摘要：盾构法具有自身稳定性好、对地面影响较小等特点，至今已成为我国隧道施工中一种重要的施工工法。本文以某地铁工程盾构隧道为依托，探讨了土压平衡盾构在富水砂砾黏土地层中小半径曲线始发的一些关键施工技术，并对盾构初始掘进和掘进进行参数控制，以保证工程的施工安全。
关键词：盾构；水文；施工；关键技术；控制
引言
土压平衡盾构以其地层适应性广、作业安全、掘进速度快、对环境影响小及工程造价较低等特点在隧道工程领域得到了广泛的应用。盾构始发一般宜采用直线始发，但半径500m以下的曲线始发则不能确保盾构连续正常地由非土压平衡状态过渡到土压平衡状态，且施工过程中易出现各种问题，影响始发质量以及施工的进度与安全。然而，富水砂砾黏土地层是一种典型的不稳定地层，土压平衡盾构在该地层中小半径曲线始发的施工，易发生涌砂、洞口坍塌等现象，施工难度及风险较高。下文重点探讨土压平衡盾构在富水砂砾黏土地层中小半径曲线始发技术与参数控制，可为类似工程提供借鉴。
1 工程概况
某地铁工程19标段由“一站两区间”组成，其中一站台为地下两层双柱三跨标准站，总长223m，该站区间单线隧道总长1955m，最大坡度为28‰，始发曲线半径R=400m。左、右线采用2台φ6.14m土压平衡盾构机施工。隧道采用普通衬砌环型结构，由6块预制管片错缝拼装构成，隧道管片外径6000mm。
2 工程水文地质条件
该两站区间隧道盾构曲线始发段，隧道顶板上方土层为粉质黏土③1，隧道开挖面土层为粉质黏土层④和圆卵砾石⑤，隧道底板下方土层为粉土⑥2和粉质黏土⑥；水头埋深19.30～21.18m，水头标高15.80～17.16m，地层赋水量大，水位高，施工条件差。盾构始发易发生涌砂、洞口坍塌等现象，影响周边土体稳定和盾构施工安全。
3 盾构曲线始发施工关键技术
该两站区间受线路影响，盾构始发需直接在包括盾构始发井在内均处于R=400m的圆曲线上施工，且处于28‰极限设计纵坡下坡段。小半径曲线段示意见图1。
图1 两站区间曲线始发示意图.png)
3.1 确定始发路径
小半径曲线段盾构始发由于受到场地的限制，始发基座、负环管片和反力架的布置无法满足隧道平面线形的要求，导致盾构脱离基座前只能沿直线推进，轴线误差控制难度加大。因此，确定合理的始发路径是保证盾构小曲线始发成功的关键。
图2 盾构切线始发示意图.png)
盾构在小半径曲线段一般采用割线或切线始发方式。由于盾体沿始发基座前进至全部进入土体之前不能进行纠偏，因此在盾构能进行纠偏之前需要控制始发轴线与设计轴线的误差在允许偏差之内（＜50mm）。该工程采用的盾构机为主动铰接形式，盾体全长9.15m。当盾构采用切线始发时，刀盘中心和盾尾中心的连线沿设计曲线的切线方向推进，根据模拟路线（见图2）盾构机体完全进入土体后，切线与轴线偏差达到107.2mm，不满足规范要求，因此，改用割线始发。
采用割线始发时，为减小管片在曲线段因受侧向分力而引起的向圆弧外侧的偏移量，设定盾构始发点偏离圆弧外侧45mm，以盾构机刀盘中心位置为圆心，盾构长度为半径画圆，得到与设计轴线的交点，两点连线即为始发割线（见图3）。通过线路模拟，始发割线与设计轴线间的最大偏差为13.8mm，满足规范及设计要求。始发角度设定为83.0671°。确定始发路线后，根据路线确定始发基座的具体位置。
图3 盾构割线始发示意图.png)
3.2 盾构始发井端头加固
该工程盾构端头加固范围为始发井灌注桩外侧6m，隧道中心线上下左右各6m。施工采用三重管高压旋喷桩加固，“跳桩法”施工；桩径800mm，间距600mm，咬合200mm，成孔约18.7m，其中空孔约6.7m。旋喷施工基本参数：提升速度15cm/min、转速15r/min、水灰比1.2：1，空压机6m3/0.7MPa。加固28d后在洞口范围内钻孔取芯，测定结石体无侧限抗压强度须达到1.0～1.2MPa，渗透系数≤1.0×10-7cm/s，以保证其加固效果。
3.3 凿除始发端头洞门
为保证洞口土体稳定，避免土体长时间裸露在外，在始发前进行洞门灌注桩凿除。采用风镐人工凿除灌注桩，合理分块、快速凿除。洞门全部破除后，盾构机迅速靠上洞口掘进工作面，盾构贯入工作面后立即进行加压掘进。洞门破除的外径为6700mm，左右线各凿除5.5根洞门灌注桩。
3.4 安装始发洞门密封
