1、盾构小曲率转弯段掘进技术分析与研究刘文豪 高 锋 张 林摘 要 本文主要介绍盾构机在小曲率半径转弯段的掘进技术以及参数控制，通过研究盾构机主动和被动铰接系统的结构特点、工作原理及铰接系统在盾构姿态调整中的应用来控制盾构机的掘进姿态，并通过研究盾构施工过程中管片选型的原则和方法，详细阐述盾构机与管片姿态调整的具体方法和科学依据。通过姿态调整和管片合理选型，防止因推进控制不当或管环选型不当而引起的管片破损，提高盾构施工质量。关键词 盾构机 小曲率半径 铰接系统 管片选型 掘进技术1 引 言盾构机是集多个学科技术于一体、专门用于开挖地下隧道工程的工程机械，它反映了一个国家的综合国力和科技水平。成型隧
2、道的质量是隧道的生命，对于快速、一次成型的盾构法隧道则更为突出，掘进姿态的合理与否不仅影响成型隧道轴线控制是否达标，也会影响管片拼装质量，控制不当，可能引起渗漏水，直接影响隧道的整体防水效果及隧道的耐久性。依据设计要求调整和保持盾构机姿态是小曲率半径施工的重难点之一，本文以深圳地铁 7#线为依托，主要研究铰接系统的特点、工作原理以及在小曲率半径掘进时的施工方法。2 适用性分析2.1 盾构机由于盾构机中盾与尾盾之间通过铰接连接，增加了盾构主机的灵活度，可以更好地使盾构机机身拟合隧道设计轴线，使隧道的轴线成型、管片碎裂预防和渗水控制等得以改善。西西区间左线采用海瑞克被动铰接盾构机，可适应的最小转弯
3、半径为 250m；右线采用中铁主动铰接盾构机，可适应的最小转弯半径为 200m，均满足本区间 300m 最小转弯半径的需求。2.2 管片的适用性对小半径转弯段的管片楔形量检算：按管片外径 6.0m，曲线半径 R=300m 圆曲线段进行计算，设转弯段外弧长为 L1，外弧半径为 R1，内弧长为 L2，内弧半径为 R2。则：L 1/R1=L2/R2 即 L 1/303=L2/297，得 L1=1.0202020202L2内、外弧长差值为：L=L 1- L2=0.02020202L2当管片宽度为 1.5m 时，L 21.5m 时，L=30.30303mm本区间管环设计楔形量L=38mmL=30.303
4、030mm以上计算可知，区间采用的管片楔形量可以满足本区间小曲率半径段的需要，能够很好的拟合 R=300m 小曲率半径掘进。3 小曲率半径段掘进重难点3.1 掘进中盾构姿态及隧道轴线控制难度大、纠偏困难盾构机本身为直线形刚性结构，不可能与隧道设计曲线完全拟合。曲线半径越小则需要的纠偏量越大、纠偏灵敏度越低，施工隧道轴线就比较难于控制，且由于转弯半径小，推进过程中就需要左、右侧油缸形成很大的推力差才能满足盾构机的转弯需求，致使左右两侧的油缸推力可调范围很小，可用于姿态调整的油缸推力调整量很小，这就更加大了曲线段隧道轴线控制和纠偏的难度，曲线段盾构施工参数需要经过计算并结合地质条件、施工经验和现场
5、实际施工情况等因素综合考虑后方可确定。 3.2 管片易发生较大的位移，出现管片侵限现象隧道管片轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧产生偏移，如图 1 所示，在小半径曲线隧道中盾构机每掘进一环，由于管片端面与该处轴线产生夹角，在千斤顶推力作用下产生一个水平分力，使管环脱出盾尾后，受到侧向分力的影响而向曲线外侧偏移，而且由于两侧推力差的存在，容易导致盾构机产生扭转，同时导致管片偏离隧道轴线并可能发生扭转甚至管片破损等。图 1 转弯处管片受盾构机推力分解示意图3.3 管片之间易发生错台、开裂和破损由于曲线段掘进时管片承受一个水平方向的受力，不但会使整段隧道衬砌管片发生水平偏移，还会导致管片之间发生相对位
6、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作用力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个应力集中点如图 2 所示，推力过大时使管片破裂，此外，相邻两环管片产生相对位移，使得管片螺栓对其附近处混凝土产生剪切作用，使该处的混凝土开裂。图 2 转弯处管片因斜向受力破损示意图4 小曲率半径掘进技术控制对于小曲率半径转弯的难点，除了常规的掘进参数控制外，主要是通过掘进方向参数控制、管片选型和拼装、同步及二次注浆相结合等施工措施来解决问题，以保证小半径曲线段成型隧道满足设计轴线要求、防止管片破损和渗水等不良现象。4.1 掘进方向参数控制（1 ）盾构掘进方向控制的基本原则偏离量增大之
