1、盾构超小曲线半径隧道施工工法中铁十六局集团有限公司城市的发展，带动引了轨道交通建设的发展，在地铁线路的选择上，由于受规划及建、构筑物的制约，这使得轨道交通的线形越来越复杂。小半径隧道线形虽不属良好，但在应用上将会越来越多。分析急曲线地铁隧道盾构法施工易发生的问题，结合中铁十六局集团有限公司在广州轨道交通五号线杨箕站动物园站区间 R200m 小半径隧道工程实例，介绍盾构掘进小半径隧道的施工工法。小半径隧道的盾构法施工技术与常规盾构法施工技术相比存在一定的特殊性，我公司在广州复合地层中，取得了急曲线隧道盾构施工的成功经验，并总结了超小曲线半径隧道施工工法。收到良好的技术、经济效果，取得了良好的社会
2、信誉。一、特点1、很好的控制盾构机轴线，确保成型隧道质量。在盾构掘进时预留偏移量，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，同时采用分区操作推进油缸、刀盘反转等方法进行纠偏,做到缓、小、勤、匀和油缸及时回零，很好的控制了盾构机轴线。2、从盾构设备（超挖刀、铰接装置、盾构机改造） 、管片选型和拼装、施工措施等方面采取必要措施，特别是对较软的、地层采取了同步注浆和二次双液注浆相结合的措施，有效地减少了小半径圆曲线段成型管片的侧向偏移量。3、盾构掘进时，通过掘进参数的调整，较少每环的纠偏量，进行动态管理和信息化施工，控制好同步注浆的注浆时间及注浆量，必要
3、时进行二次补浆，能有效控制地层沉降，确保施工和附近地层和地面建筑物的安全。4、能适应不同地层，可根据不同地层的特点灵活地选择掘进模式与掘进参数，以达到高效率、低成本的目标。5、工艺可操作性强，在只要采取相应方法和措施满足城市环境条件即可推广使用。二、适用范围本工法适用于软土、硬岩等复合地层内掘进半径为 R200m 以上特曲线盾构隧道（直径为 6 米左右） 。能适应多种环境和地层的要求，可在强度差别较大的土质和盾构掘进断面土层不均匀等复杂地层，以及高粘度砾质粘土、风化岩等常规土压平衡盾构无法适应的地层中使用。三、工艺原理复合型土压平衡盾构是利用安装在盾构最前面带有滚刀、刮刀或先行刀等刀具的全断面
4、切削刀盘，将正面土体切削下来的土进入刀盘后面的密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土压力平衡或欠平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表变形，在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续排土。通过测量土仓内的土压力来随时调整盾构推进速度和螺旋输送机的转速，控制出渣量。复合式土压平衡盾构主机示意图见图 1。AA中 中中 中中中中中中 中中图 1 复合式土压平衡盾构主机示意图四、工艺流程工艺流程见图 2。图 2 工艺流程图五、施工要点为保证急转弯段顺利掘进，从盾构设备（超挖刀、铰接装置、盾构机改造） 、管片选型和拼装、施工措施等方面采取必要措施，特别是对较软的、地层采取了同步注
5、浆和二次双液注浆相结合的措施，以保证小半径圆曲线段成型管片不出现侧向移动。具体措施如下：1超挖刀的应用铰接装置作为一种辅助手段，需要与仿形刀的超挖、锥形管片、曲线内外侧千斤顶的不同推力等施工措施配合在一起使用。仿形刀的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用，超挖量过大将严重地扰动土体，过小将不能充分发挥铰接装置的作用，以至达不到所要求设计轴线的半径。施工前的准备施工场地布置盾构机维修改造管模选购、管片生产曲线段掘进准备水平运输设备材料的选购（电瓶车、平板车、土箱斗等）小半径段 30 米的试掘进总结掘进中的各项参数指标洞口土体加固盾构基座安装盾构吊装调试洞口砼凿除止水装置安装反力架安装加固盾构出
