特急曲線地鐵隧道盾構法掘進技術研究
摘 要：分析急曲線地鐵隧道盾構法施工易發(fā)生的問題，結合宜山路～停車場區(qū)間長距離特急曲線隧道工程實例，介紹急曲線隧道的盾構法掘進技術。
關鍵詞：急曲線；軸線；鉸接；仿形刀；側向分力；注漿
1 引言
城市的發(fā)展，帶動引了軌道交通建設的發(fā)展，在軌道交通線路的選擇上，由于受規(guī)劃及建、構筑物的制約，這使得軌道交通的線形越來越復雜。急曲線隧道線形雖不屬良好，但在應用上將會越來越多。急曲線隧道的盾構法施工技術與常規(guī)盾構法施工技術相比存在一定的特殊性，研究急曲線隧道的盾構法施工技術，相信對以后類似的急曲線隧道盾構法施工具有一定的借鑒作用。
2 急曲線隧道盾構法施工的難點分析及對策
一般來說，設計線形中取用規(guī)范標準的最小限值或與限值接近的大曲率小半徑曲線，即認為是急曲線。如果這種不僅半徑小，而且有很長的延米，甚至還組合采用緩曲線而構成的復雜線形，我們稱之為特急曲線。為方便討論以下均稱之為“急曲線”。
2.1 難點之一：急曲線隧道軸線比較難于控制
在急曲線段，由于盾構機本身為直線形剛體，不能與曲線完全擬合。曲線半徑越小、盾構機身越長，則擬合難度越大。在急曲線段盾構機掘進形成的線形為一段段連續(xù)的折線，為了使得折線與急曲線接近吻合，掘進施工時需連續(xù)糾偏。曲線半徑越小，盾構機越長，則糾偏量越大，糾偏靈敏度越低，軸線就比較難于控制。其施工參數需要經過計算并結合地質條件等因素綜合考慮，并進行試掘進后方可確定。特別在緩和曲線段，每米的施工參數都有所不同，操作難度更大。
為了控制好急曲線隧道的施工軸線，需要提高盾構機的糾偏靈敏度。而要提高盾構機的靈敏度，最有效的措施是縮短盾構機頭的長度。在盾構機的中部增加鉸接裝置，即可減少盾構固定段長度。使用鉸接裝置后，盾構機掘進過程中所穿越的孔洞將不再是理論上的圓形，需要配套使用仿形刀裝置進行超挖。
因此，控制好急曲線隧道施工軸線的關鍵技術之一就是如何使用好盾構機的鉸接裝置和仿形刀裝置。
(1)盾構機鉸接裝置的使用
使用盾構機的鉸接裝置，可以使得盾構機的前筒、后筒與曲線趨于吻合，預先推出弧線態(tài)勢，為管片提供良好的拼裝空間。
如圖1所示為盾構機掘進形態(tài)的三種模式。進行曲線施工，彎道內側如要充分超挖時，在幾何學上，以對象曲線的中心為O的情況下，OA>Max（OG，OH，OD）的關系如能得到滿足，盾構機便可以掘進。這相當于模式（a）。這種情況，屬于絞接角度θ不足，土體超挖量δ過多，盾構機后端的外側點D和土體之間有縫隙，超挖量一旦增大，就會有盾構機位置不穩(wěn)定的傾向。
圖1
模式（b），OA=Max(OG，OH，OD)的情況下，最適合絞接狀態(tài)中的刀盤前部外端（A點）和前筒后端（G點）、后筒后端（D點），其中任意一點在同一圓弧上，其余二點在此圓弧之內。此時的絞接角度稱為界限絞接角度θcr,此界限絞接角度θcr如果能給出曲線半徑和盾構機的尺寸，便可計算出。作為盾構機的構造，全部用此θcr值進行絞接的話，是最為理想的。此時，盾構機的外側全體都接觸到土體，施工上最為穩(wěn)定，并且超挖量δ為最小值。
模式（c），為過度絞接狀態(tài)，OA
（2）仿形刀的使用
鉸接裝置作為一種輔助手段，需要與仿形刀的超挖、錐形管片、曲線內外側千斤頂的不同推力等施工措施配合在一起使用。仿形刀的使用效果將直接影響盾構機鉸接裝置的作用，超挖量過大將嚴重地擾動土體，過小將不能充分發(fā)揮鉸接裝置的作用，以至達不到所要求設計軸線的半徑。
因此，急曲線隧道施工時，應該選擇模式如圖1（b┥柚梅灤蔚緞諧碳敖陸詠嵌冉?芯蚪?Ｔ謖庵幟Ｊ較碌姆灤蔚兜某?諏考撲閎縵隆?/DIV>
超挖量計算（見圖2）：（基于組裝完成后的刀盤一側的管片端面和盾構后筒呈垂直的條件下進行分析）
超挖量δ
（D：盾構外徑 θ：中折角 Ro：曲線半徑）
2.2 難點之二：隧道整體因側向分力向弧線外側偏移
