極小轉(zhuǎn)彎半徑的地鐵隧道盾構(gòu)施工技術(shù)黃煒焱;林海駿【期刊名稱(chēng)】《《建筑施工》》【年(卷)，期】2019(041)010【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P1889-1892)【關(guān)鍵詞】極小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)施工;淺覆土;極限穿越;軸線控制【作者】黃煒焱;林海駿【作者單位】上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司上海200072【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】U455.43我國(guó)地鐵建設(shè)起步相對(duì)較晚，地鐵隧道位置常常受限于眾多建筑群和市政設(shè)施的地下結(jié)構(gòu)，而極小轉(zhuǎn)彎半徑隧道是一種解決空間布置難題的有效方式?，F(xiàn)地鐵隧道多采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)在前掘進(jìn)挖土，隧道襯砌環(huán)管片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)’管片”)于盾構(gòu)機(jī)尾部殼體內(nèi)安裝，盾構(gòu)機(jī)直徑較隧道外徑大，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)建筑空隙需采用同步注漿填充。極小半徑曲線盾構(gòu)地段的施工，由于盾構(gòu)推進(jìn)力作用于盾構(gòu)成形隧道上，使隧道向轉(zhuǎn)彎方向的外卜側(cè)位移，此時(shí)盾構(gòu)注漿填充并未產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度，隧道位移缺乏約束；在軟土地基中，轉(zhuǎn)彎隧道外側(cè)土層受到擠壓，但其土層強(qiáng)度極低，土層與隧道在盾構(gòu)推進(jìn)力作用下一起向外產(chǎn)生更大的位移；盾構(gòu)機(jī)殼體和成形管片之間的間隙有限，由于盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)圓筒形，管片也是圓筒形，越小的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)使盾構(gòu)機(jī)殼體與管片之間的間隙越來(lái)越小，稍有不慎，就會(huì)造成管片卡殼甚至碎裂等情況發(fā)生［1-4］。所以，極小半徑盾構(gòu)隧道的施工軸線和成形質(zhì)量控制難度大。1工程概況上海軌交13號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“13號(hào)線”）二期入場(chǎng)線區(qū)間全長(zhǎng)1134.586m，是連通13號(hào)線與地鐵川楊河停車(chē)場(chǎng)的關(guān)鍵線路，隧道外徑6200mm，直線段管片環(huán)寬為1.2m，曲線段管片環(huán)寬為1.0m，采用通縫拼裝設(shè)計(jì)，埋深在5.7~14.2m之間。由川楊河停車(chē)場(chǎng)盾構(gòu)工作井始發(fā)，先后穿越華夏中路中環(huán)高架、軌交13號(hào)線華夏中路站一中科路站上行線區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“正線上行線"）、軌交16號(hào)線羅山路高架（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“羅山路高架”）、中3600mm合流污水管等，最后到達(dá)華夏中路站東端頭井（圖1）。圖1入場(chǎng)線周邊環(huán)境示意入場(chǎng)線區(qū)間位于中環(huán)華夏路中環(huán)高架、羅山路高架、磁懸浮高架包圍的地帶，故采用極小轉(zhuǎn)彎半徑形式解決空間布置難題。入場(chǎng)線區(qū)間的最小平面曲線半徑為249.863m,是新一輪上海軌交建設(shè)中最小級(jí)別半徑的地鐵隧道曲線，全長(zhǎng)247.515m。