小半径曲线盾构施工技术.docx

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小半径曲线盾构施工技术

小半径曲线盾构施工技术

1．前言

1.1盾构小半径曲线施工概述

目前，我国正处于大规模建设时期，基础设施，尤其是交通设施建设如火如荼。

在城市中，以地铁为龙头的地下空间综合利用和建设，受既有建（构）筑物和有限空间的限制，出现了大量复杂线型（如小半径、大纵坡）或复合近接（小净距、下穿铁路、立交、叠交）的隧道工程。

小半径曲线盾构施工时盾构对外侧地层是挤压的状态，因盾尾空隙的发生会使地层向隧道内侧位移，回填压注压力也会使隧道产生位移，同时由于在小曲线地段的盾构，是用管片和地层反力掘进的，因此推进力的反力会使隧道向曲线外侧位移，如果隧道的纵向刚度和地层的刚度过小，可能引起管片和其外地层的过大位移，以及使土压超过土体的被动压力而过大扰动。

因此小半径曲线地段的轴线控制难度较大，同时管片向外侧扭曲而挤压地层使地层和管片结构均受到复杂的影响。

1.2适用范围

适用于软土地区土压平衡式盾构机小半径曲线掘进。

2．盾构小半径曲线施工工艺

2.1工艺流程图

工艺流程如图2-1所示

图2-1小半径曲线施工工艺流程图

2.2盾构机的适用性

采用铰接式盾构进行施工。

由于盾构增加了铰接部分，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，对隧道的轴线控制更加方便以及管片外弧碎裂和管片渗水等情况得以大大改善。

1、适当的超挖量

盾构大刀盘上安装有仿形刀,具有一定的超挖范围。

在曲线施工时可根据推进轴线情况进行部分超挖，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，超挖量最好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。

2.3管片的适用性

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。

对小半径曲线地段的管片楔形量检算：

以管片外径6.2m，曲线半径R=230m圆曲线段进行检算

L1/R1=L2/R2即L1/233.1=L2/226.9得L1=1.027325L2

内、外弧长差值为：

△L=L1-L2=0.027325L2

当管片宽度为1.0m时，L2≈1.0m时，△L=27.32mm

设计楔形量△L’=32.34mm＞△L=27.32mm

小半径圆曲线段设计管片排版采用6环1.0m宽楔形+1环1.2m宽直线环：

7.2△L=196.70mm，6△L’=194.04mm，7.2△L-6△L’=2.66mm

以上计算可知，6环1.0m宽楔形+1环1.2m宽直线环的排版方式很好的拟合了R=230m小半径圆曲线。

2.4隧道辅助措施

2.4.1隧道管片壁后注浆加固

隧道每掘进完成2环，及时通过管片的预埋注浆孔对土体进行复合早凝浆液二次压注加固,范围为管片壁后2m。

2.4.2隧道内设纵向加强肋

针对小半径曲线上隧道纵向位移较大，在隧道靠近开挖面后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[22a槽钢用钢板焊接成型，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。

加劲肋部位及构造详见加强肋构造图。

2.4.3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。

2.5推进轴线预偏设置

在盾构掘进过程中，要加强对推进轴线的控制。

曲线推进时盾构实际上应处于曲线的切线上，因此推进的关键是确保对盾构机姿态的控制。

由于盾构掘进过程的同步注浆及跟踪补注的双液浆效果不能根本上保证管片后土体的承载强度，管片在承受侧向压力后，将向弧线外侧偏移。

为了确保隧道轴线最终偏差控制在规范允许的范围内，盾构掘进时给隧道预留一定的偏移量。

根据理论计算和和上海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，在小半经曲线隧道掘进过程中，将设置预偏量20～40mm。

如图2-2所示，施工中通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。

2.6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。

通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。

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。

2.7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。

2.8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，管片纠偏在适当时候采用楔形低压棉胶板，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。

2.9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，可考虑采用楔型管片和直线型管片互换的方式来调整盾尾间隙（可结合管片选型软件指导）

2.10盾构纠偏及测量姿态调整

2.10.1盾构及管片纠偏

盾构掘进中，由下述方法保证盾构推进轨迹和隧道设计中心线的偏差在设计允许范围内。

（1）采用调整盾构千斤顶的组合来实现纠偏

盾构千斤顶按上、下、左、右四个扇形分布，推进千斤顶的油泵为变量泵，当盾构需要调整方向时，可通过比例阀调整四个区域的油压，来调节千斤顶的顶力。

如盾构偏离设计轴线，而需纠偏时，可在偏离方向相反处，调低该区域千斤顶工作压力，造成两千斤顶的行程差，也可采用停开部分千斤顶获得行程差。

但这样易造成衬砌部分区域受力不匀，使管片损坏。

盾构纠偏时要使千斤顶各区域压力分布呈线性状态，如盾构要向右纠，除左区要较右区有一个较大的压力差外，上、下区域的压力也要适当，一般可取左、右区域压力的平均值。

同理，如需上、下纠偏时，可造成上、下区域千斤顶的压力差。

（2）采用微量楔形料进行隧道管片纠偏

在曲线段采用管片环面上粘贴楔形低压棉胶板的方法，使直线段管片成为微量楔形轴线和设计轴线拟合。

石棉橡胶板的压缩率为12%，分段粘贴好的石棉橡胶板经推进过程中千斤顶压缩后，成一平整楔形环面。

管片在制造中，会存在微小的误差（特别是环宽的误差），管片在拼装过程中也会产生误差，这些误差的积累和发展会导致盾构虽未偏离设计轴线，但盾尾的管片变得越来越难拼装，测量管片的偏差，会发现管片中心线已呈偏离设计轴线的趋势，采取以下预防措施：

a、在每一环管片拼装时，测量上一环管片与盾构内壳上、下、左、右各点的间隙，若各点间隙均在1cm以上，可视作管片轴线与盾构轴线拟合。

若测得某点间隙小于1cm，则可视作管片已开始偏离盾构轴线，此时可用微量石棉橡胶楔形料进行纠偏，将最大楔形量贴于间隙小处的衬面上。

b、一次最大楔形量不得大于5mm，若超过5mm，管片橡胶止水条的压缩量变小，会失去止水效果。

所以在曲线段掘进时当安装楔形管片后仍需粘贴纠偏条时，应分数环粘贴，不应一环粘贴过厚。

c、若最大楔形量为5mm（经压缩后为4.10mm）一次可纠偏斜率为千分之零点六六。

测得管片与盾构的偏差斜率后，即可算得纠偏的环数。

2.10.2盾构测量与姿态控制

盾构机的测量是确保隧道轴线的根本，在小曲率半径段是盾构机的测量极为重要。

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。

由于线路的急转弯，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