸線，確保成型隧道質(zhì)量。在盾構掘進時預留偏移量，根據(jù)地層的軟硬分布狀況，分區(qū)操作推動油缸，設定推力和推動速度，實現(xiàn)對盾構姿態(tài)的實時控制，同時采用分區(qū)操作推動油缸、刀盤反轉等辦法進行糾偏,做到緩、小、勤、勻和油缸及時回零，較好的控制了盾構機軸線。2、從盾構設備（超挖刀、鉸接裝置、盾構機改造）、管片選型和拼裝、施工方法等方面采用必要方法，特別是對較軟的<6>、<7>地層采用了同時注漿和二次雙液注漿相結合的方法，有效地減少了小半徑圓曲線段成型管片的側向偏移量。3、盾構掘進時，通過掘進參數(shù)的調(diào)節(jié)，較少每環(huán)的糾偏量，進行動態(tài)管理和信息化施工，控制好同時注漿的注漿時間及注漿量，必要時進行二次補漿，能有效控制地層沉降，確保施工和附近地層和地面建筑物的安全。4、能適應不同地層，可根據(jù)不同地層的特點靈活地選擇掘進模式與掘進參數(shù)，以達成高效率、低成本的目的。5、工藝可操作性強，在只要采用對應辦法和方法滿足都市環(huán)境條件即可推廣使用。二、合用范疇本工法合用于軟土、硬巖等復合地層內(nèi)掘進半徑為R200m以上特曲線盾構隧道（直徑為6米左右）。能適應多個環(huán)境和地層的規(guī)定，三、工藝原理復合型土壓平衡盾構是運用安裝在盾構最前面帶有滾刀、刮刀或先行刀等刀具的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來的土進入刀盤背面的密封艙內(nèi)，并使艙內(nèi)含有適宜壓力與開挖面水土壓力平衡或欠平衡，以減少盾構推動對地層土體的擾動，從而控制地表變形，在出土時由安裝在密封艙下部的螺旋運輸機向排土口持續(xù)排土。通過測量土倉內(nèi)的土壓力來隨時調(diào)節(jié)盾構推動速度和螺旋輸送機的轉速，控制出渣量。復合式土壓平衡盾構主機示意圖見圖1。圖1

復合式土壓平衡盾構主機示意圖四、工藝流程施工前的準備施工場地布置施工前的準備施工場地布置盾構機維修改造管模選購、管片生產(chǎn)曲線段掘進準備水平運輸設備材料的選購（電瓶車、平板車、土箱斗等）小半徑段30米的試掘進總結掘進中的各項參數(shù)指標洞口土體加固盾構基座安裝盾構吊裝調(diào)試洞口砼鑿除止水裝置安裝反力架安裝加固盾構出洞原加固土體補壓水硬性材料盾構正常掘進施工同時注漿材料配比調(diào)節(jié)測量聯(lián)測3次以上調(diào)節(jié)盾構機姿態(tài)緩和曲線段掘進的預偏曲線段掘進進洞準備工作盾構進洞盾構吊運手孔封堵、嵌縫堵漏聯(lián)系通道施工竣工驗收圖2

