上软下硬地层条件下土压平衡盾构小半径曲线始发控制技术研究

郑心 南京市轨道交通建设工程质量安全监督站

1 前言

盾构法作为城市地铁区间隧道施工工法之一，具有机械化程度高、施工速度快、对周边环境影响小、施工安全性高等众多优点。随着城市轨道交通建设速度的增加，在城市中新建隧道面临的地质条件和周边环境越来越复杂，为避免直接下穿建构筑物，盾构在小半径曲线上始发的情况越来越多。本文依托南京地铁5号线三山街站—朝天宫站区间工程，通过始发条件设置、掘进参数控制、地面沉降监测结果评价，形成南京地区上软下硬地层小半径曲线始发经验，为后期工程施工提供参考

2 工程概况

南京地铁5号线三山街站至朝天宫站区间，盾构从朝天宫站小里程端始发，然后沿莫愁路～升州路掘进，直至三山街站大里程端接收。盾构区间右线设计起终点里程：ZDK24+987.821m～ZDK26+422.574m，盾构区间长度1434.753m，区间埋深16m～32m。区间右线最大纵坡27.905‰，最小纵坡4‰，平面曲率半径最小350m，平面曲率半径最大1500m。区间左线盾构始发段45.327m，位于R=3000m的竖曲线、R=370m的圆曲线上，坡度渐变至-27.174‰。区间隧道左、右线采用2台奥村复合土压平衡盾构机，开挖直径为6490mm。隧道管片采用通用环加转弯环管片，管片设计强度C50，外径6200mm，内径5500mm，环宽为1.2m，转弯环楔形量为37.2mm。始发段地层，隧顶为淤泥质粉质黏土；隧中为粉质黏土，强风化泥岩、粉砂质泥岩，中风化泥岩、泥质粉砂岩；隧底为中风化泥岩、泥质粉砂岩。

3 始发重难点及预控措施

3.1 上软下硬地层始发

盾构始发段地质情况主要为上软下硬，上部为粉质黏土、下部为强风化泥岩，同时，始发即为下坡，盾构机可能有上仰趋势。在穿越上软下硬地层时，由于位于切口下半部分的土层较硬，切口下半部分阻力较大，上部土层较软，切口上半部分阻力较小，盾构难以提高坡度，隧道轴线控制难度较大。

预控措施：①合理利用超挖刀和盾构铰接功能以达到纠偏效果；控制好掘进速度，以保证刀盘充分切削前方硬土；②防止上部软弱土体塌方，比较上部区域土压的变化，判断盾构上部是否有超挖现象；③使用泡沫剂，对土体进行改良，减小地下水的渗透、流动，保持上部土体的稳定。

3.2 圆曲线小半径始发

三朝区间左线，始发段位于R=370m的圆曲线上。始发段负环拼装及加固区内，盾构机姿态难以调整，掘进过程中易出现盾构机姿态超限的问题，对隧道轴线控制、盾构纠偏及超挖引起的地表差异沉降要求高，主要涉及三方面：曲线段施工涉及软弱土层，盾构纠偏产生的土层扰动及超挖将加剧地表沉降；曲线段施工控制不当将带来管片碎裂、渗水及轴线偏差的风险；曲线段施工控制造成盾尾间隙不均匀，盾构机尾部易发生椭圆变形，从而导致盾尾出现渗漏安全事故。

预控措施：①精确控制盾尾间隙。精确控制盾尾间隙以便于管片拼装，也便于盾构进行纠偏，同时能减少管片因盾尾间隙不足产生的碎裂及渗水问题。盾构推进时，油缸行程至一半，测量一次盾尾间隙，根据数据结合姿态及线型，调整各分区油缸推力，保证间隙均匀；推进完毕，再次测量盾尾间隙和超前量，根据数据分析确定拼装点位。②精确控制盾构纠偏量。盾构在曲线段推进时，实际上是处于曲线的外切线上，由于盾构曲线推进时环环都处于纠偏状态，因此必须做到勤测勤纠。③加密测量盾构姿态。在曲线段推进时，应增加隧道测量的频率。每班次推进完毕，及时对管片进行复测，将复测成果与盾构机掘进期间的姿态控制值进行对比，指导盾构机的推进和纠偏，及时调整推进参数。

3.3 竖曲线始发

三山街站至朝天宫站区间，始发掘进45m，竖向坡度即渐变至-27.905%。端头加固长度9m，此区域内盾构机调整姿态较困难，极易出现竖向线型超限的问题。

预控措施：①结合隧道轴线，模拟每环管片拼装后的线型，按照既定45m内实现设计纵向坡度的目标，对管片进行逐环分解计算，确定始发基座竖向位置按照-10‰的坡度进行安装，反力架上部较下部前倾10cm,确保盾构机在45m范围内，坡度渐变至-27.73‰；②结合平面圆曲线控制目标，确定始发架平面位置，沿掘进方向往设计轴线左侧偏移

20mm。

4 初始姿态拟定

根据上节重难点分析结论，采用人工计算和软件运用相结合的方式，确定的始发架和反力架安装姿态，在预定的-8环至+8环内，模拟出盾构机在每一环掘进时应达到的姿态变化情况，如表1所示。

表1 管片姿态模拟计划表

5 盾构掘进控制参数

（1）推进指标设置。始发参数根据地勘报告提供的相关数据进行理论计算，结合相邻盾构区间始发施工经验，相关参数汇总如表2所示。

表2 始发阶段掘进参数参考值

（2）始发基座布置。始发基座安装精度控制在±20mm，始发基座按照-10‰的坡度进行安装，反力架上部较下部前倾10cm,可确保盾构机在45m范围内，坡度渐变至-27.73‰；始发架平面位置，沿掘进方向往设计轴线左侧偏移20mm，可确保盾构机出加固区后，水平姿态不会超限。

