盾構(gòu)長(zhǎng)距離小半徑穿越建（構(gòu)）筑物控制措施研究

吳 朝

（上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433）

0 引言

隨著城市高速發(fā)展，人口增多，城市出行對(duì)城市軌道交通的需求也也來(lái)越高。在軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)法施工由于其對(duì)沉降控制的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用也越來(lái)越多。隨著工程的增多，工程所面臨的環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，受到規(guī)劃及現(xiàn)有建筑物的制約，地鐵線路的線性越來(lái)越復(fù)雜，因此小半徑隧道的應(yīng)用也是越來(lái)越多。小半徑隧道的施工和常規(guī)的盾構(gòu)法施工相比還是存在著一定的特殊性，因此研究小曲率半徑盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)也就很有必要了。

決定小半徑曲線隧道掘進(jìn)成敗的因素很多，有地層的關(guān)系、盾構(gòu)機(jī)的選型、襯砌的拼裝、超挖量控制、背后注漿量及其它輔助工法的使用。其中關(guān)鍵因素就是掌握好小半徑曲線上的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)、管片拼裝技術(shù)、同步注漿技術(shù)以及地面沉降控制技術(shù)等[1-3]。

1 工程概況

上海市軌道交通5號(hào)線南延伸段某區(qū)間隧道長(zhǎng)度為978.109 m，共816環(huán)（見(jiàn)圖1）。區(qū)間隧道頂部埋深為 4.9～15.7 m，平面最小曲線半徑為R=370 m，縱坡為“V”字坡，最大縱坡為26‰。區(qū)間隧道采用兩臺(tái)奧村土壓平衡盾構(gòu)施工。

區(qū)間隧道穿越地層包括④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤1ta黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤1tb粉砂，穿越萬(wàn)科樓盤地下車庫(kù)段部分土體部分進(jìn)行了加固，地層軟硬不均（見(jiàn)表1）。地層含水量、強(qiáng)度、滲透系數(shù)、自立性不一，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)挖面穩(wěn)定性差、盾尾滲漏、螺旋機(jī)發(fā)生噴涌、推進(jìn)困難及地表沉降較難控制等問(wèn)題。

2 盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化選型

盾構(gòu)區(qū)間隧道施工中，必須要根據(jù)地層、隧道軸線及周邊環(huán)境特點(diǎn)選擇合適的盾構(gòu)設(shè)備，并根據(jù)需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行刀盤、刀具及其它方面的優(yōu)化，這是保證區(qū)間隧道安全、順利的前提條件，同時(shí)也可以保證盾構(gòu)在穿越建（構(gòu)）筑物時(shí)減少對(duì)地層的擾動(dòng)，減小沉降。

本區(qū)間隧道需要在加固地層中長(zhǎng)距離推進(jìn)，在此種地層中推進(jìn)易出現(xiàn)推力及扭矩大、刀盤及刀具易磨損，軸線控制難度大的特點(diǎn)；在中間段還需要在具有微承壓水性質(zhì)的砂性土層中推進(jìn)，在此種地層中推進(jìn)易出現(xiàn)推力及扭矩大、盾尾易出現(xiàn)涌水，隧道滲漏水控制難度大；且本區(qū)間隧道的最小半徑為R=370，在小半徑盾構(gòu)隧道施工中易出現(xiàn)軸線控制難度大、管片易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、破損等情況。根據(jù)本區(qū)間的特點(diǎn)，首先在盾構(gòu)機(jī)的刀盤上加裝了12把貝殼刀，并選用其它耐磨性好的刀具。

2.1 鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)本體在曲線段上視為有一定長(zhǎng)度的直線形體，曲線半徑越小，盾構(gòu)機(jī)身越長(zhǎng)，則盾構(gòu)機(jī)的行走線路與隧道軸線擬合就越難，偏差越大。曲線段上的盾構(gòu)掘進(jìn)線路為連續(xù)折線，為了與隧道設(shè)計(jì)軸線更好的擬合，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中則需要連續(xù)糾偏，遵循勤糾、少糾的原則。因單次糾偏量越大，糾偏靈敏度就越低，軸線就越難控制，并且會(huì)影響到成環(huán)管片的質(zhì)量。在曲線段上掘進(jìn)時(shí)超挖刀與盾構(gòu)鉸接裝置的使用就成為了控制特急曲線上隧道軸線的關(guān)鍵。

