华东地区盾构小半径曲线施工技术研究

刘建卫

(中铁一局集团有限公司城市轨道交通工程分公司,西安 710054)

近几年,我国城市轨道交通发展迅速,北京、上海、南京、广州等一线城市的轨道交通建设已经达到一定水平,带动中西部省会城市以及二线城市的轨道交通建设相继开工建设。盾构作为一种安全性较高、技术成熟的土建施工设备,在城市轨道交通建设中发挥着积极作用。但在各城市轨道交通线路设计中,由于某些特定因素,致使线路处于小半径曲线中,对盾构隧道施工形成一定的制约与影响,也对工程质量形成隐忧。

结合实例,从华东地区无锡市轨道交通1号线盾构在湖滨路站—大学城站区间300 m(310 m)小半径曲线段的设计、施工角度出发,就盾构在小半径曲线施工中如何采取措施、盾构施工后如何保证施工质量等方面进行阐述、分析,进而推广应用至华东地区其他城市轨道交通建设中。

1 工程概况

无锡市轨道交通1号线盾构在湖滨路站—大学城站区间位于湖滨区太湖镇观山路中段至西段,再转向南沿蠡湖大道到达大学城站。里程:右CK26+421.340～CK27+944.4,右线长1 522.704 m,左线长1 500.719 m。线间距13 m,最小曲线半径300 m,最大坡度2.5‰。区间埋深9.1～16.2 m,穿越地层主要为：(3)3层粉土夹粉质黏土、(6)1-1层粉质黏土、(6)1黏土。

里程右CK26+950处设联络通道兼泵房1座,里程右CK27+367.878处设联络通道1座(位于300 m小半径曲线段)。两条联络通道均采用冷冻法加固,矿山法施工道路两侧农田、民房、太湖高中、天鹅湖小区及小区商业街区,地形平坦。在里程CK27+910.0～CK27+927.0段分布一南北走向河道,河宽18 m,水深1.92 m。

小半径曲线段左线曲线半径300 m(图1),弧长520.875 m,偏转角约88°；右线曲线半径310 m,弧长536.237 m,偏转角约88°。覆土厚度14 m,小半径曲线段线路上方地面西北侧(弧外侧)为停车场；东南侧(弧内侧)为儿童活动场、绿化土坡,并规划有一拟建小区高层基础(先于隧道建成),最小平面间距4.49 m。

图1 小半径曲线段平面示意(单位：m)

2 施工技术

盾构机在通过该小半径曲线段的施工中,主要从施工准备、设备选型、管片选型、掘进控制、同步注浆及二次注浆控制、通过吊装孔打锚杆或注浆加固等几方面实现。

2.1 施工准备

(1)加密勘探钻孔

在小半径曲线段,将地质勘探钻孔间距缩小至30 m一孔,平面位置布设在左、右线外侧5 m处,尽量详细地揭示小半径曲线段的地层分布,并通过土工试验,了解其岩土特性,为后续施工中的渣土改良提供依据。

(2)进行必要的水文勘查

聘请有资质的单位,在小半径曲线段进行抽水试验,判断该段是否有承压水的影响以及影响程度、获取各层岩土的渗透等关键参数。

(3)人员培训

施工人员包括盾构机司机、土建工程师,对其加强小半径曲线段施工培训,最好挑选在南京、杭州等地小半径曲线段施工过的骨干人员。

(4)设备检修

进入小半径曲线段进行设备的全面检修及维护,备好易损构件,尤其对铰接密封及盾尾密封系统的排查务必详细。

(5)技术准备

①制定盾构过小半径曲线段专项施工技术方案,方案中明确通过前需预先采取的措施、通过中盾构机操作人员如何操作、设备参数的获取与修正、辅助工法的实施与效果评价等；

②制定盾构过小半径曲线段发生偏移等现象的预案,明确纠偏的方法、步骤、进一步预防偏移的措施等；

③制定后期加固技术方案及措施,明确实施的时间、部位、方法等；

④所有参与人员必须对制定的方案、措施详细了解,做到胸有成竹。

2.2 设备选型

在具有小半径曲线段的区间中采用盾构法施工,盾构机选型是一个关键环节。

目前,国内城市轨道中使用的盾构机主要为德国海瑞克公司和日本小松公司生产,其铰接形式一般采用后铰接方式——后体与中体采用铰接连接。但在小半径曲线段,后铰接形式不利于盾构姿态控制及纠偏。

