盾构法地铁隧道小半径曲线始发技术控制(2010-10-14).doc

航空学报盾构法地铁隧道小半径曲线始发技术控制邹 超1 杭广斌2 (1.中国中铁一局第四工程有限公司，陕西省咸阳市玉泉西路8#中铁大厦，邮编：712000；2.杭州市塘河北村10-2-601，邮编310012) 摘要 盾构始发是盾构法隧道施工的重点与难点，其成败直接影响项目的安全、质量、进度及经济效益，小半径曲线始发更是难上加难，在修建郑州地铁1号线时，我标段的郑州大学站至碧沙岗站盾构区间平面线形为“S”曲线，盾构从郑州大学站西端头以330m小半径曲线成功始发，各项技术参数均受控。关键词 盾构法 地铁隧道 曲线始发 技术控制Shield tunnel radius of small initial technical control curve Zou chao 1 Hang Guangbin2 (1.China zhongtie Engineering Company Limited, a fourth of the first Bureau, the 8# of Yuquan Road West zhongtie Building of Xianyang City, Shanxi Province Zip：712000；2.Hangzhou Zip：310012）Abstract: Shield excavation shield tunnel construction is the key and difficult, The success of the project safety, directly affects the quality, progress and economic benefits, Small radius curve more difficult initial，Built in zhengzhou metro line 1, I stood to section of zhengzhou university, bishagang stood shield interval horizontal alignment for s-shaped curve, Shield from zhengzhou university in west stand head 330m small radius curve initial success，Various technical parameters are controlled.Key words: Shield;Subway tunnel;Initial curve;Technical control 都市快轨交通第 卷 第 期 200 年 月 51概述碧沙岗站郑州大学站盾构区间（以下简称碧郑区间）左线长度为1198.039m，右线长度为1199.468m，线间距为13m，平面最小曲线半径为320m，纵断面设0.2%2.75%的“V”字型纵坡，隧道顶埋深9.6m16.3m，中间设1处联络通道。由于受既有建筑的制约，线路纵坡与平面曲线半径均达到设计极限，没有调线的余地。左右线始发起始段均为曲线，详见表1-1。表1-1 平面线路特征表作者简介：邹超，男，在读工程硕士，从事轨道交通施工，杭广斌，男，大学本科，从事施工监理工程地质条件分析：本区间杂填土厚0.53.8m，平均厚1.52m ；根据附近场地资料，场地为非湿陷性场地，可不考虑湿陷对工程的影响；（22）层粉土、（32）层粉土含少量钙质结核，（29）层粉土中钙核较多，（34）层含大量钙核，局部钙质胶结；（39）层钙质富集，为钙质胶结层。图1-1 碧郑区间地质饼状图地下水：本区间浅层含水层岩性以粉土、粉质粘土为主，属松散岩类孔隙潜水，地下水类型为潜水。勘察期间本区间地下水稳定水位埋深20.725.4m（标高81.786.4m），根据河南省环境地质监测院资料，2005-2008年郑州西区地下水变幅1.483.90m，判定本区间地下水位年变幅23m。因此确定本区间近35年最高水位埋深约为17.722.4m（标高84.790.0m），基本在隧道底板以下。2盾构机基本参数本区间采用两台中国中铁 CTE6250土压平衡盾构机先后于郑州大学站西端头始发往碧沙岗站方向掘进。