大直径隧道小曲线半径施工难点及技术措施

李洪哲，吴朝来

（1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450003；2.中铁隧道局集团有限公司 设备分公司，河南 洛阳 471009）

盾构参数对大直径盾构法隧道小曲线半径施工是否顺利起到关键作用，特别是复杂地层及小半径曲线隧道，盾构的开挖直径、管片选型、盾尾密封形式、掘进前风险预判及掘进过程中的技术处理措施对整个盾构隧道施工至关重要。

1 工程概况

杭州香积寺路西延工程位于杭州市拱墅区，地下隧道全长2 293m。线路西段沿既有余杭塘路、香积寺路敷设，穿越莫干山路、湖墅北路、丽水路、上塘路等城市主次干道，下穿京杭大运河等，沿线两侧分布有居住片区及公建、商务、办公大楼等。隧道覆土厚度约7.7～19.0m，主要穿越地层为淤泥质粉质黏土夹粉土、淤泥质黏土、黏土。盾构管片直径11 300mm，盾构隧道段最小水平曲线半径为R=500m，隧道区间水平曲线在R500～R600m 范围内，左右隧道间距为4.6～5.5m，属于小曲线、小间距盾构施工隧道，盾构掘进防止超限、姿态控制要求非常高。隧道平面图如图1 所示。

图1 隧道平面图

2 掘进前各参数确定

2.1 管片楔形量确定

根据隧道最小水平曲线(500m)进行模拟计算，采用原2m管片环宽掘进施工模拟相关问题。

2.1.1 管片在R500m楔形量计算

管片楔形量关系如图2 所示。

图2 管片楔形量关系图

式中θ——转弯环的偏转角；

δ——转弯环的最大楔形量的1/2；

D——管片直径；

L——管片环宽，取2m；

R——转弯半径，此处取最小转弯半径500m。

计算可得：θ=L/R=0.004rad=0.2292°

计算可得δ=22.6mm，所以楔形量为2δ=45.2mm。

2.1.2 计算错缝拼装有效楔形量

盾构管片采用5+2+1 共9 块，40°进行分布；纵向螺栓为M30 共36 颗，进行10°分布，错缝拼装管片。考虑楔形量最大有效利用率，楔形量的最大利用位置在水平中心线上下30°位置，有效楔形量如图3 所示，得到有效楔形量Sa分别如下。

图3 水平中心线上下30°位置有效楔形量模拟图

楔形量50mm：Sa=43.3mm＜45.2mm，不满足。

楔形量55mm：Sa=47.6mm＞45.2mm，满足。

楔形量60mm：Sa=51.9mm＞45.2mm，满足。

楔形量65mm：Sa=56.2mm＞45.2mm，满足。

采用55mm 及以上楔形量可满足施工，但在实际施工过程中存在盾构掘进姿态、盾尾间隙、管片拼装质量等不定因素影响，因此采用双面楔形量为60mm 或65mm 比较稳妥。

2.2 最小盾尾间隙计算

曲线施工和蛇形修正时必需的最小盾尾间隙

式中R——隧道曲线半径，R=500m；

D0——管片外径，D0=11.3m；

L0——盾尾长度，L0=4m;

θ′——盾尾内管片夹角。

盾构曲线段掘进示意图如图4 所示。

图4 盾构曲线段掘进示意图

2.3 确定开挖直径

CAD 模拟中以主机刀盘内、外侧最边缘点和盾尾尾部1点共3点与开挖轮廓线对比进行模拟，管片中心位于设计中心线（R500m）上，管片采用双面楔形量为60mm，在水平±30°错缝拼装有效楔形量为52mm 进行模拟（R500m 曲线需用楔形量为45.2mm）。

2.3.1 开挖直径为11.65m

内侧刀盘在开挖轮廓线上时，外侧盾尾侵入轮廓线外40mm，内侧前体几乎与开挖轮廓线重合及侵入，无法满足盾构曲线转动。开挖直径为11.65m 模拟转弯示意图如图5 所示。

图5 开挖直径为11.65m盾构转弯模拟示意图

2.3.2 开挖直径为11.67m

外侧盾尾尾部侵入轮廓线外4mm，内侧前体靠近中体接缝位置与轮廓线间隙1mm 左右。管片采用60mm 楔形量，延R500 曲线中心进行铺设，外侧盾尾与管片间隙为前加强环50.26mm、后加强环72.04mm，尾刷弹性释放。内侧盾尾与管片间隙小为前29mm、后17mm，尾刷被压缩。油缸行程外部完全伸出2.6m，内侧油缸行程为2.486m，差值为114mm（一环掘进完成后）。有效管片长度（2 022.6mm、1 977.4mm），基本可满足盾构主机转R500m 曲线。外侧尾刷弹性完全释放，内侧尾刷被压缩，密封效果比较差。开挖直径为11.67m 模拟转弯示意图如图6 所示。

