大坡小半径曲线隧道盾构施工技术城通公司李谷阳

1、大坡度、小半径曲线隧道盾构施工技术李谷阳 胡如成中铁五局城通公司，湖南，长沙 410007摘 要 近年来，我国几乎所有的省会城市都开始了地铁建设工程，在这些地下工程中，由于受施工场地及外界条件的限制，为了避免这种冲突，在某些地段必然要求采用大坡度、小半径的隧道，这种隧道的盾构较为复杂，不仅对技术人员要求有较高的相关操作经验，同时对机器也要求有相当高的配置，所以大坡度、小半径设计在盾构隧道并不多见，但是近来随道施工技术的进步为这种隧道施工提供了可行性。本文以大连地铁为工程背景，对此类盾构隧道施工技术进行了探讨。关键词 小半径；大坡度；曲线盾构；施工技术1 工程概述大连地铁一号线103标七西盾构区

2、间隧道起于七十九中学站后端，经长兴街沿西南方向至西安路站前端，区间设计起点里程为DK10+726.655，设计终点里程右线为DK11+617.080，左线为DK11+617.076，区间长度为右线885.17m，左线881.718m，区间设一处联络通道。区间盾构采用两次盾构始发，先从七十九中学右线始发，到达西安路站后，进行盾构机的拆卸然后吊出，转运到七十九中学站再进行左线始发，最后到达西安路站完成整个区间盾构施工任务。区间隧道最大纵坡为28，最小曲线半径为300m，为大坡度、小半径曲线盾构隧道。隧道顶部覆土厚度右线为15.9m26.1m，左线为10.118.2 m。大连地铁1号线路103标七西

3、盾构区间工程平面见图1所示。图1 大连地铁1号线103标七西盾构工程平面示意图2 大坡度盾构隧道施工 采取大坡度隧道主要的目的是：一是使隧道可以在较短的水平距离内线路的高程升降较快，有利于节省工程降价，也有时为了保证隧道与上面建筑物保持一定的安全距离。隧道坡度的选用首先取决于以下几个方面： （1）使用目的，例如下水道盾构隧道，基于下泄流量、流速方面的考虑，（2）施工的方便程度，例如对断面较大的隧道，为了使施工的涌水能够自流排放，设置一定的纵坡。（3）实际的地形地质条件，例如接近出口段的盾构隧道，由于线形的原因必须采用大坡度隧道。但是由于大坡度的存大，也会给施工造成许多难题，例如坡度太大会影响出

4、渣和运料作业的效率，并且当由于条件限制的原因坡度大于50时，不仅要考虑选用特殊的井内运输方式，同时还必须采取各种施工安全防护措施。同时坡度的存大，对开挖面的稳定也存在一定的影响。21 大坡度下盾构推力分析 盾构机在地下掘进施工中到的荷载分为外部荷载与运作荷载。外部荷载包括土压和水压，盾构本身在垂直于坡度方向上的重力分力及推进油缸在管片上的支撑反压力。运作荷载是由于机器工艺及现场设备运作在盾构结构内部产生的全部荷载。外部荷载发生在盾构的垂直及水平方向，运作荷载是立体作用的。 在大坡度情况下，盾构在上下坡掘进，主机还有一个沿坡度方向的重力分力（为坡度角），此分力与掘进方向有关，下坡掘进时相同，上坡

5、掘进时相反。按力与掘进方向的相同或相反取正负号。大连地铁1号线七西盾构区间线路纵坡为28（即线路坡度角），盾构机掘进的方向与下坡相同，其受力分析如图2所示。盾构机 N 图2 盾构机下坡掘进重力分力图所以，由上图我们可以知道，在下坡线路掘进时，盾构机所需的最小推力比盾构在平坡上和上坡区间的最小推力要小一些，所以这对盾构机在制造时可以适当的减小其额定推力，其推进时所需的最小总推力为：式中这一项取负值。如果是相同的这一项取正值。3 坡度对施工的影响31 坡度存在对盾构机上浮的影响当盾构隧道坡度较大时，无论是盾构机偏离轴线以下还是线路曲线的变化，都要通过调整各组油缸推力来达到纠偏的目的，特别是在下坡时

