盾构机穿越小曲线半径隧道施工技术

1工程概况
南水北调工程北京市东干渠施工第九标段北起自13#盾构始发井，南止于14#盾构始发井，线路长约2.77km（里程为31+206.532～28+487.721）。26#二衬竖井至13#盾构接收井段，盾构掘进里程29+013.392～28+855.303（线路长度为158.09m，地面高程31.40～32.60m，洞内底高程10.96～10.76m）、28+793.184～28+707.258（线路长度为85.93m，地面高程31.01～32.05m，洞内底高程10.55～10.35m）、28+587.60～28+533.721（线路长度为53.88m，地面高程31.05～31.30m，洞内底高程10.23～9.91m）为连续的半径为350m的曲线段。小曲线半径隧道盾构平面位置见图1。


小曲线半径隧道由南向北上坡，盾构隧道主要穿过粉质黏土和细中砂地层，隧道下部以粉质黏土地层为主，隧道上部含有厚1～3m的细中砂层。里程29+013.392～28+855.303和28+793.184～28+707.258处地面无建筑物，里程28+587.60～28+533.721处穿越五方桥和京哈高速公路。本工程盾构穿越地层共分为2层水位：其中第1层地下水位位于该段隧道洞顶位置，洞顶大部分地段为砂层，施工中易发生流砂、管涌和塌顶不良工程地质现象。第2层地下水位总体接近于隧洞底位置，其承压性对隧洞底部具有顶托作用，对洞身稳定不利；隔水层较薄处易发生洞底隆起或顶穿，导致地下水涌入洞内，引发工程事故。
2小曲线半径隧道盾构施工难点
2.1盾构推进时，纠偏量较大，对土体扰动的增加易发生较大沉降量
盾构施工时引起地表下沉的原因主要有地下水土的流失、施工围岩应力释放和地层变形。而地下水土的流失除了地下水自身流动的原因外，对地下管线保护不当产生漏水及灌渠也是一个重要因素。鉴于上方地面现况交通以及地面建（构）筑物、地下管线的重要性，控制地面沉降及隆起是工程的重点。
2.2盾构曲线掘进中，精准的轴线控制是难点
盾构的掘进管理系统中配备自动导向系统，利用计算机技术及光学测量技术对盾构掘进进行自动化测量，为盾构掘进提供准确的导向信息，替代测量速度慢、精度低和容易出错的人工测量方法，满足盾构快速准确施工的要求。同时采取定期的人工复测，以确保盾构按设计轴线正确掘进。
通过控制测量的手段，将地面三维坐标系统传入到地下，导入盾构机，引导盾构机的掘进方向，在盾构掘进中，跟进延伸支导线和水准线路，以此为依据换站为盾构机提供掘进修正参数。因此洞内控制导线质量的好坏直接决定了隧洞的贯通质量，也是整个盾构工程成败的关键因素之一。
2.3管片的位移控制难
管片出盾尾后，易受到水平分力的影响，隧道向圆弧外侧偏移，极难控制。
3盾构机穿越小曲线半径隧道的施工措施
3.1盾构姿态控制及地表沉降的控制措施
（a）控制土压平衡：盾构机具有土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制，保护地表建筑物。土仓内上下左右配置有4个具有高灵敏度的土压传感器，能将压力传送到操作台上的显示屏，并且能自动与设定土压进行比较，压力过高过低都会报警。因此能很好的控制土压平衡，减少地面沉降，适合软弱及复合地层掘进的需要。
（b）刀盘的特殊设计：刀盘刀具形式及布置和刀盘开口率（约54%）适应本区间地质条件，刀盘的设计由于采用辐条式，能防止刀盘中心结成泥饼。
（c）刀盘的驱动方式采用变频电机驱动方式，启动平稳，刀盘转速连续可靠。
（d）同步注浆：采用盾尾同步注浆系统，可及时填充管片与开挖直径之间的间隙，减小沉降。同时，可防止管片上浮。
（e）配备全自动数据处理系统：数据采集系统灵敏可靠，能将盾构姿态、推进力、刀盘扭矩、推进速度、螺旋输送机转速等参数准确地进行检测，并通过数据处理传输系统进行高效可靠的处理和存储，最后通过各种数字或图表形式显示出来。当以上过程中出现故障时，可通过在其上安装的故障自动诊断系统进行故障自动检索和显示。
（f）配备激光导向系统，对盾构姿态精准控制。
（g）盾尾设置3道钢丝刷，可通过自动和手动2种模式向盾尾密封处的环型空腔中注入专用密封油脂，并通过改变油脂注入的压力和数量，保证盾尾的密封效果及可靠性。
3.2小曲线半径隧道区段的轴线测控措施
3.2.1曲线测量
盾构在曲线段掘进施工中对轴线测量控制质量要求较高，为保证施工过程中隧道轴线，在运用自动导向测量基础上制定相应曲线测量措施。
3.2.2盾构穿越小曲线半径区段的轴线测控方法
为将盾构掘进所需测量参数引入到盾构自动测量系统，盾构施工测量将包含以下测量工作：
（a）地上导线测量→近井导线测量→联系测量→盾构机始发姿态测量→地下控制导线测量，以上工作产生的误差对横向贯通产生直接影响。
（b）联系测量是通过竖井将方位、坐标及高程从地面上的控制点传递到地下导线和地下水准点上，以组成地下控制测量的起始点，见图2。采用井上井下联系三角形几何定向方法控制平面，修正盾构推进的轴线。施工期间每个区间段依照具体情况进行若干次定向测量，一般第一次在推进50m左右，最后一次离进洞大约100m。


