三菱盾构机小半径曲线隧道施工要点

　　摘要：随着社会和经济的高速发展,以及城市化进程的不断加快,对各种地面资源的利用逐渐趋于饱和。各地地铁设计及建设的周边环境控制因素越来越多,小半径曲线线路大量出现；本文结合广州市轨道交通六号线工程【海珠广场～东湖盾构区间】土建工程采用三菱铰接式盾构顺利穿越小半径曲线隧道的施工，阐述了小半径曲线隧道施工的主要措施。
　　关键词：盾构，小半径曲线，轴线控制，质量保证
　　1、 工程概况：
　　广州市轨道交通六号线工程【海珠广场～东湖盾构区间】土建工程，共由【海珠广场～北京南站】盾构区间、【北京南站～越秀南站】盾构区间、【越秀南站～东湖】盾区间三个区间组成。盾构隧道双线总长3564.21米，为双孔圆形隧道。左线隧道里程为ZDK10+936.698～ZDK13+059.939，线路长度为2130.091m（其中两段长链长7.511m）；右线隧道里程为YDK10+986.201～YDK13+059.939.线路长度为2073.738m。由直线段和10段曲线构成，曲线半径R300m以下的曲线共有8段，最小曲线半径250m。该工程选用日本三菱公司的φ6260铰接式土压平衡式盾构机，盾构机头部长度约为8625ｍｍ，铰接处离刀盘端面的长度为4990ｍｍ，水平张角±1.5°，垂直张角为±0.5°。
　　2、小半径平曲线上施工难点：
　　2．1急曲线隧道轴线比较难于控制。
　　在急曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟和。曲线半径越小、盾构机身越长，则拟和困难越大。在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线，为了使得折线与急曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏。曲线半径越小，盾构机越长，则纠偏越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。
　　2.2隧道整体因侧向分力易向弧线外侧偏移。
　　急曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度，在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，受到侧向分力的影响，隧道向圆弧外侧偏移。
　　图3：管片向弧线外偏移
　　
　　2.3盾构掘进时，纠偏量较大，对土体扰动的增加易发生较大沉降量。
　　2.4盾构在曲线上施工，是利用多段管片组合成的一条以多段条小直线拟合曲线，而盾构机同样是采用多段小直线掘进拟合曲线，在各小直线间采用铰接油缸实现角度偏转，而管片环宽越短，盾构机掘进的小直线也越短，多段小直线所拟合的曲线就越接近平曲线路，其盾构在每段小直线所产生的超挖量越少，同时当管片环宽较大时，盾构容易偏离曲线，在施过中需作多次姿态纠偏，超挖量也会再度增加。当超挖量较大时，容易造成地层损失较大，同时管片拼装也会因盾构机与地层间存在过大的空隙量而造成管片错台；
　　2.5边刀磨损严重，若处理不当，在曲线施工中容易发生盾构“卡壳”；
　　2.6盾构机的测量系统为ROBOTEC盾构机自动导向系统，曲线半径过小时，使得自动导向系统中激光站每次前移的距离缩短，前移频率增大，对测量的精度会造成影响。
　　3、针对小半径平曲线上施工难点对策：
　　3.1隧道轴线控制
　　3.1.1控制好急曲线隧道施工轴线的关键技术之一就是如何使用好盾构机的铰接装置和超挖装置。为了控制好急曲线隧道的施工轴线，需要提高盾构机的纠偏灵敏度。而要提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是缩短盾构机头的长度。在盾构机的中部增加铰接装置，即可减少盾构固定段长度。使用铰接装置后，盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形，需要配套使用超挖刀装置进行超挖。
　　图4：铰接和仿形刀
　　在实际施工当中，通过伸缩左右铰接千斤顶完成盾构铰接后，盾构机前体和盾尾形成一定角度，隧道半径R=250m时，理论计算值0.703°，实际值根据盾构机水平姿态调整，【海珠广场～东湖盾构区间】0.8°～1.1°由于机器和千斤顶泄漏，会导致铰接角度发生变化，要随时观测和加以调整。
　　要保证足够的超挖量，需要超挖刀有足够的尺寸，在施工中要注意检查超挖刀的磨损量，达不到超挖挖要求，以至达不到所要求设计轴线的半径，严重时会造成盾构机“卡壳”，针对此问题，【海珠广场～东湖盾构区间】在圆曲线上掘进时，每掘进20环～30环，开仓进行刀具检查，当有边缘刀（超挖刀）磨损量超过5mm时，及时更换。