6、，盾构机底部油缸的推力的增大将在设计轴线法线上产生一个向上的分力，这个分力对管片的上浮产生了很大的影响，特别是在同步注浆液没有完全提供约束力的情况下。 以大连地铁1号线103标七西盾构区间纵坡为28，当推力为1400T时，法线方向的分力为FV=281400=39.2T，该分力方向是垂直于隧道轴线，施工时该力反复作用在管片上，使管片有上浮的趋势。32对运输的影响区间隧道纵向坡度普遍较大的情况下，且为重载上坡，就需要提高输送管片、材料及施工设备等运送装置的容重，确保电瓶车及盾构机的效率。同时考虑盾构构造时，需把盾构机内的所有设备的稳度和安全措施放在产位，像电瓶车在停车以后，要采取各防滑、防溜措施，

7、保证在施工全过程中不出现任何运输上的安全事故。4 盾构隧道在小半径段施工盾构都是依靠千斤顶的推力向前推进的，正确地使用千斤顶是盾构机能沿着设计的路线方向准确地向前推进的最有效的方法。曲线隧道用盾构法施工时须采用中折机构才能顺利地完成在转弯段的施工。盾构主机一般长715m，因此盾构机转弯时需要特别注意盾构机前进方向的控制。盾构机前进方向的控制有控制千斤顶群工作模式（简称模式法）和控制千斤顶推进压力（简称压力法）两种。模式法是靠选择推进千斤顶群的工作模式来实现方向控制的方法，即选择一部分千斤顶工作让剩下部分千斤顶停止工作，该种方法由于工作效率低，控制精度较低，现已不再采用。压力法通过把千斤顶的压力

8、分成多组进行控制，克服了模式法的缺点。如图3所示，系统把盾构机的推进千斤顶分布于盾构机护盾周边，共分为上、下、左、右四组。每组推进油缸的压力可通过操作控制台上的电位计调整，就可以容易实现盾构机的转弯。 图3 千斤顶组分布情况 CREC014盾构机推进系统技术规格参数如表1所示。 表1 CREC014推进系统技术规格参数序号项目CREC014参数列表单位备注1油缸规格（缸径/杆径）/170mm2推进行程2150mm3最大推进速度80mm/min4油缸数量32个5带行程传感器油缸数量4个6分组型式（上+下+左+右）6+10+8+87最在工作压力34Mpa8最大推力3400T9双缸的伸出速度1840

9、mm/min10双缸的回收速度4160mm/min盾体铰接装置油缸管片 为了便于操纵，推进油缸直接顶推在机器前部靠近设备重心的位置，后部顶在管片环上（见图4所示）。盾构机的4组推力油缸都配有行程测量和速度传感器垫块 图4 推进系统图通过这些传感器我们就可以知道推进的实时速度和当前的行程。当遇到不同的岩层时，推进速度是不一样的，这是我们可以控制台来连续调速，直至适合当前岩层最佳的推进速度。盾构机的操纵是通过监控推力油缸里的油压进行的。每个推力油缸末端都装有球铰连接垫块，确保与管片环均匀平滑接触，避免由于局部受力过大，面导致管片环破坏。 盾构机安装有14个中铰油缸，可利用它进行盾构机调向进的转向

10、，铰接油缸是被动型的。铰接系统各规格技术参数如表2所示。用油缸拉动后护盾体，铰接性能根据最小半转弯半径260m设置。 表2 铰接系统规格技术参数序号项目CREC014参数列表单位备注1油缸规格（缸径/杆径）-行程160/80-150mm2油缸数量14个3带行程传感器油缸数量4个4总拉力7340KN5 曲线段掘进受力分析推力分布可以由千斤顶操作点的方向角和单推强度求得。如图5所示，把方向的延长线与圆（千斤顶作用点连线构成的圆）的交点的推力，我们通常把它设为最大值。从图中可以看出推力正比于的圆筒分布，则各个千斤顶的推力可由其相应的位置来求得。 图5 千斤顶推力分布情况计算示意图千斤顶操作点如图所示

11、，由盾构机水平角度和竖起角度相对目标角的偏差、，求出水平分量竖直分量。操作点水平分量和竖直分量可由系统控制计算公式出。 （5-1） （5-2）式中：、姿态偏角（0）； 、比例带（%）； 、积分时间（s）。 由式（5-1）和式（5-2）可以看出，千斤顶操作点随着盾构姿态偏角的增大而增大，同时从图5可以知道，千斤顶操作点偏离越大，盾构机推力相差值就越大，所以在曲线上如果要获得较大的转向，就必须使千斤顶操作点偏离值增大，从而获得较好的转弯效果，当然这种偏离值也不是越大越好，要根据地层情况和盾构机当前的受力行为来判别。6 施工控制措施通过对大坡度、小半径的盾构隧道的力学行分析及在这种隧道中施工对盾构机

