小半径曲线、大坡度饱和软黄土地层条件下盾构施工技术

田志龙

摘 要：在小曲线过饱和软黄土盾构施工时，控制地表沉降与成型隧道质量是盾构施工的关键。饱和软黄土由于长期处于饱和状态，多成软塑和流塑，承载力底，压缩性较高，为软弱地层，出现地面不均匀沉降和建构筑物沉降破坏等问题。而且由于曲线的半径过小，盾构作用于管片后座的侧向分力很容易使成环管片外移，产生管片环的高差，同时已建成的隧道在盾构机的推力作用下，极易产生偏移，轴线控制难度较大。

关键词：饱和软黄土;软弱地层;小半径曲线;大坡度;盾构法施工

盾构法施工是以盾构机为隧道掘进设备，以盾构机的盾壳作支护，用前端刀盘切削土体，由千斤顶顶推盾构机前进，以开挖面上拼装预制好的管片作衬砌，从而形成隧道的施工方法。盾构法下穿饱和软黄土地层的地表沉降控制成为一大难题;且需在下穿饱和软黄土地层同时通过小半径曲线大坡道隧道;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。

工艺特点：（1）满足盾构法过饱和软黄土地层地表沉降控制（2）可保证盾构法施工隧道成型质量。

适用范围：（1）对于小半径曲线大坡度地段有利于减少管片的碎裂和隧道的整体防水（2）可有效控制饱和软黄土地区地表沉降或隆起，避免地面建构筑物破坏。（3）用于地面建构筑物安全及成型隧道质量要求较高处。

一、工程概况

区间隧道为小半径曲线大坡度，并处在覆土较厚的饱和软黄土地层中，管片采用1.5m管片，施工人员如不能很好地控制，将造成盾构机与管片之间卡壳、管片碎裂、错台、渗漏水、地表沉降严重等问题。由于曲线的半径过小且饱和软黄土可塑性较差，盾构作用于管片后座的侧向分力很容易使成环管片外移，产生管片环的高差，同时已建成的隧道在盾构的推力作用下，极易产生偏移，轴线控制难度较大，地表沉降难以控制。

（一）设备选型

盾构穿越小曲线，使用小松盾构机;小松盾构机采用的是主动铰接，对于小半径曲线纠偏有较好的控制，同时确保铰接密封不出现渗漏等情况。对刀盘配备的2把超挖刀进行了更换，确保在小半径段推进时对隧道线性的拟合度。

盾构穿越饱和软黄土，该地层有变形过大、不均匀沉降、厚度可变的特性，施工时自承能力差，不易稳定，当盾构穿越该地层含水量较大时，易发生涌水涌泥，对盾构机螺旋、对闸门密封、密封刷，同步注浆机、同步注浆压力传感器及流量计和气动阀进行全面检查，完全确保盾构机在穿越饱和软黄土安全有效的通过。

（二）主要考虑因素及措施

本工程主要考虑两个因素：（1）小曲线大坡度轴线控制难度大。线路曲線段最小半径为R=350m，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。（2）盾构穿越饱和软黄土地层沉降控制难度大。隧道上方为城市主干道，沉降控制要求高，地表沉降控制值-30mm，沉降速率控制值2mm/d。

