超大直徑泥水盾構小半徑曲線轉彎研究

王 靜/WANG Jing

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著城市建設的發展，公路隧道合建方案成為高效利用地下空間資源行之有效的途徑，超大斷面的公路、鐵路隧道建設逐漸增多，如雙向四車道或六車道公路隧道等[1]。受制于城市周邊密集建筑物的影響，小半徑曲線轉彎成為超大直徑盾構施工時的難點，如武漢兩湖隧道最小轉彎半徑為500mm、深圳春風隧道最小轉彎半徑為750mm等。為了滿足城市施工對地表沉降精度和施工風險的要求，此類工程一般選用泥水盾構，并采用無鉸接設計。同時，盾構設計單位會盡量縮短主機長度，配備具有伸縮擺動功能的主驅動、以實現超挖的目的，以便能順利通過小半徑曲線轉彎。本文以某項目為背景，理論分析超大直徑泥水盾構的小半徑曲線轉彎，為今后具有伸縮擺動功能盾構的轉彎提供參考。

1 工程背景

本項目的開挖直徑為15.02m，盾體總長為14.5m，前中尾盾為無鉸接直徑階梯狀逐步減小設計。配備的伸縮擺動主驅動結構圖如圖1所示，內環與伸縮油缸連接，外環與盾體連接，伸縮機構后部安裝有多組伸縮油缸，通過伸縮油缸的不同伸縮行程控制，實現內環的伸縮與球鉸的擺動，最終使刀盤具備伸縮和擺動超挖功能。

根據施工經驗，盾構的姿態調整主要限制在主機部分，本文僅以主機為研究對象。盾構在小半徑曲線轉彎處于卡盾狀態時，圖2中C、D點距離隧道的距離均為零，本文以此狀態為極限狀態研究盾構的最小轉彎半徑。

圖1 主驅動伸縮擺動示意圖

圖2 主機處于卡盾狀態示意圖

2 轉彎模擬研究

2.1 無伸縮擺動狀態下的轉彎

如圖3所示，刀盤在無伸縮擺動情況下，開挖直徑為15.02m，單側不超挖，此時最小轉彎半徑約為700m，此時等同于主機之間均為剛性連接。

圖3 無伸縮擺動狀態下的最小半徑轉彎

2.2 伸縮擺動狀態下的轉彎

如圖4～9分別為超挖5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm狀態下的最小半徑轉彎，通過主驅動后部的伸縮油缸，推動刀盤伸出、帶動主驅動擺動，使刀盤超挖5mm，單側開挖半徑達到7.515m，此時最小轉彎半徑為650m。刀盤超挖10mm時最小轉彎半徑約為600m。刀盤超挖15mm時最小轉彎半徑約為550m。刀盤超挖20mm時最小轉彎半徑約為520m。刀盤超挖25mm、轉彎半徑為520m時，開始出現盾體與隧道干涉現象。刀盤超挖30mm、轉彎半徑為520m時，盾體與隧道的干涉達到5mm。

圖4 超挖5mm狀態下的最小半徑轉彎

圖5 超挖10mm狀態下的最小半徑轉彎

圖6 超挖15mm狀態下的最小半徑轉彎

圖7 超挖20mm狀態下的最小半徑轉彎

圖8 超挖25mm狀態下的轉彎

圖9 超挖30mm狀態下轉彎

3 結 論

1）本項目在通過伸縮擺動在達到超挖量為20mm時，最小轉彎半徑達到了520mm，相比無超挖時，減小了最小轉彎半徑。可見，超大直徑泥水盾構配備伸縮擺動主驅動，能夠實現超挖的目的，這在一定程度上有助于通過小半徑曲線。

2）本項目在超挖量為25mm、30mm時，開始出現盾體外側與開挖隧道干涉的情況，說明此時超挖不是實現小半徑曲線轉彎的主要手段，超挖量并非越大越好。

通過對比具有鉸接的盾構，本法發現具備伸縮擺動功能的盾構，在一定程度上與具有鉸接的盾構類似，此時刀盤和主機其他部分之間具有一定的柔性，這對于通過小半徑曲線十分有利。

超大直徑泥水盾構為了減少施工風險，一般來說不帶鉸接，這對于小半徑轉彎來說，方向控制比較困難。設計單位應選擇合適的超挖量、配備多種監測裝置（如盾尾間隙測量裝置、開挖直徑檢測裝置等）；施工方可從控制注漿量、注漿質量、推進速度、保證管片拼裝質量等方面采取措施以便盾構順利通過小半徑曲線[2]。（注：本文系科研項目支持下完成，課題名稱：?15.8m超大直徑氣墊式泥水盾構關鍵技術研究及應用；課題編號：裝備研合2017-23。）