小半径曲线盾构施工控制经验得失及盾构脱困处理要点

1、资讯园站中间风井盾构区间,小半径曲线盾构施工经验得失及 盾构脱困处理要点,中铁隧道集团有限公司 二一六年三月,前言,小半径曲线盾构施工时盾构对外侧地层是挤压的状态，同时由于在小曲线地段的盾构，是用管片和地层反力掘进的，因此推进力的反力会使隧道向曲线外侧位移，如果隧道的纵向刚度和地层的刚度过小，可能引起管片和其外地层的过大位移，以及使土压超过土体的被动压力而过大扰动。因此小半径曲线地段的隧道轴线控制难度大，同时管片向外侧扭曲而挤压地层使地层和管片结构均受到复杂的影响，衬砌管片错台及渗漏水控制也有一定的难度。 小半径曲线段地质情况为硬岩地层，特别是在软硬地层变化过渡部位，在掘进过程中容易造成盾构卡

2、机，掘进姿态控制显得特别重要。,汇报内容,一,工程概况,二,小半径曲线盾构掘进经验总结,三,盾构脱困处理总结,广州市轨道交通四号线南延段施工5标项目位于南沙区,大致呈东西走向。线路西起既有金洲站，终止于南沙客运港站，大致沿双山大道、金隆路、环市大道、海港大道和科技大道敷设。本标段工程为广州市轨道交通四号线南延段（金洲至南沙客运港）施工5标土建工程，具体位置如图所示。,1.工程位置,一、工程概况,工程位置,工程规模,设计概况,资讯园-中间风井区间为双洞双线区间。区间左线全长1121.441m，圆曲线段左转弯半径R=350m，长450.394m；右线全长1143.571 m，圆曲线段左转弯半径R=

3、370m，长464.25m。,2.工程规模,一、工程概况,工程位置,工程规模,设计概况,3.设计概况,一、工程概况,区间采用6.28m直径的土压平衡盾构施工，管片衬砌为厚度300mm，外径6000mm，内径5400mm的 C50钢筋混凝土结构。分为标准环(P)、左转弯环(L)、右转弯环(R)，衬砌管片分为6块，其中3块标准块(B块)、2块邻接块(C块)、1块封顶块(K块)。管片与盾尾之间的空隙为75mm(包括盾尾刷部位的厚40mm加强钢环)。,工程位置,工程规模,设计概况,3.设计概况,一、工程概况,衬砌管片安装共10个点位：A组1、3、5、8、10；B组2、4、7、9、11。衬砌管片错缝拼装

4、。 转弯环衬砌管片设计最大楔形量38mm。线路左线圆曲线段（350m）平均每环楔形量为26mm，右线圆曲线段（370m）平均每环楔形量为 24mm。,工程位置,工程规模,设计概况,1. 盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结, (1)掘进速度及推力的控制 曲线段盾构掘进，盾构掘进速度、盾构推力需进行严格控制。同等条件下，掘进速度大，则要求相应的盾构机的推力就大，而小半径曲线段宜减小盾构机的推力，从而控制管片侧向位移。曲线段掘进速度严格控制。 根据小盾构曲线段掘进情况总结，在土层地段掘进速度控制在20mm/min以内为宜，在地层强度较大、等岩层控制在10mm/min以内为宜。掘进速度值

5、并不是一成不变的，需根据盾构机所处地层情况、盾构机姿态、管片姿态等来进行调整。,掘进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,1.盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,另外，盾构机在曲线段掘进过程中，必要时，可采取短行程多循环的方式进行掘进，可避免千斤顶推进造成管片破损。即在推进过程中每隔40-50cm适量收缩千斤顶，使得千斤顶对管片的不均匀应力得以释放，而且有利于盾构掘进方向的调整。 (2)曲线段轴线预偏 由于盾构掘进过程的同步注浆效果不能根本上保证管片后土体的承载强度，管片在承受侧向压力后，将向弧线外侧偏移。为了确保隧道轴线最终偏差控制在规范允许的范围内，盾构掘进时在规范允许范围内给

