小半徑曲線TBM隧道的掘進問題分析

冉光耀，王清波，李 淵，陳壽根

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.中交二局第三工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 前 言

20世紀后期，曲線型隧道逐漸取代直線型隧道成為隧道選線的熱門選擇，相比于其他施工方法，盾構法使得隧道的極限轉彎半徑更小，而且由于外殼的防護限制了地層變形，使得施工更加安全。日本土木學會制訂的《隧道標準規范(盾構篇)及解說》[1]提出解決小曲線半徑施工有效措施。N.Loganathan and H.G.Poulos(1998)[2]利用Le等提出的地層損失間隙參數G,采用橢圓形土體移動平面，提出了預測地層垂直沉降和水平位移的解析解。趙丹[3]提出盾構在小半徑工況下的盾尾間隙的計算值，并對盾尾間隙對地表位移的影響進行數值分析。凌宇峰[4]提出通過調整盾構機刀盤進土位置對盾構機掘進軌跡進行糾偏。

本文以深圳市地鐵六號線二期工程翰梅區間TBM在小半徑曲線段隧道掘進為工程背景，研究雙護盾TBM在小半徑曲線隧道的掘進難點以及相應的措施，重點就小半徑曲線軸線控制以及TBM糾偏技術展開探討，為以后類似工程提供技術和施工建議。

民樂停車場出入線隧道(見圖1)線路起點為深圳地鐵6號線二期工程翰梅區間，線路出區間后以R=300 m曲率半徑(曲線段長750 m)往西轉，沿塘朗山西行1 km，以R=260 m曲率半徑(曲線段長600 m)往東轉接入民樂停車場。該段區間左線最小曲線半徑R=270 m，右線最小曲線半徑R=260 m，曲線段長度占區間長度50%。區間主要采用TBM工法(長2399.59 m)施工，TBM掘進機掘進的極限曲線半徑為260 m。

圖1 停車場出入線隧道

1 小半徑曲線隧道的難點

雙護盾TBM油缸分區壓力的不連續使得施工對地層擾動增加；曲線段管片拼裝質量較直線段差，管片接縫多，易漏水。周舟[5]分析了小半徑曲線地鐵隧道盾構法施工易出現的問題,并給出解決地層沉降的解決措施。蒙曉蓮[6]發現在采用適當技術和良好操作的正常施工條件下，小半徑曲線掘進將增加地層損失。

曲線隧道測站的多次轉站、換站使得坐標誤差累計增大；小半徑曲線隧道管片的側向分力較大以及盾尾空隙等原因，可能造成管片襯砌的移位，導致自動測量系統測站出現測量偏差；始發段為R=260 m的小曲線半徑洞內導線布設困難，且雙護盾TBM在全斷面微風化花崗巖中掘進振動大，導致測量導向系統頂臺不穩定，傳統的全站儀固定方式不滿足測量需要。

2 施工控制技術

李建斌[7]論述了雙護盾TBM的技術特點和地質適應范圍，并給出了TBM的主推力等計算。

2.1 擴挖刀墊厚

TBM在擴挖施工時在邊刀刀座與滾刀之間增加墊片，使邊刀外伸以達到擴挖的目的，以此增大洞壁與TBM外殼之間的間隙，滿足TBM轉彎半徑的要求，如圖2所示。

圖2 邊滾刀外移擴挖

超挖有利于TBM在曲線段掘進時轉向。但是，反面土體的松散致使背后注漿漿液向掘削面迂回，由于推進反作用力的下降，致使隧道變形等問題更加明顯。因此，最終的超挖量應該控制在必要的最小限度范圍內。

2.2 鉸接裝置的使用

將普通TBM掘進機與鉸接式TBM掘進行對比，見表1。

表1 普通TBM掘進機與鉸接式TBM掘進對比

2.3 TBM掘進監測

圓曲線上需每隔18環布設一個頂臺，并嚴格控制頂臺高度。洞內邊臺采用同邊雙邊臺，邊臺布設盡可能拉長(圓曲線上每80環、緩和曲線上每90環、直線上每100環布設一組邊臺)。采用雙導線進洞，通過對測量頂臺的改進，成功解決了因振動大而無法測量的問題，傳統頂臺見圖3，改進后的測量頂臺如圖4所示。要求測量頂臺在高度方向上盡可能低，頂臺架圓盤中心距管片豎向高度在46 cm左右，當1根錨桿無法滿足頂臺固定要求時，可以采用多根錨桿加強固定。隧道內間距20～30環布置測量吊籃。TBM推進采用自動測量系統，推進時每2～3 min自動測量一次TBM姿態，也可以根據實際工況調整測量頻率。

圖3 傳統頂臺

圖4 優化后單點懸吊頂臺

3 小半徑曲線隧道糾偏

TBM掘進姿態控制在最大允許偏差的60%。隧道軸線以及管片錯臺的允許偏差如表2所示。

表2 隧道軸線以及管片錯臺的允許偏差和檢驗方法 單位：mm

改變分區油缸壓力。TBM的推進油缸按上、下、左、右4個扇形分布，當TBM偏離設計軸線時，可在偏離方向相反處，調低該區域推進油缸壓力，造成兩推進油缸的行程差；通過停開部分推進油缸獲得行程差，但此時襯砌區域受力不勻，容易使管片損壞。一次糾偏量過大，TBM內殼對襯砌產生很大的集中荷裁，導致管片內力激增，混凝土開裂破壞；同時，TBM殼體與周圍土體產生單邊擠壓和剪切，引起土體損失和地面沉降。需要注意的是推進油缸4個區域壓力分布呈線性狀態。

4 結 語

深圳六號線民樂停車場出入線隧道的曲率半徑最小段其半徑僅為270 m，由于其曲率半徑小的特點，使得隧道在掘進過程中的軸線控制成為了一個難題，通過運用帶鉸接裝置的TBM掘進機、擴挖刀墊厚、掘進軸線預偏設置和監測的及時反饋等措施以及采用小半徑曲線隧道糾偏的方法，將盾構機姿態及管片姿態調整到設計允許范圍，達到了預期效果。

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