小半径曲线隧道盾构施工工艺

1 前言

1.1工艺工法概况

小半径曲线盾构隧道是指曲线半径在250～400米的曲线隧道，由于施工采用盾构法施工，盾构机的设计转弯能力直接影响到隧道的施工难易程度，目前使用较多的德国海瑞克Φ6280mm的土压平衡盾构机的最小水平转弯半径为200米、日本小松TM625PMD盾构机最小水平转弯半径为150米，可以满足小半径曲线的施工要求。但施工过程中需采用相应的辅助措施及加强施工各个方面的控制才能有力确保小半径曲线隧道施工质量。

1.2工艺原理

1.2.1盾构掘进过程中通过刀盘的超挖刀，推进油缸的压力、行程差、铰接油缸的行程差使盾构机根据隧道的设计曲线前行以完成曲线段的隧道施工

1.2.2通过增大每环管片的楔型量、减少环宽以增大管片转弯的能力来拟合隧道较小的设计曲线。

2 工艺工法特点

    有效减小了建筑物密集区等特殊条件下隧道选线的难度，适用于较小半径曲线盾构隧道的施工，施工具有安全、经济、高效的特点。

3 适用范围

    适用于小半径曲线盾构隧道。

4 主要引用标准

4.1《地铁设计规范》(GB50157)

4.2《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299)

4.3《混凝土结构设计规范》(GB50010)

4.4《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204)

4.5《地下防水工程质量验收规范》(GB50208)

4.6《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》(GB50212)

5 施工方法

小半径曲线盾构隧道施工是在土压平衡的前提下，采用VMT导向系统控制掘进方向、通过刀盘的超挖刀扩挖掌子面、推进油缸压力差使盾构机沿曲线方向前行、盾构铰接油缸行程差使盾体与盾尾有效的拟合曲线，最后通过楔型量较大的管片拼装来拟合盾构机开挖的曲线形成小半径曲线隧道。

6 工艺流程及操作要点

6.1施工工艺流程

图1  施工工艺流程图

6.2操作要点

6.2.1施工准备

工程开工前了解隧道地质情况、地面建筑物情况，做好盾构机的选型工作，确保使用盾构机满足小半径曲线的施工能力。进入小半径曲线掘进前2个月前做好施工的各项准备工作，准备工作的重点为小半径曲线使用管片的生产。

6.2.2掘进控制

1进入小半径曲线启用超挖刀、仿形刀，使开挖空间满足盾构机转弯的能力。掘进过程中根据掘进参数选择合适的超挖量，一般超挖量20～50mm。装有超挖刀的刀盘如图2所示:

2在小半径曲线隧道中盾构机每推进一环，由于推进油缸与管片受力面不垂直，在油缸的推力作用下产生一个水平分力，使管片拖出盾尾后，受到侧向分力的影响向曲线外侧偏移，因此盾构机提前进入小半径曲线掘进，盾构机水平姿态向曲线内侧偏20～40mm，如图3管片受力分析图所示：

图2  装有超挖刀适应于软土地层的刀盘布置

图3  管片受力分析图

3采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测，采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向，被动铰接装置在曲线掘进过程中形成油缸行程差，使盾构机有效拟合曲线，小半径（250～400米）曲线段主要控制参数如下：

表1  小半径曲线段掘进控制参数

6.2.3管片选型与拼装

1管片选型

根据小半径曲线线路选择合适的管片宽度和管片楔形量，管片的环宽越小、楔形量越大管片所适用的曲线半径也就越小。以通用管片为例可以计算管片理论上能实现的最小转弯半径：

管片每环宽度为B，管片外径为D，单面楔形量为△，纵向螺栓的分组数，即拼装点位总数n。采用错逢拼装，按照下列公式可计算出理论管片可满足的最小转弯半径R:

R=B*D/(2△(1-sin（n*π）))

    由上公式可知：环宽B越大、R越大，单面楔形量为△越大、R越小。

根据目前国内小半径曲线的施工情况一般半径为250～400米可采用环宽1.2米、楔形量为41mm的管片。

2管片拼装

1)作业班组严格按照管片拼装操作规程执行，从管片的进场验收、下井、运输、吊运、拼装过程中严格要求。

2)拼装前冲洗管片、检查止水条粘贴密实、盾尾清理干净后方可进行拼装。

3)拼装过程中严格控制管片环缝、纵缝＜5mm。

4)油缸收缩与拼装管片同步，禁止油缸过多收缩影响管片成环质量。

5)K块止水条涂抹黄油，插入K块拼装机与推进油缸同时使用，严禁用力过大造成K块破损。

6.2.4同步注浆及二次注浆

曲线段提高同步注浆浆液强度，确保成型管片能够快速的稳固防止成型管片受不均匀推力侧移。在全断面硬岩、较软地层中同步注浆很难达到饱满、稳固成环管片的效果，及时采用二次注浆加固。

表2  同步注浆浆液配比

根据开挖直径和管片外径计算：每环注浆量V=∏/4*K*L*（D1-D2）2=3.14/4×1.5×1.5×(6.282-6.02)2=6.1m3，因此确保注浆量大于6.1m3。

