小曲率半径盾构法隧道施工技术探讨

1、小曲率半径盾构法隧道施工技术探讨摘要：指出小曲率曲线半径隧道施工的重点及难点，分别从盾构掘进、管片拼装、壁后注浆、环境保护四个方面介绍施工中可能遇到的问题及相关建议，为今后的小曲率曲线半径盾构法隧道施工提供了依据。关键词：小曲率曲线半径 超挖刀 铰接装置 侧向漂移 施工质量一、引言随着社会的发展，越来越多的城市选择地下轨道交通作为缓解城市交通压力的工具。一般来说，地下铁道线路设计的任务是在规划路网和预可行性研究的基础上，对拟建的地下铁道线路的平面和竖向位置进行最佳化的布置。但是由于受规划及现有建筑物的制约，使得地铁线路的线性越来越复杂，小曲率半径隧道的应用也将越来越多。小曲率半径隧道的施工与常

2、规盾构法施工相比存在一定的特殊性，研究小曲率半径盾构法隧道施工技术也就成为必要。决定小曲率半径曲线施工成败的因素很多，有地层条件、盾构机、管片、超挖量、背后注浆及其他辅助工法的使用。其中关键因素就是控制好小曲率半径曲线上的盾构掘进技术、管片拼装技术、同步注浆技术以及地面沉降控制技术等。二、小曲率半径上的盾构掘进技术盾构机在曲线段上为有一定长度的直线刚形体，曲线半径越小，盾构机身越长，则盾构机的掘进线路与隧道轴线拟合越难，偏差越大。曲线段上的盾构掘进线路为连续折线，为了与隧道设计线路更好的拟合，掘进施工时就需要连续纠偏。单次纠偏量越大，纠偏灵敏度就越低，轴线就越难控制。而超挖刀与盾构铰接装置的使

3、用就成为了控制特急曲线上隧道轴线的关键。（一） 超挖刀的使用某些特急曲线施工需要一定程度的超挖，以确保盾构机的转弯空间。超挖刀具由液压千斤顶控制，需要超挖时千斤顶可将超挖刀具向外周方向伸出，对底层进行超挖。超挖量一般控制在0125mm范围内。超挖量的控制将直接影响到特急曲线的施工效果，超挖量过大则会严重扰动周围土体，造成正面土体坍塌甚至地面沉降；超挖量过小则不能给盾构机提供足够的转弯空间。- 1 -在曲率半径特别小的曲线上，超挖刀一般配合铰接装置共同使用。超挖量的计算如下（见图1）：超挖量计算如下：点P坐标： 图1Xp = L2+Yp = R0点Q坐标： Dtan 22XQ = XP+Dtan

4、+L1cos22- 2 -YQ = YP-Dtan+L1sin 22点V坐标：XV=XP+DDtan+L1cos-sin 222YV = YP-DDtan+L1cos-cos 222点V与圆心的连线与Y轴的角度： V=XV YV最小内接半径：RminDL2tan2+R0-tan2=21+tan2DL2tan+R0-+ 21+tan2超挖量：R-Rmin= T=VcosV-其中：D盾构外径铰接角度R0曲线半径 2XV+YV2-RmincosV-（二） 铰接装置的使用铰接装置是把盾构机分成前舱和后舱两部分，在铰接处可以出现曲折；也可以把盾构机分成前舱、 - 3 -中舱、后舱三部分，从而使盾构机出现

5、两次曲折。铰接装置利用铰接千斤顶使盾构机沿折现前进。在特急曲线段使用铰接装置，可以很好的控制超挖量，能更好的与线路轴线拟合，从而减少单次纠偏量，减少对周围土体的扰动。使用铰接装置时，要根据不同的曲线半径设置铰接角度，避免铰接角度不足或过度铰接。(见图2)铰接不足铰接适量铰接过度图2使用铰接装置应注意以下几点：1.铰接止水带的防水性；2.盾构机体曲折一定角度时，千斤顶和管片中心线的偏心量（防止管片屈服变形、开裂）；3.土压平衡盾构机，应注意防止铰接装置与螺旋输送机发生碰撞。（三）其他方法的应用当盾构机外径较大、隧道曲率半径较小时，仅仅依靠铰接装置和超挖刀不能满足特急曲线上的施工要求，则可使用偏心

6、千斤顶使刀盘向线路内侧滑动，以便于控制超挖量。盾构机在特急曲线上掘进时，也可在进入缓和曲线时在设计规范允许的前提下适当向曲线内侧靠拢，从一定程度上略微增加曲率半径，获得更好的施工效果。 - 4 -三、小曲率半径上的管片拼装控制（一）盾尾间隙的控制曲线段上进行管片拼装时，管片轴线总是稍稍滞后与盾构掘进线路，这就使得管片拼装完成后盾尾间隙上下不均匀，在特急曲线段处尤为明显。盾尾间隙不均匀严重影响施工质量。例如：长时间挤压盾尾密封刷使密封刷回弹能力降低或失去回弹能力；盾尾间隙过大处漏浆、涌水涌砂；压坏管片，甚至差生贯通裂纹等现象。（见图3）为确保均匀的盾尾间隙，应做好管片超前量预控，提前贴片，合理使

