小半径曲线隧道盾构施工始发技术

黄志堂 张燕明 周伟 郑子源 吴迪

摘 要：盾构进出洞施工为盾构隧道施工的关键，也是盾构施工的重难点。小半径、大纵坡、浅覆土盾构始发的情况更加大了盾构始发的技术难度，如何采取安全可靠的技术措施以保证盾构始发的施工质量，是需要研究的关键课题。本文以工程实例作为研究对象，通过端头加固、割线始发、堆载反压和洞门密封等技术，有效解决了盾构始发存在的管片上浮、隧道渗漏水、地表沉降隆起大、管片姿态偏移超限和隧道成型效果难以控制等问题，既保证了施工过程的顺利进行，也保证了隧道的成型质量，对今后类似工程施工具有重要的借鉴意义。

关键词：小半径曲线;浅覆土;端头加固;割线始发：洞门密封

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）22-0111-03

Starting Technique of Shield Tunneling in Curved Tunnel with Small Radius

HUANG Zhitang1 ZHANG Yanming1 ZHOU Wei1 ZHENG Ziyuan1 WU Di2

Abstract： Shield tunneling in and out of the tunnel is the key to shield tunnel construction， but also the key point of shield construction.The initiation of shield with small radius， large longitudinal slope and shallow covering soil makes it more difficult for shield to start. How to adopt safe and reliable technical measures to ensure the construction quality of shield is a key subject that needs to be studied. In this paper， the engineering example was taken as the research object. Through the technology of end reinforcement， secant initiation， surcharge backpressure and tunnel door sealing， the problems of segment floating， tunnel leakage， large surface settlement uplift， excessive segment attitude deviation and difficult control of tunnel forming effect were effectively solved. This not only guarantees the smooth progress of the construction process， but also guarantees the quality of tunnel formation， which has important reference significance for similar projects in the future.

Keywords： small radius curve;shallow overburden soil;end reinforcement;slitting start;portal seal

自2009年鄭州市开始规划建设城市轨道交通项目以来，郑州市已有四条地铁线路建成并投入运营，且仍有其他数条线路在加紧建设当中。地铁线路由于大都建设在市区，而市区的地下情况又较为复杂，因此，出现了许多小半径、大纵坡、浅覆土的隧道，大大增加了地铁线路规划和建设的难度。同时，盾构始发技术又为盾构施工过程中的重要一环。本文就小半径、大纵坡、浅覆土工况下的盾构始发技术进行研究，介绍了施工中的技术特点和存在的问题，并提出了问题的解决方案，以期为今后类似工程建设提供借鉴。

1 工程概况

郑州市轨道交通3号线一期土建工程一工区贾鲁河出入场线盾构区间起点为贾鲁河出入场，终点为新柳路站盾构井[1]。出入场线起点里程为右（左）CR-K0+073.825，终点里程为左CR-K1+603.216，右CR-K1+590.150。左线长度1 526.379m，右线长度1 516.429m。其中左CR-K0+073.825～左CR-K1+206.767，右CR-K0+073.825～右CR-K1+198.368为盾构区间。左线盾构区间长度为1 132.942m，右线盾构区间长度为1 124.543m。出入场线区间左线始发段为竖向线型为32.386‰下坡，平面型为R305m，右线始发段为竖向线型33.284‰，平面线型R300m。左右线接收段均为直线型。贾鲁河出入场线盾构区间总平面图如图1所示。

2 工程与水文地质概况

本场区的地层自上而下依次是人工填土层、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新冲洪积层、第四系中更新统冲洪积层。场区沿线邻近的地表水体主要为贾鲁河，在本区段已被改造，河道经硬化，与地下水基本无水力联系，地下水类型为潜水。地下水主要赋存于约30m以上粉土、粉砂、细砂层中。静止稳定水位埋深9.2～9.8m，静止稳定水位标高81.4～82.5m[2]。

3 工程难点

盾构机始发技术本就受到诸多因素影响，而小半径大纵坡曲线的盾构始发容易出现管片姿态偏移超限，管片姿态与隧道成型效果难以控制，引起盾尾卡壳、管片破损和隧道渗漏水等情况;也会给地层造成更大的扰动，容易使土体的沉降和隆起更为严重，再加上浅覆土的工况影响，导致管片上下受力不均匀，容易上浮，并且造成地面塌陷，更不利于盾构的轴线控制[3]。

4 解决方案

4.1 端头加固

盾构始发端头井埋深约5m，覆土层较薄，且小半径大纵坡盾构施工对地层扰动大，固本工程始发端头井采用Φ850@600三轴搅拌桩+Φ800@500三重管高压旋喷桩加固。靠近盾构井端头搅拌桩与围护接缝处采用1排Φ800@500三重管旋喷桩加固。加固前，应在加固区两侧各1m处布置备用降水井，降水井深度达到加固区底部以下5m，具体方案根据现场实际情况作降水专项方案。盾构开挖轮廓外3m范围内土体确定为Φ850@600三轴搅拌桩，靠近盾构井端头搅拌桩与围护接缝处采用1排Φ800@500三重管旋喷桩加固以隔断渗水通道。搅拌转与旋喷桩施工前应根据地质情况进行试桩，确定施工参数。Φ850@600三轴搅拌桩水泥渗入量應在施工前根据地层类型进行渗入量的强度及其他参数的对比试验，搅拌桩实桩水泥掺量建议值取20%，空桩水泥掺量建议值取7%，空转范围为盾构隧道轮廓顶部3m至地面高度;旋喷桩采用强度等级42.5级及以上的普通硅酸盐水泥，水灰比0.8～1.2，且保证注浆压力大于20MPa。为改善水泥浆液性能，根据水泥土特点，通过室内配比试验或现场试验，可加入适量的外加剂和掺和料。端头井加固长度为8m，加固宽度为盾构隧道结构外边线每侧3m，竖向为盾构隧道结构外边线上下各3m[4]。