工藝流程圖五、施工要點為確保急轉彎段順利掘進，從盾構設備（超挖刀、鉸接裝置、盾構機改造）、管片選型和拼裝、施工方法等方面采用必要方法，特別是對較軟的<6>、<7>地層采用了同時注漿和二次雙液注漿相結合的方法，以確保小半徑圓曲線段成型管片不出現(xiàn)側向移動。具體方法以下：1．超挖刀的應用鉸接裝置作為一種輔助手段，需要與仿形刀的超挖、錐形管片、曲線內(nèi)外側千斤頂?shù)牟煌屏Φ仁┕し椒ㄅ浜显谝黄鹗褂?。仿形刀的使用效果將直接影響盾構機鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴重地擾動土體，過小將不能充足發(fā)揮鉸接裝置的作用，以至達不到所規(guī)定設計軸線的半徑。2．管片選型為滿足急轉彎施工規(guī)定，管片環(huán)寬1.2m，轉彎環(huán)契形量為41mm，施工過程中要嚴格管片選型程序（重要是封頂塊點位的選擇），確保管片拼裝質(zhì)量。本段施工時，嚴格注意盾尾間隙的變化進行適宜調(diào)節(jié)。盾尾間隙原則值為75mm，在圓曲線段掘進時盾尾間隙變化較大，可將盾尾間隙保持在753．推力控制在強、中風化地層中小半徑圓曲線掘進的過程中，對土體的擾動會明顯減少外圍土體的強度及自穩(wěn)能力，土體含有的蠕變特性以及出現(xiàn)水平方向土體壓力不均，管片在長時間承受千斤頂壓力的等狀況下，管片很可能向外側整體移動。見圖3。圖3轉彎處管片受盾構機推力分解示意圖小半徑曲線掘進可能帶來的管片位移量：T：盾構機推力的反作用力P：土體對管片側面的附加應力R：轉彎半徑：變形系數(shù)由上式得知：1、當盾構機的推力越大時管片側向位移也越大。2、當掘進的轉彎半徑越小時管片側向位移也越大。故為了減小在小半徑圓曲線段施工引發(fā)的管片整體移位所帶來的隧道變形，掘進過程中必須減小盾構推力。根據(jù)類似的施工經(jīng)驗，盾構在很小的半徑線路上掘進施工時，推力可控制在600～900t。4．盾構姿態(tài)實時控制與調(diào)節(jié)運用SLS-T系統(tǒng)對盾構機姿態(tài)的實時監(jiān)測顯示，根據(jù)地層的軟硬分布狀況，分區(qū)操作推動油缸，設定推力和推動速度，實現(xiàn)對盾構姿態(tài)的實時控制，必要時一種掘進循環(huán)可分幾次完畢。即每掘進30cm收縮一次千斤頂,初次30cm全部使用千斤頂掘進,然后再以側面千斤頂為主掘進。采用分區(qū)操作推動油缸、刀盤反轉等辦法進行糾偏,做到緩、小、勤、勻和油缸及時回零。盾構機掘進時，難免出現(xiàn)姿態(tài)偏差，盾構機姿態(tài)修正以長距離慢慢修正為原則，盾構機姿態(tài)調(diào)節(jié)（糾偏）方式重要有：①側滾糾偏采用刀盤反轉的辦法進行側滾糾偏。②豎直方向糾偏盾構機昂首時，可加大上部千斤頂?shù)耐贫冗M行糾偏；盾構機叩頭時，可加大下部千斤頂?shù)耐贫冗M行糾偏。③水平方向糾偏向左偏時，加大左側千斤頂推度；向右偏時，加大右側千斤頂推度。盾構掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。處在200m轉彎圓曲線時，為避免盾構機昂首以及管片上浮及向圓曲線外側移動，通過VMT系統(tǒng)調(diào)節(jié)盾構機姿態(tài)。根據(jù)管片監(jiān)測狀況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調(diào)節(jié)為-40～-50mm之間。同時應加密VMT移站頻率，減少移站后出現(xiàn)的軸向偏差。5．同時注漿及二次補充注漿在風化巖層中急轉彎掘進，足夠的、快凝的同時注雙液漿也是必不可少的，它能盡早地固定管片，改善管片的受力狀態(tài)，避免管片錯臺破損，因此，盾構機配備了兩套背填注漿系統(tǒng)，一套用于常規(guī)的背填注漿，另一套用于以側面為重點的管片二次補充注漿。當隧道在左轉彎時注漿方式重要如圖4。圖4隧道在左轉彎時注漿方式6．小半徑掘進采用的其它方法6.1避免地下水的方法在小半徑線路上掘進時，如地下水過多，土倉內(nèi)水壓力過大則難以對盾構機進行糾偏，故需要采用一定方法控制土倉內(nèi)的含水量。對于掌子面所產(chǎn)生的水，可采用向掘進面和土倉內(nèi)注入添加劑的辦法控制水量。對于盾尾背面的可能向土倉內(nèi)流入的水，可采用以下的解決方法：對盾尾背面的50環(huán)管片的每環(huán)管片都進行嚴格的同時注漿，確保注漿量和注漿效果；對于該50環(huán)管片，每隔10環(huán)則對一環(huán)管片進行雙液注漿，可形成一種比較徹底的封閉環(huán)（止水環(huán)），則可達成較好的止水效果。6.2對地質(zhì)狀況的適時理解廣州地區(qū)地質(zhì)狀況復雜，可能存在地層突變的狀況，因此，在盾構掘進時規(guī)定隨時對挖掘出的土質(zhì)進行取樣分析，理解可能出現(xiàn)的地質(zhì)變化，好采用有針對性的解決方法。