2小半徑段盾構(gòu)難點(diǎn)分析極小半徑地鐵隧道的施工本身就具有隧道軸線控制難度大、管片成形質(zhì)量控制難等難題，本工程還有四大難題，使小半徑盾構(gòu)難上加難：1）小半徑隧道區(qū)域縱向坡度從1.7545%向上到2.9%向下，如此大的豎向曲線變化使實(shí)際隧道曲線半徑比249.863m更?。▓D2）。圖2入場(chǎng)線區(qū)間小半徑區(qū)域立面示意2）小半徑區(qū)域內(nèi)隧道上覆土僅有6~8m,為1倍隧道直徑左右，在淺覆土區(qū)域推進(jìn)的盾構(gòu)隧道易上浮，使隧道軸線更加難以控制。3）入場(chǎng)線區(qū)間在小半徑區(qū)域段中的RK0+440.6636~RK0+407.6610穿越正線上行線。入場(chǎng)線區(qū)間與上行線的最小垂直距離1m，施工過(guò)程中既要滿足小半徑隧道掘進(jìn)要求，又要做好對(duì)成形正線隧道的保護(hù)（圖3）。4）小半徑區(qū)域結(jié)束后，立即穿越1根中0.5m的燃?xì)夤茼敼?，頂管與隧道的最小豎向凈距僅有0.6m，隧道在小半徑區(qū)域的軸線必須精確，一旦偏差較大與燃?xì)夤芟嗯?，燃?xì)夤軐p壞，造成重大損失（圖4）。圖3入場(chǎng)線上穿正線三維圖4入場(chǎng)線區(qū)間下穿燃?xì)夤苋S3施工技術(shù)措施3.1設(shè)備選型小半徑隧道盾構(gòu)機(jī)選型需要考慮2個(gè)主要因素：盾構(gòu)機(jī)體是否能滿足250m極小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎要求；盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎后，其殼體與管片間隙是否足夠。為此，本工程采用中6370mm的海瑞克鉸接式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)機(jī)具有以下適應(yīng)極小半徑施工的關(guān)鍵構(gòu)造：1）該海瑞克盾構(gòu)機(jī)支撐環(huán)和盾尾之間設(shè)置了被動(dòng)鉸接千斤頂（圖5）,使盾構(gòu)機(jī)殼體自身可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎，滿足極小轉(zhuǎn)彎半徑施工的需求，且增加了盾構(gòu)機(jī)殼體和隧道曲線的切合度，從而在推進(jìn)時(shí)減少超挖量，同時(shí)產(chǎn)生契合掘進(jìn)方向的推進(jìn)分力，確保曲線施工的推進(jìn)軸線控制。被動(dòng)鉸接千斤頂還有另外一個(gè)作用，當(dāng)盾尾殼體與管片相碰時(shí)，被動(dòng)鉸接會(huì)自動(dòng)收縮，以保證管片不與盾尾卡殼，保護(hù)管片不被碰碎。鉸接千斤頂?shù)你q接角度可通過(guò)理論計(jì)算取得：鉸接角度a=（L1+L2）x180/nxR,其中L1、L2分別為鉸接盾構(gòu)的前體和后體，R為曲線半徑，a為盾構(gòu)機(jī)在小半徑曲線上的鉸接角度，此角度應(yīng)小于盾構(gòu)機(jī)自身的最大鉸接角度。通過(guò)鉸接千斤頂行程差來(lái)固定盾構(gòu)機(jī)的鉸接角度，從而使盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)相應(yīng)的曲線半徑。鉸接千斤頂行程差=千斤頂最大行程差乂（左右鉸接角度）/最大左右鉸接角度。圖5被動(dòng)鉸接千斤頂示意2）盾構(gòu)機(jī)殼體的外直徑為6370mm，殼體厚度為20mm，隧道管片外徑為6200mm，管片和盾尾殼體之間具有平均65mm的拼裝間隙（圖6），較常規(guī)盾構(gòu)機(jī)更大一些，更加能適應(yīng)極小轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)拼裝間隙的要求。設(shè)計(jì)管片環(huán)寬1m，改善了隧道管片的曲率，也減少了部分對(duì)管片間隙的要求。