因此,本工程中采用日本小松公司生产的盾构机,该机在设计上采用了前铰接的方式——前体与中体采用铰接连接,推力千斤顶和中体连接。这种铰接方式更有利于盾构姿态控制和掘进纠偏,在掘进过程中,操作司机根据线路情况(曲、直线及纠偏需要)调整好铰接的行程差来控制盾构机前端姿态,采用推力油缸的行程差来控制好盾构机后端的姿态及盾尾间隙。也就是说在掘进过程中,一般在掘进开始时通过上一环管片拼装让推进油缸存在一定的行程差,在下一环的掘进过程中,逐渐削除行程差,来保证盾尾间隙,直至下一环推进结束拼装开始时,尽量让行程差减到最小。

一般通过计算可以得到理论的铰接行程差和推进行程差两个数据,在掘进的过程中尽量向这两个参数上靠,以控制平面线路的姿态,纵断面姿态可适当调整。

本工程中计算如下。

(1)原始数据

R=300 m；D=6 200 mm(管片外径)；d=5 500 mm(管片内径)；δ=37.2/2=18.6 mm(单面楔形量)；L盾构前体+中体=4 m;L盾尾=4.68 m;D推力千斤顶直径=5 850 mm。

(2)转弯环楔形角计算

θ=2×arctan(δ/D)=0.343 773 645 8°

(3)采用割线掘进时铰接平面角的计算

180°-arccos(2.34/300)-arccos(2/300)=0.829°

(4)推力千斤顶的行程差计算

5 850×sinθ=35.1 mm

(5)结论

在掘进过程中,铰接油缸平面角控制在0.829°,推力千斤顶的行程差控制在35.1 mm以内，即可完成300 mm小半径曲线的掘进。

2.3 管片选型

管片选型与盾构机选型及掘进控制休戚相关。小半径曲线段所选用管片最好为双面楔形管片,最大楔形量一般为37.2 mm,采用纵向16组螺栓连接,管片的平面组合为1个转弯环或2个转弯环+1个标准环的组合方式来拟合线路(转弯环择1点或3点)。

2.4 掘进控制

(1)小半径曲线段掘进,选派有丰富小半径曲线段施工经验的操作人员,从做好管片选型，拼好、贴好必要的楔贴，采取复拧紧方式改善螺栓孔处受力等几方面入手,确保管片选型、拼装、拧紧质量。

(2)台车轮设转轴,防止台车掉道；设专人负责,防止皮带跑偏。电瓶车适度缓行,加强、改进轨道铺设线形及固定控制。

(3)选派经验丰富的盾构机司机,在进入小半径曲线段前进行模拟掘进,提前进入圆曲线操作状态。

(4)在盾构机载电脑上安装CAD软件,利用CAD软件进行曲线纠偏拟合,对线路的拟合起到预控作用。

(5)掘进过程中,合理设定行程差。盾构机司机在盾构进入小半径曲线段时,根据线路情况(曲、直线及纠偏需要)调整好铰接的行程差来控制盾构机前端的姿态,采用推力油缸的行程差来控制好盾构机后端的姿态及盾尾间隙。也就是说在掘进过程中,一般在掘进开始时通过上一环管片拼装让推进油缸存在一定的行程差,而在下一环的掘进过程中,逐渐削除行程差,来保证盾尾间隙,直至下一环推进结束拼装开始时,尽量让行程差减到最小，以确保小半径曲线段的线路拟合。

(6)合理降低掘进速度,调节各分区千斤顶推力,必要时,可将水平偏角放宽到+10 mm/m,以加大盾构机的调向力度,同步调整控制左右油缸的油压值和油缸行程,保证曲线内侧处土仓压力略小于外侧。

(7)曲线段推进时,根据推进速度、出土量和地层变形的信息数据,及时调整各种施工参数,在较短的时间内将施工参数和注浆量调至最佳状态。盾构机配备的超挖刀最大可超挖125 mm,最大超挖直径达6 590 mm。

