08-小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究

小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究 第二工程公司 付晓峰 摘 要：分析小半径曲 线地铁隧道盾构法施工易发生的问题，结合金科路站广兰路站区间小半径 曲线隧道工程实例，介绍曲线 隧道的盾构法掘进技术。 关键词：小半径线 轴线 铰接 仿形刀 侧向分力 注浆 1 引言 城市的发展，带动了轨道交通建设的发展，在轨道交通线路的选择上，由于受规划及建、构筑 物的制约，这使轨道交通线性越来越复杂。小半径曲线隧道的盾构法施工技术与常规盾构法相比存 在一定的特殊性，研究小半径曲线隧道的盾构法施工技术，相信对以后类似的小半径曲线隧道盾构 法施工具有一定的借鉴作用。 2 小半径曲线隧道盾构法施工的难点分析及对策 一般来说，设计线形中取用规范标准的最小限值或与限值接近的大曲率小半径曲线，即认为是 小半径曲线。如果这种不仅半径小，而且有很长的延米，甚至还组合采用缓曲线而构成的复杂线形， 我们称之为特急曲线。为了方便讨论以下均称之为“急曲线” 。 2.1 难点之一：急曲线隧道轴线比较难于控制 在急曲线段，由于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、盾构机身 越长，则拟合难度越大。在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线，为了使得折线与 急曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏。曲线半径越小，盾构机越长，则纠偏量越大，纠偏灵敏 度越低，轴线就比较难于控制。其施工参数需要经过计算并结合地质条件等因素综合考虑，并进行 试掘进后方可确定。特别在缓和曲线段，每米的施工参数都有所不同，操作难度更大。 为了控制好急曲线隧道的施工轴线，需要提高盾构机的纠偏灵敏度。而咬提高盾构机的灵敏度， 最有效的措施试缩短盾构机头的长度。在盾构机的中部增加铰接装置，即可减少盾构固定段长度。 使用铰接装置后，盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形，需要配套使用仿形刀装 置进行超挖。 因此，控制好急曲线隧道施工轴线的关键技术之一就是如何使用好盾构机的铰接装置和仿形刀 装置。 2.1.1 盾构机铰接装置的使用 使用盾构机的铰接装置，可以使得盾构机的前筒、后筒与曲线趋于吻合，预先推出弧线态势， 为观片提供良好的拼装空间。 如图 1 所示为盾构机掘进形态的三种模式。进行曲线施工，弯道内侧如要充分超挖时，在几何 学上，以对象曲线的中心为 0 的情况下，OAMaxOG,OH,OD)的关系如能得到满足，盾构机便可以 掘进。这相当于模式（a） 。这种情况，属于铰接角度 不足，土体超挖量 过多，盾构机后端的 外侧点 D 和土体之间有缝隙，超挖量一旦增大，就会有盾构机位置不稳定的倾向。 模式（b）,OA=MAX(OG,OH,OD) 的情况下，最适合铰接状态中的刀盘前部外端（ A 点）和前 筒后端（G 点） 、后筒后端（ D 点） ，其中任意一点在同一圆弧上，其余二点在此圆弧之内。此时的 铰接角度称之为界限铰接角度 cr，此界限铰接角度 cr 如果能给出曲线半径和盾构机的尺寸， 便可计算出。作为盾构机的构造，全部用此 cr 值进行铰接的话，是最为理想的。此时，盾构机 的外侧全体都接触到土体，施工上最为稳定，并且超挖量 为最小值。 模式（c） ，为过度铰接状态，OA 2.1.2 仿形刀的使用 铰接装置作为一种辅助手段，需要仿形刀的超挖、锥形管片、曲线内外侧千斤顶的不同推力等 施工措施配合在一起使用。仿形刀的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用，超挖量过大将严 重地扰动土体，过小将不能充分发挥铰接装置的作用，以致达不到所要求实际轴线的半径。 因此，急曲线隧道施工时，应该选择模式如图 1。 2.2 难点之二：隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移 急曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度 （见 附图 2）,在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，受到侧向分力的影响，隧道向圆弧 外侧偏移。一般在圆曲线半径取定时，已验算侧向作用力对原状土体的影响，管片在侧向作用力下， 不足于使原状土体发生塑性破坏，即土体处于弹性变形范围。因此研究侧向分力形成原因和规律就 可以有效控制土体的弹性变形范围。 侧向分力计算：（见附图 2：侧向分力示意图） 2008 年度优秀科技论文（技术总结） 小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究 第 3 页，共 7 页 =tan -1RD-1= tan-1(RC+D/2)-1 F 侧 =F 总 Sin 式中：F 总 盾构千斤顶作用力 F 纵 垂直于管片环面的反作用力 F 侧 平行于管片环面的反作用力 RC圆曲线半径； D管片外径； L管片宽度； 由此可以看出，侧向压力 F 侧的大小，取决于 F 总及 ，而 取决于 L 及 RC、D，当 D 一定 时，L 越小、RC 越大，则 越小。