越江盾構(gòu)曲線始發(fā)技術(shù)探討

1、越江盾構(gòu)曲線始發(fā)技術(shù)探討摘要：為解決盾構(gòu)在小半徑曲線始發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)，以泥水盾構(gòu)350 m小半徑曲線始發(fā)施工為研究背景，對(duì)盾構(gòu)在小半徑曲線內(nèi)始發(fā)施工進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了相應(yīng)的控制措施、取得了較好的效果，為今后類(lèi)似工程的施工提供了借鑒。關(guān)鍵詞：地鐵隧道；泥水平衡盾構(gòu)；小半徑曲線；割線始發(fā)；0引言隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下軌道交通建設(shè)近幾年飛速發(fā)展，但由于受規(guī) 劃及建（構(gòu)）筑物的制約，使得城市軌道交通的線形設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜。不可避免 的出現(xiàn)小半徑曲線線路】1-3。小半徑曲線盾構(gòu)法施工與常規(guī)盾構(gòu)法施工相比 存在一定的特殊性，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)大。國(guó)內(nèi)對(duì)于小半徑曲線始發(fā)的技術(shù)研究比較少，合理地確定小半

2、徑曲線隧道始 發(fā)技術(shù)是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了武漢市軌道交通3號(hào)線七標(biāo)工程 泥水平衡盾構(gòu)在350m小曲線段始發(fā)的一些做法，以供類(lèi)似工程參考。1工程概況武漢市軌道交通三號(hào)線七標(biāo)土建工程盾構(gòu)區(qū)間隧道北起宗關(guān)站，南至漢陽(yáng)江 灘分界里程，2臺(tái)盾構(gòu)由宗關(guān)站始發(fā)，區(qū)間隧道右線871.3m，左線884.3m到達(dá) 分界里程，盾構(gòu)空推段左線長(zhǎng)291米，右線長(zhǎng)280米。線路最大埋深37.2m，隧 道最小轉(zhuǎn)彎半徑350m，最大坡度28%o。1.1工程地質(zhì)盾構(gòu)始發(fā)端頭自上而下地層分別為：（1-1）雜填土、（3-2 ）粉質(zhì)粘土、（4-1）粉細(xì)砂。隧道開(kāi)挖面位于（4-1）粉細(xì)砂，地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。圖1始發(fā)端地質(zhì)剖

3、面圖Fig.1 Geological Profile of The Beginning1.2水文地質(zhì)區(qū)間沿線地下水主要有上層滯水、潛水、承壓水等，承壓水主要賦存于全新 統(tǒng)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層、砂土及砂卵石層中，含水層厚度為2040m，承 壓水測(cè)壓水位絕對(duì)標(biāo)高為15.020.0m （黃海高程）。1.3盾構(gòu)機(jī)概況采用兩臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行區(qū)間隧道掘進(jìn)施工。盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)10.5m，后配套分為5節(jié)拖車(chē)，總長(zhǎng)60m；盾構(gòu)最大開(kāi)挖直徑 6.52m。盾構(gòu)機(jī)具備被動(dòng)鉸接，最小轉(zhuǎn)彎半徑250m。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)為面板型鋼結(jié)構(gòu)，開(kāi)口率32%，刀具配置為切刀結(jié)合重型撕裂刀 的形式（重型撕裂刀與滾刀可互換），配備雙刃滾刀

4、18把，邊刮刀16把，齒刀 90把。既可適應(yīng)砂質(zhì)土和粘土開(kāi)挖，也適應(yīng)硬巖切削。2、盾構(gòu)小半徑曲線始發(fā)方案設(shè)計(jì)盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)段進(jìn)洞即進(jìn)入緩和曲線，經(jīng)過(guò)13m掘進(jìn)后進(jìn)入350m轉(zhuǎn)彎半徑 圓曲線，此線路掘進(jìn)極易出現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)偏線、管片間隙銳減、管片嚴(yán)重破損、管 片與盾尾卡死等問(wèn)題。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，首先盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)要擬合設(shè)計(jì)線路，其次 保證成型隧道線路與盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)線路擬合，為保證三者線路統(tǒng)一，采用割線始發(fā) 方法。2.1割線始發(fā)研究盾構(gòu)始發(fā)線路處在緩和曲線及R350m圓曲線上，為了簡(jiǎn)化施工難度，降低盾 構(gòu)在加固體內(nèi)曲線糾偏導(dǎo)致的超挖、漏水、卡死等風(fēng)險(xiǎn)，采用割線始發(fā)。在設(shè)計(jì) 軸線半徑350m的曲線上取一條割線，

