摘要：为解决盾构在小半径曲线始发的技术难点，以泥水盾构350 m小半径曲线始发施工为研究背景，对盾构在小半径曲线内始发施工进行了系统研究，并提出了相应的控制措施、取得了较好的效果，为今后类似工程的施工提供了借鉴。
关键词：地铁隧道；泥水平衡盾构；小半径曲线；割线始发；
0 引言
随着城市建设的高速发展，地下轨道交通建设近几年飞速发展，但由于受规划及建（构）筑物的制约，使得城市轨道交通的线形设计越来越复杂。不可避免的出现小半径曲线线路［１-3］。小半径曲线盾构法施工与常规盾构法施工相比存在一定的特殊性，施工难度大、风险大。
国内对于小半径曲线始发的技术研究比较少，合理地确定小半径曲线隧道始发技术是盾构施工的关键技术之一。本文介绍了武汉市轨道交通3号线七标工程泥水平衡盾构在350m小曲线段始发的一些做法，以供类似工程参考。
1 工程概况
武汉市轨道交通三号线七标土建工程盾构区间隧道北起宗关站，南至汉阳江滩分界里程，2台盾构由宗关站始发，区间隧道右线871.3m，左线884.3m到达分界里程，盾构空推段左线长291米，右线长280米。线路最大埋深37.2m，隧道最小转弯半径350m，最大坡度28‰。
1.1工程地质
盾构始发端头自上而下地层分别为：（1-1）杂填 土、（3-2）粉质粘土、（4-1）粉细砂。隧道开挖面位于（4-1）粉细砂，地质剖面见图1。
图1 始发端地质剖面图
Fig.1 Geological Profile of The Beginning
1.2水文地质
区间沿线地下水主要有上层滞水、潜水、承压水等，承压水主要赋存于全新统粉质粘土、粉土、粉砂互层、砂土及砂卵石层中，含水层厚度为20～40m，承压水测压水位绝对标高为15.0～20.0m（黄海高程）。
1.3 盾构机概况
采用两台泥水平衡盾构机进行区间隧道掘进施工。
盾构主机长10.5m，后配套分为5节拖车，总长60m；盾构最大开挖直径6.52m。盾构机具备被动铰接，最小转弯半径250m。
盾构机刀盘为面板型钢结构，开口率32%，刀具配置为切刀结合重型撕裂刀的形式（重型撕裂刀与滚刀可互换），配备双刃滚刀18把，边刮刀16把，齿刀90把。既可适应砂质土和粘土开挖，也适应硬岩切削。
2、盾构小半径曲线始发方案设计
盾构区间始发段进洞即进入缓和曲线，经过13m掘进后进入350m转弯半径圆曲线，此线路掘进极易出现盾构推进偏线、管片间隙锐减、管片严重破损、管片与盾尾卡死等问题。盾构掘进过程中，首先盾构机推进要拟合设计线路，其次保证成型隧道线路与盾构机推进线路拟合，为保证三者线路统一，采用割线始发方法。
2.1 割线始发研究
盾构始发线路处在缓和曲线及R350m圆曲线上，为了简化施工难度，降低盾构在加固体内曲线纠偏导致的超挖、漏水、卡死等风险，采用割线始发。在设计轴线半径350ｍ的曲线上取一条割线，让割线与曲线的最大偏差距离控制在±50ｍｍ（设计允许偏差）以内，使盾构沿着这条割线直线向前掘进，当盾尾进入洞门密封后，再让盾构沿着设计好的割线与圆曲线过渡的缓和曲线逐渐向设计轴线靠拢，最终达到掘进线路与设计轴线拟合。
（1）盾构始发基座安装时与设计轴线预先形成0.4°的夹角，并使刀盘中心向左偏离洞门设计中心20mm，刀盘直径为 6520mm，洞门圈直径6700mm，通过调整洞门帘布橡胶和压板的位置以避免刀盘挤破帘布橡胶板。（如图2所示）。
图2 盾构割线始发示意
Fig.2 Secant launching of shield machine
（2）当盾尾全部进入洞门密封后（刀盘和前盾已出加固区），调整盾构机姿态，从割线到圆曲线之间设计一条缓和曲线，缓和曲线长度根据刀盘中心偏离设计轴线的距离大小暂定16m。同时采用带有楔形量的通用环管片或转弯环调整隧道线型。刀盘中心经过３～４环的纠偏慢慢缩小盾构与设计轴线偏离距离，最终达到与设计轴线拟合（如图3所示）。
图3 由割线到圆曲线掘进示意
Fig.3 Tunneling from secant tocurve