6.3對盾構的水平方向偏差的控制施工過程中盡量控制好盾構姿態(tài)，為防止管片可能的外側位移，掘進時水平偏差普通控制在設計軸線內(nèi)側范疇內(nèi)。6.4確保管片楔形量的方法根據(jù)理論計算，本區(qū)間的管片選型能夠滿足200m的轉彎半徑，但在實際的施工過程中，為了確保管片拼裝后形成200m半徑的線路，可在管片上采用一定的輔助方法。方法重要為：由于向左轉彎時，封頂塊重要拼在8、9、10點的位置，則B1、B2、B3重要在隧道的右側，可將這三塊原則塊管片的緩沖墊增加2～3mm的厚度，這樣就相稱于增加了一部分楔形量，可確保管片的拼裝效果。6.5確保超挖的方法由于本區(qū)間存在200米的小半徑，掘進時確保足夠的超挖是確保盾構機順利轉彎的核心。由于在廣州其它盾構隧道中沒有存在如此小的半徑，故極少有使用超挖刀的成功實例。在廣州的復雜的且比較堅硬的地層中使用超挖刀存在一定的風險，如超挖刀的損壞或油缸伸出去而縮不回來等事故，必須做好其它確保超挖的預案。重要的方法為：如由于超挖刀故障而不能確保超挖時，可在刀盤外緣焊一耐磨鋼板，相稱于加大了刀盤半徑，可達成確保超挖的目的。6.6確保邊沿刀正常使用的方法在小半徑轉彎時，確保邊沿刀（特別是邊沿滾刀）的正常使用是很重要的。由于在急轉彎時，邊沿刀的磨損較大，則造成刀盤容易卡住。故要經(jīng)常對邊沿刀進行檢查，必要時進行更換，以確保邊沿刀的正常使用。6.7避免盾構鉸接拉斷的方法盾構在施工小半徑隧道時，使用鉸接裝置，與普通的土壓平衡盾鉤機比較有獨特的優(yōu)點，鉸接式盾構機不僅能用于小半徑隧道施工，也能用于盾構的糾偏。施工過程中盾構邁進方向右側被動的鉸接油缸經(jīng)常出現(xiàn)無法收回，造成右側個別被動的鉸接油缸給拉斷，后通過用輔助的千斤頂強行將鉸接油缸收回，或者用鋼筋等連接桿拉住中盾和尾盾，有效地避免鉸接的拉斷，避免盾構鉸接處出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。6.8避免盾構連接橋拉斷的方法盾構機連接橋是連接盾體和盾構后配套設備的鋼架體，盾構機主控室、管片運輸機、注漿泵等重要設備均通過連接橋與盾體連接。盾構機在掘進小半徑掘進過程中，連接橋鋼架被拉斷的現(xiàn)象時有發(fā)生，很容易造成鋼架斷裂、坍毀事故，最佳的方法是控制盾構機的姿態(tài)，特別是控制盾構機趨勢不易過大；另首先提前對連接橋鋼架采用加固方法。6.9盾構掘進時走向的預偏為了控制隧道軸線最后偏差控制在規(guī)范規(guī)定的范疇內(nèi)，盾構掘進時考慮給隧道預留一定的偏移量。在盾構機剛剛進入緩和曲線時開始對掘進姿態(tài)進行調(diào)節(jié)，將盾構沿曲線的割線方向緩慢糾偏掘進，在盾構機整體進入圓曲線掘進時預留偏移量,水平偏差機頭前點控制在設計軸線內(nèi)側40~50mm，后點控制在設計軸線內(nèi)側30~40mm。趨勢控制在3左右（設計軸線內(nèi)側將盾構沿曲線的割線方向掘進，管片拼裝時軸線位于弧線的內(nèi)側，以使管片出盾尾后受側向分力向弧線外側偏移時留有預偏量。而預偏量的擬定往往須根據(jù)理論計算和施工實踐經(jīng)驗的綜合分析得出，同時需考慮掘進區(qū)域所處的地層狀況。7．跟蹤監(jiān)測方法在急轉彎地段施工時加大人工監(jiān)測頻率，在盾構機過后對隧道管片姿態(tài)隨時跟蹤監(jiān)測，把信息及時反映給盾構操作人員，方便根據(jù)變形程度調(diào)節(jié)掘進參數(shù)。因小曲線段管片側向偏移嚴重，使得測量吊籃不得不安裝離激光靶較遠的位置；再有曲線段隧道嚴重影響TCA主機的前后視通視距離，從而造成VMT移站次數(shù)的增加。曲線段管片在脫出盾尾20環(huán)的位置才干達成基本穩(wěn)定，這也給吊籃的復測工作量加大諸多。VMT移站頻率每8-10環(huán)1次；吊籃的復測每掘進4-5環(huán)1次；定時人工復核管片姿態(tài)每10環(huán)1次，每次疊加5環(huán)復測，可實時理解管片的偏移量；隧道內(nèi)基準點坐標每50環(huán)1次。8．后配套設備及材料的改善方法曲線段后配套臺車使用的軌枕采用3m定長，外側軌枕超高3cm，鋼軌間距比直線段加寬2cm，直線段每6米、小曲線段每3米安設一種拉軌器，通過以上方法能夠有效地減少電瓶車、托卡等水平運輸設備六、質(zhì)量原則由于小曲線半徑盾構隧道工程技術難度高，施工風險大，工程中不可預測因素多，且普通均為百年大計(如地鐵隧道)，又含有不可返修性，故此對質(zhì)量規(guī)定極高。按照工程建設規(guī)范DGJ08—233—1999《盾構法隧道工程施工及驗收規(guī)程》和《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》進行施工。七、機械設備盾構隧道工程的機具設備涉及兩大部分，一是盾構機械本身及其附屬設備，另一是隧道施工慣用設備。復合型土壓平衡盾構機械及附屬設備見表1。表1