6、隧道预留一定的偏移量。将盾构沿设计曲线线路的割线方向掘进，管片安装时轴线位于设计轴线的内侧，使得管片脱出盾尾后受侧向向外的力向弧线外偏移时留有预偏移量。根据理论计算、线路通过的地质情况及广州地区实际施工经验的综合分析。进入曲线段前，提前将盾体前端水平姿态控制在-20mm到-30mm之间。,掘进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,1.盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结, (3)掘进过程中的纠偏 盾构掘进过程从微观来讲是一个“S”型纠偏的过程，每延米纠偏量控制在23mm，掘进每环纠偏量控制在7mm以内。盾构掘进方向偏角控制在5mm/m，当处在曲线段时，盾构机的方向控制将比较困难特殊情

7、况下不超过10mm/m，否则盾构机转弯过急易导致盾尾间隙过小，损坏盾尾密封，造成管片破裂漏水。 右线S460盾构机千斤顶按上、下、左、右四个扇形分布，分为A、B、C、D四组，推进千斤顶的油泵为变量泵，当盾构需要调整方向时，可通过调整四个区域的油压，来调节千斤顶的顶力。,掘进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,1.盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,如盾构偏离设计轴线，而需纠偏时，可在偏离方向相反处，调低该区域千斤顶工作压力，造成两千斤顶的行程差，也可采用停开部分千斤顶获得行程差，但这样易造成衬砌部分区域受力不匀，使管片损坏。 盾构纠偏时要使千斤顶各区域压力分布呈线性状态，如盾构要

8、向右纠，除左区要较右区有一个较大的压力差外，上、下区域的压力也要适当，一般可取左、右区域压力的平均值。同理，如需上、下纠偏时，可造成上、下区域千斤顶的压力差。,掘进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,1.盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,实际曲线段推进过程中B、D组(右、左)油缸压力差值一般在控制在10bar30bar为宜，盾构机水平趋势控制在-2到-4之间。当左右组油缸推进油压差大于40bar时，趋势会变大，导致水平姿态难以控制。表2-1为右线圆曲线段230环240环盾构机水平姿态控制掘进参数表。从表中可见，232环盾构机左右油压压差44bar，234环43bar，235环4

9、3bar，导致水平趋向从-3变大到-9，水平姿态-26，-3(前，后)变化到-42,-23(前，后)。由于左右油缸推进油压差过大，导致水平姿态未得到较好的控制。通过236环到240环对左右油缸推进油压差的控制，基本在10bar范围内，水平姿态基本回到理想状态。,掘进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,1.盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,掘进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,表2-1 右线230环-240环盾构机水平姿态控制掘进参数表,注:表中左右组油缸推进压力差为当环油缸压力平均值。,1.盾构掘进姿态控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,（4）隧道测量控制 1)规范测量搬站

10、程序 每次搬站必须复核不少于3个导线点的边角关系，经检核无误后方可向前传递坐标。搬站前后记录比对姿态数据，确保各项偏差小于限差。一般导向系统姿态跳动20mm以内需结合管片姿态进行判断，姿态跳动超过20mm必须检核搬站程序并复核坐标。尽量不用托架向前引测。 2)导线点复核 。隧道施工过程中，对洞内导线点进行不少于1次/周的坐标复核，以及时纠正导向系统的错误和累积误差，确保隧道正常施工。 3)实时观测管片姿态 。始发阶段100m范围内每掘进1-2环，对管片姿态进行测量并及时反馈；正常掘进过程中保证每环不少于3次姿态测量，并测量施工当班环倒10环管片，同时复核后10环管片姿态，确保隧道施工精度。,掘