2.2 割线始发风险分析
（1）盾构基座变形风险。在盾构进洞门过程中，若盾构基座发生变形，易使盾构掘进轴线偏离设计轴线，并导致盾构基座与工作井、盾构、隧道轴线的关系发生变化。
（2）凿除钢筋混凝土洞门涌土、塌陷风险。
（3）密封失效风险。进洞时，若盾构机姿态出现问题，易造成洞门密封装置失效、泥水仓保压失败，严重时导致洞口外侧地面大幅度沉降。
（4）盾构反力架位移及变形。在盾构进洞过程中，盾构后靠支撑体系在受盾构推进顶力的作用后，支撑体系发生局部的变形和位移。
（5）盾构进洞时姿态突变。盾构进洞后，最后几环管片往往与前几环管片存在明显的错台，影响隧道有效净空。
3、始发准备
始发前准备工作主要包括：端头加固；洞门施工；泥浆处理系统场地布置与安装调试；盾构施工场地布置；盾构机托架及反力架安装；盾构机下井、组装、调试等。
3.1 始发端头土体加固
盾构始发端头土体为软弱含水的土层，若不提前加固处理极易塌方或流失，造成地面塌陷。
（1）降水；为疏干砂性土中的地下水，提高土层密实度，在盾构始发前利用端头管井降水将承压水位降至开挖面以下。
（2）地基加固；端头土体加固采用Φ800@500m三重管法高压旋喷桩加固，加固范围为隧道结构外左右3m，隧道顶底板上4m，下3m，线性方向12m。保证加固后的土体有良好均匀性、自立性、止水性，其无侧限抗压强度、渗透系数达到规范要求。
3.2 始发架定位及安装
设计制作长为9.26m的始发托架。在后配套吊入始发井后，依据隧道洞门中心位置和设计轴线坡度及平面方向定出盾构始发姿态空间位置，然后推算出始发架的空间位置，利用垫薄钢板调节始发架的高程，达到始发要求的精确位置。
为了防止盾构机进洞发生栽头，始发架安装高程抬高2-3cm，并在洞门钢环底部焊接2个防栽导轨。
3.4 反力架定位安装及加固
（1）根据盾构主机长度、负环管片宽度以及洞门结构宽度等综合确定反力架位置。
满足设计要求。
反力架安装要求。反力架左右偏差控制在±10mm之内，高程偏差控制在±5mm之内，始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角＜±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差＜2‰（且盾尾只能向上偏），水平趋势偏差＜±2‰。如图5所示。
图5 盾构始发反力架示意图
Fig.5A schematic diagram of the initial reaction frame of shield.
3.5 洞门密封
为了防止盾构始发掘进时泥土、地下水及循环泥浆从盾壳和洞门间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失，在盾构始发时安装洞门临时密封装置，临时密封装置由一道橡胶密封与两道钢丝刷组成，两道钢丝刷之间预留加注盾尾油脂的预埋管。洞门临时密封装置如图6所示。
图6 洞门临时密封装置
Fig.6 The temporary containment device
3.6 负环管片的拼装
盾构机始发时在反力架和车站端墙之间安装8环负环管片（全部为闭口环），每环临时管片分块数与标准管片相同，依次安放在托架上。负环管片拼装时用整圆器和控制盾尾间隙控制管片拼装真圆度。在内、外侧采取钢丝拉接和钢管支撑等加固措施，保证在传递推力过程中管片不旋转浮动。
3.7、始发前洞门凿除
为避免洞门凿除对始发井端头土体造成扰动，围护结构钢筋混凝土墙采取人工凿除的方式。
（1）水位降至隧道底板以下1m后，以手持风镐方式从上至下分层凿除洞门范围内的连续墙外部混凝土和外侧钢筋，保留最内层钢筋。
（2）盾构前推前，割除围护结构内层钢筋，刀盘抵拢掌子面。
盾构始发洞门凿除示意图见图7。
图7 始发洞门凿除示意图
Fig.7 The original door chisel is schematic.