復合型土壓平衡盾構機械及附屬設備系統(tǒng)機械機械要素備注開挖、支護機構切削刀盤切削土體并起一道擋土作用密封土艙存儲切削土體并保持一定壓力盾構千斤頂提供推力并實現(xiàn)盾構糾偏土壓力計檢測土壓進行土壓管理添加劑注入裝置添加劑注入泵添加劑注入口攪拌裝置切削刀盤多個攪拌棒避免共轉、沉淀、粘附排土設備螺旋輸送器運輸切削土、控制出土量閘門調(diào)節(jié)出土量管片拼裝機構拼裝機千斤頂潤滑、密封裝置油脂注入泵盾尾密封刷擴挖裝置超挖刀或仿形刀特殊狀況下使用（曲線施工等）盾構附屬設備測量設備盾構千斤頂行程計測偏轉VMT系統(tǒng)自動測量盾構機姿態(tài)注漿設備注漿泵一號臺車上注漿管路盡量使用活彎頭注漿壓力傳感器后備套臺車液壓組件電器組件2．盾構隧道施工普通設備見表2。表2

盾構隧道施工普通設備設備類型設備名稱數(shù)量備注隧道運輸設備32T門式龍門吊1豎井垂直運輸電瓶車4輛隧道水平運輸35T以上平板車6~10輛出土箱6大小與數(shù)量與本工程特點定Y型道叉2~4副數(shù)量視隧道長度而定加泥設備高速攪拌機儲漿罐充電設備充電機2套平板車2輛排水設備水管污水泵或潛水泵15臺測量設備全站儀1臺萊卡1200棱鏡2套萊卡原裝精密水準儀1臺其它設備電話和對講機8/4部通訊聯(lián)系通風機2臺隧道通風滅火器消防設備