圖1 區(qū)間隧道平面布置圖

表1 區(qū)間隧道穿越主要建（構(gòu)）筑物情況

盾構(gòu)機(jī)通常分成前后兩個(gè)部分用千斤頂連接起來(lái)，形成一個(gè)鉸接裝置，此系統(tǒng)主要使盾構(gòu)機(jī)安全、平穩(wěn)，快速的進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，對(duì)曲線段的掘進(jìn)提供了保障。

考慮到本區(qū)間R=370 m小曲率半徑施工，盾構(gòu)機(jī)選取了配備V型主動(dòng)鉸接系統(tǒng)的兩臺(tái)奧村盾構(gòu)機(jī)，鉸接油缸規(guī)格為2 500 kN×170 mm×35 MPa×12支，鉸接角度左右1.5°上下1°，可滿足最小半徑R250 m的曲線施工要求。

2.2 盾尾密封系統(tǒng)

盾尾密封系統(tǒng)是管片的外表面和盾構(gòu)殼體的內(nèi)表面之間的密封，可以防止水和砂土進(jìn)入隧道（見(jiàn)圖2）。由于本區(qū)間所經(jīng)土層滲透系數(shù)較大，盾尾內(nèi)新裝三道盾尾刷，外側(cè)一道為鋼板刷，內(nèi)側(cè)兩道為鋼絲刷。相間2道腔體內(nèi)各布置8個(gè)油脂注入孔，增加流量和壓力傳感器，達(dá)到注入壓力和時(shí)間單獨(dú)控制，以滿足盾構(gòu)在小半徑穿越建（構(gòu)）筑物和在微承壓水層中掘進(jìn)時(shí)盾尾區(qū)域性注入盾尾油脂的要求。

圖2 奧村盾構(gòu)盾尾密封系統(tǒng)

3 盾構(gòu)小半徑穿越建（構(gòu)）筑物主要技術(shù)措施

3.1 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)設(shè)定

土壓力設(shè)定根據(jù)隧道中心埋深及土質(zhì)情況，對(duì)穿越段土壓力計(jì)算值附加建筑物荷載，具體施工設(shè)定值根據(jù)盾構(gòu)埋深、所在位置的土層狀況以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整。施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)地面及建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)土壓力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，確保地面環(huán)境及建筑物的安全和穩(wěn)定。

由于本區(qū)間隧道盾構(gòu)出加固區(qū)后即進(jìn)入萬(wàn)科地下車庫(kù)，因此沒(méi)有常規(guī)的試驗(yàn)推進(jìn)階段，如何合理的設(shè)定土壓力成為了確保穿越（建）構(gòu)筑物的關(guān)鍵。由于地下車庫(kù)有樁基礎(chǔ)，且地下部分土體已進(jìn)行加固，對(duì)沉降不靈敏，因此推進(jìn)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高土壓力，使地下車庫(kù)微微隆起1～2 mm，同時(shí)應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)及管片之間的建筑間隙及各土層特性合理控制出土量，出土量控制在98%～100%，并通過(guò)分析調(diào)整，尋找最合理的數(shù)值。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)推進(jìn)速度對(duì)盾構(gòu)周圍土體的變形及應(yīng)力的變化有一定的影響。盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物期間，必須盡量減小盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。因此必須控制合理地推進(jìn)速度，使盾構(gòu)勻速施工，減少盾構(gòu)對(duì)土體的撓動(dòng)，達(dá)到控制地面變形的目的。

在穿越過(guò)程中，盾構(gòu)推進(jìn)速度宜控制在20mm/min左右，盡量保持推進(jìn)速度穩(wěn)定，盡量減小土壓力的波動(dòng)幅度，以便減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)影響。

