雙鉸接微盾構擬合S形小轉彎半徑隧道施工技術

蔣尚志 許劍波 楊錦濤 陳 狀 王 強

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430070

隨著國內城市化進程的快速推進，城市中配套的一些地鐵、公路、綜合管廊等地下隧道工程增多，由于成本、工期、施工條件等原因限制，該類綜合管道均為小直徑小轉彎曲線隧道（轉彎半徑小于200 m）。在隧道施工過程中，小轉彎半徑隧道的擬合尤為重要。雙主動球形鉸接可以適應于小轉彎半徑的隧道，但是同時具備盾構姿態過于靈活、難以控制的特點[1]，導致盾構機姿態趨勢與線路趨勢不符，使隧道軸線與線路軸線存在較大的夾角，產生成形管片連續的質量問題，甚至出現線路偏差的現象，造成嚴重的質量問題。本文對雙主動球形鉸接盾構擬合小轉彎半徑隧道的控制進行了重點研究，利用盾構機操作系統反饋數據，總結出小轉彎半徑隧道擬合的關鍵技術。

1 工程概況

徐州市區污水管網提質增效一期工程施工15標段包括湖北路（含煤建路）、西安北路污水管網。主要施工內容包括2條盾構主線，最小轉彎半徑100 m。

其中，西安北路—建國西路DN2 000盾構主線1 429 m，管底高程23.18～24.20 m。黃茅崗—煤建路DN2 000盾構主線1 041 m，管底高程23.24～24.80 m。盾構機最大開挖直徑2 845 mm，采用外徑2 600 mm、內徑2 100 mm、厚度250 mm的C50預制混凝土管片；隧道坡度：0.08%/0.1%。

根據地質勘探報告，場地勘察深度范圍內第四系土層主要有填土、粉土、粉質黏土、黏土等，下伏基巖主要為寒武系灰巖，局部分布有泥灰巖、粉砂巖、泥巖以及角礫巖。地下水主要接受大氣降水以及河流等地表水的入滲補給，河水與地下水成補給關系。地下水水位29.4～29.8 m，埋深1.4～5.3 m。受季節性降水影響，年變幅1.0～3.0 m。

2 技術特點與原理

徐州提質增效項目黃茅崗—煤建路區間S形曲線總長度91.7 m，兩段曲線長度分別為36.2、54.2 m，中間僅有1.3 m長度的直線作為過渡，具有曲率大、長度小且兩段曲線方向完成相反的特點。目前，小曲線轉彎盾構設備上應用的鉸接形式為平面鉸接，轉彎能力有限，不能滿足小曲線轉彎要求，因此本工程選擇雙主動球形鉸接盾構機，長度10.8 m。

通過位于中盾與前盾、尾盾連接處的2道主動球形鉸接配合，將盾構機盾體的三部分最大程度與線路曲線進行擬合，從而實現隧道中心線與線路中心線的高度重合。雙主動球形鉸接由8個鉸接油缸及控制閥組成（圖1、圖2），鉸接油缸成周向分布，分為4組進行控制，調整時4組全部動作，轉彎方向一側油缸縮回，另一側伸出。

圖1 鉸接油缸分布情況

圖2 鉸接油缸示意

3 施工準備

1）盾構抵達曲線時的施工位置。依據線路平面圖的信息，對隧道進行管片排版，并根據每段曲線的起點、終點里程以及曲線長，計算出盾構機掌子面抵達曲線起點、終點的具體環號、行程。盾構機抵達該位置前再次根據盾構機實際里程，對進入曲線的位置進行復核、確認。

2）雙主動球形鉸接的伸長量模擬。根據盾構機在該曲線段掘進的情況，進行盾構機圖紙與線路線型的CAD模擬、計算，通過盾構機鉸接伸長產生的夾角與線路轉向產生的夾角對比，當2道主動鉸接的伸長均與線路轉向的夾角一致時，對該狀態下的盾構機線路進行模擬，保證盾構機軸線與線路中線偏差不超過50 mm。

3）對盾構機抵達半徑100 m曲線起點及其在此曲線擬合掘進工況進行模擬（圖3～圖5）。

圖3 盾構直線段模擬

圖4 盾構曲線段模擬

圖5 理論鉸接行程差

根據上圖得到在直線段與半徑100 m的曲線上，鉸接產生了相對位移，在半徑100 m的圓曲線段，本盾構機的雙球形鉸接的伸長量模擬值為53 mm。

4）復測鉸接油缸行程，確保油缸行程顯示準確。

5）對盾構機進行零位復核，實測盾構機切口里程、盾構姿態是否與導向系統存在偏差，如有偏差及時糾正。

6）進入曲線施工時，在前1～2環調整設備基本處于隧道基線上，保證無偏移，盾構機主機扭轉角度修正為0°。

4 施工控制要點

4.1 掘進過程鉸接控制

1）根據多次里程計算校正后，盾構機掌子面抵達曲線段，此時將鉸接按照理論計算伸縮量53 mm全部打開，盾構掘進速度按照10 mm/min進行控制。過程中密切關注盾構姿態變化情況，根據姿態變化的速度進行調整。

2）若盾構機切口姿態距離軸線位置存在偏差，應根據盾構機姿態與線路中心的相對位置關系進行適量糾偏。使盾構機姿態在線路中心外側的鉸接伸縮量大于理論量，盾構機姿態在線路中心內側的鉸接伸縮量小于理論量，讓盾構機更好地擬合線路。

3）后部鉸接相較于前部鉸接進入曲線較晚，因此兩處鉸接伸長的初始時間不同，前盾長度3.624 m，前部鉸接位于前盾與中盾連接位置，后部鉸接位于中盾與尾盾連接位置。因此，在盾構機切口抵達曲線起點位置3.624 m（約4.5環）后，按照理論鉸接行程伸長后部鉸接。