6.2.5施工测量

小半径曲线掘进重点做好地面沉降监测、管片姿态复测，主要监测项目见下表：

表3  施工监测项目

盾构施工技术要求高，专业性较强，要求工种多，且施工环境特殊，现场需配备专业技术人员。作业班组24小时白、夜班作业，人员配备见表4。

表4  盾构掘进所需劳动力

表5  主要机械设备

9.1易出现的质量问题

9.1.1管片易错台、开裂和破损

管片存在一个水平方向的受力，不但会使整段隧道管片发生水平偏移，还会导致管片之间发生相对位移，形成错台。由于管片的特殊受力状态。管片与管片之间存在着斜向应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点如图4 管片斜向应力分析示意图所示，同时相邻两环管片产生了相对位移，使得管片螺栓对其附近处混凝土产生前倾作用，使该处的混凝土破裂。

图4  管片斜向应力分析示意图

9.1.2管片渗漏水

1管片错台导致止水胶条衔接不紧密；

2管片外侧的混凝土开裂，裂缝绕过止水胶条，具体见图5 管片裂缝破损示意图所示：

图5  管片裂缝破损示意图

9.1.3盾构机姿态控制困难

    在小半径掘进过程中易出现盾构机姿态向曲线外侧偏离线路设计轴线，导致成型隧道与设计轴线偏差较大。

9.2保证措施

针对小半径曲线掘进易出现的管片错台、破损、渗漏水等问题，主要从盾构机掘进参数，盾构设备（铰接装置）、管片选型与拼装等施工方面考虑、解决。

9.2.1避免管片错台和破损

1做好管片点位的选择管片姿态与盾构机、盾尾姿态相符，保证盾尾间隙>55mm。

2由于曲线外侧的油缸推力大，满足盾构机转弯的同时减少左右油缸压力差，一般左右油缸压力差<100bar。

3控制好铰接油缸确保盾构机与地层、盾尾与管片姿态相符，铰接压力<150bar、铰接油缸行程差<100mm。

4管片螺栓严格执行三次复紧，确保管片连接紧密。

5加强施工人员教育培训、提高管片拼装质量，避免因拼装不到位产生的错台。

9.2.2管片渗漏水

1每环拼装前做好止水条的检查、冲洗，确保粘贴质量合格。

2减少错台、拧紧螺栓，确保止水胶条对接紧密，达到良好的止水效果。

3严格控制盾构机的姿态，确保盾尾间隙均匀，避免盾尾挤裂管片，使裂缝绕过止水条形成漏水。

4如有渗漏水出现及时采用二次注浆封堵处理。

9.2.3管片姿态控制措施

1提高盾构机操作司机操作水平，掘进过程中通过参数、渣土分析及时进行盾构机掘进参数调整、控制。

2盾构施工技术管理人员及时了解前方掘进地层控制土舱压力、优化掘进参数，达到精确控制盾构机姿态的目标。                                                                                                                                                                                                                

10 安全措施

10.1主要安全风险分析

根据隧道工程施工特点，安全风险防范重点有以几个方面：

10.1.1防触电雷击事故；

10.1.2水平、垂直运输事故；

10.1.3管片吊运、拼装撞击。

10.2保证措施

针对盾构法施工在特定的地质条件和作业条件下可能遇到的风险问题，施工前必须仔细研究并制定防止发生灾害的安全措施，主要包括以下几个方面：

10.2.1施工前应作全面的安全技术交底。

10.2.2坚持一机、一闸、一漏保原则，加强临时用电管理，做好触电防范、应急措施。

10.2.3运输设施的运输能力应与盾构施工所需的材料、设备供应量相适应。所有的起重机械、机具要按安全规程要求定期检查维修与保养。

10.2.4管片拼装落实专人负责指挥，盾构机司机按照指挥人员的指令操作，严禁擅自转动拼装机，以免发生伤亡事故。

11 环保措施

11.1施工场界噪声按《建筑施工场界噪声限值》（GB12923-90）的要求控制。保证在各施工阶段尽量选用低噪声的机械设备和工法。并且在满足施工要求的条件下，尽量选择低噪声的机具。

11.2在施工前做好各类市政管线调查，施工中做好保护，防止施工破坏管线。市政管线的迁移和保护按法规要求进行，履行报批手续付费。同时采取措施并建立应急程序、做好应急准备，避免停水、停电等事故的发生，一旦发生事故可及时响应。

11.3废水排入城市下水道，悬浮物执行《污水综合排放标准》（GB78） 中的三级标准400mg/l;废水排入自然水体，悬浮物执行《污水综合排放标准》（GB78） 中的二级标准150mg/l。

11.4粉尘、扬尘的作业面和装卸、运输过程，制定操作规程和洒水降尘制度，在旱季和大风天气适当洒水, 保持湿度。

11.5废泥浆外运采用专用车辆，指定专人管理，检查车辆的密封性能，并严禁在中途排放。