6、洞 原加固土体补压水硬性材料盾构正常掘进施工 同步注浆材料配比调整测量联测 3 次以上调整盾构机姿态缓和曲线段掘进的预偏曲线段掘进进洞准备工作盾构进洞盾构吊运手孔封堵、嵌缝堵漏联络通道施工竣工验收2管片选型为满足急转弯施工要求，管片环宽1.2m，转弯环契形量为41mm，施工过程中要严格管片选型程序（主要是封顶块点位的选择） ，保证管片拼装质量。本段施工时，严格注意盾尾间隙的变化进行适当调整。盾尾间隙标准值为75mm，在圆曲线段掘进时盾尾间隙变化较大，可将盾尾间隙保持在7515mm范围内。3推力控制 在强、中风化地层中小半径圆曲线掘进的过程中，对土体的扰动会显著降低外围土体的强度及自稳能力，土体
7、具有的蠕变特性以及出现水平方向土体压力不均，管片在长时间承受千斤顶压力的等情况下，管片很可能向外侧整体移动。见图3。 隧 道 中 心 线T隧 道 掘 进 方 向隧 道 轴 线 分 力水 平 分 力图3 转弯处管片受盾构机推力分解示意图小半径曲线掘进可能带来的管片位移量 ： RTPT：盾构机推力的反作用力P：土体对管片侧面的附加应力R：转弯半径：变形系数由上式得知：1、当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大。2、当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大。故为了减小在小半径圆曲线段施工引起的管片整体移位所带来的隧道变形，掘进过程中必须减小盾构推力。根据类似的施工经验，盾构在很小的半径线路上掘进施工
8、时，推力可控制在600900t。4盾构姿态实时控制与调整利用SLS-T系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。即每掘进30cm收缩一次千斤顶,首次30cm全部使用千斤顶掘进,然后再以侧面千斤顶为主掘进。采用分区操作推进油缸、刀盘反转等方法进行纠偏,做到缓、小、勤、匀和油缸及时回零。盾构机掘进时，难免出现姿态偏差，盾构机姿态修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态调整（纠偏）方式主要有：侧滚纠偏采用刀盘反转的方法进行侧滚纠偏。竖直方向纠偏盾构机抬头时，可加大上部千斤顶的推度进行纠偏；盾构
9、机叩头时，可加大下部千斤顶的推度进行纠偏。水平方向纠偏向左偏时，加大左侧千斤顶推度；向右偏时，加大右侧千斤顶推度。盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。处于200m转弯圆曲线时，为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，通过VMT系统调整盾构机姿态。根据管片监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-40-50mm之间。同时应加密VMT移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。5同步注浆及二次补充注浆在风化岩层中急转弯掘进，足够的、快凝的同步注双液浆也是必不可少的，它能尽早地固定管片，改善管片的受力状态，防止管片错台破损，因此，盾构机配置了两套背填注浆系统，一套用于常规的背填注浆，另一