7、前及早修正；遵循偏离量的管理值（50mm）和允许值（80mm） ，确定偏离修正方针；避免蛇形纠偏；根据实际情况实时调整总推力，同时掌握好左、右两侧主推进油缸的推力差，尽量地减小整体推力，避免因推力过大而引起侧向压力的增大，减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。（2 ）盾构掘进方向控制措施盾构机主司机应随时了解当前掘进段的地质状况，熟悉盾构的掘进位置，提前预判和调整，在进入转弯段之前预先调节盾构机的掘进姿态和趋势，为了确保隧道轴线最终偏差控制在规范允许的范围内，盾构掘进时给隧道预留一定的偏移量，根据理论计算和类似工程实践经验，在小半经曲线隧道掘进过程中，一般向转弯段内侧设置预偏量 1020mm。盾
8、构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，推进的关键是确保对盾构的切口环处的姿态控制，由于盾构在曲线段推进过程中时刻都在纠偏，必须做到勤测勤纠，而且每次的纠偏量应尽量小，尽量保持切口环的环面始终处于与曲线径向相垂直的平面内，由于曲线段掘进时姿态跳动较大，综合分析将纠偏量控制在 23mm/m。根据掘进转弯半径，计算出每环的推进油缸超前量，根据超前量控制和检测每环的纠偏量 S。 YXS， r150RYX其中 X 为每环外侧理论长度，Y 为每环内侧理论长度，R 为设计转弯半径，r 为管环半径。例如 R=300m，r=2.7m 时，每环推进油缸的超前量 S=27mm。由于隧道转弯曲率半径小，隧道内的通视条
9、件相对较差，同时由于盾构机转弯的侧向分力较大，可能造成成环隧道的水平位移，因此必须增加设置新的测量点和后视点的频率，通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性，在设置新的测量点后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，以防造成误测。4.2 管环选型拼装（1 ）管片结构西西区间使用 1.5m 的通用环管片，环向分 6 块，具体为 3 块标准块(B 1、B 2、B 3)、2块邻接块(L 1、L 2)和 1 块封顶块 F；管片环与环之间采用错缝拼装方式，管片端面采用平面式，设计每环从 B2 块到 F 块有 38mm 的楔形量，其中 B1、B 2、B 3 块对应的圆心角均为72，L 1、L 2 块对应的圆心
10、角均为 64.5，封顶块 F 块对应的圆心角均为 15。（2 ）管片选型与拼装在盾构施工各个环节中，合理灵活的运用楔形量正确进行管片选型尤为重要。由于盾构掘进过程中难以完全严格拟合设计轴线推进，会产生一定量的偏移(包括管片轴线位置的偏移和掘进方向的偏移)。在盾构推进质量控制项目中，主要通过控制盾构掘进的姿态带动成型管环的姿态以尽量拟合隧道设计轴线，这就需要管片姿态要满足盾构纠偏的需要，能够尽量和盾构机姿态保持一致。同时管片在选型过程中，还要兼顾设计轴线的走向、油缸行程差（一般控制在 4cm 以内，特殊情况下可以放宽至 8cm） 、盾尾间隙（一般控制在标准间隙10mm 以内，特殊情况下放宽至15
11、mm 以内）以及成型隧道的姿态等。管环选型的原则为：选型必须在清楚盾尾间隙、油缸行程差、盾构机姿态、设计隧道走向以及成型管环姿态的情况下进行。在某处盾尾间隙大于标准间隙 10mm 时，F 块尽量靠近此处拼装。当某量组推进油缸行程差大于 4com 时，F 块尽量靠近油缸行程小的一侧拼装。当某同时出现两个或多超限值时，则需要综合考虑各方面的具体情况选型。当各参考值均比较理想的情况下，则可以依据 VMT 系统选型。（3 ）管片拼装注意事项特别需要注意的是，在盾构机头部姿态调整时，盾尾管片姿态也同样需要纠偏，以保证管片前进方向和盾构机头前进方向尽量保持一致，其主要作用有：保证管片环与环之间平顺连接，控
12、制环与环之间的平整度。保证管片在盾壳内拼装时不受盾壳影响，盾尾间隙均衡，控制管片拼装后的椭圆度。保证管片在后继推进过程中受力均衡，不产生局部应力集中，控制管片裂角。保证管片只受到压力作用，避免受剪、受弯而使管片产生裂缝，进而影响隧道防水效果。4.3 同步及二次注浆盾构机的开挖直径为 6.28m，管片的外径为 6.0m，随着盾构向前推进，当管片脱离盾尾后，在管片与地层之间将存在一定的空隙，若不将这一空隙及时充填，在曲线段管片脱出盾尾后在盾构推力的反作用下，会产生较大的位移，造成成型隧道的侵限，且管片周围的土体将会松动甚至发生坍塌，从而导致地表沉降等不良后果，为增加成型管片的稳固性，同时也为控制地
13、层变形和减少沉降，并有利于提高隧道抗渗性及管片衬砌的早期稳定，必须采用同步及二次注浆及时将盾尾建筑空隙充填密实。（1 ）同步注浆注浆量注浆量主要取决于注浆环间隙和地层裂隙情况，根据刀盘开挖直径和管片外径，可按下式计算出一环管片（1.5m）的注浆量。Q=/4L(D2-d2)注：Q环注浆量（m 3） ；L 环宽（m） ；D 开挖直径（m） ；d管片外经（m ） ； 填充系数 1.32.5。根据以上经验公式，带入相关数据得：V=/4（1.32.5 ）1.5（6.28 2-62）=5.2610.11 (m3)即每环实际注浆量范围为 5.2610.11 m3。一般情况下填充系数取 1.31.8，在裂隙比