4）根據盾構施工自身特性，后部4組鉸接油缸在地層中的前進軌跡應與前部4組保持一致。即前后2道鉸接的伸長量應盡量保持一致，不宜產生較大的差值，將其控制在5 mm內，否則盾構機后部鉸接與線路會產生一定夾角，導致成形管片姿態超限。

5）隧道曲線段轉彎掘進完成后，根據測量數據緩慢調節鉸接裝置，使設備姿態回歸直線，繼續直線段掘進。

6）盾構機切口抵達兩處曲線交點時，鉸接逐漸收回，在前部鉸接抵達交點時，將球形鉸接的伸縮量全部調整至相反方向。過程中降低推進速度至10 mm/min以下。鉸接收回過程中持續關注盾構切口姿態，控制在50 mm內。

7）小轉彎曲線段掘進時，盾構機掘進速度按照10～20 mm/min進行控制。

4.2 同步注漿控制

1）小半徑曲線施工時，管片從盾尾脫出后如果不能立即與周圍土體形成一體，盾構推進就不能充分取得反力，導致產生較大的管片變形，增加隧道位移的危險性。

2）同步注漿選擇體積變化小、早期強度高的材料。

3）曲線段推進必然導致土體損失的增加。由于設計軸線為S形曲線，實際推進過程中，盾構掘進軸線為多段折線，且曲線外側出土量大，必然造成曲線外側土體的損失，并存在施工空隙。因此，在曲線段推進過程中，同步注漿必須加強曲線外側的壓漿量，填補施工空隙，加固外側土體，使盾構順利沿設計軸線推進。

4）每環注漿量不少于1.2 m3，注漿壓力按照曲線內側0.20～0.25 MPa，曲線外側0.25～0.30 MPa控制。

4.3 管片拼裝選點

本工程施工采用雙面楔形管片，楔形量30 mm，環寬800 mm，內徑2 100 mm。盾構掘進過程中，根據盾尾間隙、油缸行程、線路趨勢進行準確拼裝選點。要求將拼裝楔形量小的一側選在曲線內側。若遇曲線內側位置無間隙、油缸行程差大，應根據上下位置的情況，進行拼裝選點，此時盾構機保持正常推進，管片減緩轉向趨勢后，盾尾間隙、油缸行程差在2～3環即會恢復正常。避免將楔形量小的一側拼裝至曲線外側，導致管片趨勢與線路趨勢相悖，使盾構機趨勢無法匹配線路趨勢，形成線路偏差。

4.4 盾構糾偏控制

1）盾構機即將完成第1處小轉彎曲線掘進時，將盾構姿態控制在第1處小轉彎曲線內側位置50 mm以內，同時對第2道小轉彎曲線內側50 mm進行模擬，即在兩處小轉彎曲線內側分別進行割線，割線與線路最大距離不超過50 mm，割線長度應按照盾構機整機長度進行考慮。

2）若在S形小轉彎曲線上盾構機姿態發生偏差，應及時進行糾偏，控制調整盾構機姿態相對線路趨勢。

3）盾構掘進過程中應注意保持盾構機呈現C形構造，通過前后2道鉸接使盾構機與線路貼合。

4）糾偏過程應及時進行低速掘進，必要時采取將曲線內側油缸進行屏蔽，增加曲線外側推進油缸撐靴處墊板等措施。過程中加強螺栓復緊以及管片外觀質量控制，如發現連續管片質量問題，及時檢查整改。

5）盾構糾偏保證相對趨勢數值按照不增大、減少、0、小于0的過程進行，及時控制趨勢，避免偏離值過大。

6）相對趨勢數值不增大，則代表盾構偏離軸線趨勢已經得到控制。盾構機姿態會持續按照趨勢進行偏離，此時的趨勢為最大趨勢。相對趨勢數值減小，則代表盾構姿態偏離線路的趨勢已經減緩，此時盾構機持續按照趨勢進行偏離。相對趨勢數值為0，此時盾構機與線路基本處于平行狀態，此狀態為糾偏的臨界點，盾構機不再進行偏離，偏離姿態達到最大值。若盾構機未達到相對線路平行狀態，則會持續產生偏離，且盾構機處于Z字狀，不利于快速糾偏。相對趨勢數值小于0，此時盾構姿態開始向線路方向靠攏，此過程糾偏結果較明顯。本階段需注意盾構管片趨勢與盾構機趨勢相符。

7）糾偏過程中鉸接伸縮量調整每次不超過3 mm，并根據推進中盾構機姿態的實時變化情況進行優化調整。

5 結語

在微盾構S形小轉彎半徑隧道施工中，采用球形雙鉸接配合盾構機精確的參數反饋，是確保順利掘進和工程質量安全的關鍵。現黃茅崗—煤建路區間已經掘進完成，其余S形曲線共計26個工作日，平均每日掘進8環。根據規范要求，該成形隧道的平面位置和高程偏差的控制值為±150 mm，經對本段成形隧道測量，結果顯示，平面位置偏差的最大值達到規范控制值的23.33%，高程偏差的最大值達到規范控制值的26.67%。

本工程基于雙主動球形鉸接盾構機擬合小轉彎半徑隧道，通過雙主動球形鉸接伸長量的合理控制，使微盾構趨勢與線路趨勢相符合，對小轉彎半徑隧道的擬合更為貼切，保障了盾構工程線路精準及質量。其相關思路和措施可供本項目剩余盾構區間或具有類似特點的市政管線及綜合管廊工程盾構施工項目參考。