该盾构机适宜在淤泥质粘土、粘土、粉土、粉砂、粒径不大于30cm的卵砾等地层等土层的掘进施工；盾构机可适用的掘进最小曲率半径为250m，最大坡度35；盾构机设备总重量约为500T，盾体长度为9.007m（含刀盘长度），包括后配套总长79.5m，分为盾构机主机和后配套设备两大部分，后配套设备分别安装在6节后续台车上；盾构机盾尾间隙29mm，最大掘进速度80mm/min，最大推力31650kN，额定扭矩4377kNm，脱困扭矩5225kNm。盾构机刀盘开挖直径为6.27m，刀盘的结构为辐条面板型，刀盘开口率为50%。在刀盘上配置安装了1把中心鱼尾刀、72把刮刀、16把铲刀、29把先行刀、1把仿形刀（超挖刀）（液压控制）、8把周边保径刀。盾构选型设计时允许最小曲线半径为250m，通过铰接油缸满足盾构在曲线上转弯的需要，利用铰接油缸的密封设施满足盾尾发生较大偏转时的密封要求，防止地层损失造成的地表沉降；并设计有在曲线上掘进时进行扩挖的仿形刀，盾构在曲线进行掘进时，合理使用仿形刀，减小盾构机推进阻力，但同时也应注意控制好超挖量。3始发关键技术控制盾构始发段，包括盾构始发井全部处于R330m的小半径曲线段，而由于始发时条件的制约，盾构始发基座、负环管片、反力架均难以布置成相应的曲线状，使得盾构始发时在出基座前只能沿直线推进，轴线偏差控制较为困难，因此，始发路径的合理选择是盾构小曲线始发能否成功的关键所在。3.1 始发线型及参数盾构始发采用割线始发的线型，考虑到最好的拟合隧道线路及管片排版情况，采用如下参数：洞门钢环安装位置：依据碧郑区间始发段线型特点(短缓和曲线+R330/340圆曲线),根据线路拟合结果,采取大角度割线始发，与车站端墙偏角左线6.259、右线5.585，向曲线外侧预偏45mm（洞门设计预偏60mm，满足始发线形要求），由于盾体在未全部进入土体之前无法转向，只能沿直线形式进洞，割线始发具有在盾体全部进入土体后盾构姿态偏差最小、管片不侵限、盾构纠偏容易等优点。图3-1 小曲线半径碧郑区间左线始发线形示意图3.2始发托架安装始发托架中线与盾构始发割线重合，坡度与隧道设计坡度一致。盾构始发前对始发架两侧进行加固。利用预埋在始发托架梁上的钢板与始发架进行焊接，并利用H型钢两边支撑保证左右稳定。并用垫薄钢板调节始发架的标高，达到要求的位置；盾构机与始发托架接触处焊接防扭转牛腿，以防止盾构始发阶段由于盾构机刀盘受到土体的反力而发生盾体的滚动，以及进洞后转弯所造成的横向分力。图3-2 始发托架横断面示意图 图3-3 始发托架平面示意图3.3 负环管片拼装盾构机始发时在反力架和零环管片之间安装负环管片（考虑到曲线始发，受力复杂，负环全部为闭口环），并对其采取了立体加固，以保证将盾构始发推进的巨大复杂反力可靠、稳定地传至反力架而不发生相对位移和超限变形，从而确保正环管片的错台与密封质量符合设计及规范要求。其中郑州大学西端头左线安装7环负环管片，右线安装6环负环管片。每环负环管片分块数与标准管片相同，依次安放在始发托架上。在内、外侧采取钢丝拉结的加固措施，以保证在传递推力过程中管片不会旋转浮动。图3-4 郑州大学西端头左线始发托架及反力架示意图3.4 盾构始发姿态盾构始发时其铰接油缸角度为零，盾构中心轴线位于隧道设计中心线的外侧，设计洞门偏移量为60mm，即处于盾构始发路径的延长线上，其坡度与隧道设计坡度一致。但比设计高程抬高20mm，防止盾构出洞后栽头。3.4.1始发导台的设置始发架前端，与洞门空隙处设置导台，以使盾构机顺利进入土体。导台分为两段，始发架前端到洞门密封处为第一段，采用钢导轨的形式，洞门钢环内为第二段，采用素混凝土形式。钢导轨与始发架钢轨对接，并在底部采取加固支撑措施，洞门钢环内的素混凝土范围为钢环底部50度范围，等厚度设置。3.4.2洞门凿除后掌子面角度处理由于采用大角度割线始发，刀盘与洞门土体之间存在一定角度，始发过程中会出现刀盘一侧先接触土体另一侧空转的现象，盾构机推力会使盾体产生扭转趋势，对始发受力和轴线控制极为不利。因此，需将洞门围护桩凿除后，掌子面相应的凿成与始发偏角相同的斜面，保证盾构刀盘全断面同时抵触掌子面土体，防止出现刀盘悬空，而使得始发托架和反力架受力不均匀。 图3-5 洞门掌子面凿除形成偏角3.4.3盾构离开基座前姿态控制盾构离开始发基座前基本沿预定始发路径直线前进，在此期间盾构须切割洞门加固体，以慢速、低压为推进原则，确保盾构姿态的稳定。