措施：选择合理的掘进参数，制定合理的监测方案。

二、施工工艺流程及施工方法

（一）管片选择与拼装

在盾构法施工中，管片的选型和安装好坏直接影响着隧道的质量和使用寿命。就盾构管片选型和安装技术做总结分析。

右线经计算从第65环进入圆缓曲线，其R350m的小曲线上共计220环管片。根据公式：36.2/6000=L/350         L=2.112

由此得出转弯环：标准环=2.112：1，因此在推进过程中每2环核查一次楔形量。

利用每一环的理论楔形量指导推进（1.5/350=X/6000     X=25.7mm）。

推进前后左右行程差变化量为25.7mm。

左线经计算从第22环进入圆缓曲线，其R350m的小曲线上共计222环管片。根据公式：36.2/6000=L/350         L=2.112

由此得出转弯环：标准环=2.112：1，因此在推进过程中每2环核查一次楔形量。

利用每一环的理论楔形量指导推进（1.5/350=X/6000     X=25.7mm）。

（二）管片拼装举例

（1）左侧油缸行程300mm，右侧油缸行程280mm。左右铰接度数=0°，推进前左右行程差为20mm。

（2）推进完成后左右油缸行程差为40mm，即变化20mm。左侧油缸行程1840mm，右侧油缸行程1800mm。

（3）检测盾尾间隙是否均匀，在间隙均匀的情况下选择右转环拼1点，由此左超36.2mm，上超1.8mm。

（4）拼完之后油缸行程：左侧303.8mm，右侧300mm，行程差3.8mm。

（三）盾构机姿态控制

盾构掘进过程中，管片在承受侧向压力后将向弧线外侧偏移。特别在饱和软黄土地层，盾构机姿态不易控制。为了使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，将盾构机掘进水平姿态控制在圆曲线内，确保曲线段施工的推进轴线控制，减少管片外弧碎裂、控制管片偏移量及地表沉降量符合要求。

在曲线上掘进时，以盾构机长度8.68m作割线，盾构机推进水平趋向按照割线进行控制。使整个盾构机沿着曲线内弧面前进，缩小盾构机轴线与隧道中心线之间的夹角。必要时，开启水平铰接，使盾构机更好地拟合曲线前进。

盾构机掘进进行纠偏时，宜慢不宜急，防止盾构机蛇行量过大，一般每环纠偏量不宜超过5mm。为避免盾构掘进“急纠”，盾构掘进时，考虑给隧道预留一定的偏移量，将盾构机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。

（四）管片背后注浆

理论注浆量：

根据刀盘开挖直径和管片外径，可以按下式计算出一环管片的注浆量。

V=π/4×K×L×（D2-D22）式中：

V —— 一环注浆量（m3）

L —— 环宽（m）

D1—— 开挖直径（m）

D2—— 管片外径（m）

K—— 扩大系数取1.5～2

代入相关数据，可得：

标准盾构：V=π/4×（1.7）×1.5（38-36）=4.2m³

理论注浆量：V=4.2 m³

由于注浆量饱和，因此管片不易发生偏移错台、渗漏水及地表沉降现象。

小曲线半径、大坡度掘进时控制参数表

掘进速度mm/min 推力（kN） 扭距（kN·m） 刀盘转速（r/min） 土仓压力（bar）

20～30 8000～12000 1800～2500 1.0～1.4 1.7～1.9

（五）掘进过程管控

（1）加强螺栓复紧

每环推进结束后，必须对当前管片连接螺栓进行复紧，并在下环推进过程中再复紧一次，克服作用于管片上的推力所产生的垂直分力，减少成型隧道上浮，每掘进3环对拖出盾尾的管片进行一次复紧。此过程由班组长监督落实，并将螺栓复紧情况做好记录。

（2）加強监测频率

在小半径大坡度曲线饱和软黄土地层段推进时，适当增加隧道测量的频率，应通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性，同时也可以通过测量数据来反馈盾构机的推进和纠偏。因此，太～兴区间隧道监测约25环移站一次，每10环监测盾构成型隧道姿态。

（3）严格控制推进速度

推进时速度控制在2～3cm/min，既可以避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又能减少盾构推进过程中对周围土体的扰动。

（4）严格控制土仓压力

盾构在推进过程中土仓压力，上部压力控制在0.12Mpa，下部压力控制在0.15Mpa，为防止过量超挖、欠挖，尽量减少土仓压力的波动，其波动值控制在0.02Mpa。

（5）盾尾间隙控制

小半径曲线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盾尾间隙。合理的盾尾间隙既便于管片拼装，也便于盾构机进行纠偏。因此，盾构机司机在掘进前，掘进后，拼装前、拼装后分别进行盾尾间隙量测、对比，便于及时进行合理调整，并将数据做好记录。

三、应运实例

西安地铁五号线太乙路站～兴庆路站区间隧道埋深约9m～26m，区间最大平曲线半径为1500m，最小平曲线为350m，最大坡度为（上坡）28.5‰，最小坡度为（下坡）2‰;区间穿越大厚度饱和软黄土;本区间现已安全、顺利贯通，盾构区间质量及地表沉降均符合要求。

四、结语

本工程采用盾构法穿越小曲线大坡度饱和软黄土地层，线路上方为城市主干道，线路曲线半径小、坡度大、地层不稳，线路两侧建筑物众多。通过严格控制管片选型、管片拼装、盾构掘进参数，加强施工监测等手段，能实现穿越过程中地表沉降、建筑物沉降均受控、隧道中心线符合要求、管片拼装质量好、无渗漏水的目标。