因此设计管片尺寸时，应选择使用宽度较小的管片。在工程施 工阶段，进入圆曲线后，L、RC 为定值，侧向压力 F 侧的大小取决于盾构千斤顶作用力 F 总。为 减小土体的弹性变形量，应考虑尽量减小盾构千斤顶作用力 F 总。 另外，由于盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙，在施工过程中，掘进产生的空隙与同步注浆 的浆液填充量两者不可能做到完全同步、完全符合一致。如果存在空隙或同步注浆浆液早期强度不 够的现象，则管片在侧向压力作用下将向弧线外侧发生偏移。如果不考虑土体的弹性变形，则隧道 最大偏移量为盾构外径与管片外径差值的一半。 从这个角度分析，笔者认为，同步注浆的浆液宜采用双液浆，因此双液浆为瞬凝性浆液，具有 较高的早期强度、良好的流动性和填充的均匀性，可以在较短的时间内将建筑空隙填充并达到一定 的强度，与原状土共同作用，有效减小管片受侧向压力影响在建筑空隙范围内向弧线外侧的偏移量。 2.3 难点之三：盾构掘进时，纠偏量较大，对土体扰动的增加易发生较大沉降量 急曲线隧道的施工与直线段施工相比，除直线段隧道施工原有的地层变形因素外，还将增加以 下三个因素的影响： 2.3.1 由于沿急曲线掘进，盾构机处于纠偏状态，仿形刀也处于开启状态进行超挖，实际掘进 面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量。 2.3.2 在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，急曲线掘进将增加地层损失，地层损失 达 0.51%8L2 R/(R+RC)。 （L 为盾构长度；R 盾构外半径；RC 盾构掘进曲线半径） 2.3.3 纠偏量较大，对土体的扰动亦大，容易造成较长时间的后期沉降。 相应的解决对策为进行动态管理和信息化施工，控制好同步注浆的注浆时间及注浆量。视具体 情况，必要时进行二次补浆。 3 工程实例 3.1 工程概况 上海市轨道交通 2 号线东延伸金科路广兰路区间隧道，隧道总长 1634.42m，是通往蒲汇塘停 车场的一条出入段线。由于宏利半导体公司、高斯路水管、张江创意大厦桩基、张江路电力顶管、 马家浜河岸驳桩等诸多客观因素的限制，隧道线路设计选择在祖冲之路下穿越。 该区间隧道水平呈“V”字型，最小曲线半径只有 500m，圆缓点在盾构工作井内，该区间隧道 垂直方向呈倒“V”字型，先下坡再上坡，最小竖曲线半径 5000m。平曲线 500m 与竖曲线 5000m 交 汇，形成一条立体空间的长距离急曲线地铁隧道。 该区间隧道采用预制装配式钢筋混凝土衬砌结构，衬砌用管片环宽 1200mm，外径 6200mm，内 径 5500mm，壁厚 350mm，混凝土设计强度 C55，抗渗强度 1.0Mpa。隧道衬砌采用通缝方式拼装。 3.2 工程地质情况 根据工程地质勘察报告，盾构主要在1 层淤泥质粘土中掘进，该土层属高灵敏度、高塑性、 高压缩性、低强度、低渗透性饱和软土，该土层含云母、有机质、夹薄层粉砂，土质较均匀。在该 土层中，一般盾构掘进施工较容易，但应注意该土层蠕变量大，易粘着盾构设备。1 层淤泥质粘 土物理力学性质指标见下表。 表 1 层淤泥质粘土物理力学性质指标 直剪固快（峰 值） 无侧限抗压强度重度 含水量 孔隙 比 液限 塑限 粘聚 力 内摩 擦角 原状 土 重塑 土 灵敏 度 静止侧 压力系 数 r Wo eo WL WP C qn qn St Ko 土层 序号 土层名 称 KN/m3 % % % Kpa Kpa Kpa 1 淤泥质 粘土 16.7 50.4 1.43 43.4 23.0 14 12 39 6 7.7 0.58 2008 年度优秀科技论文（技术总结） 小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究 第 5 页，共 7 页 3.3 主要施工技术措施 3.3.1 解决轴线难控制的技术措施 3.3.1.1 选用带选仿形刀的盾构机 该工程选用上海隧道股份公司的 6340 土压式平衡式盾构机，该机设计定位的隧道最小半径 为 300m。经过 2 线东延伸金科路广兰路区间隧道实践证明，该盾构机是一台技术先进，性能良好 的盾构法隧道施工机械。 该盾构机的缺点为同步注浆系统不能使用双液浆浆液施工。 3.3.1.2 采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏 仿形刀的使用主要须考虑两个方面的因素，一是仿形刀的超挖范围。仿形刀通过设置，可以在 圆周任意区域位置进行超挖，该工程将采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，以有利于纠偏。二是 超挖量。根据公式（1）计算：R=500m，理论超挖量 为 21mm；在缓和曲线段，它是不断变化的 一个函数值。 