图6 开挖直径为11.67m模拟转弯示意图

2.3.3 开挖直径11.68m

刀盘内外2 点和外侧盾尾与开挖轮廓线重合，检测主机其他弧面没有与开挖轮廓线存在相交侵入现象。以主机3 个点在轮廓线内进行模拟，主机弧面都在轮廓线内。2m 环宽60mm 楔形量，水平30°旋转的有效楔形 量：2026-1974=52mm。外侧间隙（前59.69mm、后70.53mm），内侧间隙（前20.88mm、后15.93mm），行程差值：2600-2486.76≈113mm。外侧尾刷弹性完全释放，内侧尾刷被压缩，密封效果差。开挖直径为11.68m模拟转弯示意图如图7 所示。

图7 开挖直径为11.68m模拟转弯示意图

综合盾尾刷密封性能、管片间隙及注浆量等因素考虑，确定刀盘开挖直径控制在11.67m。同时将盾尾刷刷毛及前后护板长度增加20mm 有效地降低了盾尾漏浆返浆的风险。

3 小曲线半径掘进中的风险及应对措施

3.1 盾构曲线掘进调向问题

在淤泥质软土地层掘进，地层自稳性差、盾体包裹严重，管片约束盾尾调向困难。掘进过程中采用减少油缸、单边注浆稳定管片、过程中回收油缸调整靴板受力点位置等方式。盾构管片拼装第60 环，盾尾进入第一个530m 转弯半径段42m，盾构姿态如图8 所示。

图8 60环盾构姿态图

水平方向:前-42mm，后-63mm（正值右偏，负值左偏），偏航2mm/m。竖直方向:前-138mm，后-160mm（正值上偏，负值下偏），偏航2.1mm/m。盾尾间隙：上20mm，下45mm，左70mm，右12mm。从盾构实际姿态可看出，与前期计算参数较接近，在可控范围之内。

3.2 盾尾漏浆处理及控制

淤泥质粉土为不透水地层，盾尾在小曲线半径掘进过程中，单边尾刷密封弹性释放，密封效果差。浆液来源主要是土仓内的泥浆和注入管片背部的砂浆。注入的砂浆存入尾刷内固结、占位，将油脂腔堵塞，破坏尾刷、密封效果差。

采取措施：水平曲线掘进间隙最大位置在左右3 点、9 点位置，调整盾尾注浆点位，将注浆点放到上部1 点、11 点位置。

土仓浆液窜入管片内侧，土仓压力不稳定，根据盾尾尾刷安装的空间尺寸，对尾刷尺寸进行调整（将刷长192mm 调整到225mm，保证刷丝不搭接到后部尾刷前端）。

3.3 管片开裂问题

掘进过程中盾尾间隙过小、油缸行程差值过大、安装质量等原因会导致管片外弧面破损、管片通透裂纹等问题。盾尾理论间隙为40mm，曲线半径掘进最大转角时的间隙在75mm，为盾尾极限间隙，很容易造成管片破损。

采取措施：实时调整掘进参数，转速控制在0.5～0.7rpm，掘进速度20～40mm/min,进浆量1 000～1 200m3/h 之间，出渣量控制在1 300～1 500m3/h，单侧盾尾间隙30～40mm；15～25 环、78～92 环掘进参数如表1、表2 所示。

表1 15～25环掘进参数表

表2 78～92环掘进参数表

同时推进过程中禁止2 组以上油缸进行调向，防止应力集中造成管片破损。结合盾构姿态，封顶块放置在能拟合盾构姿态的方向上，同时考虑盾尾间隙，放置于间隙较大一侧确保盾尾间隙均匀，有利于掘进方向的控制，防止管片的破损。

4 结论

大直径盾构在适应小曲线半径掘进施工前，针对各项关键系统参数的确定是工程能够顺利推进的重要前提，同时有效地结合以往类似项目施工经验，充分考虑施工过程中可能造成的影响因素，施工过程中严格控制各项参数，能够有效地避免一些施工风险，提高施工效率及工程质量。