(8)加强对推进轴线的控制,勤测勤纠,每次纠偏量尽量小,确保管片的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。同时加强线路的监测和人工符合测量,当线路出现偏移时,及时纠偏。

(9)在小半径曲线段尤其要注重同步注浆及二次注浆的量及凝固时间控制,确保浆液饱满,压力适中,有效控制已成环管片的小位移偏移影响到设备小半径拟合。

(10)曲线推进引起的地层损失及纠偏次数的增加导致了土体扰动的增加,小半径曲线段推进时严格控制同步注浆浆液的质量和注浆压力、注浆量,尤其需要适当增加外弧侧的注浆量。必要时,采用壁后二次注浆。二次注浆时,根据测量及监测分析确定是否需要对外侧增加适当的注浆量。

(11)加强盾构操作人员的技术培训,力求操作精细、标准。

(12)重视测量的重要性,首先在小半径曲线段加密导线复测；其次对盾构机姿态采用机载测量系统与人工测量相结合,相互对照、符合；最后将对管片实际位置的人工测量由5环/次加密至每2～3环/次。

2.5 后期通过吊装孔打锚杆或注浆加固

主要针对富水的黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂等软土地层。

(1)锚杆或注浆加固施工

盾构设备通过后,由于开挖直径与管片外径亦即成洞直径之间有7 cm(单侧、日本小松盾构机)的空隙,尽管通过同步注浆在一定程度上可以弥补由于该地层缺失造成的围岩松动或地层应力重分布,但是并不能完全阻止小半径曲线段管片的轻微位移趋势,进而造成线路的微偏移。

经研究分析,通过将位于每一块管片上的吊装孔打通,进行注浆锚杆打设或直接注浆(图2),单根注浆锚杆长度控制在隧道半径长度即3.1 m左右,所注浆液采用具有凝固速度快、适合于富水地层的双液浆,注浆后固结体与锚杆形成整体,对小半径曲线段管片的位移具有高效的抑制、阻滞作用。

图2 管片外侧注浆锚杆示意(单位：mm)

图3 吊装孔在管片中横断面示意(单位：mm)

(2)吊装孔的封堵

吊装孔(图3)打通注浆后,需要及时、严格封堵,以免形成新的地下水渗水通道。

注浆或打设锚杆后,吊装孔的封堵通过注浆管盖、注浆管盖密封圈及注浆管密封圈实现。构造见图4。

图4 吊装孔封堵细部构造示意(单位：mm)

上述为通过打设注浆锚杆来加固隧道洞身,是一种在软土地层中施工虽然较为复杂,但加固效果较好的方法。也可仅通过注浆而不打设锚杆来实现,则该施工类似于二次注浆,不同点在于通过注浆管实现柱状加固体防止隧道洞身管片发生偏移,对其起到阻滞的作用。

2.6 对承压水的处理

华东地区在轨道交通施工时,局部地段分布有承压水或者微承压水,对盾构施工影响很大,是目前城市轨道交通施工中较难处理的问题之一。其处理方式主要有以下3种。

(1)渣土改良

通过加注聚合物添加剂,改良土仓内泥浆体,形成黏聚力较强的浆体,可有效防止螺旋输送机口发生喷涌。

(2)盾尾注浆

盾尾密封是关键环节,在有承压水地段采取在盾尾注双液浆,双液浆通过现场试验确定配合比,每五环通过注双液浆打一道封闭的止水环,降低承压水的侧向压力。

(3)通过吊装孔注浆封闭

必要时,打通吊装孔进行双液注浆,阻止及降低承压水对盾尾的浸压。

3 结语

华东地区城市轨道交通盾构施工地质环境为典型的南方软土地层,以黏土、粉细砂、粉质黏土为主,地下水丰富,多有承压水影响。在该地质条件下的小半径曲线段施工,对施工设计、施工人员、机械设备、技术水平等均是重大考验。通过加强施工准备、设备及管片选型、掘进过程中技术控制、后期通过吊装孔打设锚杆或注浆加固等多方面控制,从始至终确保小半径曲线段线路不发生明显偏移，为后续类似工程中设备选型、技术准备及措施的制定具有一定的借鉴作用。

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