小半径曲线地铁隧道盾构施工工法

1小半径曲线地铁隧道盾构施工工法中铁二局股份有限公司城通公司1.前言上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道由正线（双线）及出入段线（两段）两部分组成，全长6249.676m，采用盾构法施工。两岔道井将区间正线分割成三部分共六段盾构隧道。在正线的东、西岔道井之间及线路北侧为东、西车辆出入段线，呈“八”字形分布，东、西出入段线最小曲率半径为230m。中铁二局股份有限公司城通公司联合设计单位和大专院校开展了科技创新，取得了“三线近距、斜交、小半径、大坡度地铁盾构法施工综合技术”研究成果，于2007年通过四川省科技成果鉴定，获得四川省科技进步三等奖。我们对此技术的应用进行了总结，形成了本工法。2.工法特点2.1适用范围广，适用于软土地层土压平衡盾构机小半径曲线掘进2.2轴线偏差小，控制在2～3cm内2.3管片外弧碎裂和管片渗水较少2.4采用带有超挖刀的铰接式盾构用于小半径曲线掘进3.适用范围软土地层平面小半径曲线（R≤350）盾构法施工的隧道工程。4.工艺原理4.1利用详细的盾构机参数选型及具体的管片宽度选择，预偏量设定，密集的监控量测频率和及时优化的盾构施工参数控制的综合运用，保障了盾构小半径曲线掘进的顺利施工。4.2将数据处理和信息反馈技术应用于施工，利用监控量测指导施工，动态修正施工方法和支护参数，以信息化施工技术为贯穿全过程的主线，全面控制和优化盾构施工参数，确保施工安全、快速。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程2初设盾构参数加强螺栓复紧管片注浆加固轴线预偏设置纵向设加劲肋施工准备管片选择盾构机选型辅助措施满足小半径曲线掘进要求No小于基准掘进优化盾构施工参数监测隧道（沉降、位移、收敛）小半径曲线施工完成Yes图5.1小半径曲线隧道盾构法施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1盾构机选择1、适当的超挖量盾构刀盘上需安装有一定超挖范围的超挖刀。在小半径曲线施工时，进行盾构外周（大于盾构机外径）的超挖，超挖范围可在切削刀盘旋转角度范围0-359度之间设定。超挖量能根据下限设定值及上限设定值的选定来设定。仿形刀的动作范围与行程可在运行操作台上显示并可任意设定。为了工程的安全起见，须装备二把超挖刀，一把备用。根据推进轴线情况进行部分超挖时超挖量越大，曲线施工越容易。但另一方面，超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面，加上曲线推进时反力下降的因素，会产生隧道变形增大的问题。因此，超挖量控制在超挖范围的最小限度内。2、铰接角度满足要求盾构机增加铰接部分，使盾构切口至支撑环，支撑环至盾尾都形成活体，增加了盾构的灵敏度，可以在推进时减少超挖量的同时产生推进分力,确保曲线施工的推进轴线控制。管片外弧碎裂和管片渗水等情况得以大大改善。铰接角度α=（L1+L2）×180/π×R其中L1、L2分别为铰接盾构的前体和后体，R为曲线半径，α为盾构机在小半径曲线上的铰接角度，此角度应小于盾构机自身的最大铰接角度。通过固定铰接千斤顶行程差来固定盾构机的铰接角度，从而使盾构机适应相应得曲线半径。铰接千斤顶行程差mm=千斤顶最大行程差×（左右铰接角度deg）/最大左右铰接角度deg。5.2.2管片选择1、使用大楔形量的管片1)大楔形量管片排版方式能很好的拟合小半径曲线。2)楔形量的计算与确定3)楔形量应综合根据管片种类、管片宽度、外径、曲线半径、曲线区间楔形环使用比例、管片制作方便性及尾隙大小而决定，由于受管片配筋的制约,大多混凝土类的管片的楔形量在75mm以内。一般楔形量与管片外径的关系如下表。表5.2.1楔形量与管片外径的关系表管片外径D/mD44≤D≤66≤D≤88≤D≤10D≥10楔形量/mm15～7530～8030～9040～9040～7034).楔形量(δ)的计算方法LLkkARD21（5.2.2）δ——楔形环的楔形量；D——管片外径,本例为6.2m；R——圆曲线半径，本例为230m；A——标准环与楔形环环数比,本例中为1/6；Lk1——标准环的宽度,本例为1.2m；Lk2——楔形环的公称宽度，本例为1m.根据楔形量计算公式，可算得楔形量为32.34mm，可以很好的拟合R=230m小半径圆曲线。