小半徑曲線地鐵隧道盾構施工工法(共12頁)

1、小半徑曲線地鐵隧道盾構施工工法中鐵二局股份有限公司城通公司1.前言上海市軌道交通9號線一期工程R413標段盾構隧道由正線（雙線）及出入段線（兩段）兩部分組成，全長6249.676m，采用盾構法施工。兩岔道井將區(qū)間正線分割成三部分共六段盾構隧道。在正線的東、西岔道井之間及線路北側為東、西車輛出入段線，呈“八”字形分布，東、西出入段線最小曲率半徑為230m。中鐵二局股份有限公司城通公司聯(lián)合設計單位和大專院校開展了科技創(chuàng)新，取得了“三線近距、斜交、小半徑、大坡度地鐵盾構法施工綜合技術”研究成果，于2007年通過四川省科技成果鑒定，獲得四川省科技進步三等獎。我們對此技術的應用進行了總結，形成了本工法。

2、2.工法特點2.1適用范圍廣，適用于軟土地層土壓平衡盾構機小半徑曲線掘進2.2軸線偏差小，控制在23cm內2.3管片外弧碎裂和管片滲水較少2.4采用帶有超挖刀的鉸接式盾構用于小半徑曲線掘進3.適用范圍軟土地層平面小半徑曲線（R350）盾構法施工的隧道工程。4.工藝原理4.1利用詳細的盾構機參數(shù)選型及具體的管片寬度選擇，預偏量設定，密集的監(jiān)控量測頻率和及時優(yōu)化的盾構施工參數(shù)控制的綜合運用，保障了盾構小半徑曲線掘進的順利施工。4.2 將數(shù)據處理和信息反饋技術應用于施工，利用監(jiān)控量測指導施工，動態(tài)修正施工方法和支護參數(shù)，以信息化施工技術為貫穿全過程的主線，全面控制和優(yōu)化盾構施工參數(shù)，確保施工安全、快

3、速。5.施工工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程圖5.1 小半徑曲線隧道盾構法施工工藝流程圖5.2操作要點5.2.1盾構機選擇1、適當?shù)某诹慷軜嫷侗P上需安裝有一定超挖范圍的超挖刀。在小半徑曲線施工時，進行盾構外周（大于盾構機外徑）的超挖，超挖范圍可在切削刀盤旋轉角度范圍0-359度之間設定。超挖量能根據下限設定值及上限設定值的選定來設定。仿形刀的動作范圍與行程可在運行操作臺上顯示并可任意設定。為了工程的安全起見，須裝備二把超挖刀，一把備用。根據推進軸線情況進行部分超挖時超挖量越大，曲線施工越容易。但另一方面，超挖會使同步注漿漿液因土體的松動繞入開挖面，加上曲線推進時反力下降的因素，會產生隧道

4、變形增大的問題。因此，超挖量控制在超挖范圍的最小限度內。2、鉸接角度滿足要求盾構機增加鉸接部分，使盾構切口至支撐環(huán)，支撐環(huán)至盾尾都形成活體，增加了盾構的靈敏度，可以在推進時減少超挖量的同時產生推進分力,確保曲線施工的推進軸線控制。管片外弧碎裂和管片滲水等情況得以大大改善。鉸接角度=（L1+ L2）×180/×R 其中L1、L2分別為鉸接盾構的前體和后體，R為曲線半徑，為盾構機在小半徑曲線上的鉸接角度，此角度應小于盾構機自身的最大鉸接角度。通過固定鉸接千斤頂行程差來固定盾構機的鉸接角度，從而使盾構機適應相應得曲線半徑。鉸接千斤頂行程差mm=千斤頂最大行程差×（左右鉸

5、接角度deg）/最大左右鉸接角度deg。5.2.2管片選擇1、使用大楔形量的管片1)大楔形量管片排版方式能很好的擬合小半徑曲線。2)楔形量的計算與確定3)楔形量應綜合根據管片種類、管片寬度、外徑、曲線半徑、曲線區(qū)間楔形環(huán)使用比例、管片制作方便性及尾隙大小而決定，由于受管片配筋的制約 ,大多混凝土類的管片的楔形量在75mm以內。一般楔形量與管片外徑的關系如下表。表5.2.1 楔形量與管片外徑的關系表管片外徑D/mD<44D66D88D10D10楔形量/mm157530803090409040704).楔形量 ()的計算方法 （5.2.2）楔形環(huán)的楔形量；D管片外徑,本例為6.2m；R圓曲線