11、进控制,管片选型,铰接使用,管片拼装,2. 衬砌管片选型,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,根据现场实际情况来看，经验较少的值班工程师，对于管片选型，主要依据还是盾尾间隙。根据盾尾间隙进行管片选型，在直线段基本比较适用。但在圆曲线段，单独依靠盾尾间隙指标来进行管片选型是完全不够的。 一方面要考虑管片姿态要适应当前设计线路的走向，尤其是坡度相对较大的小半径圆曲线段，管片点位的选择要兼顾转弯所需要的楔形量和纵向坡度所需的楔形量。 表2-2中264环至276环段设计线路处于平面左转弯半径R=370m圆曲线，纵向坡度为4的下坡。由表2-2可见，264环到270环管片选型存在未考虑隧道设计线路于盾构掘进姿

12、态情况下进行管片点位选择，该7环管片的点位选择未能满足平面圆曲线楔形量的需要。导致后续的271环、272环、273环在推进过程中右侧盾尾挤压衬砌管片，总推力由原来最大值1250t增大到1437t。造成271-273环产生环缝错台，局部小块破损及渗水。,管片选型,掘进控制,铰接使用,管片拼装,2. 衬砌管片选型,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,管片选型,掘进控制,铰接使用,管片拼装,表2-2 盾构掘进管片选型失当统计表,根据设计的线路，调整管片的纵向姿态，完全可以装L2、L10两个点位，即可以满足左转弯的楔形量需要，也满足纵向坡度楔形量的需要。,2. 衬砌管片选型,二、小半径曲线盾构掘进经验总结

13、,小结： 小半径圆曲线段衬砌管片选型对盾构机姿态控制及管片安装质量等有着紧密的联系。管片选型的依据不仅仅局限于“盾尾间隙”，盾构机姿态与隧道轴线相对关系、盾构机姿态与管片姿态的相对关系、盾构机各区域千斤顶行程差、封顶块的位置尽量选择在隧道腰部以上等也是衬砌管片选型的重要依据。 实际推进的过程中，盾构机的姿态与管片姿态二者相辅相成。管片的点位选择要适应当前盾构机的姿态及变化趋势。同时成环隧道为盾构推进提供反力，直接影响盾构机推进过程中的姿态控制。,管片选型,掘进控制,铰接使用,管片拼装,3.管片拼装质量控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,小半径曲线盾构掘进，在控制好盾构掘进姿态及相关参数、管片

14、选型与盾构掘进及设计线路相适应的前提下，管片安装同样也是一个重要的环节。管片安装质量的好坏，直接关系到成环隧道的衬砌的防水密封性能及衬砌管片结构受力是否均匀。 (1)严格控制衬砌管片每块的安装位置精确性。尤其底部第一块的定位尤为重要。安装位置精确，这样可以避免最后安装封顶块K块时的空间不足或空间过大现象。K块的安装空间过小，会造成K块安装过程中止水带被挤压开胶错位及两块邻接块上移错台，即使K块采取润滑的措施但在安装空间较小的情况下效果不是很明显，管片脱出盾尾后必定造成渗漏水。K块的安装空间过大，会造成管片在脱出盾尾过程中K块滑动，尤其是在螺栓复紧次数不足(K块空间过大，至少复紧3次)，造成K块

15、错台严重，造成渗漏水的隐患。,管片拼装,掘进控制,铰接使用,管片选型,3.管片拼装质量控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,(2)本工程衬砌管片防水设计采用只采用一道挤压式橡胶止水带，为确保隧道防水质量，项目决定额外增加一道遇水膨胀止水条，经现场实施，有效地减少了渗漏水的发生。在衬砌管片拼装过程中，管片调整位置时 ，要注意保护挤压式止水带，操作不当或安装速度过快，容易造成将止水带挤压开胶，造成后期管片渗水的隐患。 (3) 每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下环推进时及时进行复紧，克服作用于管片推力产生的垂直分力，减少成环隧道浮动。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次