4、始发掘进
4.1 始发掘进参数的确定
盾构推进过程中，根据地质、覆土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果调整泥水仓压力，推进速度保持5-10mm/min，控制纠偏量，减少对土体的扰动，为管片拼装创造良好条件。同步注浆量根据推进速度、出碴量和地表监测数据及时调整。将施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。
4.2泥水仓压力值选定
当盾构刀盘完全抵拢掌子面后进行循环建压，此时因盾体没有进入洞门尾刷，洞门尾刷不能起到密封效果，气仓压力设定为0.3bar，气垫仓液位保持在面板中部，保证泥浆能正常循环即可，当两道洞门尾刷完全贴紧盾体时，关闭泥水仓与气垫仓联通阀，逐步提高气垫仓压力，同时在洞门钢环预留注浆孔处注入盾尾油脂，防止泥浆外溢，直至气垫仓压力达到1.2bar，停止加压，进行正常循环掘进。
始发开始掘进两环后逐步加压，土仓压力初步设定为1.2bar。
4.3 掘进速度控制
（1）为控制推进轴线、保护刀盘，推进速度不宜过快，盾构缓慢稳步前进，推进速度控制在10mm/min以下。
（2）盾构启动时，盾构操控手须检查千斤顶是否紧贴管片，开始推进和结束推进之前速度不宜过快。每环掘进开始时逐步提高掘进速度，防止启动速度过大。
（3）掘进过程中，掘进速度应尽量保持恒定，减少波动，以保证切口水压稳定和送、排泥管的畅通。
4.4盾构掘进预偏量设置
盾构掘进过程时，管片在承受侧向压力后，将向弧线外侧偏移。为了确保隧道轴线最终偏差控制在规范允许的范围内，盾构掘进时给隧道预留一定的偏移量。设置预偏量为20～40mm。如图8所示，施工中通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。
图8 小半径曲线段盾构推进轴线预偏示意图
Fig.8 Schematic diagram of the prepartial axis of small radius curved segment shield
4.5管片选型
选择适当楔形量的管片。盾构在小半径曲线段掘进时，做好楔形管片安装点位的选择，逐步消除推进油缸的行程差，以使盾构每环开始掘进时每组推进油缸行程差尽可能趋于最小，保证盾构掘进方向的准确。
施工中采用1.5m宽，楔形量为40mm的通用型管片，在350m转弯半径掘进中，每环行程差为26.6mm。盾构在圆曲线推进过程中，每环盾构推进左右油缸偏差小于26.6mm时盾构才能拟合设计线路要求。
4.6同步注浆
（1）同步注浆采取注浆压力和注浆量双控原则，注浆速度与盾构掘进速度保持同步。同步注浆量一般控制 在建筑空隙理论填充值的160％～220％，注浆压力控制在0.2～0.3Mpa。考虑到曲线段的注浆量比直线段要大，曲线段掘进时，同步注浆量控制在建筑间隙理论填充值的300％，注浆压力控制在0.25～0.35 Mpa，注浆量控制在7～9m³/环。
（2）补充注浆。为了保证管片与土体间间隙得到有效填充，避免管片产生错台，在管片脱离盾尾７-８环位置通过管片注浆孔向管片外四周进行二次补浆。补注浆液采用水泥浆液或双液浆。
5 结论与建议
在宗关站-王家湾站盾构区间左右线隧道小半径曲线段始发掘进施工中，解决了砂层中小半径曲线隧道盾构施工轴线难以控制、管片容易错台、破损、地表易沉降过大等问题，隧道轴线控制在-50～50ｍｍ，管片错台控制在10ｍｍ以内，地表沉降控制 在-20～10ｍｍ，各项施工指标达到工程标准。
建议：
（1）对于小半径曲线始发，采用割线始发的方式，有利于隧道线性控制及施工。
（2）须重视始发台和反力架的安装加固精度及始发掘进时的监测。
（3）在小半径曲线施工时，提前计算好转弯预偏量，做好管片选型，控制好推力和掘进速度。
（4）加强同步注浆，及时进行二次补浆，加强管片 螺栓的复紧工作。
（5）对于小半径曲线地段，采用1.2ｍ宽的管片比1.5ｍ的更有利于线路的拟合，也 有利于减少管片的碎裂和隧道的整体防水，
参考文献（References）：
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[3]陈勇，杨俊龙.朱继文．急曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究［Ｊ］．现代隧道技术，2004（Z2）
论文作者:谢建生
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/26
标签：盾构论文; 管片论文; 曲线论文; 半径论文; 隧道论文; 轴线论文; 割线论文; 《基层建设》2019年第5期论文;