6、半徑，本例為230m；A標準環(huán)與楔形環(huán)環(huán)數(shù)比,本例中為1/6；Lk1標準環(huán)的寬度,本例為1.2m；Lk2楔形環(huán)的公稱寬度，本例為1m.根據楔形量計算公式，可算得楔形量為32.34mm，可以很好的擬合R=230m小半徑圓曲線。2、減小管片寬度對于小半徑曲線地段，根據上海地鐵類似工程的施工經驗，采用寬1.0m管片。管片寬度采用1.0m比1.2m更有利于線路曲線的擬合，管片拼裝更容易，也有利于減少管片的碎裂和隧道的整體防水。5.2.3隧道管片壁后注漿加固隧道每掘進完成2環(huán)，及時通過隧道內的預埋注漿孔對土體進行注漿加固，加固范圍為管片壁后2m。5.2.4隧道內設臨時縱向加強肋針對小半徑曲線上隧道縱向位

7、移較大，在隧道開挖面后5060m范圍管片設置加強肋以增強隧道縱向剛度，控制其縱向位移。加強肋采用雙拼18a槽鋼用鋼板焊接成型，然后用螺栓將其與管片的預留注漿孔進行連接，從而將隧道縱向連接起來，以加強隧道縱向剛度。加強肋長2.4（2）m，為兩個管片寬度，位于隧道管片的兩腰部分各4根共8根，加強肋與管片連接采用M56螺栓與注漿孔連接為一體，加強肋之間縱向連接采用M30螺栓。加強肋部位及構造詳見加強肋構造圖5.2.4-1、圖5.2.4-2及圖5.2.4-3。隨著掘進向前推進，隨時增加前面及拆除后面的加強肋，保持加強肋長度在恒定范圍內。圖5.2.4-1 縱向加強肋示意圖（一）圖5.2.4-2縱向加強肋

8、示意圖（二）圖5.2.4-3 縱向加強肋示意圖（三）5.2.5加強螺栓復緊每環(huán)推進結束后，須擰緊當前環(huán)管片的連接螺栓，并在下環(huán)推進時進行復緊，克服作用于管片推力產生的垂直分力，減少成環(huán)隧道浮動。每掘進完成3環(huán)，對10環(huán)以內的管片連接螺栓復擰一次。5.2.6盾構推進軸線預偏盾構掘進過程中，管片在承受側向壓力后將向弧線外側偏移。為了控制隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范要求的范圍內，盾構掘進時考慮給隧道預留一定的偏移量。根據理論計算和相關施工實踐經驗的綜合分析，同時需考慮掘進區(qū)域所處的地層情況，在小半徑曲線隧道掘進過程中設置預偏量2040mm左右,見圖5.2.6所示。曲線半徑越小，設置的預偏量越大。施工工

9、程中，通過對小半徑段隧道偏移監(jiān)測，適當調整預偏量。理論設計曲線盾構機盾構實際推進線向曲線內側預偏2040mm 圖5.2.6小半徑曲線段盾構推進軸線預偏示意圖5.2.7盾構測量與姿態(tài)控制在小曲率段推進時，應適當增加隧道測量的頻率，通過多次測量來確保盾構測量數(shù)據的準確性。同時，可以通過測量數(shù)據來反饋盾構機的推進和糾偏。在施工時，如有必要可以實施跟蹤測量，促使盾構機形成良好的姿態(tài)。由于隧道轉彎曲率半徑小，隧道內的通視條件相對較差，因此必須多次設置新的測量點和后視點。在設置新的測量點后，應嚴格加以復測，確保測量點的準確性，防止造成誤測。同時，由于盾構機轉彎的側向分力較大，可能造成成環(huán)隧道的水平位移，所