2、减小管片宽度对于小半径曲线地段，根据上海地铁类似工程的施工经验，采用宽1.0m管片。管片宽度采用1.0m比1.2m更有利于线路曲线的拟合，管片拼装更容易，也有利于减少管片的碎裂和隧道的整体防水。5.2.3隧道管片壁后注浆加固隧道每掘进完成2环，及时通过隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固，加固范围为管片壁后2m。5.2.4隧道内设临时纵向加强肋针对小半径曲线上隧道纵向位移较大，在隧道开挖面后50～60m范围管片设置加强肋以增强隧道纵向刚度，控制其纵向位移。加强肋采用双拼[18a槽钢用钢板焊接成型，然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接，从而将隧道纵向连接起来，以加强隧道纵向刚度。加强肋长2.4（2）m，为两个管片宽度，位于隧道管片的两腰部分各4根共8根，加强肋与管片连接采用M56螺栓与注浆孔连接为一体，加强肋之间纵向连接采用M30螺栓。加强肋部位及构造详见加强肋构造图5.2.4-1、图5.2.4-2及图5.2.4-3。随着掘进向前推进，随时增加前面及拆除后面的加强肋，保持加强肋长度在恒定范围内。图5.2.4-1纵向加强肋示意图（一）4图5.2.4-2纵向加强肋示意图（二）5图5.2.4-3纵向加强肋示意图（三）5.2.5加强螺栓复紧每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下环推进时进行复紧，克服作用于管片推力产生的垂直分力，减少成环隧道浮动。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次。5.2.6盾构推进轴线预偏盾构掘进过程中，管片在承受侧向压力后将向弧线外侧偏移。为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时考虑给隧道预留一定的偏移量。根据理论计算和相关施工实践经验的综合分析，同时需考虑掘进区域所处的地层情况，在小半径曲线隧道掘进过程中设置预偏量20～40mm左右,见图5.2.6所示。曲线半径越小，设置的预偏量越大。施工工程中，通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。65.2.7盾构测量与姿态控制在小曲率段推进时，应适当增加隧道测量的频率，通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性。同时，可以通过测量数据来反馈盾构机的推进和纠偏。在施工时，如有必要可以实施跟踪测量，促使盾构机形成良好的姿态。由于隧道转弯曲率半径小，隧道内的通视条件相对较差，因此必须多次设置新的测量点和后视点。在设置新的测量点后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，防止造成误测。同时，由于盾构机转弯的侧向分力较大，可能造成成环隧道的水平位移，所以必须定期复测后视点，保证其准确性。隧道内间距20～30环布置测量吊篮，每推进5环复测一次导线点。盾构机推进采用自动测量系统，推进时每2-3min自动测量一次盾构姿态。盾构机拼装后，应进行盾构纵向轴线和径向轴线测量，其主要测量内容包括刀口、机头与机尾连接中心、盾尾之间的长度测量；盾构外壳长度测量；盾构刀口、盾尾和支承环的直径测量。盾构机掘进时姿态测量应包括其与线路中线的平面偏离、高程偏离、纵向坡度、横向旋转和切口里程的测量，各项测量误差满足下表5.2.7要求：表5.2.7测量误差表测量项目测量误差测量项目测量误差平面、高程偏离值（mm）±5纵向坡度（‰）±1里程偏离值（mm）±5切口里程（mm）±10横向旋转角（）±3以盾构中心轴线作为X轴、垂直于轴线方向为Y轴、Z轴即为高程方向，刀盘中心作为坐标圆点。在刀盘后面固定螺杆盾构姿态的测量前点。利用激光站支架置镜在盾构主机支架上设一个支导线点、然后置镜支导线点后视激光站导线点测出A、B、C三点的大地坐标。因为A、B、C三点相对于O1O坐标轴有固定关系，根据A、B、C三点的实测坐标利用三维坐标转换关系就能定出O1O的实际位置及刀盘中心O的坐标，利用O点的实测坐标就能计算出盾构的实际里程以及前后参考点的俯仰情况，根据A、C两点的理论高差和实测高差就能计算出盾构的具体旋转情况，根据姿态的实测通过调整千斤顶和注浆压力来对盾构进行纠偏以达到盾构能按预定位置掘进。