10、套用于以侧面为重点的管片二次补充注浆。当隧道在左转弯时注浆方式主要如图4。 管 片 注 浆 左 转 弯隧 道 断 面 管 片 注 浆图 4 隧道在左转弯时注浆方式6小半径掘进采取的其它措施6.1 防止地下水的措施在小半径线路上掘进时，如地下水过多，土仓内水压力过大则难以对盾构机进行纠偏，故需要采取一定措施控制土仓内的含水量。对于掌子面所产生的水，可采取向掘进面和土仓内注入添加剂的方法控制水量。对于盾尾后面的可能向土仓内流入的水，可采取如下的处理措施：对盾尾后面的50环管片的每环管片都进行严格的同步注浆，确保注浆量和注浆效果；对于该50环管片，每隔10环则对一环管片进行双液注浆，可形成一个比较彻
11、底的封闭环（止水环） ，则可达到较好的止水效果。6.2 对地质情况的适时了解广州地区地质情况复杂，可能存在地层突变的情况，因此，在盾构掘进时要求随时对挖掘出的土质进行取样分析，了解可能出现的地质变化，好采取有针对性的处理措施。6.3 对盾构的水平方向偏差的控制施工过程中尽量控制好盾构姿态，为预防管片可能的外侧位移，掘进时水平偏差一般控制在设计轴线内侧范围内。6.4 确保管片楔形量的措施根据理论计算，本区间的管片选型能够满足200m的转弯半径，但在实际的施工过程中，为了确保管片拼装后形成200m半径的线路，可在管片上采取一定的辅助措施。措施主要为：由于向左转弯时，封顶块主要拼在8、9、10点的位
12、置，则B1、B2、B3主要在隧道的右侧，可将这三块标准块管片的缓冲垫增加23mm的厚度，这样就相当于增加了一部分楔形量，可确保管片的拼装效果。6.5 确保超挖的措施由于本区间存在200米的小半径，掘进时确保足够的超挖是保证盾构机顺利转弯的关键。由于在广州其它盾构隧道中没有存在如此小的半径，故很少有使用超挖刀的成功实例。在广州的复杂的且比较坚硬的地层中使用超挖刀存在一定的风险，如超挖刀的损坏或油缸伸出去而缩不回来等事故，必须做好其它保证超挖的预案。主要的措施为：如由于超挖刀故障而不能确保超挖时，可在刀盘外缘焊一耐磨钢板，相当于加大了刀盘半径，可达到确保超挖的目的。6.6 确保边缘刀正常使用的措施
13、在小半径转弯时，确保边缘刀（尤其是边缘滚刀）的正常使用是很重要的。由于在急转弯时，边缘刀的磨损较大，则导致刀盘容易卡住。故要经常对边缘刀进行检查，必要时进行更换，以确保边缘刀的正常使用。6.7 防止盾构铰接拉断的措施盾构在施工小半径隧道时，使用铰接装置，与普通的土压平衡盾钩机比较有独特的优点，铰接式盾构机不但能用于小半径隧道施工，也能用于盾构的纠偏。施工过程中盾构前进方向右侧被动的铰接油缸经常出现无法收回，导致右侧个别被动的铰接油缸给拉断，后通过用辅助的千斤顶强行将铰接油缸收回，或者用钢筋等连接杆拉住中盾和尾盾，有效地防止铰接的拉断，避免盾构铰接处出现漏水现象。6.8 防止盾构连接桥拉断的措施
14、盾构机连接桥是连接盾体和盾构后配套设备的钢架体，盾构机主控室、管片运输机、注浆泵等重要设备均通过连接桥与盾体连接。盾构机在掘进小半径掘进过程中，连接桥钢架被拉断的现象时有发生，很容易造成钢架断裂、倒塌事故，最好的措施是控制盾构机的姿态，尤其是控制盾构机趋势不易过大；其次提前对连接桥钢架采取加固措施。6.9盾构掘进时走向的预偏为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时考虑给隧道预留一定的偏移量。在盾构机刚刚进入缓和曲线时开始对掘进姿态进行调整，将盾构沿曲线的割线方向缓慢纠偏掘进，在盾构机整体进入圆曲线掘进时预留偏移量,水平偏差机头前点控制在设计轴线内侧4050mm，后点控制在设计