10、以必須定期復測后視點，保證其準確性。隧道內間距2030環(huán)布置測量吊籃，每推進5環(huán)復測一次導線點。盾構機推進采用自動測量系統(tǒng)，推進時每2-3min自動測量一次盾構姿態(tài)。盾構機拼裝后，應進行盾構縱向軸線和徑向軸線測量，其主要測量內容包括刀口、機頭與機尾連接中心、盾尾之間的長度測量；盾構外殼長度測量；盾構刀口、盾尾和支承環(huán)的直徑測量。盾構機掘進時姿態(tài)測量應包括其與線路中線的平面偏離、高程偏離、縱向坡度、橫向旋轉和切口里程的測量，各項測量誤差滿足下表5.2.7要求：表5.2.7測量誤差表測量項目測量誤差測量項目測量誤差平面、高程偏離值（mm）±5縱向坡度（）±1里程偏離值（mm）&

11、#177;5切口里程（mm）±10橫向旋轉角（"）±3以盾構中心軸線作為X軸、垂直于軸線方向為Y軸、Z軸即為高程方向，刀盤中心作為坐標圓點。在刀盤后面固定螺桿盾構姿態(tài)的測量前點。利用激光站支架置鏡在盾構主機支架上設一個支導線點、然后置鏡支導線點后視激光站導線點測出A、B、C三點的大地坐標。因為A、B、C三點相對于O1O坐標軸有固定關系，根據A、B、C三點的實測坐標利用三維坐標轉換關系就能定出O1O的實際位置及刀盤中心O的坐標，利用O點的實測坐標就能計算出盾構的實際里程以及前后參考點的俯仰情況，根據A、C兩點的理論高差和實測高差就能計算出盾構的具體旋轉情況，根據姿態(tài)

12、的實測通過調整千斤頂和注漿壓力來對盾構進行糾偏以達到盾構能按預定位置掘進。表5.2.7盾構姿態(tài)測量示意圖5.2.8盾構施工參數(shù)選擇1、嚴格控制盾構的推進速度推進時速度應控制在12cm/min。即避免因推力過大而引起的側向壓力的增大，又減小盾構推進過程中對周圍土體的擾動。2、嚴格控制盾構正面平衡壓力盾構在穿越過程中須嚴格控制切口平衡土壓力，使得盾構切口處的地層有微小的隆起量（0.51mm）來平衡盾構背土時的地層沉降量。同時也必須嚴格控制與切口平衡壓力有關的施工參數(shù)，如出土量、推進速度、總推力、實際土壓力圍繞設定土壓力波動的差值等。防止過量超挖、欠挖，盡量減少平衡壓力的波動，其波動值控制在0.02

13、MPa以內。3、嚴格控制同步注漿量和漿液質量由于曲線段推進增加了曲線推進引起的地層損失量及糾偏次數(shù)的增加導致了對土體的擾動的增加，因此在曲線段推進時應嚴格控制同步注漿量和漿液質量，在施工過程中采用推進和注漿聯(lián)動的方式，確保每環(huán)注漿總量到位，確保盾構推進每一箱土的過程中，漿液均勻合理地壓注，確保漿液的配比符合質量標準。注漿未達到要求時盾構暫停推進，以防止土體變形。每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的200250，為2.73.2m3/環(huán)，采用可硬性漿液，漿液稠度911cm，泵送出口處的壓力不大于0.5MPa左右。具體壓漿量和壓漿點視壓漿時的壓力值和地層變形監(jiān)測數(shù)據選定。根據施工中的變形監(jiān)測情況，隨時調整注

14、漿參數(shù)，從而有效地控制軸線。5.2.9土體損失及二次注漿由于設計軸線為小半徑的圓滑曲線，而盾構是一條直線，故在實際推進過程中，實際掘進軸線必然為一段段折線，且曲線外側出土量又大。這樣必然造成曲線外側土體的損失，并存在施工空隙。因此在曲線段推進過程中在進行同步注漿的工程中必須加強對曲線段外側的壓漿量，以填補施工空隙。每拼裝兩環(huán)即對后面兩環(huán)管片進行復合早凝漿液二次壓注，以加固隧道外側土體，保證盾構順利沿設計軸線推進。漿液配比采用：水泥:氯化鈣:水玻璃30:1 :1，水灰比為0.6。二次注漿壓力控制在0.3Mpa以下；注漿流量控制在1015L/min，注漿量約0.5m3/環(huán)。5.2.10嚴格控制盾構

