【关 键 词】：盾构施工 土压平衡 管片选型 小半径曲线
1 引言
盾构施工是以盾构机盾壳为临时支撑，对土体进行开挖，同时用钢筋混凝土管片对围岩进行衬砌的一种机械化隧道施工方法。后三盾构区间采用的是海瑞克土压平衡盾构机，盾构施工有一个很重要的技术要求就是控制盾构掘进姿态符符合设计线路，而小半径转弯更是盾构施工技术控制的一个难题。小半径转弯会对盾构掘进施工带来诸多的难题，下面就以后三盾构区间的800m半径转弯为例，分析小半径转弯的难点和解决措施。
2 工程概况
后三区间左线盾构掘进于里程ZDK7+091.916～245.714(左线约106环～209环)、范围内通过800m小半径往三桥站方向为右转弯的圆曲线。盾构隧道主要穿过2-1（黄土状土）,2-4（细沙）,2-5-2（中沙）地层，隧道下部以2-5-2（中沙）地层为主。本区间地下水位埋深较深30.6米，隧道埋深在16-23米，处于无水作业。
3 难点分析
3.1 盾构机掘进时隧道轴线控制难度大，纠偏困难。
盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。而且由于拐弯弧度大，需要左侧油缸和右侧油缸形成一个很大的推力差才能满足盾构机转弯的要求，致使左右两侧的油缸推力可调范围很小，从而可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，这就更加大了隧道轴线控制和纠偏的难度。转弯段盾构施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验等因素综合考虑后方可确定。
曲线上盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形（实际为椭圆形），需要配套使用超挖刀装置进行超挖。
3.2 管片容易在水平分力作用下发生较大的位移，造成管片侵限现象。
隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移。在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环，由于管片端面与该处轴线产生夹角，在千斤顶的推力作用下产生一个水平分力，使管环脱出盾尾后，受到侧向分力的影响而向曲线外侧偏移。
3.3 对地层扰动大，容易产生较大的地面沉降。
由于纠偏时的超挖，对土体扰动增大而发生较大沉降。小曲线隧道的施工除了有直线段隧道施工的地层变形因素外，还有以下二个因素的影响：①由于盾构机处于纠偏状态，超挖刀也不断进行超挖掘进，开挖断面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量，增加了地层不稳定因素；②由于纠偏量较大，对土体的扰动也大，地层损失量也增加，容易造成较长时间的后期沉降。
3.4 管片之间易发生错台，管片易产生开裂和破损。
管片存在一个水平方向的受力，不但会使整段隧道衬砌管片发生水平偏移（即前面所叙的侵限现象），还会导致管片之间发生相对位移，形成错台。由于管片的特殊受力状态，管片与管片之间存在着斜向应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点如图1，使得相当多的管片因此破裂。还有一个破裂原因就是因为相邻两环管片产生了相对位移，使得管片螺栓对其附近处混凝土产生剪切作用，使该处的混凝土开裂。
图1 转弯处管片因斜向受力破损示意图
4 解决方案
对于小半径转弯的难点，主要是从盾构机掘进参数、盾构设备（超挖刀、铰接装置）、管片选型和拼装等施工措施方面来解决，特别是要采取了同步注浆和二次双液注浆相结合的措施，以保证小半径圆曲线段成型管片不出现侧向移动，以及及时填充围岩空隙保证土体稳定。下面对上叙难点逐一进行分析并探讨解决措施：
4.1 纠偏与隧道轴线控制。
4.1.1中盾和尾盾采用铰接连接，有效地减少了盾构的长径，使盾构在掘进时能灵活的进行姿态调整，顺利通过小半径转弯；
4.1.2盾构机转弯时通过的孔洞不是圆形，而是在原来的圆洞基础上两边扩挖而形成的椭圆形，超挖刀的设置正好满足了这个增大净空的要求；
4.1.3掌握好左右两侧油缸的推力差，尽量地减小整体推力，实现慢速急转；
4.1.4盾构机司机根据地质情况和线路走向趋势，使盾构机提前进入相应地预备姿态，减少之后的因不良姿态引起的纠偏。
4.1.5加密加勤VMT移站测量，避免由此产生的轴线误差。由于我们是将短距离的曲线看成是直线段来指导盾构机掘进，如果不短距离移站测量，则相当把长距离的弧线当作直线，故轴线偏差自然会相差很大。
4.1.6做好管片选型。
小半径曲线转弯的管片选型主要依据是线路轴线，以后三区间的800m半径曲线段为例，可计算出转弯时的管片排版如下：
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图3 标准环、转弯环关系图
转弯环偏转角的计算公式：
θ=2γ=2arctgδ/D
式中：
θ―――转弯环的偏转角 δ―――转弯环的最大楔形量的一半
D―――管片直径
将数据代入得出θ＝0.3629
根据圆心角的计算公式：
α＝180L/πR
式中： L―――一段线路中心线的长度
R―――曲线半径，取800m
而θ＝α，将之代入，得出L＝5.064m
上式表明，在800m的圆曲线上，每隔5.064m要用一环转弯环。西安地铁采用的管片长度为1.5m，即在800m的圆曲线上，加上纠偏管片拼装点位变化，标准环与转弯环的拼装关系为：4环标准环+2环转弯环。