在加固体中由于土体加固后达到了0.8Mpa，无需主动建压。盾构推进速度控制在10mm/min以内，刀盘转速控制在0.5r/min。3.4.4盾构离开基座后姿态控制盾尾离开基座后，盾构已处于相对自由的状态，一般通过盾构推进千斤顶的合理推力选用来调整盾构姿态，必要时可同时使用铰接功能来调整，以使盾构逐步沿隧道设计轴线靠近。由于盾构在曲线段施工时具有一定的盾尾“离心”现象，尤其是R330m的小半径曲线段更为明显，刀尖一般宜向内偏离设计轴线20mm左右。3.5 初始掘进参数选定根据地质及隧道埋深等情况，计算切口平衡压力：P平衡压力；土体平均重度（取18.0KN/m3）h隧道中心埋深；k土的侧向静止平衡压力系数，取0.7；即郑州大学站出洞段理论土压力： 刀盘初抵掌子面时：设定刀盘转速0.5r/min，设定推力200t。加固体范围内无需主动建压，设定刀盘转速0.5r/min，设定推力400t。控制扭矩1000kNm以内，控制掘进速度10mm/min以内。出加固体盾构整机长度进入土体范围：设定土压01.7bar，设定刀盘转速1.0r/min，设定推力500t。控制扭矩1500kNm以内，控制掘进速度20mm/min以内。盾构整机长度进入土体掘进20环范围：设定土压1.7bar，设定刀盘转速1.0r/min，设定推力1200t。控制扭矩2000kNm以内，控制掘进速度40mm/min以内。掘进20环后：设定土压1.7bar，设定刀盘转速1.3r/min，设定推力1200t。控制扭矩3000kNm以内，控制掘进速度60mm/min以内。4小半径曲线超挖段地层地面沉降控制由于始发施工的特殊性，始发阶段的地面沉降值均较大，因此在始发阶段需尽早建立盾构机的适合工况并严密注意出土量及土压情况，同时加大监测频率，控制地面隆、沉值。（1）盾构机掘进前，掌握施工影响范围内的地面建筑物、地下管线、地下障碍物、地下设施等，必要时进行物探，对重要建筑物采取事前保护措施。（2）建立严格的隧道隆、沉监测控制网，及时定期的进行监测，掌握隧道施工时和建成后对周围环境及对隧道本身的影响。注意对盾构前方监测点监测数据的分析。如果盾构前方监测点地面变形控制在（-5mm+5mm），则盾构在通过时地面变形可控制在（-30mm+10mm）否则应调整出土量控制地面沉降，要求更加严格的环境下，应另外确定控制值。（3）地面变形接近-20mm+5mm时，尽快找出原因并采取相应措施。（4）加强掘进参数的管理，尤其是土仓压力设定要合理，通过优化盾构掘进参数来保持开挖面的稳定，从而控制地层的隆、沉。（5）根据初始100m的掘进，对盾构施工所采用的参数进行不断优化调整，以使盾构在全线掘进中，随地质、埋深、环境条件的变化而动态的、合适的确定施工参数，将地面沉降控制在+10mm和-30mm范围内。（6）加强同步注浆及二次注浆管理来控制地层的隆、沉。为了减少和防止地面隆、沉，在盾构掘进中，要尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形孔隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件，确定浆液配比，注浆压力、注浆量及注浆起止时间对同步注浆能否达到预期效果起关键作用。（7）注意盾构在曲线上推进及盾构纠偏。盾构在曲线上推进时，土体对盾构和隧道的约束力差，盾构轴线较难控制，因此推进速度要减缓，纠偏幅度不要过大（要求每环纠偏量不大于5mm），加大注浆量、加强纠偏测量工作等，以减少地层损失，降低地面沉降。（8）防止从管片接头、壁后注浆孔等漏水而引起地层下沉，进行管片安装和防水施工按施工要求进行，保证施工质量。若出现管片漏水及时采取二次注浆，达到防水效果。5 结束语通过对小半径曲线始发技术的研究，及时总结施工参数，郑碧盾构区间隧道始发掘进的各项指标均处于受控范围内。由于采用割线始发的方案，盾构机与设计线的偏移量比较大，在始发托架上，盾构机的前点偏离设计线45mm，后点偏离设计线128mm，在进洞910m后（盾体全部进入土体）才能开始调整盾构机姿态，当掘进到135环时，项目部测控队与第三方测量单位均复测了每一环的管片姿态，数据显示管片最大平面偏差为55mm，最大竖向偏差为49mm，满足盾构法隧道施工与验收规范地铁成型隧道轴线平