5、讓割線與曲線的最大偏差距離控制在50m m （設(shè)計(jì)允許偏差）以?xún)?nèi)，使盾構(gòu)沿著這條割線直線向前掘進(jìn)，當(dāng)盾尾進(jìn)入洞門(mén) 密封后，再讓盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)好的割線與圓曲線過(guò)渡的緩和曲線逐漸向設(shè)計(jì)軸線靠 攏，最終達(dá)到掘進(jìn)線路與設(shè)計(jì)軸線擬合。（1）盾構(gòu)始發(fā)基座安裝時(shí)與設(shè)計(jì)軸線預(yù)先形成0.4的夾角，并使刀盤(pán)中心向 左偏離洞門(mén)設(shè)計(jì)中心20mm，刀盤(pán)直徑為6520mm，洞門(mén)圈直徑6700mm，通過(guò) 調(diào)整洞門(mén)簾布橡膠和壓板的位置以避免刀盤(pán)擠破簾布橡膠板。（如圖2所示）。圖2盾構(gòu)割線始發(fā)示意Fig.2 Secant launching of shield machine（2）當(dāng)盾尾全部進(jìn)入洞門(mén)密封后（刀盤(pán)和前盾已出加固區(qū)）

6、，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿 態(tài)，從割線到圓曲線之間設(shè)計(jì)一條緩和曲線，緩和曲線長(zhǎng)度根據(jù)刀盤(pán)中心偏離設(shè) 計(jì)軸線的距離大小暫定16m。同時(shí)采用帶有楔形量的通用環(huán)管片或轉(zhuǎn)彎環(huán)調(diào)整隧 道線型。刀盤(pán)中心經(jīng)過(guò)34環(huán)的糾偏慢慢縮小盾構(gòu)與設(shè)計(jì)軸線偏離距離，最終 達(dá)到與設(shè)計(jì)軸線擬合（如圖3所示）。圖3由割線到圓曲線掘進(jìn)示意Fig.3 Tunneling from secant tocurve2.2割線始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析（1）盾構(gòu)基座變形風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)進(jìn)洞門(mén)過(guò)程中，若盾構(gòu)基座發(fā)生變形，易使 盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏離設(shè)計(jì)軸線，并導(dǎo)致盾構(gòu)基座與工作井、盾構(gòu)、隧道軸線的關(guān)系 發(fā)生變化。（2）鑿除鋼筋混凝土洞門(mén)涌土、塌陷風(fēng)險(xiǎn)。（3）密封失效風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)洞

7、時(shí)，若盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題，易造成洞門(mén)密封裝置 失效、泥水倉(cāng)保壓失敗，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致洞口外側(cè)地面大幅度沉降。（4）盾構(gòu)反力架位移及變形。在盾構(gòu)進(jìn)洞過(guò)程中，盾構(gòu)后靠支撐體系在受盾 構(gòu)推進(jìn)頂力的作用后，支撐體系發(fā)生局部的變形和位移。（5）盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)姿態(tài)突變。盾構(gòu)進(jìn)洞后，最后幾環(huán)管片往往與前幾環(huán)管片存 在明顯的錯(cuò)臺(tái)，影響隧道有效凈空。3、始發(fā)準(zhǔn)備始發(fā)前準(zhǔn)備工作主要包括：端頭加固；洞門(mén)施工；泥漿處理系統(tǒng)場(chǎng)地布置與 安裝調(diào)試；盾構(gòu)施工場(chǎng)地布置；盾構(gòu)機(jī)托架及反力架安裝；盾構(gòu)機(jī)下井、組裝、 調(diào)試等。3.1始發(fā)端頭土體加固盾構(gòu)始發(fā)端頭土體為軟弱含水的土層，若不提前加固處理極易塌方或流失， 造成地面塌陷。（1）降水；

8、為疏干砂性土中的地下水，提高土層密實(shí)度，在盾構(gòu)始發(fā)前利用 端頭管井降水將承壓水位降至開(kāi)挖面以下。（2）地基加固；端頭土體加固采用800500m三重管法高壓旋噴樁加固， 加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)外左右3m，隧道頂?shù)装迳?m，下3m，線性方向12m。保 證加固后的土體有良好均勻性、自立性、止水性，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù) 達(dá)到規(guī)范要求。3.2始發(fā)架定位及安裝設(shè)計(jì)制作長(zhǎng)為9.26m的始發(fā)托架。在后配套吊入始發(fā)井后，依據(jù)隧道洞門(mén)中 心位置和設(shè)計(jì)軸線坡度及平面方向定出盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)空間位置，然后推算出始發(fā) 架的空間位置，利用墊薄鋼板調(diào)節(jié)始發(fā)架的高程，達(dá)到始發(fā)要求的精確位置。為了防止盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞發(fā)生栽頭，始發(fā)架安

