小半徑曲線、大坡度飽和軟黃土地層條件下盾構施工技術

田志龍

摘 要：在小曲線過飽和軟黃土盾構施工時，控制地表沉降與成型隧道質量是盾構施工的關鍵。飽和軟黃土由于長期處于飽和狀態，多成軟塑和流塑，承載力底，壓縮性較高，為軟弱地層，出現地面不均勻沉降和建構筑物沉降破壞等問題。而且由于曲線的半徑過小，盾構作用于管片后座的側向分力很容易使成環管片外移，產生管片環的高差，同時已建成的隧道在盾構機的推力作用下，極易產生偏移，軸線控制難度較大。

關鍵詞：飽和軟黃土;軟弱地層;小半徑曲線;大坡度;盾構法施工

盾構法施工是以盾構機為隧道掘進設備，以盾構機的盾殼作支護，用前端刀盤切削土體，由千斤頂頂推盾構機前進，以開挖面上拼裝預制好的管片作襯砌，從而形成隧道的施工方法。盾構法下穿飽和軟黃土地層的地表沉降控制成為一大難題;且需在下穿飽和軟黃土地層同時通過小半徑曲線大坡道隧道;小半徑曲線地段的軸線控制難度較大，同時管片向外側扭曲而擠壓地層使地層和管片結構均受到復雜的影響。

工藝特點：（1）滿足盾構法過飽和軟黃土地層地表沉降控制（2）可保證盾構法施工隧道成型質量。

適用范圍：（1）對于小半徑曲線大坡度地段有利于減少管片的碎裂和隧道的整體防水（2）可有效控制飽和軟黃土地區地表沉降或隆起，避免地面建構筑物破壞。（3）用于地面建構筑物安全及成型隧道質量要求較高處。

一、工程概況

區間隧道為小半徑曲線大坡度，并處在覆土較厚的飽和軟黃土地層中，管片采用1.5m管片，施工人員如不能很好地控制，將造成盾構機與管片之間卡殼、管片碎裂、錯臺、滲漏水、地表沉降嚴重等問題。由于曲線的半徑過小且飽和軟黃土可塑性較差，盾構作用于管片后座的側向分力很容易使成環管片外移，產生管片環的高差，同時已建成的隧道在盾構的推力作用下，極易產生偏移，軸線控制難度較大，地表沉降難以控制。

（一）設備選型

盾構穿越小曲線，使用小松盾構機;小松盾構機采用的是主動鉸接，對于小半徑曲線糾偏有較好的控制，同時確保鉸接密封不出現滲漏等情況。對刀盤配備的2把超挖刀進行了更換，確保在小半徑段推進時對隧道線性的擬合度。

盾構穿越飽和軟黃土，該地層有變形過大、不均勻沉降、厚度可變的特性，施工時自承能力差，不易穩定，當盾構穿越該地層含水量較大時，易發生涌水涌泥，對盾構機螺旋、對閘門密封、密封刷，同步注漿機、同步注漿壓力傳感器及流量計和氣動閥進行全面檢查，完全確保盾構機在穿越飽和軟黃土安全有效的通過。

（二）主要考慮因素及措施

本工程主要考慮兩個因素：（1）小曲線大坡度軸線控制難度大。線路曲線段最小半徑為R=350m，軸線控制難度較大，同時管片向外側扭曲而擠壓地層使地層和管片結構均受到復雜的影響。（2）盾構穿越飽和軟黃土地層沉降控制難度大。隧道上方為城市主干道，沉降控制要求高，地表沉降控制值-30mm，沉降速率控制值2mm/d。