16、，增强衬砌管片整体刚度。,管片拼装,掘进控制,铰接使用,管片选型,3.管片拼装质量控制,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,管片拼装,掘进控制,铰接使用,管片选型,原设计,变更后,4.盾构铰接装置的使用,二、小半径曲线盾构掘进经验总结,我项目小盾构区间采用铰接式盾构进行施工，铰接方式为被动铰接。由于增加了铰接部分，使盾体与盾尾形成活体，增加了盾构的灵敏度，对隧道的轴线控制更加方便以及管片外弧碎裂和管片渗水等情况得以大大改善。使用盾构机的铰接装置，可以使盾构机的盾体与曲线趋于吻合，预先推出弧线趋势，可以为管片提供良好的拼装空间。 S261和S460盾构机铰接行程极限值为150mm，一般行程最大控制为

17、140mm，行程差最大控制不超过60mm。行程差较大或超过设定控制值时不利于铰接密封的保护，也不利于盾构隧道推进质量控制。掘进过程中密切关注铰接油缸行程的变化及铰接油缸压力的变化，及时对铰接油缸进行收放。,铰接使用,掘进控制,管片拼装,管片选型,1.被困情况,三、盾构脱困处理总结, 2015年7月18日小盾构区间左线S261盾构机掘进至476环，推进油缸行程达到1400mm时掘进参数异常，盾构机被困，无法继续正常推进。总推力2750t，推进速度2-4mm/min，右侧铰接油缸行程达到限值150mm，铰接拉力318bar，且无法正常回收。 经过采取各种措施，于9月14日成功脱困，脱困期间盾构机累

18、计向前推进5818mm。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,2.被困原因分析,三、盾构脱困处理总结,（1）小半径曲线 盾构机卡机段位于350m小半径圆曲线上，施工控制难度较大。S261盾构机设计转弯半径为300m，未配备超挖刀。增加了小半径曲线掘进施工难度。 （2）地质情况 该段从掘进472环开始渣土中逐渐出现较多碎岩块。S261盾构机全长8.67m，截止被困盾尾已经全部位于岩层中。根据进仓检查情况，掌子面为全断面岩层，尤其以上半部岩层完整性较好，下半部较为破碎，初步判断该地层全部位于强风化地层中。而根据详勘报告显示，该段穿越地层为残积土层和全风化花岗岩层。由于强风化花岗岩地层较为破碎，

19、受到外部扰动后易出现收敛现象，长时间停机进一步将盾构机包裹。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,详勘显示地层情况,详勘显示地层情况,2.被困原因分析,三、盾构脱困处理总结,（3）盾尾变形 经过对盾尾实测，发现盾尾已经发生椭变。6点和12点方向盾壳均向内侧径向收缩23cm，3点和9点方向盾壳向外侧径向扩大23cm。由于盾构机开挖直径为6.28米，盾尾设计外径为6.23米，即盾尾外侧理论有2.5cm间隙。但根据盾尾实测数据显示，3点和9点方向盾尾外侧与开挖直径一致，无富余空间，导致盾尾与外部岩层摩擦力进一步加大。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处

20、理总结, S261脱困主要分为两个阶段： 第一阶段为盾构机被困至8月28日期间，该阶段主要采用扩大开挖直径、替换铰接油缸为刚性拉杆、加设底部辅助油缸、调整管片环宽等措施，主要目的为依托足够的推力来辅助脱困。本阶段总推力最大达到5100t，累计向前推进2870mm； 第二个阶段为8月28日9月14日，由于前期脱困所采用刚性拉杆存在不同程度拉伸和断裂，导致铰接密封存在脱离风险。本阶段优先进行盾体回收，恢复铰接油缸，增设两组铰接油缸，同时配备16组辅助油缸，在地面钻孔及润滑的协助下完成脱困，本阶段累计向前推进2948mm。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困