圖6海瑞克盾構(gòu)機(jī)3.2小半徑軸線測(cè)量技術(shù)常規(guī)隧道盾構(gòu)施工直線段約每200m布設(shè)1個(gè)控制導(dǎo)線點(diǎn)，曲線段每150m布設(shè)1個(gè)控制導(dǎo)線點(diǎn)，而極小半徑隧道的通視條件有限，必須對(duì)測(cè)量控制導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行加密布置，根據(jù)模擬所得，每86m需設(shè)置1個(gè)控制導(dǎo)線點(diǎn)（圖7）。盾構(gòu)機(jī)搭載了VMT自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)根據(jù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)前進(jìn)，然而長(zhǎng)距離的推進(jìn)，會(huì)使自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的誤差累積，尤其是小半徑曲線每環(huán)造成的誤差較大。為控制盾構(gòu)機(jī)軸線不偏離，在加密控制導(dǎo)線點(diǎn)布置的同時(shí)，還需要加密對(duì)吊籃和導(dǎo)線點(diǎn)的測(cè)量，及時(shí)校核并修正自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；針對(duì)小半徑轉(zhuǎn)彎隧道因盾構(gòu)推進(jìn)力而向外偏移的現(xiàn)象，適當(dāng)進(jìn)行推進(jìn)軸線預(yù)偏設(shè)置（圖8）。本工程施工中做了3項(xiàng)測(cè)量措施：1） 小半徑轉(zhuǎn)彎段每次換站均需人工測(cè)量，吊籃出臺(tái)車(chē)后，馬上從導(dǎo)線點(diǎn)上傳遞至吊籃。2） 小半徑轉(zhuǎn)彎段中的導(dǎo)線點(diǎn)和高程控制點(diǎn)每30環(huán)復(fù)測(cè)1次。3） 設(shè)計(jì)線路在小半徑段是左轉(zhuǎn)彎，盾構(gòu)姿態(tài)頭部線路左側(cè)30-50mm,尾部控制在左側(cè)20-40mm。圖7導(dǎo)線通視距離模擬示意圖8小半徑推進(jìn)軸線預(yù)偏示意3.3盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)控制3.3.1推進(jìn)速度盾構(gòu)推進(jìn)越快，小半徑隧道的軸線越易偏離，且出現(xiàn)偏差后，調(diào)整的機(jī)會(huì)也越少，所以在小半徑區(qū)域推進(jìn)時(shí)，必須降低盾構(gòu)推進(jìn)速度。本工程在小半徑區(qū)域選取推進(jìn)速度為20mm/min，每日推進(jìn)7~8環(huán)，這樣可以保證在推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)能夠及時(shí)自動(dòng)測(cè)量自身的姿態(tài)。另外，測(cè)量人員在復(fù)核自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，可以有更多的修正機(jī)會(huì)，還可以減小土體擾動(dòng)。3.3.2刀盤(pán)土倉(cāng)壓力在進(jìn)入小半徑區(qū)域的前6個(gè)工班，盾構(gòu)的刀盤(pán)土倉(cāng)壓力需要做試驗(yàn)確定相應(yīng)的土倉(cāng)壓力。第1班根據(jù)原盾構(gòu)推進(jìn)壓力設(shè)定推進(jìn)（若埋深突變需先行調(diào)整），第2班根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整原則為增減0.01MPa,第2班推進(jìn)完成時(shí)需驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否已經(jīng)契合，若仍未契合，則還需要增減0.01MPa在第3班做試驗(yàn)。以此類(lèi)推，最終確定最佳土倉(cāng)壓力參數(shù)。3.3.3盾構(gòu)姿態(tài)本工程小半徑段位于淺覆土區(qū)域，處于飽和含水的軟土地基當(dāng)中，盾構(gòu)機(jī)和管片存在間隙，成形管片脫出盾尾后被同步注漿漿液和飽和含水軟土地層包圍。