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软土地质小半径曲线隧道盾构施工技术控制研究

1 引言
在改善城市交通拥堵情况的方式中，盾构技术扮演着举足轻重的角色，其具有安全性高，施工效率高等特点。而小半径曲线隧道的盾构法施工技术与常规盾构法相比存在一定的特殊性，相信研究小半径曲线隧道的盾构法施工技术，对以后类似的小半径曲线隧道盾构法施工具有一定的借鉴作用。
2 工程概况
长庚医院站—翁角路站区间左线盾构段线路处于长庚医院站沿新阳北路北侧绿化带，到达翁角路与霞飞路十字口处并接入翁角路站，其中小半径曲线右转弯隧道（R=360m），里程为 ZDK10+848.354~ZDK11+302.334，坡度为0.38%，下坡，再以0.534%的坡度上坡, 隧道穿越地层主要为<8-1>粉质黏土、<8-4>中砂、<8-4-3>砾砂、<11-1>残积砂质黏性土、<17-1>全风化花岗岩。长庚医院站—翁角路站区间左线盾构段平面图详见图 1。

3 施工难点
3. 1 盾构隧道轴线控制难度高
盾构机本身为直线型刚体，与小曲线半径的隧道设计轴线无法完美拟合，盾构机实现圆曲线转弯和纠偏效果只能依靠盾构千斤顶推力、铰接油缸来调整，从而使盾构机的行走路线更接近地拟合盾构隧道的设计轴线。盾构设计曲线半径越小，盾构机左右侧反而需要更大的推力差（油压差）才能满足盾构机转弯的要求。在同等进程下，油缸行程纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就越难以控制，也就加大了轴线控制和纠偏难度[1]。
3. 2 管片拼装质量控制难度大
在盾构机圆曲线转弯推进过程中，管片环（断）面与盾构机行走轴线存在相应的夹角，盾构机与管片之间会产生较大的径向分力，千斤顶作用于管片的推力分解成水平分力和垂直分力，管片会往推力大的一侧偏移，千斤顶对盾构管片会产生往圆曲线外侧的反作用力F1 水平和F2水平（见图2），使管片姿态更容易发生偏移，还会使管片之间发生相对位移，出现破损、裂纹、错台、渗漏水等质量问题。

4 小曲线半径盾构控制措施
在小曲线半径盾构施工过程中，主要是通过盾构机掘进参数控制、管片拼装及点位选取控制、注浆方法及参数控制和测量监测控制等措施，有效地结合实现盾构掘进折线与设计曲线的拟合，并保证隧道管片的拼装质量。
4. 1 盾构机掘进参数控制
4.1.1 小半径曲线推进参数、铰接油缸行程设置
盾构机进入小曲线半径段前，应根据线路走向趋势和地质情况，对盾构机提前进行姿态调整，给控制盾构机姿态和减少因不良姿态引起的纠偏预留余量。
根据盾构机姿态的变化对比，通过合理调整掘进参数，控制盾构机掘进推力及各组千斤顶推力，尽可能使盾尾轴线与管片同心。盾构正常掘进参数见表1。参数的调整要遵循“勤纠缓纠”原则，避免左右千斤顶油压差过大，导致管片破损、错台等现象。

在施工掘进中，要确保盾构机圆曲线转弯与小曲线半径的隧道设计轴线吻合，其纠偏量须通过依靠盾构千斤顶推力、铰接油缸来调整，通过理论和实践相结合，铰接油缸纠偏量控制在 55～65mm，每环千斤顶行程油缸差控制在 20~24mm，以满足转弯需求。
4.1.2 小半径曲线管片纠偏量计算
以360m半径右曲线，行程以1.2m为小段，管片外弧长L1，内弧长长L2，管片外径为6200mm,管片厚度为350mm,转弯半径为360m（见图 3），
每环管片的纠偏量 ΔL=（L1-L）的计算式为：（ 2 L1-L）2 /（6200-350）=1.2/360，故ΔL=L1-L2=19.5mm≈20mm。

4. 2 管片拼装及点位选取控制
4.2.1 管片拼装质量控制
管片拼装时，按照管片拼装顺序施工，管片拼装机抓举管片旋转至拼装位置后，应减缓旋转和提升速度，通过抓举头油缸微调管片姿态，使要拼装的管片与前一环管片保持平顺，对正螺栓孔且进行环纵向螺栓连接，并进行初紧，整个施工过程满足管片螺栓 3 次复紧要求，确保螺栓紧固[2]。
4.2.2 点位选取控制
由于管片错缝拼装无法保证每环管片纠偏量均为 20mm，因此，需将线路分为小段，通过管片点位的不同组合保证平均纠偏量为 20mm/环即可，一般以一小段为单位（不超过 5 环）。
左曲线转弯同理。
管片楔形量40mm，其管片拼装点位及其所对应的水平垂直超前量见表2。