　　3.1.2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。将盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定往往须依据理论计算和施工实践经验的综合分析得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。在北京路站～越秀南站区间隧道掘进过程中，缓和曲线段预偏量20～30mm，圆曲线段40～50mm。
　　3.1.3隧道轴线的控制，对测量也有较高要求。在小半径曲线施工中，为防止激光站每次前移的距离缩短，前移频率增大，对测量的精度会造成影响，本区段采取的主要措施：○1确保光靶区域无任何障碍物，保证通视，保护TCA不受损坏，TCA托架安装尽可能离盾尾远，最好离最新一环管片10环以外，以免管片移动误导。○2护好自动导向系统，保护好电缆棱镜及TCA，确保TCA不受水和浆液的侵害，密切注意导向系统的异常情况，经常人工校核TCA的坐标点及TCA本身的精度。
　　3.2掘进参数的控制
　　控制合理的推力，在常规隧道施工时，为了保证进度，盾构机掘进速度往往达到50mm/min左右，与之匹配的推力较大。而在急曲线隧道施工中，根据成熟的施工经验，必须适当降低掘进速度，即降低千斤顶总推力，同时也意味着降低侧向分力，有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量。
　　因此在急曲线隧道施工时，必须确定一个合理的推力和掘进速度。这个合理的掘进速度必须不额外的增加推力，从而达到减小侧向分力的目的，同时尽可能少扰动土体。必须指出的是这个掘进速度也不是一成不变的，随着施工条件、地质状况、线形等的变化，也须即时调整，从而达到最好的施工效果。北京路站～越秀南站区间隧道掘进过程中，推力控制在700～900t，速度保持在25mm/min以下。另外，在盾构掘进启动时，掘进速度要以较小的加速度递增，这样可以避免千斤顶起始推力过大的问题。
　　3.3小半径曲线隧道质量的控制
　　3.3.1在小半径曲线段，采用1.2m管片，该管片楔形量为41mm，利用此种管片拼装而成的隧道最小转弯半径为175米，完全满足线路半径需要。当管片拼装轴线与盾体轴线出现较大偏差时，在隧道曲线外弧盾尾间隙较小处，采用连续安装最大楔形量管片。
　　图5：环宽1.2m管片
　　3.3.2由于本区间隧道工程所采用的三菱盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工，我们采用有针对性地选用同步注浆和二次注浆相结合地施工措施，提高了隧道成型质量，在该工程选择所采用的同步注浆浆液时，考虑了两个因素：一是及时充分地填充管片外的环状空隙，避免地表沉降；二是提高浆液早期强度，抵抗侧向分力的影响。在实际施工过程中，采用了同步注浆（浆液为惰性浆）及二次注浆（浆液为双液浆）相结合的施工措施。○1同步注浆：在施工期间，随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”，即通过设在盾尾的压浆管予以同步充填浆液。同步注浆压注要根据施工情况、地质情况对压浆数量和压浆压力二者兼顾。一般情况下，每环压入量控制在“建筑空隙”的130％-180％（要注意急曲线隧道的注浆量要大于直线隧道注浆量），注浆压力约0.2～0.3Mpa。压浆速度和掘进保持同步，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后，注浆也相应停止。施工时，加强对盾构尾部地面的沉降监测，通过信息化施工，及时调整同步注浆量，确保地面不下沉，也不能出现过大的隆起。
　　惰性浆液我们选用以下配比：
　　水泥 粉煤灰 石灰 砂 减水剂 水
　　130kg 250kg 40kg 550kg 3kg 250kg
　　
　　○2二次注浆：为了减少惰性浆液早期强度低、隧道受侧向分力影响大的问题，在管片出盾尾5～6环后，通过管片注浆孔向管片外周进行二次注浆，来抵抗侧向分力。浆液为瞬凝性的具有较高的早期强度的双液浆。其注浆方法为：按水灰比0.8：1配制水泥浆，在与按1：3配制的水玻璃溶液在注浆管内混合注入管片壁后。
　　图6：管片注浆
　　4、结论：
　　4.1在小半径曲线隧道盾构法施工中，采用铰接式盾构机和小环宽管片，是克服盾构机轴线和管片轴线难以拟合隧道设计轴线的关键。
　　4.2预留偏移量和隧道曲线外侧补注早强浆液是控制隧道轴线的重要手段。
　　4.3保证测量精度的情况下，有效的利用好铰接、合理的管片选型，是小半径曲线隧道盾构法施工的主要技巧。
　　参考文献：
　　[1]广州市轨道交通六号线海珠广场站至东湖路站盾构区间投标文件
　　[2]三菱重工业株式会社φ6260土压盾构使用说明书
　　[3]《盾构施工技术》陈馈等主编/2009年05月/人民交通出版社

《三菱盾构机小半径曲线隧道施工要点》

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