理论设计曲线盾构机盾构实际推进线向曲线内侧预偏20～40mm图5.2.6小半径曲线段盾构推进轴线预偏示意图7O1盾尾后参考点（X，Y，Z）（X，Y，Z）O固定的螺杆坐标圆点（前参考点）ABC（X，Y，Z）盾构姿态测量示意图表5.2.7盾构姿态测量示意图5.2.8盾构施工参数选择1、严格控制盾构的推进速度推进时速度应控制在1～2cm/min。即避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。2、严格控制盾构正面平衡压力盾构在穿越过程中须严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量（0.5～1mm）来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止过量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动，其波动值控制在0.02MPa以内。3、严格控制同步注浆量和浆液质量由于曲线段推进增加了曲线推进引起的地层损失量及纠偏次数的增加导致了对土体的扰动的增加，因此在曲线段推进时应严格控制同步注浆量和浆液质量，在施工过程中采用推进和注浆联动的方式，确保每环注浆总量到位，确保盾构推进每一箱土的过程中，浆液均匀合理地压注，确保浆液的配比符合质量标准。注浆未达到要求时盾构暂停推进，以防止土体变形。每环的压浆量一般为建筑空隙的200％～250％，为2.7～3.2m3/环，采用可硬性浆液，浆液稠度9～11cm，泵送出口处的压力不大于0.5MPa左右。具体压浆量和压浆点视压浆时的压力值和地层变形监测数据选定。根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆参数，从而有效地控制轴线。5.2.9土体损失及二次注浆由于设计轴线为小半径的圆滑曲线，而盾构是一条直线，故在实际推进过程中，实际掘进轴线必然为一段段折线，且曲线外侧出土量又大。这样必然造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此在曲线段推进过程中在进行同步注浆的工程中必须加强对曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙。每拼装两环即对后面两环管片进行复合早凝浆液二次压注，以加固隧道外侧土体，保证盾构顺利沿设计轴线推进。浆液配比采用：水泥:氯化钙:水玻璃＝30:1:1，水灰比为0.6。二次注浆压力控制在0.3Mpa以下；注浆流量控制在10～15L/min，注浆量约0.5m3/环。5.2.10严格控制盾构纠偏量盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，推进的关键是确保对盾构的头部的控制，由于曲线推进盾构环环都在纠偏，须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。除了采用楔型管片，为控制管片的位移量，管片纠偏采用楔形低压棉胶板或软木楔子，从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的。盾构推进的纠偏量控制在2～3mm/m。针对每环的纠偏量，通过计算得出盾构机左右千斤顶的行程差，通过利用盾构机千斤顶的行程差来控制其纠偏量。同时，分析管片的选型，针对不同的管片需有不同的千斤顶行程差。85.2.11盾尾与管片间的间隙控制小曲率半径段内的管片拼装至关重要，而影响管片拼装质量的一个关键问题是管片与盾尾间的间隙。合理的周边间隙可以便于管片拼装，也便于盾构进行纠偏。1、施工中随时关注盾尾与管片间的间隙，一旦发现单边间隙偏小时，及时通过盾构推进方向进行调整，使得四周间隙基本相同。2、在管片拼装时，应根据盾尾与管片间的间隙进行合理调整，使管片与盾尾间隙得以调整，便于下环管片的拼装，也便于在下环管片推进过程中盾构能够有足够的间隙进行纠偏。3、根据盾尾与管片间的间隙，合理选择楔型管片。小曲率半径段时，盾构机的盾尾与管片间间隙的变化主要体现在水平轴线两侧，管片转弯正常跟随盾构机，当盾构机转弯过快时，隧道外侧的盾尾间隙就相对较小；当管片因楔子量等原因超前于盾构机转弯时，隧道内侧的盾尾间隙就相对较小。因此，当无法通过盾构推进和管片拼装来调整盾尾间隙时，