15、糾偏量盾構的曲線推進實際上是處于曲線的切線上，推進的關鍵是確保對盾構的頭部的控制，由于曲線推進盾構環(huán)環(huán)都在糾偏，須做到勤測勤糾，而每次的糾偏量應盡量小，確保楔形塊的環(huán)面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內。除了采用楔型管片，為控制管片的位移量，管片糾偏采用楔形低壓棉膠板或軟木楔子，從而達到有效地控制軸線和地層變形的目的。盾構推進的糾偏量控制在23mm/m。針對每環(huán)的糾偏量，通過計算得出盾構機左右千斤頂?shù)男谐滩睿ㄟ^利用盾構機千斤頂?shù)男谐滩顏砜刂破浼m偏量。同時，分析管片的選型，針對不同的管片需有不同的千斤頂行程差。5.2.11盾尾與管片間的間隙控制小曲率半徑段內的管片拼裝至關重要，而影響管片拼裝質量的

16、一個關鍵問題是管片與盾尾間的間隙。合理的周邊間隙可以便于管片拼裝，也便于盾構進行糾偏。1、施工中隨時關注盾尾與管片間的間隙，一旦發(fā)現(xiàn)單邊間隙偏小時，及時通過盾構推進方向進行調整，使得四周間隙基本相同。2、在管片拼裝時，應根據盾尾與管片間的間隙進行合理調整，使管片與盾尾間隙得以調整，便于下環(huán)管片的拼裝，也便于在下環(huán)管片推進過程中盾構能夠有足夠的間隙進行糾偏。3、根據盾尾與管片間的間隙，合理選擇楔型管片。小曲率半徑段時，盾構機的盾尾與管片間間隙的變化主要體現(xiàn)在水平軸線兩側，管片轉彎正常跟隨盾構機，當盾構機轉彎過快時，隧道外側的盾尾間隙就相對較?。划敼芷蛐ㄗ恿康仍虺坝诙軜嫏C轉彎時，隧道內側的盾

17、尾間隙就相對較小。因此，當無法通過盾構推進和管片拼裝來調整盾尾間隙時，可考慮采用楔型管片和直線型管片互換的方式來調整盾尾間隙（可結合管片選型軟件指導）。5.2.12監(jiān)控量測及信息反饋1、施工監(jiān)測內容針對區(qū)間隧道沿線的建（構）筑物及地下管線設施，結合盾構推進施工中引起地面沉降的機理采用如下監(jiān)測內容：1）地表環(huán)境沉降監(jiān)測地表沉降、地下管線沉降、建（構）筑物沉降2）在建隧道沉降監(jiān)測2、施工監(jiān)測范圍及點位布置1）地表沉降點布設建立地面沉降監(jiān)測網，即在現(xiàn)場布置平行于隧道軸線的沉降監(jiān)測點和垂直于隧道軸線的沉降監(jiān)測點。平行于隧道軸線的沉降監(jiān)測點一般情況每5環(huán)布設一點，垂直于隧道軸線的沉降監(jiān)測點每100環(huán)布設

18、一組長24米的斷面，每組均為9點，距離隧道軸線分別為2米、4米、6米、12米；在兩長斷面中間再布設一12米長的短斷面，測點該區(qū)間距隧道軸線分別為3米、6米對稱布設。盾構施工的監(jiān)測范圍一般為盾構前20環(huán)，后30環(huán)。對范圍以外30100環(huán)的測點每周復測一次，對100環(huán)外所有新完成區(qū)間監(jiān)測點每月觀測一次。在整個區(qū)間隧道施工完成后對該區(qū)間地表軸線點再測量一次看后期變化量。2）地下管線沉降施工前與各種管線單位聯(lián)系，摸清地下管線的準確位置，并將管線落到具體的布點圖上，按管線單位要求進行監(jiān)測點的埋設，并做好監(jiān)測點的保護工作。對常規(guī)管線的監(jiān)測利用地表沉降監(jiān)測網。但為了更直接地了解盾構施工對管線的影響程度，對軸