9、裝高程抬高2-3cm，并在洞門(mén)鋼環(huán) 底部焊接2個(gè)防栽導(dǎo)軌。3.4反力架定位安裝及加固（1）根據(jù)盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度、負(fù)環(huán)管片寬度以及洞門(mén)結(jié)構(gòu)寬度等綜合確定反力架 位置。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。反力架安裝要求。反力架左右偏差控制在10mm之內(nèi)，高程偏差控制在 5mm之內(nèi)，始發(fā)臺(tái)水平軸線的垂直方向與反力架的夾角V2%。，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè) 計(jì)軸線豎直趨勢(shì)偏差2% （且盾尾只能向上偏），水平趨勢(shì)偏差2%。如圖5 所示。圖5盾構(gòu)始發(fā)反力架示意圖Fig.5A schematic diagram of the initial reaction frame of shield.3.5洞門(mén)密封為了防止盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)時(shí)泥土、地下水及循環(huán)

10、泥漿從盾殼和洞門(mén)間隙處流失， 以及盾尾通過(guò)洞門(mén)后背襯注漿漿液的流失，在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)安裝洞門(mén)臨時(shí)密封裝置， 臨時(shí)密封裝置由一道橡膠密封與兩道鋼絲刷組成，兩道鋼絲刷之間預(yù)留加注盾尾 油脂的預(yù)埋管。洞門(mén)臨時(shí)密封裝置如圖6所示。圖6洞門(mén)臨時(shí)密封裝置Fig.6 The temporary containment device3.6負(fù)環(huán)管片的拼裝盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)在反力架和車(chē)站端墻之間安裝8環(huán)負(fù)環(huán)管片（全部為閉口環(huán)）， 每環(huán)臨時(shí)管片分塊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)管片相同，依次安放在托架上。負(fù)環(huán)管片拼裝時(shí)用整 圓器和控制盾尾間隙控制管片拼裝真圓度。在內(nèi)、外側(cè)采取鋼絲拉接和鋼管支撐 等加固措施，保證在傳遞推力過(guò)程中管片不旋轉(zhuǎn)浮動(dòng)。3.

11、7、始發(fā)前洞門(mén)鑿除為避免洞門(mén)鑿除對(duì)始發(fā)井端頭土體造成擾動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土墻采取人 工鑿除的方式。（1）水位降至隧道底板以下1m后，以手持風(fēng)鎬方式從上至下分層鑿除洞門(mén) 范圍內(nèi)的連續(xù)墻外部混凝土和外側(cè)鋼筋，保留最內(nèi)層鋼筋。（2）盾構(gòu)前推前，割除圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)層鋼筋，刀盤(pán)抵?jǐn)n掌子面。盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)鑿除示意圖見(jiàn)圖7。圖7始發(fā)洞門(mén)鑿除示意圖Fig.7 The original door chisel is schematic.4、始發(fā)掘進(jìn)4.1始發(fā)掘進(jìn)參數(shù)的確定盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)地質(zhì)、覆土厚度、地面建筑情況并結(jié)合地表隆陷監(jiān)測(cè) 結(jié)果調(diào)整泥水倉(cāng)壓力，推進(jìn)速度保持5-10mm/min，控制糾偏量，減少對(duì)土體的

12、 擾動(dòng)，為管片拼裝創(chuàng)造良好條件。同步注漿量根據(jù)推進(jìn)速度、出碴量和地表監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。將施工軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差及地層變形控制在允許的范圍內(nèi)。4.2泥水倉(cāng)壓力值選定當(dāng)盾構(gòu)刀盤(pán)完全抵?jǐn)n掌子面后進(jìn)行循環(huán)建壓，此時(shí)因盾體沒(méi)有進(jìn)入洞門(mén)尾刷， 洞門(mén)尾刷不能起到密封效果，氣倉(cāng)壓力設(shè)定為0.3bar，氣墊倉(cāng)液位保持在面板中 部，保證泥漿能正常循環(huán)即可，當(dāng)兩道洞門(mén)尾刷完全貼緊盾體時(shí)，關(guān)閉泥水倉(cāng)與 氣墊倉(cāng)聯(lián)通閥，逐步提高氣墊倉(cāng)壓力，同時(shí)在洞門(mén)鋼環(huán)預(yù)留注漿孔處注入盾尾油 脂，防止泥漿外溢，直至氣墊倉(cāng)壓力達(dá)到1.2bar，停止加壓，進(jìn)行正常循環(huán)掘進(jìn)。始發(fā)開(kāi)始掘進(jìn)兩環(huán)后逐步加壓，土倉(cāng)壓力初步設(shè)定為1.2bar。4.

