盾構機穿越小曲線半徑隧道施工技術

陳 杰 湯德蕓 孟憲忠 杜 影 滕炳森

中國建筑一局集團第五建筑有限公司 北京 100024

1 工程概況

南水北調工程北京市東干渠施工第九標段北起自13#盾構始發井，南止于14#盾構始發井，線路長約2.77 km（里程為31+206.532～28+487.721）。26#二襯豎井至13#盾構接收井段，盾構掘進里程29+013.392～28+855.303（線路長度為158.09 m，地面高程31.40～32.60 m，洞內底高程10.96～10.76 m）、28+793.184～28+707.258（線路長度為85.93 m，地面高程31.01～32.05 m，洞內底高程10.55～10.35 m）、28+587.60～28+533.721（線路長度為53.88 m，地面高程31.05～31.30 m，洞內底高程10.23～9.91 m）為連續的半徑為350 m的曲線段。小曲線半徑隧道盾構平面位置見圖1。

圖1 小曲線半徑隧道盾構平面示意

小曲線半徑隧道由南向北上坡，盾構隧道主要穿過粉質黏土和細中砂地層，隧道下部以粉質黏土地層為主，隧道上部含有厚1～3 m的細中砂層。里程29+013.392～28+855.303和28+793.184～28+707.258處地面無建筑物，里程28+587.60～28+533.721處穿越五方橋和京哈高速公路。本工程盾構穿越地層共分為2 層水位：其中第1層地下水位位于該段隧道洞頂位置，洞頂大部分地段為砂層，施工中易發生流砂、管涌和塌頂不良工程地質現象。第2層地下水位總體接近于隧洞底位置，其承壓性對隧洞底部具有頂托作用，對洞身穩定不利；隔水層較薄處易發生洞底隆起或頂穿，導致地下水涌入洞內，引發工程事故。

2 小曲線半徑隧道盾構施工難點[1-3]

2.1 盾構推進時，糾偏量較大，對土體擾動的增加易發生較大沉降量

盾構施工時引起地表下沉的原因主要有地下水土的流失、施工圍巖應力釋放和地層變形。而地下水土的流失除了地下水自身流動的原因外，對地下管線保護不當產生漏水及灌渠也是一個重要因素。鑒于上方地面現況交通以及地面建（構）筑物、地下管線的重要性，控制地面沉降及隆起是工程的重點。

2.2 盾構曲線掘進中，精準的軸線控制是難點

盾構的掘進管理系統中配備自動導向系統，利用計算機技術及光學測量技術對盾構掘進進行自動化測量，為盾構掘進提供準確的導向信息，替代測量速度慢、精度低和容易出錯的人工測量方法，滿足盾構快速準確施工的要求。同時采取定期的人工復測，以確保盾構按設計軸線正確掘進。

通過控制測量的手段，將地面三維坐標系統傳入到地下，導入盾構機，引導盾構機的掘進方向，在盾構掘進中，跟進延伸支導線和水準線路，以此為依據換站為盾構機提供掘進修正參數。因此洞內控制導線質量的好壞直接決定了隧洞的貫通質量，也是整個盾構工程成敗的關鍵因素之一。

2.3 管片的位移控制難

管片出盾尾后，易受到水平分力的影響，隧道向圓弧外側偏移，極難控制。

3 盾構機穿越小曲線半徑隧道的施工措施

3.1 盾構姿態控制及地表沉降的控制措施

（a）控制土壓平衡：盾構機具有土壓平衡掘進模式，可實現地表沉降控制，保護地表建筑物。土倉內上下左右配置有4 個具有高靈敏度的土壓傳感器，能將壓力傳送到操作臺上的顯示屏，并且能自動與設定土壓進行比較，壓力過高過低都會報警。因此能很好的控制土壓平衡，減少地面沉降，適合軟弱及復合地層掘進的需要。

（b）刀盤的特殊設計：刀盤刀具形式及布置和刀盤開口率（約54%）適應本區間地質條件，刀盤的設計由于采用輻條式，能防止刀盤中心結成泥餅。

（c）刀盤的驅動方式采用變頻電機驅動方式，啟動平穩，刀盤轉速連續可靠。

（d）同步注漿：采用盾尾同步注漿系統，可及時填充管片與開挖直徑之間的間隙，減小沉降。同時，可防止管片上浮。

（e）配備全自動數據處理系統：數據采集系統靈敏可靠，能將盾構姿態、推進力、刀盤扭矩、推進速度、螺旋輸送機轉速等參數準確地進行檢測，并通過數據處理傳輸系統進行高效可靠的處理和存儲，最后通過各種數字或圖表形式顯示出來。當以上過程中出現故障時，可通過在其上安裝的故障自動診斷系統進行故障自動檢索和顯示。