15、轴线内侧3040mm。趋势控制在3左右（设计轴线内侧方向） 。将盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定往往须依据理论计算和施工实践经验的综合分析得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。7跟踪监测措施在急转弯地段施工时加大人工监测频率，在盾构机过后对隧道管片姿态随时跟踪监测，把信息及时反映给盾构操作人员，以便根据变形程度调整掘进参数。因小曲线段管片侧向偏移严重，使得测量吊篮不得不安装离激光靶较远的位置；再有曲线段隧道严重影响TCA主机的前后视通视距离，从而导致VMT移站次数的增加。曲线段管片在脱出盾尾20环的位
16、置才能达到基本稳定，这也给吊篮的复测工作量加大很多。VMT移站频率每8-10环1次；吊篮的复测每掘进4-5环1次；定期人工复核管片姿态每10环1次，每次叠加5环复测，可实时了解管片的偏移量；隧道内基准点坐标每50环1次。8后配套设备及材料的改进措施曲线段后配套台车使用的轨枕采用 3m 定长，外侧轨枕超高 3cm，钢轨间距比直线段加宽 2cm，直线段每 6 米、小曲线段每 3 米安设一个拉轨器，通过以上措施可以有效地减少电瓶车、托卡等水平运输设备发生掉轨事故。六、质量标准由于小曲线半径盾构隧道工程技术难度高，施工风险大，工程中不可预测因素多，且一般均为百年大计(如地铁隧道)，又具有不可返修性，故
17、此对质量要求极高。按照工程建设规范 DGJ082331999盾构法隧道工程施工及验收规程和 地下铁道工程施工及验收规范进行施工。七、机械设备盾构隧道工程的机具设备包括两大部分，一是盾构机械本身及其附属设备，另一是隧道施工常用设备。1复合型土压平衡盾构机械及附属设备见表 1。表 1 复合型土压平衡盾构机械及附属设备系统机械 机械要素 备注切削刀盘 切削土体并起一道挡土作用密封土舱 存储切削土体并保持一定压力盾构千斤顶 提供推力并实现盾构纠偏开挖、支护机构土压力计 检测土压进行土压管理添加剂注入泵添加剂注入装置添加剂注入口切削刀盘搅拌装置各种搅拌棒 防止共转、沉淀、粘附螺旋输送器 运输切削土、控制
18、出土量排土设备闸门 调节出土量拼装机管片拼装机构千斤顶润滑、密封装置 油脂注入泵盾尾密封刷扩挖装置 超挖刀或仿形刀 特殊情况下使用（曲线施工等）盾构千斤顶行程计 测偏转测量设备VMT 系统 自动测量盾构机姿态注浆泵 一号台车上注浆管路 尽量使用活弯头注浆设备注浆压力传感器液压组件盾构附属设备 后备套台车电器组件2盾构隧道施工一般设备见表 2。表 2 盾构隧道施工一般设备设备类型 设备名称 数量 备注32T 门式龙门吊 1 竖井垂直运输电瓶车 4 辆 隧道水平运输 35T 以上平板车 610 辆出土箱 6 大小与数量与本工程 特点定隧道运输设备Y 型道叉 24 副 数量视隧道长度而定高速搅拌机加
19、泥设备储浆罐充电机 2 套充电设备平板车 2 辆水管排水设备污水泵或潜水泵 15 台全站仪 1 台 莱卡 1200棱镜 2 套 莱卡原装测量设备精密水准仪 1 台电话和对讲机 8/4 部 通讯联络通风机 2 台 隧道通风其他设备灭火器 消防设备八、安全与环境保护(一)安全、卫生1必须遵循安全第的原则。由于盾构工作面作业空间狭小，因此既要确保作业人员安全与健康，还应尽量创造个舒适愉快的工作环境。2工作环境。应充分考虑地下作业的特殊性，在盾构施工中，确保通风设备、照明设备、通路的完整和有效，采取措施，消除影响工作人员健康的因素。3劳动防护。井下一切工作人员必须戴安全帽及劳动用品，集中思想操作，防止
20、碰伤和不必要的安全事故，此外应根据工作环境设置安全标志，配备相应的保护用品。4防上灾害发生。一般事故：如坠物、蹋落、轨道事故等；特殊事故：如火灾、缺氧、有毒气体中毒等。由于隧道中具有相对封闭的特性，这些灾害的发生将产生不可估量的损害，为此要遵照预防为主的原则，相应采取有效措施。5其他方面。吊运土箱、混凝土管片及其他材料时井下吊运活动范围严禁人员停留；起吊重物前应检查索具吊具等有无损伤，发现磨损及时更换；保证机械设备的维修保养，严禁机器；节病超负工作；加强电机车安全管理；井下电机车严禁搭乘人员。(二)环境保护1施工前，对工作井周围及隧道轴线沿途建筑物、构筑物进行调查，以便采取对策；采用低噪声没备
