超大直徑盾構小半徑圓曲線始發技術研究

陳曉飛 余郁 錢鋒

我國自上世紀90年代以來，隨著隧道建設的發展，盾構施工技術在我國得到了迅速發展，但由于受規劃及建、構筑物的制約，在某些特殊條件下盾構始發軸線在小半徑曲線上，造成施工風險大，提出相應防治措施以及合理的施工方案是施工當中最為重要的一環。

一、工程簡介

1.工程概況

揚州市瘦西湖隧道是我國直徑最大的單管雙層盾構隧道，也是國內第一座穿越國家5A級旅游核心景區和國家重點文物保護單位的隧道，其主體為單孔雙層雙向四車道盾構法隧道。本工程線路總長為4082m，上層總長2245m，隧道下層主線總長2705m。盾構段里程為K0+885～K2+160，總長度為1175m。平面位置在里程K2+160～K1+546.963處設計一條R=1500m的左轉圓曲線，曲線長613.037m，K0+933.637～K1+546.963為直線段， K0+885 ～ K0+ 9 33.637，位于R=700m的右轉圓曲線上。縱斷面最大坡度5%。盾構需在R=1500m的左轉圓曲線上始發。

揚州市瘦西湖隧道工程采用原南京長江隧道工程使用的直徑為14.93m的泥水平衡式盾構機，單機總重3500噸，長135m，額定推力185253kN，額定扭矩34735KNm，其最小轉彎半徑為750m。

2.工程與水文地質條件

隧道所經場地為一級階地和高砂平原過渡帶，地貌分區屬長江下游沖積平原區，地貌類型為長江三角洲平原中的古河口沙嘴，場地地勢較平坦，地面高程6.0～9.0m。盾構范圍內主要為雜填土、淤泥、粉土、粉砂、黏土、粗砂、泥質砂巖、泥質砂巖等。其中盾構下穿層為全黏土地層⑶-1，黏土為下蜀黏土，具有硬塑，壓縮性低，中等膨脹性，遇水易崩解等特點。場地地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，主要分布于表層（1）雜填土、（2）-1層粉土和（2）-2層粉砂層內，土層水平向呈廣泛而連續，垂向上具有一定的水平層狀沉積韻律變化。根據現場試驗結果可知，潛水含水層的滲透系數為2.08E-3～2.66E-3cm/s，屬中等透水性。潛水位埋深0.3～4.9m，相對于標高為3.077～4.536m，平均標高為3.8m，水位變幅一般為0.3～4.9m。

二、小半徑曲線的始發施工

1.始發方案

盾構始發軸線位于R=1500m的平面圓曲線，由于盾構機主體長度約14.3 m，不可能在工作井內曲線始發。在盾構機始發初期，為了提供足夠的推力并保持反力架和負環管片穩定，盾構機必須沿直線推進。當盾構機整體進入隧道，盾尾完全脫離始發基座后才能開始轉彎。在直線推進的前15m過程中，盾構軸線與設計軸線將產生一定偏差；當盾構完全進入土體后，盾構機開始糾偏，糾偏曲線與設計軸線也會有一定的偏差，所以盾構機始發方向必須同時保證這兩個偏差不超過設計和規范要求。經綜合考慮，采用割線始發，在洞門位置始發線路相對設計隧道中線偏移量為0mm，在盾構進入土體直線掘進約15m位置，始發線路相對設計隧道中線偏移量為117.5mm；盾構機直線推進15m后，開始向左轉彎進行糾偏，糾偏曲線與設計軸線最大理論偏差為120mm，各個偏差的理論值均能滿足要求；待糾偏完畢后與圓曲線重合，繼續按照設計曲線施工。

2.監測控制技術

據監控量測目的，考慮盾構隧道地質條件、隧道埋深及周邊環境進行監測點布置。設定各項觀測項目的預警值，有超過預警值的情況發生應立即上報并采取補救措施，如依據規范最大地面沉降值為20mm，隆起值不超過10mm。

三、效果分析

始發洞口里程為K2+160，斷面1～斷面6的里程分別為K2+148、K2+120、K2+100、K2+080、K1+980、K1+820。

斷面位置圖

斷面1的位移觀測點全部布置在旋噴樁滿堂處理的復合地基之上。實測沉降結果表明，沉降槽隆起且盾構軸心處為隆起最高點，隆起量達6.1mm，并未超過規范要求10mm。由于旋噴樁復合地基可有效提高地基承載力，加強地基整體剛度與整體性，在盾構進入復合地基時，可有效限制地基土的變形，且凍結施工也具有穩定始發線性與防止洞口涌土的作用。

斷面2位于復合地基外側，且距邊緣樁中心僅22m。實測結果表明，地表沉降沿盾構軸心基本呈現對稱分布，沉降最大值（6.4mm）出現在盾構軸心附近，且沉降值明顯小于埋深比更大的斷面3等。這可能旋噴樁施工時由于土體劈裂效應，在旋噴樁體外還存在一些支體。支體是因為土裂縫造成的，其數量、粗細和長短與土的裂隙狀況及噴射施工參數有關。也就是說復合地基的實際影響區域略大于加固區域，由于斷面2距加固區較近，受旋噴樁加固影響較大，因此其沉降較小。

糾偏曲線自K2+145起始，在盾構糾偏曲線內選取具有代表性的4條橫向斷面，并利用Peck方程進行擬合，可得如下規律：

1.隨盾構埋深的增加，沉降槽的最大沉降值明顯減小。由圖可得，隧道埋深10.4m時，其最大沉降值為14.2mm；隧道埋深為11.36m時，最大沉降值為13.1mm；埋深為14.1m時，其值為9.5mm；埋深為18.2m時，其值為3.8mm。沉降槽的最大沉降值與隧道埋深基本呈現良好線性關系。

2.隨盾構埋深的增加，沉降槽影響寬度呈現增加趨勢。隧道埋深10.4m時，其左側橫向影響范圍為15m，右側為10m；隧道埋深為11.36時，其左側橫向影響范圍為-20m；埋深達到14.1m時，其左側影響范圍為30m。沉降槽的影響范圍隨隧道埋深呈現明顯增大趨勢。

3.整個個斷面沉降槽均基本呈偏態分布，軸線左邊影響范圍大于軸線右側。由于割線始發完畢之后，盾構即刻進入連續向右糾偏狀態。由于糾偏勢必會造成盾構軸曲線外側超挖，引起超挖側土體向盾構一側的移動和流變，因此沉降槽左側影響范圍大于右側。

四、結語

1.結合盾構施工接收端的設計軸線、工程地質條件與周邊環境，制定了一套適合于超大直徑盾構在全黏土地層中小曲線半徑始發的施工方法，采取了如旋噴樁凍結加固洞口、盾構參數選擇優化等措施，保證了盾構的順利始發與掘進。

2.將原1500m圓曲線始發的設計線路調整為“先割線、后糾偏、再匯合”線路。代表性斷面的地表沉降實測數據證實此種線性不僅提高施工安全性，還可有效保證沉降不超過規范限制，有效保護周邊環境，對類似工程始發掘進具有一定指導作用。

3.實測資料表明，盾構施工擾動程度隨離盾構距離的增加呈衰減趨勢，且與盾構掘進的平面曲線線性相關，曲線施工會造成沉降槽在盾構軸線兩側的偏態分布，糾偏曲線外側沉降值較內側大且影響范圍廣。