21、处理总结, （一）前期采取主要措施（7月18日8月28日） S261被困以来，结合项目部内部讨论及股份公司专家会建议，项目部前期主要采取以下脱困措施： 1、加大开挖直径 更换7把边滚刀，将开挖直径由6280mm增大为6300mm。 2、加设刚性拉杆 采用刚性拉杆替换相应行程的铰接油缸，确保对盾尾提供足够拉力。将14根铰接油缸全部更换为刚性拉杆，并采用U型钢板对铰接耳朵进行固定，防止变形。推进过程中，拉杆及销子均出现不同程度变形及断裂，并进行及时更换。 3、增加辅助油缸 为保证盾构机有足够的脱困推力，增设千斤顶作为辅助油缸。采用2台400t千斤顶及5台150t千斤顶，主要布置于盾尾中下部。,经验

22、总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处理总结,4、调整管片宽度 由于S261盾尾较长，且线路曲线半径较小。经与业主及设计沟通，已同意采用宽度为1.2米的小管片，有利于小半径曲线调向。 5、调整土压 根据地质情况适当降低土仓压力，确保推进油缸产生最大有效推力。盾构机埋深14米，前期脱困阶段土仓压力建立在0.50.7bar区间，地表监测情况比较稳定。 6、盾壳外侧润滑 在盾尾3点、5点、8点、9点、12点钟位置取孔，共取5个孔（22mm），并在盾壳外注入废液压油共计400L，减小盾尾前进过程中的摩擦阻力。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取

23、的措施,三、盾构脱困处理总结,7、盾构机外侧打排孔 紧贴盾构机两侧采用150mm潜孔钻机地表打孔，钻孔至盾构机底部埋深（21米）。旨在潜孔钻破碎包裹在盾构机两侧岩层，减小盾体在岩层中包裹力。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处理总结, （二）后期采取主要措施（8月29日9月14日） 8月28日上午，广州地铁公司组织各方专家召开S261盾构机脱困专家会，根据专家意见指导S261盾构机进一步脱困。本阶段脱困工作首先进行盾体回收，由于前期脱困阶段主要采用刚性拉杆，脱困过程中拉杆与连接销均出现不同程度断裂及变形，导致盾尾与中体搭接长度逐渐减小，最小处仅剩14

24、cm，为防止盾尾出现脱离风险，需回收盾体。 1、增加铰接油缸 拆除拉杆并恢复所有铰接油缸，行程过长部位采用35t卸扣进行延伸连接。为实现前体回收，调整盾构姿态，在盾构机3点和9点防扭装置处增设两组100t铰接油缸,加大盾尾拉力。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处理总结,2、增加辅助油缸 脱困过程中继续采用辅助油缸加大有效推力，在前期已有7个辅助油缸的基础上增加到16个，布置位置对应16组铰接支座。油缸型号分别为：2个200t、9个150t、5个100t。并在盾体回收阶段，将辅助油缸与铰接油缸共用泵站，确保受力同步。,经验总结,被困情况,脱困措施,原

25、因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处理总结,3、增加盾构机外侧排孔及盾构前方地质取芯 盾构机两侧潜孔钻继续钻孔，尽量紧贴盾壳，并避开盾尾左侧燃气管线。由于盾尾被卡最严重，在盾尾2点和10点钟正上方增设2排孔，共计增加24个孔，累计完成145个孔。 结合专家意见，对盾构机前方及周边进行地质取芯，周边共布置7个钻孔。盾构机被困位置岩面最高位置为盾尾右侧铰接位置，且岩层强度较高。盾构机前方岩层有减弱趋势，且在前方11.5米处为全断面黏土层。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处理总结,4、盾壳外侧润滑 结合地表潜孔钻开孔，采用旋喷桩机对盾构机盾尾两侧及土仓内压注钠基膨润土浆液进行润滑。盾尾内部开孔处原计划加注油脂，因盾壳外部被地层包裹密实，无法注入。,经验总结,被困情况,脱困措施,原因分析,3.脱困过程采取的措施,三、盾构脱困处理总结,（一）前期脱困（7月18日8月28日） S261盾构机脱困第一阶段累计向前推进2870mm。 （二）后期脱困（8月28日9月14日） 项目部于9月9日完成盾体回收工作并恢复铰接油缸，累计完