19、線兩側各5米范圍內各種管線的設備點（如閥門井、抽氣井、人孔、窨井等）進行直接監(jiān)測，在管線單位的監(jiān)控下確保管線的安全。及時了解管線的沉降速率及沉降量，并控制在容許的范圍內。3）建筑物沉降對盾構推進切口附近方圓30m內涉及的建筑物進行監(jiān)測。4）隧道沉降監(jiān)測沿著隧道推進方向在隧道的管壁上布設沉降監(jiān)測點，每4環(huán)上布置1個沉降監(jiān)測點、布設在隧道底部位置。3、監(jiān)測技術要求及監(jiān)測頻率1）監(jiān)測精度沉降位移監(jiān)測誤差0.5 mm；2）監(jiān)測頻率監(jiān)測工作自始至終要與施工進度相結合，監(jiān)測頻率與施工工況相一致，應根據施工的不同階段，對影響范圍內的監(jiān)測對象，合理安排施工監(jiān)測頻率：a地面沉降、管線沉降：在區(qū)間隧道盾構出洞前布

20、設監(jiān)測點，測2次，取得穩(wěn)定的測試數(shù)據，在盾構出洞后即開始監(jiān)測，在盾構推進期間正常情況下2次/天，施工區(qū)域30100米以遠的已完成區(qū)段1次/周，1個月后且沉降速率小于3mm/周監(jiān)測頻率可根據工程需要隨時調整，以滿足保護環(huán)境的要求。b建筑物沉降：監(jiān)測頻率2次/天，及時了解建筑物的變化情況，在盾構穿越危房時要增加監(jiān)測頻率，根據沉降量及沉降速率及時調整監(jiān)測頻率，保證監(jiān)測信息準確及時。c隧道（環(huán)片）沉降：測試頻率為：離推進面20m范圍之內時，1次/天；離推進面20m至50m范圍時，1次/2天；離推進距離大于50m范圍時，1次/周；隧道貫通后1次/月，沉降穩(wěn)定后改為1次/2個月，直至驗收；4、監(jiān)測資料的分

21、析、處理及資料報送1）監(jiān)測測量結果在測量工作結束后2小時內提供，出現(xiàn)險情時，及時提供監(jiān)測數(shù)據。2）監(jiān)測資料每日以報表形式提交，報表要對應工況，工況要以圖表反映，說明施工時間及相應施工參數(shù)。3）每周提交有數(shù)據、有分析、有結論（沉降變化曲線）的周報小結；4）全部工程結束后一個月，提交監(jiān)測總結報告。6勞動力組織表6 勞 動 力 組 織表序號崗位工種人數(shù)序號崗位工種人數(shù)一、盾構施工1盾構司機機修工28維修工電焊工22電瓶車司機機修工49電工13管片拼裝土建工610維修工機修工44井口底吊運普工411管片吊運起重工25拌漿普工212測量測量工26龍門吊司機起重工313施工及技術負責人27充電普工2合計3

22、6人二、監(jiān)控量測1量測負責人22測工4合計6人三、測量1量測負責人22測量3合計5人四、其他1專職安全員2合計2人7.材料與設備本工法無需特別說明的材料，采用的機具設備見表7。表7 主要施工機械設備表序號名稱規(guī)格(型號)單位數(shù)量一盾構施工1土壓平衡盾構機根據地質選取類型臺12盾構施工配套設備套13雙液注漿泵UB3臺14電動空壓機4L-20/8臺15攪拌機200L臺1二監(jiān)控量測1光學經緯儀DJ2-1臺12全站儀徠卡TC2002型臺13S1水準儀S1臺1三測量儀器1全站儀徠卡TCR 1102臺12電子水準儀DINI12臺13光學錘準儀NL臺18.質量控制8.1在曲線段推進過程中，為確保盾構沿設計軸

23、線推進，必要時使用仿形超挖刀，使內側的出土量要大于外側的出土量，此時同步注漿量要及時跟上。8.2在曲線推進過程中，為確保盾構沿設計軸線推進，嚴格控制盾構出土量。8.3在盾構推進過程中，加強對軸線的控制，推進時做到勤測勤糾，而每次的糾偏量應盡量小，確保管片環(huán)面始終處于曲線半徑的徑向豎直面內。8.4在曲線段推進時應嚴格控制同步注漿量。每環(huán)推進時根據施工中的變形監(jiān)測情況，隨時調整注漿量。注漿過程中嚴格控制漿液質量及注漿量和注漿壓力，注漿未達到要求時盾構暫停推進。8.5每環(huán)推進過程中，嚴格控制平衡土壓力，使切口正面土體保持穩(wěn)定狀態(tài)，以減少對土體的撓動。采取信息反饋的施工方法在盾構推進工程中進行跟蹤沉降