3.2 軸線控制

（1）盾構(gòu)糾偏量的控制

盾構(gòu)在小半徑段掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的糾偏控制最為重要。盾構(gòu)機(jī)在曲線掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)際是處于曲線的切線上，因此掘進(jìn)的關(guān)鍵是如何對(duì)盾構(gòu)的機(jī)頭部位的控制，由于曲線掘進(jìn)盾構(gòu)每環(huán)均在糾偏，因此應(yīng)做到勤測(cè)勤糾，同時(shí)每次的糾偏量應(yīng)盡量小，確保襯砌楔形塊的環(huán)面始終處于曲率半徑的徑向豎直面內(nèi)。從而達(dá)到有效地控制軸線和地層變形的目的。

盾構(gòu)掘進(jìn)前，針對(duì)每環(huán)的糾偏量，通過(guò)計(jì)算得出盾構(gòu)機(jī)左右千斤頂?shù)男谐滩睿蜻M(jìn)過(guò)程中則通過(guò)利用盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)男谐滩顏?lái)控制當(dāng)環(huán)的糾偏量。同時(shí)，結(jié)合分析管片的選型，針對(duì)不同的管片型號(hào)（直線段、左曲、右曲管片）則有不同的千斤頂行程差。

（2）盾構(gòu)測(cè)量

盾構(gòu)掘進(jìn)的測(cè)量是保證隧道軸線的根本，在小曲率半徑段中盾構(gòu)機(jī)的測(cè)量尤為重要。本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)配有自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，推進(jìn)過(guò)程中可以通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)和糾偏，平面軸線偏差始終控制在±30 mm范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)保持良好。

由于隧道轉(zhuǎn)彎曲率半徑小，隧道內(nèi)的通視條件受限，因此必須多次設(shè)置新的測(cè)量點(diǎn)和后視點(diǎn)。設(shè)置新的測(cè)量點(diǎn)后，嚴(yán)格加以復(fù)測(cè)，確保測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確性，防止造成誤測(cè)。同時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的側(cè)向分力較大，因此可能造成成環(huán)隧道的水平位移，所以必須定期復(fù)測(cè)后視點(diǎn)，保證其準(zhǔn)確性。

（3）管片拼裝

小曲率半徑段內(nèi)的管片拼裝至關(guān)重要，而影響管片拼裝質(zhì)量的最關(guān)鍵問(wèn)題是襯砌管片與盾尾間的間隙。均勻的周邊間隙可以更好的便于襯砌的安裝，同時(shí)也便于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行糾偏。

a.施工中，隨時(shí)關(guān)注盾尾與管片間的間隙，一旦發(fā)現(xiàn)單邊間隙偏小時(shí)，及時(shí)通過(guò)盾構(gòu)推進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整，使得四周間隙基本相同。

b.在管片拼裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)盾尾與管片間的間隙進(jìn)行合理調(diào)整，使管片與盾尾間隙得以調(diào)整，便于下環(huán)管片的拼裝，也便于在下環(huán)管片推進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)能夠有足夠的間隙進(jìn)行糾偏。

c.小半徑段時(shí)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎過(guò)快時(shí)，小半徑隧道外側(cè)的盾尾間隙就相對(duì)較小。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎過(guò)慢，管片超前于盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，小半徑隧道內(nèi)側(cè)的盾尾間隙就相對(duì)較小。因此，當(dāng)無(wú)法通過(guò)盾構(gòu)推進(jìn)和管片拼裝來(lái)調(diào)整盾尾間隙時(shí)，可通過(guò)增加曲線管片及加貼楔子來(lái)調(diào)整盾尾間隙。

3.3 地面沉降控制及環(huán)境保護(hù)