由于隧道中空且防水，同步注漿的漿液在注入后一段時(shí)間內(nèi)凝固，管片會(huì)受浮力作用而上浮。故控制盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)，除了要向左預(yù)偏滿足小半徑需求外，還應(yīng)該將盾構(gòu)頭部和尾部的標(biāo)高都低于隧道中心軸線標(biāo)高，以消除部分上浮的影響，較合理的設(shè)置為：頭部-30~-20mm，尾部-50~-40mm。這樣使最終穩(wěn)定成形的隧道軸線標(biāo)高在設(shè)計(jì)和規(guī)范要求范圍內(nèi)。3.3.4同步注漿小半徑區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)由于盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎帶來(lái)的不可避免的超挖情況，設(shè)定盾尾同步注漿量需較常規(guī)隧道施工多一些。注漿量因地制宜，本工程入場(chǎng)線前期為直線和大轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)段，注漿量根據(jù)選用的漿液、所在土層、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定為125%的理論建筑空隙。而小半徑區(qū)域注漿量預(yù)定為135%的理論建筑空隙。后期根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定注漿量為130%的理論建筑空隙。本工程小半徑盾構(gòu)同步注漿還需考慮2個(gè)因素：1） 成形管片脫出盾尾后上浮，下部注漿孔注漿越多，管片越容易上浮。2） 盾構(gòu)機(jī)向左轉(zhuǎn)彎，拼裝完成的管片在脫出盾尾后受到盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力向轉(zhuǎn)彎外側(cè)（本工程為右側(cè)）偏移，右側(cè)土體空隙填充越小，隧道向夕卜偏移越大。本工程選用的海瑞克盾構(gòu)機(jī)正常工作時(shí)有4個(gè)盾尾注漿口，分別在右上（1）、右下（2）、左下（3）、左上（4）的位置上（圖9）?？紤]以上2種因素，注漿量可控制為右上角注漿管注漿量多，左上次之，左下和右下角注漿管注漿量小。圖9小半徑區(qū)段推進(jìn)參數(shù)設(shè)置界面3.4糾偏和防水技術(shù)本工程入場(chǎng)線由直線環(huán)和楔形環(huán)組合來(lái)滿足小轉(zhuǎn)彎半徑的平面曲線需要，針對(duì)豎向曲線變化，需要采用丁腈塑料軟木片和盾尾千斤頂行程差配合調(diào)整。由于本工程極小轉(zhuǎn)彎半徑和大縱坡變化同時(shí)出現(xiàn)，所以糾偏的環(huán)數(shù)大大增加。粘貼丁腈塑料軟木片時(shí)，需要綜合考慮豎向曲線變化和水平曲線變化的要求，本工程一般全環(huán)貼“321”組合，右上3片，左下1片，右下、左上為2片。過(guò)多的糾偏易使管片間隙增大，需要增加與糾偏配合的防水措施。本工程將每環(huán)管片在設(shè)計(jì)遇水膨脹止水條粘貼基礎(chǔ)上再增加一條遇水膨脹止水條粘貼，保證隧道成形后的防水效果。在小半徑推進(jìn)時(shí)，盾尾鋼絲刷與管片的間隙一側(cè)多而另一側(cè)少，鋼絲刷彈性變形較大，容易產(chǎn)生漏漿，所以在推進(jìn)過(guò)程中需要勤注進(jìn)口高質(zhì)量盾尾油脂。3.5管片拼裝質(zhì)量控制技術(shù)3.5.1管片質(zhì)量控制小半徑段隧道襯砌管片為眾多楔形環(huán)和普通環(huán)組合，不同的組合順序會(huì)使曲線發(fā)生偏離，所以在管片進(jìn)場(chǎng)時(shí)要嚴(yán)格驗(yàn)收并對(duì)進(jìn)場(chǎng)管片進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)記，避免管片質(zhì)量和順序差錯(cuò)。遇水膨脹止水條傳力襯墊均應(yīng)按設(shè)計(jì)的要求粘貼，堆場(chǎng)內(nèi)應(yīng)有防雨布遮蓋管片，嚴(yán)禁使粘貼過(guò)止水帶的管片淋雨受潮。