根据计算，管片理论纠偏量20mm/环，结合所提供不同管片点位的超前量，以不超过5 环为一个周期计算平均纠偏量来选取点位，在适当依据实际千斤顶油缸行程、盾尾间隙、线路走势等适当调整点位。
4. 3 注浆方法及参数控制
注浆控制属于隧道成型后的稳定措施，通过注浆使管片在脱离出盾尾后尽快实现稳定，避出现过大的上浮和偏移。本工程实际施工中壁后注浆采用同步注浆(水泥砂浆)及二次补充注浆(水泥砂浆、水泥+水玻璃双液浆)相结合的施工措施，砂浆配合比见表3。
4.3.1 同步注浆
根据本单位工程的地质和线路情况，注浆量一般为理论注浆量的 1.3～1.8 倍，并应通过地面变形观测来调节。注浆量计算公式为：
Q=V·λ
式中，Q 为注入量，m3；λ 为注浆率，取 1.3～1.8，曲线地段及砂性地层段取较大值，其他地段根据实际情况选定；V 为盾尾建筑空隙m3。
V=π（D2-d2）L/4=π（[ 6.48-6.2）×1.2]÷4=3.34m3
式中，D2为盾构切削土体直径，即为刀盘直径6.48m；d2 为管片外径6.2m；L 为管片长度，1.2m。则：
Q=4.3～6.0m3/环（系数考虑1.3～1.8）。注浆作业时，需严密注意注浆压力和注浆量变化，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅。本小曲线半径转弯段盾尾注浆压力设定为0.25～0.35MPa。每环同步注浆量控制在4～5m3。

4.3.2 二次注浆
根据测量和监测的数据结果，必要时通过管片注浆孔进行二次补充注浆，以充分回填衬砌背后的空隙，减少地面沉降。二次注浆选择早强快凝水泥+水玻璃双液浆进行施工。二次注浆的浆液配合比根据试验室提供配合比和现场实际需要调整凝结时间。
4. 4 测量控制
在小曲线半径段推进时，由于隧道曲率大，前方的可视距离短，隧道内的通视条件相对较差，因此，需多次设置测量点和后视点，导致盾构导向系统测量换站频繁。每次换站完成后，需对测量进行复核，调整系统数据。由于测量距离短，测量站安装在尚未完全稳定的管片上，每次测量数据均会发生变化，故要定时和不定时地进行复核，以保证测量数据的准确性。
5 实例分析及控制措施
本工程在小曲线半径转弯段里程出现管片纵向裂缝和环向破损情况，主要集中于管片脱出盾尾后才发生破损现象。
5. 1 管片破损原因
针对该里程段的地质情况、掘进参数、点位选取、管片拼装质量等多方面进行分析，得出下列结论：
1）由于盾构机处于小曲线半径转弯段，为满足盾构机掘进路线与隧道设计轴线相复，需保持左右侧千斤顶油压差，存在油压差过大导致左侧管片受力过大造成纵向裂缝和环向破损；
2）为满足管片转弯要求并与设计轴线相符合，管片点位大都集中在右侧，存在左侧管片预应力过于集中，无法及时将作用力卸掉，造成纵向裂缝和环向破损。
5. 2 控制施工措施
5.2.1 管片质量控制
加强管片拼装质量的控制，施工过程落实管片螺栓3次紧固要求，减少管片间因受力不均衡造成错台、破损等问题[3]。
5.2.2 优化掘进参数和管片选点
结合本阶段的掘进情况，推进速度调整为20~40mm/min，通过降低推进速度，减少推力，从而减少左侧管片所受压力导致破损或开裂。关于点位选择，应根据管片理论计算的纠偏量
并结合实际选取调整。
5.2.3 调整砂浆配合比和注浆措施
管片破损和出现裂缝部分由于同步注浆的浆液凝固时间较长，未及时包裹并固定管片，导致管片因挤压力移动导致破损。针对此情况，应每隔一段时间对砂浆取样，根据其初凝时间调整配合比，一般初凝时间为6~8h。
6 结语
通过本工程实际施工效果表明，小曲线半径段隧道施工，主要的控制措施是做好盾构机掘进参数控制、管片拼装及点位选取控制、注浆方法及参数控制和测量监测控制等一系列技术措施。通过采取相应的控制措施，解决盾构机姿态控制、轴线控制、管片拼装质量控制的难点，确保隧道施工质量。
文章来源：（中国知网）

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