（3）洞门帘布板安装。为保证盾构机与洞门间建筑空隙密封，在始发过程中不造成水土及同步注浆流失，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。

（4）渣土改良。土体改良系统（加泥、加膨润土、加泡沫系统），刀盘和土仓壁上设计土体改良孔，刀盘面板布置3处加注口，土仓壁上设置8处，螺旋机筒体上设置3个注入口，在螺旋机进土口位置也设置2处加注口，同时配备相应的加泥和泡沫土体改良设备。

（5）同步注浆及二次注浆。结合同类型盾构施工经验，盾构推进期间同步注浆采用惰性浆液，浆液具有保水性好、抗水分散性好、不易离析、塑流性好、不易堵管等特点，能有效控制地面沉降，过程中按照注浆压力和注浆量双指标进行控制。

（6）管片拼装。盾构推进和管片拼装二者联系紧密，提高管片拼装质量，进一步控制好盾构机的掘进姿态，保证成型隧道质量。

①拼装前查看前一衬砌环与盾构之间的间隙情况，结合前一环成果报表，决定本环拼装点位及纠偏量。查看前一环和本环止水条环面是否完好，如有损坏应及时进行修补。检查上环管片是否有外弧面碎裂，若有碎裂，必须修补后方可拼装下环管片。

②拼装时，清除环面和盾尾内的各种杂物，并检查止水条的粘贴情况，保证止水条粘贴可靠。各环、纵向螺栓必须全部穿进、拧紧，用扭力扳手抽查螺栓紧固是否达到要求。

③管片拼装完成，对拼装质量进行查验，满足要求方可开始掘进下一环。每环管片螺栓至少需要复紧四次，管片拼装一次，推进半环一次、推进完成一次，脱离台车前复紧一次。

④对于已形成环面不平的管片，在下一环拼装时及时加贴楔子纠正环面，保证下一环管片拼装完成的环面平整度。

6 盾构始发控制措施

（1）盾构始发段推进。盾构工作井沿轨道中心长12m，负环管片共9环（含0环），每环1.2m。负环中0环～-8环全部采用错缝满环拼装，其中0环封顶块拼装在12点钟位置。每环负环管片脱离盾尾后采用一根钢丝绳绕管片外径拉紧，确保管片的真圆度。

（2）盾构机到达地连墙。拼装负环管片，盾构机开始向前顶进，土仓压力为零。盾构刀盘开始切削地连墙时，切削缓慢进行，推进速度控制约为5mm/min，此时盾构推力维持在800t以内，盾构刀盘转动过程中，借助盾构推力作用，均匀碾磨切削地连墙正面。

（3）盾构机刀盘进入加固区。推进第-5环时，刀盘中心刀抵达加固区，观察刀盘扭矩、盾构始发基座、反力架及侧滚限位块情况，并在进入洞门前割除，若发现异常立即停机处理。推进速度控制在1cm/min～2cm/min之内，注意出现推力及刀盘扭矩突变过大时，应停推刀盘，防止刀盘卡住。加固体内推进：盾构开始掘进加固土体，螺旋机暂不启动出土，观察土压变化情况，直到切削土体填充土仓使土压力达到一定数值以平衡盾构正面土压。在此区域施工时，土压力设定值应略低于理论值，推进速度不宜过快，盾构坡度略大于设计坡度。推进第+2环行程1470mm时，盾构机即将完全进入洞门帘布板，管片拼装时密切关注橡胶帘布板及压板情况，防止渗漏水。

（4）盾构机刀盘脱离加固区。推进第+3环行程800mm时，此时刀盘即将脱离加固区域，盾构出加固区后，为防止正面土质变化而造成盾构突然“磕头”，将平衡压力值设定略高于理论值，实际推进过程中盾构土压力设定值以中部2区或3区的土压为准，结合已推进完成的朝上区间沉降控制经验，出加固区的土压力控制在0.15MPa左右，推进速度控制在2cm/min～4cm/min之间。+3环拼装完成时，推进+4环行程700mm时，+1环管片脱出盾尾，此时利用盾构机同步注浆管进行注浆，浆液采用可硬性浆液，注浆量以填充+1环管片与洞门之间的空隙为宜。

7 盾体脱离加固区

盾构掘进拼装完成第10环，盾体即将脱离加固区。需要对2环、4环、6环进行二次注浆，施工环箍，分多次、均匀、少量进行，以达到扩散填充和加固均匀有效的目的，并控制不流浆、不漏浆，以达到封堵洞门的目的。施工效果评估分析：按照计划施工参数和控制措施，三朝区间左线顺利完成始发并安全穿越始发段的建构筑物，成型隧道轴线偏差数据和沉降监测数据如表3所示。

表3 成型隧道管片姿态表

8 结束语

（1）通过实测成型隧道管片姿态与理论拟定参数对比可得，水平姿态最大差值在+4环管片位置，为24mm，垂直姿态最大差值在+2环管片为22mm，符合设计要求，理论拟定的始发掘进参数是合理的，对后期同类型盾构工程施工具有一定的指导意义。（2）本工程按照专项方案要求，在始发过程中进行重点控制，通过对区间成型隧道轴线偏差和沉降监测数据分析，三朝左线始发段整体施工效果较好，管片水平姿态最大偏差为-75mm，垂直姿态最大偏差为-64mm，满足规范允许偏差（±100）要求，各项沉降控制均在控制值范围内，达到预期效果。