（f）配備激光導向系統，對盾構姿態精準控制。

（g）盾尾設置3 道鋼絲刷，可通過自動和手動2 種模式向盾尾密封處的環型空腔中注入專用密封油脂，并通過改變油脂注入的壓力和數量，保證盾尾的密封效果及可靠性。

3.2 小曲線半徑隧道區段的軸線測控措施

3.2.1 曲線測量

盾構在曲線段掘進施工中對軸線測量控制質量要求較高，為保證施工過程中隧道軸線，在運用自動導向測量基礎上制定相應曲線測量措施。

3.2.2 盾構穿越小曲線半徑區段的軸線測控方法

為將盾構掘進所需測量參數引入到盾構自動測量系統，盾構施工測量將包含以下測量工作：

（a）地上導線測量→近井導線測量→聯系測量→盾構機始發姿態測量→地下控制導線測量，以上工作產生的誤差對橫向貫通產生直接影響。

（b）聯系測量是通過豎井將方位、坐標及高程從地面上的控制點傳遞到地下導線和地下水準點上，以組成地下控制測量的起始點，見圖2。采用井上井下聯系三角形幾何定向方法控制平面，修正盾構推進的軸線。施工期間每個區間段依照具體情況進行若干次定向測量，一般第一次在推進50 m左右，最后一次離進洞大約100 m。

圖2 聯系測量示意

高程控制測量主要內容是將地面的高程系統傳入井下的高程起算點上，測量施工步驟和平面施工步驟相同，具體操作見圖3。

圖3 高程聯系測量示意

3.2.3 盾構穿越小曲線半徑區段的措施

（a）中盾和尾盾采用鉸接連接，有效地減少了盾構的長徑，使盾構在掘進時能靈活地進行姿態調整，順利通過小半徑轉彎。

（b）掌握好左右兩側油缸的推力差，盡量地減小整體推力，實現慢速急轉；

（c）盾構機司機根據地質情況和線路走向趨勢，使盾構機提前進入相應地預備姿態，減少之后的因不良姿態引起的糾偏。

（d）加密加勤移站測量，避免由此產生的軸線誤差。

（e）做好管片選型，北京隧道管片長度為1.2 m，在350 m的圓曲線上，加上糾偏管片拼裝點位變化，標準環與轉彎環的拼裝關系為：4 環標準環+3 環轉彎環。根據標準環和轉彎環中軸線的夾角，計算出轉彎環的增加量，然后交叉拼接，直到離開小曲線半徑作業區為止。

（f）隧道沒有緩和段，直接由直線段過渡到圓曲線。盾構機掘進到圓曲線段還有20 環時，將盾構機姿態往曲線內側（靠圓心側）偏移20～30 mm（圓曲線段偏移30～40 mm），形成反向預偏移，這樣可以抵消之后管片的往曲線外側（背圓心側）的偏移。曲線段姿態偏移調整，見圖4。

（g）在管片偏移的方向額外進行注漿，達到一定的壓力以抵抗管片的偏移。縮短漿液的初凝時間，盾構機脫出盾尾五環后及時進行二次補漿，補漿點位為9點鐘位置（右轉彎）。注漿及補漿點位見圖5。

圖4 曲線段姿態偏移調整

圖5 注漿及補漿點位

3.3 管片錯臺和破損的控制

（a）油缸推力不要太大，尤其是曲線外側（背圓心側）油缸，由于要加大推力來增加左右兩側油缸推力差，從而實現盾構機轉彎。但在加大油缸推力的同時，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。

（b）由于曲線外側油缸推力較大，尤其要注意不要突然加力或者突然釋放推力，這樣也會造成管片的破裂。

（c）掘進的時候，把擰螺栓這道工序做到位，有效防止錯臺的發生。螺栓應進行初擰和復擰，應按從中間向四周的順序擰緊，初擰和復擰的順序應一致。管片脫出盾尾后對管片進行二次復緊，盾尾脫出盾尾10 環后進行三次復緊或多次復緊。

（d）提高管片拼裝手的水平，管片拼裝施工之前，應對管片拼裝人員進行技術交底，并在正式拼裝之前進行試拼裝。避免因拼裝不到位產生的錯臺。管片拼裝時環向和縱向錯臺控制在5 mm以內。

（e）操作手每環推進前后都要對盾尾間隙進行測量。合理選擇管片類型，避免盾尾鋼環刮壞管片。調整好油缸撐靴的位置，盡量使撐靴完全作用在管片上。

4 結語

本文結合工程實踐，對小曲線半徑隧道施工中存在的土體沉降量、盾構穿越障礙物、軸線監控、管片的位移等難點問題進行了深入的研究，并制定了切實可行的施工控制措施，有效保證盾構小曲線半徑隧道施工按照設計軸線得以實施，且在工程質量、安全、工期等方面取得了良好的效果，值得在類似工程中推廣使用。