7、用转弯环，保证管片拼装质量。图3（二）侧向分力作用下管片整体向线路外侧漂移特急曲线段施工，左右半区推力相差较大，从而使左右两侧的侧向土压力相差较大；且盾构每完成一环管片拼装都与掘进线路的法线方向产生一夹角，在推力作用下产生一侧向分力（见图4）。在这两个原因的共同作用下，管片在离脱离盾尾一定距离后将向线路外侧漂移，沿外侧严重错台。侧图4- 5 -侧向分力的计算：= l=R0lDR0+2F侧=F总sin其中：F总盾构总推力F侧平行与管片环面的侧向反作用力F纵垂直于管片环面的反作用力l 管片宽度D 管片外径可以看出，在设计阶段，特急曲线段应使用宽度较小管片；在施工阶段，条件允许的情况下，可以适当减少

8、总推力。曲率半径特别小的线路，在同步注浆时应选用早期强度高、流动性好、填充性好的双液浆，从而降低侧向反作用力，减少管片向线路外侧的漂移量。（三）处理管片质量问题的其他措施1.小曲率曲线半径上，管片容易出现纵向、环向错台及管片贯通裂纹，可以在整个环面范围内使用贴面找齐环面，使上一环与下一环环面处于同一竖直面上。2.在管片两侧贴传力衬垫，弥补两侧因推力不同而产生的传力衬垫压缩量差，抑制管片贯通裂纹的出现。3.管片加固。特急曲线段施工时，考虑到千斤顶推力作用会在已组装好的管片上产生水平位移力。另外，千斤顶的单推也会产生偏心荷载。为了确保管片能承受这些荷载，必要时应对肋板、面板、接头螺栓等构件进行补强

9、。四、壁后注浆管片脱离盾尾后，需立即通过注浆将其固定在地层上，使千斤顶的推力能迅速传递到后方管片、地层及反力架上。再者，为了抑制管片变形和地层沉降，也必须迅速填充尾隙。浆液材料应选择凝胶体积变化小、早期强度高、填充性好的浆液。小曲率半径部位背后注浆的必备固结强度的估算如下。（见图4）小曲率曲线部位的半径 Rc管片外径 R管片厚度 d- 6 -盾构千斤顶推力 Fii=F总， i为千斤顶数量平行与管片环面的侧向反作用力 F侧垂直于管片环面的反作用力 F纵q=dd F侧=Fisin=q R+RcR0一个千斤顶承担的管片外侧表面积为A=2Rpd i单个千斤顶对应的管片背面土体上作用的压力为P=F侧A因

10、此，单轴抗压强度qu必须大于P。若把安全系数定位2，则希望的表现强度为2P，该强度的表现时间因施工条件的不同而不同，通常为1.52h。特急曲线上施工，超挖量大，盾构机周围存在较大空隙，对土体的扰动也较大，背后注入的浆液有可能流进前方工作面，因此应采用瞬凝型浆液；在管片背面设置注入袋，即采用附袋注入法；管片脱离盾尾后的二次注浆。五、地面沉降控制及环境保护特急曲线段与正常施工相比还受其他因素的影响。例如：盾构机在特急曲线段上掘进处于纠偏状态，超挖刀必要时也处于开启状态，实际开挖面为一椭圆形，且实际出土量大于理论出土量；特急曲线段施工，土仓内各区土压力差异较大，会增加地层损失；纠偏量较大，对土体扰动

11、也较大，容易造成长时间的后期沉降。在穿越建、构筑物区域，为了保护地上沉降区域内建筑物，除了保证同步注浆量及二次注浆外，必要时还应对所穿越地层进行加固处理。就加固方法而言，常采用压密注浆工法，高压喷射注浆工法及冷冻法。六、结束语小曲率半径曲线尤其是特急曲线上的盾构法施工，既有和一般隧道施工相同的一面，又有其特殊性差异性。要充分认识到小曲率曲线上施工的特点，从初期的线路设计、管片规格到中期的施工准备、盾构选型再到后期的正常施工，做好充分的准备工作。控制好盾构掘进、管片拼装、壁后注浆三个环节。 - 7 -此外，盾尾密封刷的选择、盾尾刷上涂抹密封油脂、浆液配比等因素也影响着小曲率曲线半径盾构隧道的施工质量，这里就不一一赘述了。总之，我们要抓住小