八、安全與環(huán)保(一)安全、衛(wèi)生

1．必須遵照安全第—的原則。由于盾構工作面作業(yè)空間狹小，因此既要確保作業(yè)人員安全與健康，還應盡量發(fā)明—個舒適愉快的工作環(huán)境。

2．工作環(huán)境。應充足考慮地下作業(yè)的特殊性，在盾構施工中，確保通風設備、照明設備、通路的完整和有效，采用方法，消除影響工作人員健康的因素。

3．勞動防護。井下一切工作人員必須戴安全帽及勞動用品，集中思想操作，避免碰傷和不必要的安全事故，另外應根據(jù)工作環(huán)境設立安全標志，配備對應的保護用品。

4．防上災害發(fā)生。普通事故：如墜物、蹋落、軌道事故等；特殊事故：如火災、缺氧、有毒氣體中毒等。由于隧道中含有相對封閉的特性，這些災害的發(fā)生將產(chǎn)生不可預計的損害，為此要遵照防止為主的原則，對應采用有效方法。5．其它方面。吊運土箱、混凝土管片及其它材料時井下吊運活動范疇嚴禁人員停留；起吊重物前應檢查索具吊具等有無損傷，發(fā)現(xiàn)磨損及時更換；確保機械設備的維修保養(yǎng)，嚴禁機器；節(jié)病超負工作；加強電機車安全管理；井下電機車嚴禁搭乘人員。

(二)環(huán)保

1．施工前，對工作井周邊及隧道軸線沿途建筑物、構筑物進行調(diào)查，方便采用對策；采用低噪聲沒備，音源配備合理或采用隔音設備。

2．建筑物保護采用有效方法，控制地表下沉，盡量減少對沿線建筑物的影響。九、勞動組織復合型土壓平衡盾構施工技術規(guī)定高，專業(yè)性較強，規(guī)定工種多，且由于其特殊性，現(xiàn)場需配備土建工程師、電氣工程師和測量工程師。

作業(yè)人員考慮一天24h持續(xù)作業(yè)，每作業(yè)班配備人員見表3。表3

每作業(yè)班配備人員種類崗位每班人數(shù)備注井口下

及隧道電瓶車司機2注漿2千斤頂操作1安裝器操作手1管片安裝工3管片卸運工1井下掛鉤2軌道維護2盾構機維

護保養(yǎng)機械工程師1為兩條隧道服務電氣工程師1維修工2地面/隧道現(xiàn)場施工負責人3專職管理工人總計全體工人21十、效益分析普通土壓平衡盾構很難在軟土和巖石混合地層中施工，復合型土壓平衡盾構充足顯示其在多個復雜地層中掘進的能力。復合型土壓平衡盾構掘進工法與礦山法相比，含有安全、作業(yè)環(huán)境好、掘進速度快、隧道整體防水好及綜合造價低的優(yōu)點。復合型土壓平衡盾構普通不需要輔助施工法，受環(huán)境影響少，能保持持續(xù)均衡施工，既縮短工期又能確保高質(zhì)量。對施工人員來說，由于其機械化程度高，隧道內(nèi)噪音低，無氣壓，減輕了勞動強度，有助于施工人員的健康和安全。該工法含有較明顯的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。十一、工程實例由中鐵十六局集團有限公司承建的廣州市軌道交通五號線區(qū)莊站～楊箕站盾構區(qū)間土建工程是整個地鐵五號線的重點控制工程，區(qū)楊盾構區(qū)間涉及兩個區(qū)間（區(qū)莊站~動物園站和動物園站~楊箕站），其中楊箕站-