12、、操作技术人员要求。总结在这种路线条件下进行施工会产生的问题及影响，为了消除上述对施工过程的不利影响因素，我们必须因地制宜，采用有效的施工控制技术来确保盾构隧道的施工质量。61 适当的超挖量 盾构刀盘上需安装有一定超挖范围的超挖刀，在小半径曲线施工时，进行盾构外周（大于盾构机外径）的超挖，超挖范围可在切削刀盘旋转角度范围03590之间设定，超挖理能根椐下限设定值及上限设定值的选择来设定。超挖刀的动作范围与行程可在运行操作台上显示并可任意设定。为了工程的安全起见，须装备二把超挖刀，另一把备用。根据推进轴线情况，当允许部分超挖时，超挖量越大，曲线施工越容易，这是因为盾构机不容易出现卡壳现象，且容易

13、实现转向。另一方面，超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面，加上曲线推进时反力下降的因素，会产生隧道变形增大的问题。因此，超挖量控制在超挖范围的最小限度内。62 适当的铰接角度 盾构机增加铰接部分，使盾构切口至支撑环，支撑环至盾尾都形成了活动体，增加了盾构机的灵敏度，推进时可以在减少超挖量的同时产生推进分力，确保曲线施工的推进轴线控制，管片外弧碎裂和管片渗水情况得以大大改善。铰接角度,其中、分别为铰接盾构的前体的后体，为曲线半径， 为盾构机在小半径曲线上的铰接角度，此角度应小于盾构机自身的最大铰接角度。通过固定铰接千斤顶行程差来固定盾构机的铰接角度，从而使盾构机适应相应的曲线半径。铰接千斤

14、顶行程差（mm）=千斤顶最大行程差（左右铰接角度deg）/最大左右铰接角度deg。63 隧道管片壁后注浆加固在曲线段上的隧道每掘进完成2环，及时通过隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固。减小由于为了实现曲线隧道的盾构施工，而采取的适宜的超挖量所引起的土体变形。64 隧道管内设临时纵向加强肋 针对小半径、大坡度曲线隧道纵向位移较大，在隧道开挖后5060m范围，对管片设置加强肋以增强隧道纵向刚度，控制其纵向的位移。根据以往施工经验，加强肋一般采用双拼18a槽钢加钢板焊接成型，然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接，从而将隧道纵向连接起来，以加强隧道纵向刚度。加强肋长一般为两个环管片的宽度，位于隧

15、道管环的两腰部位，各4根共8根，加强肋与管片连接采用M56螺栓，加强肋之间纵向连接采用M30螺栓。加强肋构造一般见图6所示。随着盾构机向前推进，随时增加前面并拆除后面的加强肋，保持加强肋长度在恒定的范围内。 图6 纵向加强肋构造图（单位：mm）大连地铁1号线103标洞口处环隧纵向刚度加强肋如图7所示。纵向加强肋图7大连地铁纵向加强肋65 加强螺栓复紧每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下一环推进时进行复紧，克服作用于管片上的推力所产生的垂直分力，减少造成管环隧道的上浮。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次。66 盾构推进轴线的预偏盾构掘进过程中，管片在承受侧向压力将向

16、弧线外侧偏移。为了使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。根据理论计算和相关施工实践经验综合分析，同时考虑掘进区域所处的地层情况，在小半径曲线隧道掘进过程中设置预偏量2040mm。曲线半径越小，设置的预偏量越大。施工过程中，通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。预偏量示意图见图8所示 图8 小半径曲线段盾构推进轴线预偏示意图67 盾构测量与姿态控制 在小半径、大坡度曲线推进时，应适当增加隧道测量的频率，通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性。同时，可以通过测量数据来反馈盾构机的推进和纠偏。在施工时，如有必要可以实施跟踪测量，促使盾构机保持良好的姿态

17、。由于隧道转弯半径小，坡度大，隧道内的通视条件相对较差，因此，必须多次设置新的测量点和后视点。在设置新的测量点后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，防止造成误测。同时，由于盾构机转弯和侧向分力较大，可能造成成环隧道的水平位移，所以必须定期复测后视点，保证其准确性。隧道内间距2030环布置测量吊篮，每推进5环复测一次导线点，盾构机推进采用自动测量系统，推进时每23min自动测量一次盾构姿态。68 盾构施工参数选择（1）严格控制盾构的推进速度推进时速度应控制在12cm/min，既可以避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又不能减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。（2） 严格控制盾构正面平衡压力盾

