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盾构过小半径曲线段施工技术总结
刘丹林 广州盾构地铁项目部
摘要： 以杨珠盾构区间300m半径转弯为例，分析和探讨盾构掘进过小半径曲线段的技术要点和措施，代以对一年的盾构施工技术作个总结。
关键字：盾构施工 土压平衡 小半径曲线
盾构施工是以盾构机盾壳为临时支撑，对土体进行开挖，同时用钢筋混凝土管片对围岩进行衬砌的一种机械化隧道施工方法。杨珠盾构区间采用的是土压平衡盾构，起原理是：刀盘开挖切削下来的渣土进入土仓积累起来，形成土压作用在掌子面上，当渣土积累到一定的数量时，这个压力与开挖面的土压力、地下水压力平衡，从而使掌子面保持稳定而不坍塌。此时只需维持土仓的进土量与螺旋输送机从土仓的输出的渣土量相等，就能持续稳定掘进。
盾构施工有一个很重要的技术要求就是控制盾构掘进姿态符合符合设计线路，而小半径转弯更是盾构施工技术控制的一个难题。小半径转弯会对盾构掘进施工带来诸多的难题，下面就以杨珠盾构区间的300m半径转弯为例，分析一下小半径转弯的难点和解决措施。
一、 工程概况
杨珠区间盾构掘进于里程YDK14+671.787~+881.969(右线约383环～523环)、ZDK14+658.946~+869.129(左线约381环～521环)范围内通过300m小半径往杨箕站方向为右转弯的圆曲线。右线坡度为7.9‰（YDK14+671.787～+690.0）和25.675‰（YDK14+690.0～881.969），左线坡度为7.901‰（ZDK14+658.946～+685.0）和26.071‰（ZDK14+685.0～+968.129），左右线往杨箕站方向均为下坡。盾构隧道上部及中部主要为<8>红层中等风化粉砂岩、泥质粉砂岩，Ⅳ类围岩和<9>红层微风化泥质粉砂岩、局部砾岩，Ⅴ类围岩；下部主要为<9>红层微风化泥质粉砂岩、局部砾岩，Ⅴ类围岩。隧道洞身围岩综合类别为Ⅳ类。其线路平面图如图1：

图1 杨珠300m半径转弯线路平面图
二、难点分析
1、隧道轴线不好控制
盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。其施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验等因素综合考虑后方可确定。每米的施工参数都有所不同，操作难度更大。
曲线上盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形，（实际为椭圆形）需要配套使用超挖刀装置进行超挖。
2、容易发生管片侵限
隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移。在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环，由于管片端面与该处轴线产生夹角，在千斤顶的推力作用下产生一个水平分力，使管环脱出盾尾后，受到侧向分力的影响而向曲线外侧偏移。
3、对地层扰动大，易产生较大的地面沉降
由于纠偏时的超挖，对土体扰动增大而发生较大沉降。小曲线隧道的施工除了有直线段隧道施工的地层变形因素外，还有以下二个因素的影响：a、由于盾构机处于纠偏状态，超挖刀也不断进行超挖掘进，开挖断面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量，增加了地层不稳定因素。b、由于纠偏量较大，对土体的扰动也大，地层损失量也增加，容易造成较长时间的后期沉降。
三、解决方案
对于小半径转弯的难点，主要是从盾构机掘进参数、盾构设备（超挖刀、铰接装置）、管片选型和拼装等施工措施方面来解决，特别是要采取了同步注浆和二次双液注浆相结合的措施，以保证小半径圆曲线段成型管片不出现侧向移动，以及及时填充围岩空隙保证土体稳定。具体措施如下：
1、盾构机设备的适应
设备的适应主要指的是盾尾铰接连接和超挖刀的应用，中盾和尾盾采用铰接连接，有效地减少了盾构的长径，使盾构在掘进时能灵活的进行姿态调整，顺利通过小半径转弯。盾构机转弯时通过的孔洞不是圆形，而是在原来的圆洞基础上两边扩挖而形成的椭圆形，超挖刀的设置正好满足了这个增大净空的要求。
2、技术参数
进入曲线段时提前调整盾构机姿态，使其向曲线内侧（圆心侧）预偏移20~30mm。采用小推力、低扭矩，慢速掘进，减小千斤顶对管片的水平侧向推力，同时减少对地层的扰动。
在强、中风化地层中小半径圆曲线掘进的过程中，对土体的扰动会显著降低外围土体的强度及自稳能力，土体具有的蠕变特性以及出现水平方向土体压力不均，管片在长时间承受千斤顶水平分力的等情况下，管片会向外侧整体移动。见图2。