为满足急转弯施工要求，管片环宽1.5m，转弯环契形量为38mm，施工过程中要严格管片选型程序，保证管片拼装质量。本段施工时，采用4个标准环与2个左转弯环配合，同时注意盾尾间隙的变化进行适当调整。盾尾间隙标准值为75mm，在圆曲线段掘进时盾尾间隙变化较大，一般将盾尾间隙保持在75±15mm范围内（由于急转弯原因，可将范围适当放宽），一旦超过规定范围值即需要使用弯环进行调整。
4.2 控制管片水平移动和侵限。
4.2.1进入缓和曲线段时，将盾构机姿态往曲线内侧（靠圆心侧）偏移15～20cm，形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片的往曲线外侧（背圆心侧）的偏移。
4.2.2减小油缸推力。
在强、中风化地层中小半径圆曲线掘进的过程中，对土体的扰动会显著降低外围土体的强度及自稳能力，土体具有的蠕变特性以及出现水平方向土体压力不均，管片在长时间承受千斤顶水平分力的等情况下，管片会向外侧整体移动。见图4。
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T：盾构机推力的反作用力 P：土体对管片侧面的附加应力
R：转弯半径.png)
由上式得知：当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大，当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大。
故为了减小在小半径圆曲线段施工引起的管片整体移位所带来的隧道变形，掘进过程中必须减小盾构推力。根据经验，后三区间这种地层，土压平衡模式时推力可控制在1200～1800t，在特殊地段需要严格控制推力时，推力可减小到1000～1300t。
4.2.3 在管片偏移的方向额外进行注浆，达到一定的压力以抵抗管片的偏移。待浆液凝固后，则管片位置基本已经确定下来了。
注浆的位置选择2点和3点手孔为宜（左转弯），这样不但可以抵抗管片水平偏移，还可以抵抗管片的上浮，如图5。
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图5 通过额外注浆阻止管片偏移
4.3 减小对地层的扰动，避免大的沉降。
4.3.1严格控制好姿态，争取进行时时的细微纠偏，避免大的纠偏而造成对土体的扰动。
利用ZED系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。
盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态偏差，蛇行修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态调整（纠偏）方式有：a、滚动纠偏：采用刀盘反转的方法进行滚动纠偏。b、竖直方向纠偏：盾构机抬头时，可加大上部千斤顶的推度进行纠偏；盾构机叩头时，可加大下部千斤顶的推度进行纠偏。c、水平方向纠偏：向左偏时，加大左侧千斤顶推度；向右偏时，加大右侧千斤顶推度。
盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。由于同时处于800m右转弯圆曲线及下坡段（左线坡度均为24‰），为防止盾构机栽头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，通过ZED系统调整盾构机姿态为：垂直方向控制在+10～+20mm之间，水平视平方向应控制在0～-15mm之间。根据管片监测情况，如管片下沉量较大，则垂直偏差可调整为+20～+35mm之间。同时应加密ZED移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。
4.3.2及时、充足地跟进同步注浆与二次注浆，将管片与围岩之间地空隙填充密实，达到稳固管片和减少地表沉降地效果。
4.3.3减小推力和掘进速度，同时选择合适地土仓压力保持模式，最大限度地减小地层扰动，和保证掌子面的稳定，防止坍塌。
4.4 尽量避免大的错台和破损。
4.4.1油缸推力尽量不要太大，尤其时曲线外侧（背圆心侧）油缸，由于要加大推力来增加左右两侧油缸推力差，从而实现盾构机转弯。但是，在加大油缸推力的同时，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。
4.4.2由于曲线外侧油缸推力较大，尤其要注意不要突然加力或者突然释放推力，这样也会造成管片的破裂。
4.4.3掘进的时候，把拧螺栓这道工序做到位，有效的防止错台的发生。
4.4.4提高管片拼装手的水平，避免因拼装不到位产生的错台。
4.4.5注意保持良好的盾尾间隙状态，避免盾尾钢环刮坏管片。调整好油缸撑靴的位置，尽量使撑靴完全作用在管片上。
5 后记
盾构过小半径曲线段是盾构施工难以控制好的一个项目，因此施工中一定要牢牢把握技术要点，并在施工过程中不断思考、积累经验，相信不久后小半径转弯不会再是盾构施工的一个棘手难题。
【参考文献】
1 《盾构法隧道施工技术及应用》.周文波.中国建筑工业出版社.2004/11
2 《复合地层中的盾构施工技术》.竺维彬.鞠世健.中国科学技术出版社.2006/5
论文作者: 李 旭
论文发表刊物:《建筑实践》2020年1月1期
论文发表时间:2020/4/30