14、较发育、地下水量大的地段，填充系数一般取 1.52.5 。根据经验，在全风化带、残积土中填充系数取 1.31.5，在强风化带、中风化带取 1.82.15 。实际施工中根据试验段参数和地面检测情况综合确定，并根据实际适当调整。注浆压力注浆压力是根据地层的土压力、水压力、管片强度及地面监测情况综合判断而设定，注浆压力应当略大于该部位地层的静止水土压力，注浆量及压力过大会出现地面隆起、浆液破坏盾尾密封刷出现盾尾漏浆、浆液从盾构机外壳与土体之间的孔隙流入土仓、管片出现受压变形或遭受损坏；如果注浆压力过小，则出现注浆的填充速度很慢或注浆量不足，使地表变形增大。一般而言，注浆压力取 1.51.8 倍的静止
15、水土压力，最大不超过3.05.0bar，根据设计资料及以往的施工经验，考虑到砂浆在管道中的阻力，设置正常注浆压力为 2.5bar 左右。由于从盾尾圆周上的四个点同时注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和上浮，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大 0.51.0bar。注浆速度注浆速度应与掘进速度相匹配，注浆泵的性能要满足掘进速度的需求，做到“掘进、注浆同步，不注浆不掘进” ，通过确定掘进速度和注浆量双重标准来控制注浆速度。盾构完成一环掘进的时间内完成当前环注浆量来确定其平均注浆速度。注浆结束标准及注浆效果检查同步
16、注浆采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计或规范值时，且沉降监测符合要求时，即可认为达到质量要求。注浆效果检查主要采用分析法，根据注浆压力-注浆量-时间曲线，结合管片地表及周边建筑物测量结果进行综合评价。（2 ）二次注浆盾构机穿越后考虑到环境保护和隧道稳定因素，如发现同步注浆有不足的地方，通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充以前注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降，提高隧道的止水防水效果。二次注浆使用专用的液压注浆泵，注浆一般根据情况选择使用单液或双液，二次注浆在推出 56 环后进行，注浆压力一般为 0.30.7MPa。发现沉降
17、变化较大则需从相应位置的管片注浆孔进行二次补充注浆。注浆前需在起吊孔内装入单向逆止阀并凿穿外侧保护层。将注浆管直接改接到吊装孔注浆头（装有压力表），即可实施管片注浆。二次注浆一般采用手动控制。二次压浆时必须指派专人负责，对压入位置、压入量、压力值均作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量。5 质量控制要点（1 ）在曲线段推进过程中，为确保盾构沿设计轴线推进，对于主动铰接系统的盾构机，铰接行程务必要满足盾构机转弯需求。（2 ）尽量减小总推力和转弯两侧推力差。（3 ）在曲线段推进过程中，为确保盾构沿设计轴线推进，严格控制盾构出土量。（4 ）在盾构推进过程中，加强对轴线的控
18、制，推进时必须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保管片环面始终处于与曲线径向相竖直的平面内。（5 ）由于曲线段推进增加了曲线推进引起的地层损失及纠偏次数，加大了对土体的扰动。在曲线段推进时应严格控制同步注浆量。（6 ）每环推进时根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆量。注浆过程中，必须严格控制浆液质量、注浆量和注浆压力。（7 ）拼装完成发现环面严重不平的管片，拆下重拼；通过传力衬垫调整管片受力，对产生碎裂的管片要进行修补。6 结 语为使盾构机能够安全、顺利、高质量的通过小曲率半径曲线段，必须要深入现场，仔细分析研究盾构掘进过程中各个参数的动态和趋势，总结各个参数之间的关联性和因果关系，通过现象分析本质，了解造成某种现象的原因，调整优化掘进参数和掘进方法，不断探索有效可行的操作方法，才能不断改进和提升，保证隧道的最终成型质量。在深圳地铁 7#线西西区间左、右线小曲率半径盾构隧道施工中，经过深入的研究、分析及应用，最终顺利地完成了左、右线多处 300m 小曲率隧道掘进施工，拼装成型的管片均满足规范及设计要求，被业界冠以“无错台、无渗漏” 的荣耀称号。掘进参数及控制方法的分析总结将为后续类似工程施工提供宝贵的经验和借鉴。
