小半徑盾構隧道超限及調線方案的應用

趙毅昕

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司,北京 101100)

小半徑盾構隧道超限及調線方案的應用

趙毅昕

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司,北京 101100)

受各種因素的影響,小曲線半徑盾構隧道在盾構掘進過程中其隧道中線很容易出現與設計中線在平面上和縱面上的偏差,一旦這種偏差超過規范或技術標準規定的允許范圍,且未及時采取有效措施進行修正,則隧道將無法滿足線路服務功能的要求,因此根據規范和技術標準,對隧道中線進行修復或線路進行調整。文章結合工程實例,對隧道中線偏差的原因進行剖析,對影響隧道限界的因素及限界余量進行分析,提出地鐵盾構法區間隧道結構中線修復或線路調整過程中應遵循的設計原則、標準,并在此基礎上進行了線路修復方案的研究、實施等,最終確保線路滿足通行要求。

盾構隧道; 小半徑; 調線

1 工程概況

廣州市軌道交通五號線區莊站～楊箕站盾構區間承接著國內外罕見的小半徑急曲線施工，線路左線最小曲線半徑為R206。盾構隧道主要穿過<7>、<8>、<9>地層，隧道下部以<9>地層為主。起止里程為YDK12+853.571～YDK13+288.616,曲線長為435.045 m的206 m小半徑圓曲線段平面線路要素見圖1。

圖1 206 m小半徑圓曲線段平面線路

2 施工技術難點

由于盾構本身是一個長8 m左右的直線體，在急曲線段，由于盾構機本身為直線形剛體，不能與曲線完全擬合。對比圖2可以發現盾構在曲線段推進時，相當于在曲線內不斷地畫直線，圖中所示的在圓中畫內接多邊形。依據幾何學原理，在邊數相同的情況下，正多邊形面積最大，也就是說盾構在曲線段掘進時，如果能均勻糾偏則其土層損失最小。

曲線半徑越小、盾構機身越長，則擬合難度越大。在急曲線段盾構機掘進形成的線形為一段段連續的折線，為了使得折線與急曲線接近吻合，掘進施工時需連續糾偏。曲線半徑越小，盾構機越長，則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制。可見如何順利通過小半徑隧道的施工關鍵點既為施工過程中的相關技術措施(圖3)。

圖2 盾構曲線推進示意

圖3 曲線推進原理

3 事故產生的原因

206 m小半徑地鐵隧道的施工在國內尚屬首例，施工的難度難以預料，類似的施工案例極少，接受這樣的工程，肯定是作了充分的準備，但對于盾構施工來說，要求的技術水平太高了，一旦有絲毫差錯就會無法彌補。

盾構掘進小半徑初段，雖然我部做好了提前轉彎的預案，也完全按照預案進行施工的，但畢竟存在不可調控因素，使得在掘進到560環后盾構機姿態無法糾正到設計標準以內，經反復檢測，計算得出超出設計標準42mm，問題發生后暫停掘進，請專家協助解決問題，經專家研究決定采取調線措施，此處位于里程ZDK 13+158.465 ，處于<8>、<9>圍巖環境。 <8>、<9>層砂巖單軸抗壓強度數值見表1。

表1 <8>、<9>層砂巖單軸抗壓強度數值 MPa

4 處理事故的措施

4.1 設計規范規定

線路平面由直線、圓曲線及其之間的緩和曲線圓順利連接而成。圓曲線最小長度，(規定)正線及輔助線的圓曲線最小長度，最小不宜小于20 m，在困難狀況下不得小于一個車輛的全軸距。當不滿足該最小長度時，可適當減短緩和曲線長度或適當調整線位增大曲線偏角，達到規定最小長度。

4.1.1 緩和曲線

4.1.1.1 緩和曲線設置規定

線路平面圓曲線與直線之間應根據曲線半徑、設計速度、超高設置等因素設置緩和曲線，以滿足曲率過渡、軌距加寬和超高過渡的需要，道岔附帶曲線可不設緩和曲線和超高，但其曲線半徑不得小于道岔的導曲線半徑。