21、，音源配置合理或采用隔音设备。2建筑物保护采取有效措施，控制地表下沉，尽量减少对沿线建筑物的影响。九、劳动组织复合型土压平衡盾构施工技术要求高，专业性较强，要求工种多，且由于其特殊性，现场需配备土建工程师、电气工程师和测量工程师。作业人员考虑一天 24h 连续作业，每作业班配备人员见表 3。表 3 每作业班配备人员种类 岗位 每班人数 备注电瓶车司机 2注 浆 2千斤顶操作 1安装器操作手 1管片安装工 3管片卸运工 1井下挂钩 2井口下及隧道轨道维护 2机械工程师 1电气工程师 1盾构机维 护保养维修工 2为两条隧道服务地面/隧道 现场施工负责人 3 专职管理工人总 计 全体工人 21十、效
22、益分析一般土压平衡盾构很难在软土和岩石混合地层中施工，复合型土压平衡盾构充分显示其在各种复杂地层中掘进的能力。复合型土压平衡盾构掘进工法与矿山法相比，具有安全、作业环境好、掘进速度快、隧道整体防水好及综合造价低的优点。复合型土压平衡盾构一般不需要辅助施工法，受环境影响少，能保持连续均衡施工，既缩短工期又能保证高质量。对施工人员来说，由于其机械化程度高，隧道内噪音低，无气压，减轻了劳动强度，有利于施工人员的健康和安全。该工法具有较明显的经济效益和社会环境效益。十一、工程实例由中铁十六局集团有限公司承建的广州市轨道交通五号线区庄站杨箕站盾构区间土建工程是整个地铁五号线的重点控制工程，区杨盾构区间包
23、括两个区间（区庄站动物园站和动物园站杨箕站） ，其中杨箕站-动物园站区间盾构隧道，线路左线由直线段和 2段曲线组成，曲线半径分别为 R206 和 R285m；线路右线由直线段和 2 段曲线组成，曲线半径分别为 R200 和 R300。为同类地层中最小曲线半径 R200m，最大坡度为 38，左右线在直线段相互平行，进入曲线段开始上下重叠，最后重叠进动物园站。水平方向呈“瓢”型，曲线段占总长度的 81%，盾构隧道主要穿过全风化中风化夹杂综合岩带、中风化带和微风化带岩层地层，隧道下部以地层为主。如此小半径大坡度上下重叠盾构隧道是国内同类工程中少有的，小曲线半径 R200m 盾构隧道也是国内最小的。
24、动 物 园 站 杨 箕 站区间设计起点里程 右 线 隧 道 左 线 隧 道转 弯 半 径 R=20m转 弯 半 径 R=206m图 5 动物园站杨箕站区间的 200m 小半径圆曲线段平面线路图本工程采用两台海瑞克公司生产的 6280 复合式土压平衡盾构机(有铰接功能) 进行施工，最小转弯半径为 R150m，并配备有超挖刀，超挖刀伸长量为 50mm，具备掘进特曲线线路的条件。采用的 1.2m 通用型管模楔形量为 41mm，利用此种管片拼装而成的隧道最小转弯半径为 175 米（左转弯时按楔形量最小的位置在同一个位置模拟的转弯半径为 175 米） ，但要产生通缝拼装。如封顶块位置在 8 点和 9 点，以及 9 点和 10 点两个位置交替出现时则不出现通缝，模拟的转弯半径约 185 米） ，完全满足线路半径需要。盾构机从杨箕站始发，空推 40 米暗挖隧道，穿越穿越内环路高架桥桩基、密集居民楼等。通过对盾构机进行设计监造、管模选型，小半径曲线段盾构掘进施工工法一系列技术实施等手段两条隧道都顺利贯通。在施工过程中，通过对地面变形进行预测和分析，及时优化调整施工参数，将地表变形控制在 23cm 以内，有效地控制了盾构施工过程中的地面变形，减少了诸多辅助措施的实施，产生了显著的社会效益和经济效益。