始发洞门采用橡胶帘布板密封。施工流程为：掘进前橡胶帘布用螺栓挂在洞口预埋钢环上并用钢压板将其固定；刀盘进入洞口时，盾构机壳体将橡胶帘布及扇型钢板顶入并向内弯曲，当盾尾钢丝刷刚进入洞口露出管片时，再调整扇形钢板，使其落在管片上；待初始掘进完成后拆除橡胶帘布。
3.5 安装始发基座
盾构始发基座采用钢结构，因施工时以盾构基座位置控制盾构机入洞姿态，因而要求基座安装位置精准，布置时应注意以下要求：
1）始发架中心线与盾构始发中心线重合。
2）安装坡度与隧道设计坡度相一致，但比设计高程高25mm，并将基座导轨延伸至洞门钢环处，以防止盾构机向下扎头时姿态偏差过大。
3）根据始发井结构和盾构机尺寸确定负环数量，按照+1环在洞口的位置尺寸，计算盾构机的位置，以此确定始发基座的安装尺寸。
根据上述要求，确定该工程盾构机基座中心线处于隧道设计中心线的外侧，即盾构始发路径延长线上，与隧道中心线北端间距58mm，南端间距410mm；基座中心线前端距侧墙500mm。基座牢固地与始发井隧底的预埋件焊接，在侧面设钢支撑以增强稳定性，保证盾构始发时基座不侧移。
3.6 拼装负环管片
由于盾构始发位于较小的曲线半径上，盾构推进反力会产生明显的不均匀性，因此对负环管片的强度、刚度和整体稳定性提出了较高的要求。故该工程盾构始发中负环管片均采用闭环管片，并按照在盾壳内的正常安装位置进行拼装。在安装负环管片之前，应保证其不破坏盾尾密封刷，满足负环管片在拼装好后能顺利向后推进。在盾尾密封刷中填塞密封油脂，以保护盾尾密封刷不被磨坏。第1环负环管片拼装完成后，用4～5组千斤顶完成管片的后移工作。
4 盾构初始掘进和掘进参数控制
4.1 初始掘进施工
由于初始掘进段是为正常掘进摸索合适的施工参数，所以应依靠沉降监测数据，及时调整盾构掘进参数，不断完善施工工艺，做好信息化施工，以便总结出盾构机穿越该类土层的最佳参数。初始掘进工艺流程见图4。
4.2 初始掘进施工参数控制
盾构始发段处于小半径曲线段，为了保证初始掘进的安全，根据该工程地质条件，必须严格控制初始掘进的各项施工参数。
4.2.1 控制掘进速度
应结合地质条件的特点选定合适的掘进速度，以避免掘进速度不当对盾构机刀盘、刀具造成损坏和对隧洞周边土体扰动过大。参考类似盾构工程案例，初始掘进速度定为15～50mm/min。
4.2.2 设定土压力
根据地质勘查资料可知，该两站区间隧道穿越的地层中，填土层厚度
为2.6～2.9m，粉土层厚度为1.6～3.1m，粉质黏土层厚度为3.0～3.7m，粉细砂层厚度为0～3.1m；地下水埋深为5.5m。采用朗肯理论计算得到土压力为30～40kPa，对应的水压力为50～60kPa，则水土压力为80～100kPa。
4.2.3 控制注浆参数
根据地层土质条件，注浆压力初步定为250kPa，注浆量应控制在1.07%～1.28%。二次补注浆应根据地面的量测结果，发现未完全填充的部位及时进行二次补浆施工；注浆量依据实际情况确定。根据地面沉降监测数据，及时调整注浆量与注浆压力的大小。
4.2.4 控制出土量
正常情况下，每环的出土量为38～43m3。根据土层及出土情况，应及时调整螺旋机的控制模式，控制掘进过程出土量大小，严禁超挖、欠挖。
图4 初始掘进工艺流程.png)
5 结语
综上所述，本文结合某地铁工程盾构隧道施工，阐述了富水砂砾黏土地层中土压平衡盾构小半径曲线段始发施工的若干关键技术措施，通过确定合理的始发路径、加固盾构始发井端头、凿除始发端头洞门、安装始发洞门密封与始发基座、拼装负环管片，以及盾构初始掘进和掘进参数控制等技术措施，实践表明，两次曲线始发成功，证明了相关技术措施的选择是科学合理的，减少了隧道周边地层损失，保证了周边建筑物和隧道内部结构的安全，使得始发得以安全顺利地进行。
参考文献：
[1] 陈德强.盾构机小曲线半径始发技术[J].城市建设理论研究：电子版.2012
[2] 郭艺真.浅覆土软弱地层中土压平衡盾构机曲线始发技术[J].铁道建筑.2013
[3] 卢英俊.沈阳地铁二号线盾构机小曲线半径始发技术[J].城市建设理论研究：电子版.2013
论文作者:滕飞
论文发表刊物:《基层建设》2016年21期
论文发表时间:2016/12/1
标签：盾构论文; 管片论文; 基座论文; 曲线论文; 隧道论文; 半径论文; 地层论文; 《基层建设》2016年21期论文;