在金科路广兰路区间隧道掘进过程中，R=500m 时，实际超挖量 为 8mm 左右，小于理论超 挖量。 笔者分析，由于上海的地基较软，即使不使用仿形刀，在急曲线段，盾构在掘进过程中对内侧 土体的挤压，亦能使盾构沿轴线掘进，故实际施工中，实际超挖量要小于理论超挖量。因此实际超 挖时，超挖量必须根据隧道的设计轴线、盾构机的姿态、管片的拼装状态等因素综合考虑后确定。 3.3.2 解决隧道受侧向分力的影响向圆弧外侧偏移的技术措施 金科路广兰路区间隧道最小曲线半径为 500m，在千斤顶的推力下产生侧向分力为（参见公式 2） 。由于该工程采用的同步注浆浆液为惰性浆液（该工程盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工） ，早期强度较低，在承受侧向压力后会产生流动，不能满足抵抗要求，管片将向弧线外侧偏移。 根据金科路广兰路区间隧道初期掘进的实际测量，在圆曲线段，管片出盾尾后的偏移量在 4080mm 之间，符合土体的弹性变形假设及管片建筑空隙内偏移量分析（理论偏移量为（6340 6200）/2=70mm） 。 在该工程施工过程中，主要采取了以下措施进行控制： 3.3.2.1 盾构掘进时走向的预偏 为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时，考虑给隧道预留一定的偏 移量。将盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片出盾尾受侧向分 力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定往往须依据理论计算和施工实践经验的综合分析 得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。在金科路广兰路区间隧道掘进过程中，预偏量 2030mm。 3.3.2.2 控制盾构千斤顶掘进速度与推力 在常规隧道施工时，为了保证进度，盾构机掘进速度往往达到 50mm/min 左右，与之匹配的推 力较大。而在急曲线隧道施工中，根据成熟的施工经验，必须适当降低掘进速度，即降低千斤顶推 力，同时也意味着降低侧向分力，有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量。 因此在急曲线隧道施工时，必须确定一个合理的推力和掘进速度。这个合理的掘进速度必须不 额外的增加推力，从而达到减小侧向分力的目的，同时尽可能少扰动土体。必须指出的是这个掘进 速度也不是一成不变的，随着施工条件、地质状况、线形等的变化，也须即时调整，从而达到最好 的施工效果。 值得注意的是，在盾构掘进启动时，掘进速度要以较小的加速度递增，这样可以避免千斤顶起 始推力过大的问题。 在金科路广兰路区间隧道施工过程中，掘进总推力控制在 10000KN 左右， 3.3.2.3 有针对性 地选用同步注浆及二次注浆相结合地施工措施 由于金科路广兰路区间隧道工程所采用的盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工，在该工 程选择所采用的同步注浆浆液时，考虑了两个因素：一是及时充分地填充管片外的环状空隙，避免 地表沉降；二是提高浆液早期强度，抵抗侧向分力的影响。在实际施工过程中，采用了同步注浆 （浆液为惰性浆）及二次注浆（浆液为双液浆）相结合的施工措施。 3.3.2.2.1 同步注浆： 在施工期间，随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙” ，即通过设在盾尾的 压浆管予以同步充填浆液。 同步注浆压注要根据施工情况，地质情况对压浆数量和压浆压力二者兼顾。一般情况下，每环 压入量控制在“建筑空隙”的 180%-250%（要注意急曲线隧道的注浆量要大于直线隧道注浆量） ， 注浆压力约 0.30，5Mpa。压浆速度和掘进保持同步，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后， 注浆也相应停止。施工时，加强对盾构尾部地面的沉降监测，通过信息化施工，及时调整同步注浆 量，确保地面不下沉，也不能出现过大的隆起。 惰性浆液我们选用以下配比： 黄沙（公斤） 粉煤灰（公斤） 陶土粉（公斤） 水（公斤） 1000 1670 250 适量 备注：该配方稠度 911cm 3.3.2.2.2 二次注浆： 为了减少惰性浆液早期强度低、隧道受侧向分力影响大的问题，在管片出盾尾 56 环后，通过 2008 年度优秀科技论文（技术总结） 小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究 第 7 页，共 7 页 管片注浆孔向管片外周进行二次注浆，来抵抗侧向分力。浆液为瞬凝性的具有较高的早期强度的双 液浆。 双液浆配比： 浆液 甲液 乙液 材料 水 水泥（普硅 42.5 级） 粉煤灰 膨润土 水玻璃（35） 配比（KG） 100 100 66 5 3050 另外再加入适量的促进剂，甲、乙两液配比由现场试验初凝时间为 1020 分钟确定。 施工技术要点： 先将特制球阀作为防