4.2 割线始发

在小半径曲线上始发，始发方向尤为重要。盾构始发方向有三种，即直线始发、切线始发和割线始发[5]。对于小半径曲线隧道的始发方向，由于盾构机在始发托架和加固区内无法调节姿态，同时为保证反力架、始发托架以及负环管片的稳定，运用割线始发的方式最为合适。盾构机在进洞后的加固范围内，只能沿直线方向推进，待盾构机推进10m推出加固区后再调整姿态。为了使盾构机进洞前10m的姿态偏差最小，满足隧道的成型质量，为后续的盾构施工打下一个良好的基础，本工程采用割线始发。以洞门中心作为原点画一个半径为10m的圆，将该圆与设计掘进线路的交点和洞门中心相连的线段作为割线始发的实际推进线路。以300m的曲线半径为例，通过CAD软件模拟可以得出：割线始发后，盾构机刚进洞时，计划掘进线路和实际线路的偏差为零，继续沿割线方向推进，两者之间的偏差不断增大，推出加固区时达到最大值41mm，即向设计方向内侧偏移了41mm，可以满足规范要求。而且此时盾构机姿态刚好与设计线路重合，可在此基础上进行姿态调整，能够有效减小姿态调节的变化量[6]。割线始发示意图如图2所示。

4.3 堆载反压

盾构始发段覆土厚度为5m，小于一倍洞径。考虑到始发段覆土较薄，无法抵消隧道的上浮力，在大纵坡曲线始发的情况下，管片从盾尾脱出后容易上浮，破坏隧道的成型质量，并引起管片破损。为了保证隧道的成型质量，本工程决定在浅覆土地段50m范围内使用地面沙袋堆载反压的方法来控制管片的上浮力，使隧道上方覆土的总厚度大于一倍洞径，以中和管片上浮力，沙袋可以循环使用，且环保无污染。

4.4 洞门密封

由于洞门与盾构（或衬砌）存在建筑空隙，易造成水土流失，因此，必须在洞门口安装始发止水装置。始发装置包括帘布橡胶板、扇形圆环板、连接螺栓、螺母和垫圈。

为了使盾构机在离开托架后过端墙时不发生叩头现象，在洞门破除完成后，可在洞门圈底部铺设河砂及水泥混合物，以进行底部止水，并支撑盾体平稳进入土体。

为了防止盾构机始发掘进时土体或水从间隙处流失，车站内衬墙施工时在洞圈预埋环状钢板，盾构机始发前在洞圈安装橡胶帘布环状板、压板等组成的密封装置，作为盾构始发施工阶段临时的防水措施，端头井洞门上预留有72个螺栓孔。在安装前，应测量螺孔的位置偏差，若发现偏差过大，应相应调整帘布橡胶板上孔的位置，同时，用钢丝刷和丝锥逐个清理螺孔内螺纹，在其内侧均匀地涂上黄油。安装时，先安装帘布橡胶板，后安装圆形扇形板，压板螺栓应尽可能拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，然后将扇形板向洞内翻入，防止盾构始发后同步注浆浆液泄漏。

本区间盾构始发端围护桩采用钢筋混凝土施工工艺，盾构始发时进行洞门凿出施工。贾鲁河出入场明挖段盾构井内衬墙施工时在洞圈预埋环状钢板，盾构机始发前在洞门钢环上采用由橡胶帘布环状板、压板等组成的密封装置，作为盾构始发施工阶段洞门封堵措施。

对于小半径曲线隧道盾构始发的情况较为少见，盾构始发技术又是盾构施工的关键，本文就小半径、大纵坡、浅覆土的盾构始发技术进行了探究，并进行工程实例探讨。研究表明，通过端头加固、割线始发、堆载反压和洞门密封等技术，可以有效解决盾构始发存在的管片上浮、洞门渗漏、地表沉降隆起大、管片姿态偏移超限和隧道成型效果难以控制等问题，既保证了施工过程的顺利进行，也保证了隧道的成型质量，对今后类似的工程施工具有重要借鉴意义。

参考文献：

[1]胡俊，杨平，董朝文，等.盾构始发化学加固范围及加固工艺研究[J].铁道建筑，2010（2）：47-51.

[2]胡俊，杨平，董朝文，等.苏州地铁一号线盾构隧道端头加固方式现场调查研究[J].铁道建筑，2010（11）：32-35.

[3]马龙，邓永红.盾构机小曲线半径始发技术[J].施工技术，2009（6）：65-68.

[4]曾晔，杨平，胡俊，等.特殊地层下盾构始发端头加固技术实例研究[J].铁道建筑，2011（2）：79-81.

[5]丁海明，刘焱辉，李钟，等.盾构施工小半径曲线始发点及始发方向探讨[J].建筑技术，2009（11）：1025-1027.

[6]周明军.地铁区间隧道盾构曲线始发与接收施工技术[J].铁道建筑，2014（7）：59-62.