措施：選擇合理的掘進參數，制定合理的監測方案。

二、施工工藝流程及施工方法

（一）管片選擇與拼裝

在盾構法施工中，管片的選型和安裝好壞直接影響著隧道的質量和使用壽命。就盾構管片選型和安裝技術做總結分析。

右線經計算從第65環進入圓緩曲線，其R350m的小曲線上共計220環管片。根據公式：36.2/6000=L/350? ? ? ? ?L=2.112

由此得出轉彎環：標準環=2.112：1，因此在推進過程中每2環核查一次楔形量。

利用每一環的理論楔形量指導推進（1.5/350=X/6000? ? ?X=25.7mm）。

推進前后左右行程差變化量為25.7mm。

左線經計算從第22環進入圓緩曲線，其R350m的小曲線上共計222環管片。根據公式：36.2/6000=L/350? ? ? ? ?L=2.112

由此得出轉彎環：標準環=2.112：1，因此在推進過程中每2環核查一次楔形量。

利用每一環的理論楔形量指導推進（1.5/350=X/6000? ? ?X=25.7mm）。

（二）管片拼裝舉例

（1）左側油缸行程300mm，右側油缸行程280mm。左右鉸接度數=0°，推進前左右行程差為20mm。

（2）推進完成后左右油缸行程差為40mm，即變化20mm。左側油缸行程1840mm，右側油缸行程1800mm。

（3）檢測盾尾間隙是否均勻，在間隙均勻的情況下選擇右轉環拼1點，由此左超36.2mm，上超1.8mm。

（4）拼完之后油缸行程：左側303.8mm，右側300mm，行程差3.8mm。

（三）盾構機姿態控制

盾構掘進過程中，管片在承受側向壓力后將向弧線外側偏移。特別在飽和軟黃土地層，盾構機姿態不易控制。為了使隧道軸線最終偏差控制在規范要求的范圍內，盾構掘進時考慮給隧道預留一定的偏移量，將盾構機掘進水平姿態控制在圓曲線內，確保曲線段施工的推進軸線控制，減少管片外弧碎裂、控制管片偏移量及地表沉降量符合要求。

在曲線上掘進時，以盾構機長度8.68m作割線，盾構機推進水平趨向按照割線進行控制。使整個盾構機沿著曲線內弧面前進，縮小盾構機軸線與隧道中心線之間的夾角。必要時，開啟水平鉸接，使盾構機更好地擬合曲線前進。

盾構機掘進進行糾偏時，宜慢不宜急，防止盾構機蛇行量過大，一般每環糾偏量不宜超過5mm。為避免盾構掘進“急糾”，盾構掘進時，考慮給隧道預留一定的偏移量，將盾構機沿曲線的割線方向掘進，管片拼裝時軸線位于弧線的內側，以使管片出盾尾后受側向分力向弧線外側偏移時留有預偏量。

（四）管片背后注漿

理論注漿量：

根據刀盤開挖直徑和管片外徑，可以按下式計算出一環管片的注漿量。

V=π/4×K×L×（D2-D22）式中：

V —— 一環注漿量（m3）

L —— 環寬（m）

D1—— 開挖直徑（m）

D2—— 管片外徑（m）

K—— 擴大系數取1.5～2

代入相關數據，可得：

標準盾構：V=π/4×（1.7）×1.5（38-36）=4.2m3

理論注漿量：V=4.2 m3

由于注漿量飽和，因此管片不易發生偏移錯臺、滲漏水及地表沉降現象。

小曲線半徑、大坡度掘進時控制參數表

掘進速度mm/min 推力（kN） 扭距（kN·m） 刀盤轉速（r/min） 土倉壓力（bar）

20～30 8000～12000 1800～2500 1.0～1.4 1.7～1.9

（五）掘進過程管控

（1）加強螺栓復緊

每環推進結束后，必須對當前管片連接螺栓進行復緊，并在下環推進過程中再復緊一次，克服作用于管片上的推力所產生的垂直分力，減少成型隧道上浮，每掘進3環對拖出盾尾的管片進行一次復緊。此過程由班組長監督落實，并將螺栓復緊情況做好記錄。

（2）加強監測頻率

在小半徑大坡度曲線飽和軟黃土地層段推進時，適當增加隧道測量的頻率，應通過多次測量來確保盾構測量數據的準確性，同時也可以通過測量數據來反饋盾構機的推進和糾偏。因此，太～興區間隧道監測約25環移站一次，每10環監測盾構成型隧道姿態。

（3）嚴格控制推進速度

推進時速度控制在2～3cm/min，既可以避免因推力過大而引起的側向壓力的增大，又能減少盾構推進過程中對周圍土體的擾動。

（4）嚴格控制土倉壓力

盾構在推進過程中土倉壓力，上部壓力控制在0.12Mpa，下部壓力控制在0.15Mpa，為防止過量超挖、欠挖，盡量減少土倉壓力的波動，其波動值控制在0.02Mpa。

（5）盾尾間隙控制

小半徑曲線段內的管片拼裝至關重要，而影響管片拼裝質量的一個關鍵問題盾尾間隙。合理的盾尾間隙既便于管片拼裝，也便于盾構機進行糾偏。因此，盾構機司機在掘進前，掘進后，拼裝前、拼裝后分別進行盾尾間隙量測、對比，便于及時進行合理調整，并將數據做好記錄。

三、應運實例

西安地鐵五號線太乙路站～興慶路站區間隧道埋深約9m～26m，區間最大平曲線半徑為1500m，最小平曲線為350m，最大坡度為（上坡）28.5‰，最小坡度為（下坡）2‰;區間穿越大厚度飽和軟黃土;本區間現已安全、順利貫通，盾構區間質量及地表沉降均符合要求。

四、結語

本工程采用盾構法穿越小曲線大坡度飽和軟黃土地層，線路上方為城市主干道，線路曲線半徑小、坡度大、地層不穩，線路兩側建筑物眾多。通過嚴格控制管片選型、管片拼裝、盾構掘進參數，加強施工監測等手段，能實現穿越過程中地表沉降、建筑物沉降均受控、隧道中心線符合要求、管片拼裝質量好、無滲漏水的目標。