高程控制测量主要内容是将地面的高程系统传入井下的高程起算点上，测量施工步骤和平面施工步骤相同，具体操作见图3。


3.2.3盾构穿越小曲线半径区段的措施
（a）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地进行姿态调整，顺利通过小半径转弯。
（b）掌握好左右两侧油缸的推力差，尽量地减小整体推力，实现慢速急转；
（c）盾构机司机根据地质情况和线路走向趋势，使盾构机提前进入相应地预备姿态，减少之后的因不良姿态引起的纠偏。
（d）加密加勤移站测量，避免由此产生的轴线误差。
（e）做好管片选型，北京隧道管片长度为1.2m，在350m的圆曲线上，加上纠偏管片拼装点位变化，标准环与转弯环的拼装关系为：4环标准环+3环转弯环。根据标准环和转弯环中轴线的夹角，计算出转弯环的增加量，然后交叉拼接，直到离开小曲线半径作业区为止。
（f）隧道没有缓和段，直接由直线段过渡到圆曲线。盾构机掘进到圆曲线段还有20环时，将盾构机姿态往曲线内侧（靠圆心侧）偏移20～30mm（圆曲线段偏移30～40mm），形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片的往曲线外侧（背圆心侧）的偏移。曲线段姿态偏移调整，见图4。
（g）在管片偏移的方向额外进行注浆，达到一定的压力以抵抗管片的偏移。缩短浆液的初凝时间，盾构机脱出盾尾五环后及时进行二次补浆，补浆点位为9点钟位置（右转弯）。注浆及补浆点位见图5。




3.3管片错台和破损的控制
（a）油缸推力不要太大，尤其是曲线外侧（背圆心侧）油缸，由于要加大推力来增加左右两侧油缸推力差，从而实现盾构机转弯。但在加大油缸推力的同时，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。
（b）由于曲线外侧油缸推力较大，尤其要注意不要突然加力或者突然释放推力，这样也会造成管片的破裂。
（c）掘进的时候，把拧螺栓这道工序做到位，有效防止错台的发生。螺栓应进行初拧和复拧，应按从中间向四周的顺序拧紧，初拧和复拧的顺序应一致。管片脱出盾尾对管片进行二次复紧，盾尾脱出盾尾10环后进行三次复紧或多次复紧。
（d）提高管片拼装手的水平，管片拼装施工之前，应对管片拼装人员进行技术交底，并在正式拼装之前进行试拼装。避免因拼装不到位产生的错台。管片拼装时环向和纵向错台控制在5mm以内。
（e）操作手每环推进前后都要对盾尾间隙进行测量。合理选择管片类型，避免盾尾钢环刮坏管片。调整好油缸撑靴的位置，尽量使撑靴完全作用在管片上。
4结语
本文结合工程实践，对小曲线半径隧道施工中存在的土体沉降量、盾构穿越障碍物、轴线监控、管片的位移等难点问题进行了深入的研究，并制定了切实可行的施工控制措施，有效保证盾构小曲线半径隧道施工按照设计轴线得以实施，且在工程质量、安全、工期等方面取得了良好的效果，值得在类似工程中推广使用。