（1）盾構(gòu)同步注漿

由于曲線段推進(jìn)增加了曲線推進(jìn)引起的地層損失量及糾偏次數(shù)的增加導(dǎo)致了對(duì)土體的擾動(dòng)的增加，因此在曲線段推進(jìn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制漿液的質(zhì)量及注漿量和注漿壓力。每推進(jìn)一環(huán)的建筑空隙為：π（3.1752-3.12）×1.2=1.8 m（3盾構(gòu)外徑：6 350 mm；管片外徑：6 200 mm），每環(huán)注漿量為建筑間隙的150%～200%，所以每環(huán)注漿量是2.7～3.6 m3。在施工過(guò)程中采用推進(jìn)和注漿聯(lián)動(dòng)的方式，注漿未達(dá)到要求時(shí)盾構(gòu)暫停推進(jìn)，以防止土體變形。根據(jù)施工中的變形監(jiān)測(cè)情況，隨時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)，從而有效控制地面沉降。

同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量，確保漿液質(zhì)量的穩(wěn)定。不能隨意調(diào)整漿液的注入量，防止建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)不均勻沉降。

（2）二次注漿

由于設(shè)計(jì)軸線為小半徑的圓滑曲線，而盾構(gòu)是一條直線，故在實(shí)際推進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際推進(jìn)軸線為一段段折線，且曲線外側(cè)出土量大，這樣就會(huì)造成曲線外側(cè)土體的損失，因此在曲線段推進(jìn)過(guò)程中在進(jìn)行同步注漿的工程中必須加強(qiáng)對(duì)曲線段外側(cè)的壓漿量，以填補(bǔ)施工空隙。當(dāng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值接近報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行二次注漿作業(yè)，二次注漿漿液選定為雙液漿。注漿量、注漿孔位和注漿次數(shù)根據(jù)地面及建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，直至建筑物沉降穩(wěn)定。

（3）沉降監(jiān)測(cè)

建（構(gòu)）筑物沉降變形監(jiān)測(cè)除常規(guī)地表沉降監(jiān)測(cè)外一般還包括：沉降監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)和裂縫觀測(cè)。

a.沉降測(cè)點(diǎn)：將L型測(cè)釘打入或埋入近地面的建筑結(jié)構(gòu)體內(nèi)，測(cè)釘頭部磨成凸球型。測(cè)釘與建筑結(jié)構(gòu)間不允許有松動(dòng)。對(duì)于沉降變形控制要求較高的，盾構(gòu)穿越時(shí)在建筑物的外墻角、門窗邊角等突出部位增設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。

b.傾斜測(cè)點(diǎn)：建（構(gòu)）筑物傾斜量值是判別建（構(gòu)）筑物是否安全的基本控制量。

c.裂縫觀測(cè)：在施工前對(duì)隧道沿線建（構(gòu)）筑物巡視、觀察，若發(fā)現(xiàn)先天裂縫，應(yīng)進(jìn)行編號(hào)記錄，通過(guò)裂縫觀測(cè)儀測(cè)讀裂縫的后期寬度變化，并拍照存檔。對(duì)比盾構(gòu)穿越前后裂縫變化情況。

d.應(yīng)根據(jù)建（構(gòu)）筑物的監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率，同時(shí)應(yīng)及時(shí)的將地面監(jiān)測(cè)情況及時(shí)通知有關(guān)各方，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本盾構(gòu)區(qū)間隧道在地質(zhì)情況復(fù)雜、小半徑的情況下長(zhǎng)距離下穿建（構(gòu)）筑物，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。施工前根據(jù)地層和建（構(gòu)）筑物沉降的特點(diǎn)采取針對(duì)性措施，并有針對(duì)性的進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化及選型；在施工過(guò)程中及時(shí)根據(jù)施工監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，科學(xué)合理配置盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，控制出土量、加強(qiáng)注漿量和注漿壓力控制等施工措施控制，這些都是確保盾構(gòu)成功穿越建（構(gòu)）筑物的關(guān)鍵，同時(shí)也確保了建（構(gòu)）物安全。

本工程的成功穿越經(jīng)驗(yàn)，也為后續(xù)其它類似的穿越施工提供借鑒。

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]張鳳祥,傅德明,等.構(gòu)隧道施工手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].陜西西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997.