4.1.1.2 緩和曲線長度

緩和曲線長度應根據超高順坡率要求、限制超高時變率、限制未被平衡離心加速度時變率三項因素分別計算，并按其起控制作用的長度確定(詳見《地鐵設計規范》條文說明)。地鐵標準半徑曲線對應不同速度要求的緩和曲線長度列于表

4.1.2 線路里程標示

線路里程通常按不同設計階段區分標示，即在整公里K前加不同字頭：如可研階段為AK，初測、初步設計階段為CK，定測及施工設計為DK。比較方案，在兩字頭之間加羅馬數字的方案編號如AⅠK、CⅡK等，分別表示可研比較方案Ⅰ里程、初步設計比較方案Ⅱ里程等。

比較方案的起終點一般應在基本方案的正百米處，并按里程先后順序銜接在平、縱面圖上標示一致，示例如下：

比較方案起點處：

比較方案終點處：

4.2 調線具體實施辦法

4.3 采取的措施

(1)由于超出界限范圍的最大值只有42 mm，故研究決定對此處40環位置及前后20環位置采取整體注漿措施，注漿材料采取純水泥漿加速凝劑，對管片超限一側注漿加固，盡早地固定管片，改善管片的受力狀態，防止管片錯臺破損及漂移，注漿加固點位如圖4所示。

圖4 注漿加固點位

(2)應用聚氨酯做止水環，管片脫出盾尾后每隔三十環使用雙液漿泵在管片吊裝孔處加注“博隆”油溶性單組份聚氨酯化學灌漿材料(OPU—Ⅱ)形成截水環。“博隆”油溶性單組份聚氨酯化學灌漿材料是由復合聚合多元醇與多元異氰酸酯反應形成末端含有異氰酸根基團的一種化學灌漿材料。該材料遇水后立即反應產生氣體，體積膨脹并生成一種不溶于水并具有一定強度的發泡體，不僅可以防水堵漏，更適合于加固補強。

(3)提高盾構司機操作技術水平，增強小半徑隧道施工認識，完善各工序的銜接，做到不注漿不掘進，不及時換站不掘進，不具備操作資格不掘進。

5 建議及思考

(1)盾構掘進的糾偏量越小，則對土體的擾動越小。處于200 m轉彎圓曲線時，為防止盾構機抬頭以及管片上浮及向圓曲線外側移動，通過VMT系統調整盾構機姿態。根據管片監測情況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調整為-40～-50 mm之間。同時應加密VMT移站頻率，減少移站后出現的軸向偏差。在急轉彎地段施工時加大人工監測頻率，在盾構機過后對隧道管片姿態隨時跟蹤監測，把信息及時反映給盾構操作人員，以便根據變形程度調整掘進參數。

(2)雖然理論計算此型號盾構機可以對小半徑(200 m)隧道進行施工，但畢竟該盾構機是比較老舊的，在當時設計及建造上應對未來特殊線路建筑施工必然存在不足，為了防止最不利情況的發生，我們不但要大膽對盾構機進行改進，也要加強管理，嚴格按照規定操作，使得盾構機最大限度的為我們所利用，滿足特殊情況下的施工需求。

6 事故處理的效果

經過這次調線，高度重視小半徑隧道施工中存在的問題，及時采取措施，避免了類似事故的再次發生，根據調整后的新線路，不但順利完成了小半徑隧道的施工，而且整條隧道的軸線均控制在-50～50 mm范圍之內，地表沉降控制在-20～5 mm范圍之內，各項指標達到優良工程標準。

[1] 鄭凱. 地鐵盾構法區間隧道調線修復工程方案研究 [J]. 鐵道標準設計，2012(4)：108-112.

[2] 李洪強. 蘇州軌道交通調線調坡技術研究 [J]. 鐵道建筑技術，2013(11)：38-40.

趙毅昕(1983～)，女，本科，工程師，從事地鐵施工工作。

U455.43

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[定稿日期]2015-02-12