3.5.2拼裝精度控制施工中注重襯砌環(huán)的拼裝精度，相鄰環(huán)間拱底塊環(huán)向相對(duì)旋轉(zhuǎn)值不得大于3mm，環(huán)縫、縱縫張開(kāi)小于2mm，相鄰環(huán)管片高差小于4mm。3.5.3管片與盾尾間隙控制管片與盾尾間隙是小半徑隧道管片質(zhì)量的關(guān)鍵所在，新一環(huán)管片拼裝時(shí)，必須保證管片與盾尾的左右間隙均衡，本工程以6cm控制。當(dāng)一側(cè)小于4cm時(shí)，必須及時(shí)通過(guò)盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)和管片拼裝來(lái)調(diào)整盾尾間隙。3.6穿越建筑物技術(shù)3.6.1上穿正線上行線技術(shù)上行線與本工程入場(chǎng)線凈距僅1m，上穿上行線時(shí)，在小半徑施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，需加強(qiáng)減少土體擾動(dòng)和既有隧道上浮的措施。所以在穿越前，需再次設(shè)置試驗(yàn)段確定土壓力和盾尾注漿的最佳參數(shù)值，然后在穿越時(shí)，將推進(jìn)速度降低至15mm/min慢速推進(jìn)，委托監(jiān)測(cè)方進(jìn)入既有上行線隧道內(nèi)部進(jìn)行4次/d的隧道沉降觀測(cè)以指導(dǎo)施工，并在正線隧道內(nèi)配備壓重措施，以防止隧道上浮。在施工完成后，還需對(duì)該區(qū)域土層進(jìn)行二次注漿加固，保證運(yùn)營(yíng)后隧道安全。3.6.2下穿燃?xì)夤芗夹g(shù)穿越燃?xì)夤軆H60cm的距離，具有危險(xiǎn)性，所以在穿越前必須合理計(jì)劃好穿越日期，提前1d告知燃?xì)夤緮鄽?，直到穿越并確認(rèn)燃?xì)夤軣o(wú)恙后，方可恢復(fù)通氣。下穿燃?xì)夤軙r(shí)，在小半徑施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要加強(qiáng)減少土體擾動(dòng)和防燃?xì)夤艹两档拇胧?。所以在穿越前，需要再次設(shè)置試驗(yàn)段確定土壓力和盾尾注漿的最佳參數(shù)值，然后在穿越時(shí)，將推進(jìn)速度降低至10mm/min慢速推進(jìn)，加密燃?xì)夤艹两当O(jiān)測(cè)。為減少后期運(yùn)營(yíng)對(duì)燃?xì)夤艿挠绊?，需要在該部位進(jìn)行二次注漿加固土體，但在管片上部（即燃?xì)夤芟虏浚┳{易造成燃?xì)夤苁茏{壓力影響發(fā)生過(guò)大位移而產(chǎn)生安全隱患，所以注漿需在管片下180°范圍內(nèi)，采用小壓力低速注漿。4實(shí)施效果通過(guò)精心施工、嚴(yán)格管理，以上措施在小半徑段盾構(gòu)施工中發(fā)揮了重要作用，從全段小半徑隧道248環(huán)推進(jìn)過(guò)程到最終成形后，全過(guò)程無(wú)碎裂、無(wú)滲漏，上穿正線上行線監(jiān)測(cè)的上行線隧道上浮量?jī)H5mm左右，順利下穿燃?xì)夤?，且燃?xì)夤緳z測(cè)后可正常使用。經(jīng)過(guò)測(cè)量核定，隧道軸線控制良好，小半徑段全段（620~868環(huán)）標(biāo)高偏差不超過(guò)60mm,軸線偏差不超過(guò)50mm，大大超過(guò)驗(yàn)收100mm的標(biāo)準(zhǔn)。5結(jié)語(yǔ)上海軌交13號(hào)線二期入場(chǎng)線區(qū)間的極小半徑隧道盾構(gòu)法施工難度較大，加上淺覆土、縱坡變化大、穿越既有隧道和管線等難題，使隧道施工難度又上一個(gè)臺(tái)階。針對(duì)這些難題所選取的施工技術(shù)遵循了〃先逐個(gè)擊破，后綜合應(yīng)用”的原則。選用盾構(gòu)機(jī)型和測(cè)量技術(shù)解決小半徑隧道推進(jìn)難題，選用糾偏措施解決縱坡變化大的難題，選用同步注漿技術(shù)解決淺覆土難題，選用推進(jìn)參數(shù)控制和二次注漿解決穿越難題，在這些措施綜合作用時(shí)，配備以防水技術(shù)、管片拼裝控制等措施，使其融合為一體，最終使小半徑段無(wú)滲漏、無(wú)碎裂、小偏移地圓滿完成。根據(jù)該工程的技術(shù)和