18、构在穿越过程中须严格控制土仓内的平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量（0.51mm）来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量，推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止过量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动，其波动值一般控制在0.02MPa以内。（3）严格控制同步注浆量和浆液质量 由于在曲线段推进时会增加地层的损失量，曲线段纠偏次数的增加也增加导致了对土体扰动的增加，因此，在曲线段盾构推进时应严格控制同步注浆量和浆液的质量，在施工过程中采用推进和注浆联动的方式，确保每环注浆总量与计算的方量相符合，确保盾构在推进每一斗土的

19、过程中，浆液均匀合理地压注，确保浆液的配比符合质量标准。注浆末达到要求时盾构暂停推进，以防止土体的变形。69 土体损失及二次注浆 由于设计轴线为小半径的圆滑曲线，而盾构主机是一条直线，故在实际推进过程中，掘进轴线必然为一段段折线相连起来组成的曲线，且曲线外侧出土量又大，这样必然造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此，在曲线段推进过程中进行同步注浆时必须加强对曲线外侧的压浆量，以填补施工空隙。每拼装2环即对后面2环管片进行复合早凝浆液二次压注，以加固隧道外侧土体，保证盾构顺利沿设计轴线推进。配合比应根据实验和隧道实际施工情况等综合因素来确定。610 严格控制盾构纠偏量盾构的曲线推进实际上是

20、处于曲线的切线上（见图9），推进的关键是确保对盾构前点的控制，由于曲线推进盾构环环都要纠偏，须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲线半径的径向竖直面内。除了采用楔型管片，为控制管片的位移量，管片纠偏采用楔形低压棉胶或软木楔子，从而达到有效地控制轴线的地层变形的目的，盾构推进的纠偏量控制在23mm/m。针对每环的纠偏量，通过计算得出盾构机左右千斤顶的行程差，利用盾构机千斤顶的行程差来控制其纠偏量。同时，分析管片的选型，针对不同的管片需有不同的千斤顶行程差。 图9 曲线段盾构机推进方向示意图611 盾尾与管片间隙控制小半径、大坡度曲线段内的管片拼装至关重要，而影响管片拼

21、装质量一个关键性的因素是管片与盾尾间的间隙。合理的周边间隙既便于管片的拼装，也便于盾构进行纠偏。（1）施工中随时关注盾尾与管片间的间隙，一旦发现单边间隙偏小时，及时通过盾构推进方向进行调整，使得四周间隙基本上相同。（2）在管片拼装时，应根据盾尾与管片间的间隙进行合理调整，以便于下一环管片的拼装，也便于在下一环管片推进过程中盾构能够有足够的间隙进行纠偏。（3）根据盾尾与管片间的间隙，合理选择楔型管片。小半径曲线段，盾构机的盾尾与管片间间隙的变化主要体现在水平轴线两侧，管片应正常跟随盾构机转弯，当盾构机转弯过快时，隧道外侧的盾尾间隙就相对较小；当管片因楔形量等原因超前于盾构机转弯时，隧道内侧的盾尾

22、间隙就相对较小。因此，当无法通过盾构推进和管片拼装来调整盾尾间隙时，可以考虑采用楔型管片的直线管片互换的方式来调整盾尾间隙。7 工程实施及难题的解决在施工前我们要充分研究和考虑影响施工的各种因素的前提下来制定相应对策，按照施工组织方案组织在小半径、大坡度段的盾构施工。根据以前在此类线路的经验，总结出了在该段盾构施工容易出现的问题有以下几个方面。71 盾构卡壳盾构进入缓和曲线后，盾构已调整方向，而盾尾管片根据设计排版尚未开始拼装转弯环，隧道中心线和盾构中心线存在较大夹角与位置偏差，导致盾构卡壳。经调整缓和曲线段管片排版（提前拼装转弯环）和粘贴石棉橡胶板，调整盾尾衬砌管片切口垂直方向与盾构中心线方向一致，对管片姿态调整到与盾构姿矿山基本协调之后再转向。72 管片角部碎裂 管片在拼装时无任何碎裂和裂缝，在盾构推进时，盾尾衬砌片角部容易碎裂。产生这种现象主要原因是：在小半径、大坡度曲线段，采用了大量在楔形量管片以满足拟合曲线需要，楔形管片间斜交，拼装时若管片错台或错缝，在盾构推力作用下，在管片角部形成应力集中点，因而造成管片角部碎裂。为了解决上述所发生的现象，我们要组织管片拼装机操作手加强技能学习，加强管片拼装过程质量控制，提高管片拼装精度，严格控制管片错台、错缝，避免管片之间出现“点与点