24、觀測，并及時反饋沉降數(shù)據，為調整下階段的施工參數(shù)提供依據。9.安全措施9.1盾構掘進施工全過程嚴格受控，加強對盾構機的檢查、保養(yǎng)，每周由經理部組織人員進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時整改。9.2在推進過程中，優(yōu)化施工參數(shù)，嚴格控制隧道軸線，加強監(jiān)控量測的密度和強度，以減少地表隆沉和隧道的變形，確保盾構施工安全。9.3對垂直運輸起重設備的索具、鋼絲繩、土箱、管片吊鉤等做到定期檢查，安全使用各種安全裝置，及時維修。井口吊裝作業(yè)時配置聲控閃光信號裝置作警示。9.4電瓶車司機嚴格執(zhí)行安全行車規(guī)程，加強對車連接部位的檢查。電瓶車增設電動制動剎車裝置，配置行車閃光警示燈；運行過程中嚴禁搭乘車，嚴格控制行車速度，

25、工作面鋼軌末端設置電瓶車行使止動裝置。電瓶車內設行車監(jiān)控系統(tǒng)。9.5管片工作面和拼裝位置做好警示標志，管片舉重臂旋轉范圍內嚴禁站人。10.環(huán)保措施10.1設立專用排漿溝、集漿坑，對廢漿、污水進行集中，認真做好無害化處理，從根本上防止施工廢漿亂流。10.2定期清運沉淀泥砂，做好泥砂、棄渣及其它工程材料運輸過程中的防散落與沿途污染措施，廢水除按環(huán)境衛(wèi)生指標進行處理達標外，并按當?shù)丨h(huán)保要求的指定地點排放。棄渣及其它工程廢棄物按工程建設指定的地點和方案進行合理堆放和處治。10.3在盾構掘進施工過程中，鋪設良好的管道排水、排污系統(tǒng)，所有生活和生產中產生的廢水及水泥漿液均經過過濾、沉淀等方式集中處理后排出

26、，未造成水污染。10.4盾構正常掘進時各施工現(xiàn)場設置的集土坑能夠滿足臨時堆土需求。并采用加蓋封閉式載重車進行棄土晚間運輸。為了防止土方運輸車輛污染道路，運土車輛出去時在洗車臺處將車輛輪胎沖洗干凈，防止帶泥上路。11.效益分析11.1本工法施工中地表隆沉均在允許范圍內，確保了道路、管線和建筑物的安全，未造成環(huán)境危害。小曲線半徑掘進的成功，為城市地鐵小曲線半徑掘進提供具體的指導和借鑒，為以后城市地下工程在類似情況下的規(guī)劃建設提供了可靠的決策依據和技術指標，新穎的工法技術將促進地下工程施工技術進步，社會效益和環(huán)境效益明顯。11.2本工法通過盾構機參數(shù)選型、管片寬度選擇及管片輔助加強措施，預偏量設定，

27、密集的監(jiān)控量測頻率和全面控制和優(yōu)化盾構掘進施工參數(shù)，保障盾構施工軸線控制要求，保證了管片拼裝及防水質量，節(jié)約了大量隧道滲漏水處理費用，形成了較好的經濟效益。12.應用實例上海市軌道交通9號線一期工程R413標段盾構隧道12.1工程概況出入段線是上海市軌道交通9號線一期工程進出地面車輛段的兩個單線盾構隧道，包括西出入段線和東出入段線，呈“八”字形分布。其中，西出入段線起點西岔道井，終點西工作井，最小曲線半徑為250m，曲線全長117.976m；東出入段線起點東岔道井，終點東工作井，最小曲線半徑為230m，曲線全長130.479m。出入段線隧道埋深9.421.91m，主要穿越土層為-1灰色粉質粘土、-1a灰色粘土。出入段線隧道采用裝配式鋼筋砼管片，管片內、外直徑分別為5.5m和6.2m，管片厚度350mm，寬度為1.2m和1.0m兩種，后者主要用于小半徑曲線段。襯砌拼裝縱縫為通縫拼裝。襯砌間連接件采用雙頭直螺栓。每環(huán)襯砌由六