图2 急转弯施工管片侧向受力分析图
小半径曲线掘进管片位移量可用公式表达：
T：盾构机推力的反作用力 P：土体对管片侧面的附加应力
R：转弯半径 ：变形系数
由上式得知：当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大，当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大。
故为了减小在小半径圆曲线段施工引起的管片整体移位所带来的隧道变形，掘进过程中必须减小盾构推力。根据经验，杨珠区间这种<8>、<9>地层，土压平衡模式时推力可控制在800～1300t；半敞开模式时推力可控制在700～1200t；在特殊地段需要严格控制推力时，推力可减小到600～900t。
3、管片选型
300m半径转弯的管片选型主要依据是线路轴线，可计算出转弯时的管片排版如下：

转弯环偏转角的计算公式：
θ=2γ=2arctgδ/D
式中：
θ―――转弯环的偏转角 δ―――转弯环的最大楔形量的一半
D―――管片直径
将数据代入得出θ＝0.3629
根据圆心角的计算公式：
α＝180L/πR
式中： L―――一段线路中心线的长度
R―――曲线半径，取300m
而θ＝α，将之代入，得出L＝1.900m
上式表明，在300m的圆曲线上，每隔1.900m要用一环转弯环。广州地铁采用的管片长度为1.5m，即在300m的圆曲线上，加上纠偏，标准环与转弯环的拼装关系为：1环标准环+4环转弯环。
为满足急转弯施工要求，管片环宽1.5m，转弯环契形量为38mm，施工过程中要严格管片选型程序，保证管片拼装质量。本段施工时，采用1个标准环与4个右转弯环配合，同时注意盾尾间隙的变化进行适当调整。盾尾间隙标准值为75mm，在圆曲线段掘进时盾尾间隙变化较大，可将盾尾间隙保持在75±15mm范围内，一旦超过规定范围值即需要使用弯环进行调整。
4、盾构姿态实时控制与调整
利用SLS-T系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。
盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态偏差，蛇行修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态调整（纠偏）方式有：a、滚动纠偏：采用刀盘反转的方法进行滚动纠偏。b、竖直方向纠偏：盾构机抬头时，可加大上部千斤顶的推度进行纠偏；盾构机叩头时，可加大下部千斤顶的推度进行纠偏。c、水平方向纠偏：向左偏时，加大左侧千斤顶推度；向右偏时，加大右侧千斤顶推度。
盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。由于同时处于300m右转弯圆曲线及下坡段（右线坡度25.675‰，左线坡度26.071‰），为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，通过VMT系统调整盾构机姿态为：垂直方向控制在-30～-40mm之间，水平视平方向应控制在0～+15mm之间。根据管片监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-40～-50mm之间。同时应加密VMT移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。
5、注浆措施
注浆的作用有两个：a、填充实管片与围岩的空隙，固定管片，减小地表沉降；b、向曲线外侧（背向圆心侧）注浆，形成压力来平衡油缸的推力水平分力，减少管片在推力作用下发生的偏移，同时也起稳固管片、减小地层损失的作用。这种注浆方法见图4：

图4 隧道在左、右转弯时注浆方式
6、跟踪监测
在急转弯地段施工时加大人工监测频率，在盾构机过后对隧道管片姿态随时跟踪监测，把信息及时反映给盾构操作人员，以便根据变形程度调整掘进参数。
后记：盾构过小半径曲线段是盾构施工难以控制好的一个项目，因此施工中一定要牢牢把握技术要点，并在施工过程中不断思考、积累经验，相信不久后小半径转弯不会再是盾构施工的一个棘手难题。

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