13、3掘進(jìn)速度控制（1）為控制推進(jìn)軸線、保護(hù)刀盤(pán)，推進(jìn)速度不宜過(guò)快，盾構(gòu)緩慢穩(wěn)步前進(jìn)， 推進(jìn)速度控制在10mm/min以下。（2）盾構(gòu)啟動(dòng)時(shí)，盾構(gòu)操控手須檢查千斤頂是否緊貼管片，開(kāi)始推進(jìn)和結(jié)束 推進(jìn)之前速度不宜過(guò)快。每環(huán)掘進(jìn)開(kāi)始時(shí)逐步提高掘進(jìn)速度，防止啟動(dòng)速度過(guò)大。（3）掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)速度應(yīng)盡量保持恒定，減少波動(dòng)，以保證切口水壓穩(wěn) 定和送、排泥管的暢通。4.4盾構(gòu)掘進(jìn)預(yù)偏量設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程時(shí)，管片在承受側(cè)向壓力后，將向弧線外側(cè)偏移。為了確保隧 道軸線最終偏差控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)給隧道預(yù)留一定的偏移量。 設(shè)置預(yù)偏量為2040mm。如圖8所示，施工中通過(guò)對(duì)小半徑段隧道偏移監(jiān)測(cè)， 適當(dāng)調(diào)

14、整預(yù)偏量。圖8小半徑曲線段盾構(gòu)推進(jìn)軸線預(yù)偏示意圖Fig.8 Schematic diagram of the prepartial axis of small radius curved segment shield4.5管片選型選擇適當(dāng)楔形量的管片。盾構(gòu)在小半徑曲線段掘進(jìn)時(shí)，做好楔形管片安裝點(diǎn) 位的選擇，逐步消除推進(jìn)油缸的行程差，以使盾構(gòu)每環(huán)開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)每組推進(jìn)油缸 行程差盡可能趨于最小，保證盾構(gòu)掘進(jìn)方向的準(zhǔn)確。施工中采用1.5m寬，楔形量為40mm的通用型管片，在350m轉(zhuǎn)彎半徑掘進(jìn) 中，每環(huán)行程差為26.6mm。盾構(gòu)在圓曲線推進(jìn)過(guò)程中，每環(huán)盾構(gòu)推進(jìn)左右油缸 偏差小于26.6mm時(shí)盾構(gòu)才能擬

15、合設(shè)計(jì)線路要求。4.6同步注漿（1）同步注漿采取注漿壓力和注漿量雙控原則，注漿速度與盾構(gòu)掘進(jìn)速度保 持同步。同步注漿量一般控制在建筑空隙理論填充值的160%220%，注漿壓 力控制在0.20.3Mpa。考慮到曲線段的注漿量比直線段要大，曲線段掘進(jìn)時(shí)， 同步注漿量控制在建筑間隙理論填充值的300%，注漿壓力控制在0.250.35 Mpa，注漿量控制在79m，/環(huán)。（2）補(bǔ)充注漿。為了保證管片與土體間間隙得到有效填充，避免管片產(chǎn)生錯(cuò) 臺(tái)，在管片脫離盾尾7-8環(huán)位置通過(guò)管片注漿孔向管片外四周進(jìn)行二次補(bǔ)漿。補(bǔ) 注漿液采用水泥漿液或雙液漿。5結(jié)論與建議在宗關(guān)站-王家灣站盾構(gòu)區(qū)間左右線隧道小半徑曲線段始發(fā)掘進(jìn)施工中，解決 了砂層中小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工軸線難以控制、管片容易錯(cuò)臺(tái)、破損、地表易 沉降過(guò)大等問(wèn)題，隧道軸線控制在-5050mm，管片錯(cuò)臺(tái)控制在10mm以?xún)?nèi)， 地表沉降控制在-2010mm，各項(xiàng)施工指標(biāo)達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。建議:(1)對(duì)于小半徑曲線始發(fā)，采用割線始發(fā)的方式，有利于隧道線性控制及施 工。須重視始發(fā)臺(tái)和反力架的安裝加固精度及始發(fā)掘進(jìn)時(shí)的監(jiān)測(cè)。在小半徑曲線施工時(shí)，提前計(jì)算好轉(zhuǎn)彎預(yù)偏量，做好管片選型，控制好 推力和掘進(jìn)速度