急曲線隧道每掘進一環(huán)，管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產生一定的角度θ（見附圖3），在千斤頂的推力下產生一個側向分力。管片出盾尾后，受到側向分力的影響，隧道向圓弧外側偏移。一般在圓曲線半徑取定時，已驗算側向作用力對原狀土體的影響，管片在側向作用力下，不足于使原狀土體發(fā)生塑性破壞，即土體處于彈性變形范圍。因此研究側向分力形成原因和規(guī)律就可以有效控制土體的彈性變形范圍。
側向分力計算：（見附圖3：側向分力示意圖）
式中：F總－盾構千斤頂作用力
F縱－垂直于管片環(huán)面的反作用力
F側－平行于管片環(huán)面的側向反作用力
RC－圓曲線半徑；
D－管片外徑；
L－管片寬度；
由此可以看出，側向壓力F側的大小，取決于F總及θ，而θ取決于L及RC、D，當D一定時， L越小、RC越大，則θ越小。因此設計管片尺寸時，應選擇使用寬度較小的管片。在工程施工階段，進入圓曲線后，L、 RC為定值，側向壓力F側的大小取決于盾構千斤頂作用力F總。為減小土體的彈性變形量，應考慮盡量減小盾構千斤頂作用力F總。
另外，由于盾構機外殼與管片外壁存在建筑空隙，在施工過程中，掘進產生的空隙與同步注漿的漿液填充量兩者間不可能做到完全同步、完全符合一致。如果存在空隙或同步注漿漿液早期強度不夠的現象，則管片在側向壓力作用下將向弧線外側發(fā)生偏移。如果不考慮土體的彈性變形，則隧道最大偏移量為（D1-D2）/2（D1為盾構外徑、D2為管片外徑）。見附圖4。
從這個角度分析，筆者認為，同步注漿的漿液宜采用雙液漿，因為雙液漿為瞬凝性漿液，具有較高的早期強度、良好的流動性和填充的均勻性，可以在較短的時間內將建筑空隙填充并達到一定的強度，與原狀土共同作用，有效減小管片受側向壓力影響在建筑空隙范圍內向弧線外側的偏移量。
2.3 難點3：盾構掘進時，糾偏量較大，對土體擾動的增加易發(fā)生較大沉降量。
急曲線隧道的施工與直線段施工相比，除直線段隧道施工原有的地層變形因素外，還將增加以下三個因素的影響：
(1）由于沿急曲線掘進，盾構機處于糾偏狀態(tài)，仿形刀也處于開啟狀態(tài)進行超挖，實際掘進面為一橢圓形，實際挖掘量超出理論挖掘量。
(2）在采用適當技術和良好操作的正常施工條件下，急曲線掘進將增加地層損失，地層損失達0.5～1%8L2πR/（R+RC）。（L為盾構長度；R盾構外半徑；RC盾構掘進曲線半徑）
(3）糾偏量較大，對土體的擾動亦大，容易造成較長時間的后期沉降。
相應的解決對策為進行動態(tài)管理和信息化施工，控制好同步注漿的注漿時間及注漿量。視具體情況，必要時進行二次補漿。
3 工程實例
3.1 工程概況
上海市軌道交通明珠線二期宜山路～停車場區(qū)間隧道，隧道總長462.64m，是通往蒲匯塘停車場的一條出入段線。由于受明珠線一期高架輕軌樁承臺及中山西路高架道路等諸多客觀因素的限制，隧道線路設計選擇在兩高架眾多深樁群橋墩中穿越。
該區(qū)間隧道水平方向呈“U”字型，最小曲率半徑只有250m，曲線段占總長度的87.02%。而該隧道后接R150m明挖隧道，圓緩點在盾構工作井內，因此出洞處隧道位于連接R150m的緩和曲線段上，此處隧道的當量曲率半徑僅為178.3m。
該區(qū)間隧道垂直方向呈倒“V”字型，先上坡再下坡，最小豎曲線半徑2000m。平曲線250m與豎曲線2000m交匯，形成一條立體空間的長距離急曲線地鐵隧道。見附圖5。
由此該工程的難度成為上海地鐵盾構法施工“兩個第一”：
一是第一次用φ6340盾構掘進真正意義上的長距離急曲線隧道，曲率半徑R只有250m，曲線段占總長度的87.02%；
二是盾構機第一次圓曲線超近距離斜穿明珠線一期樁承臺，盾構距承臺最近平面距離僅為1.35m。
該區(qū)間隧道采用預制裝配式鋼筋混凝土襯砌結構，襯砌用管片環(huán)寬1012mm，外徑6200mm，內徑5500mm，壁厚350mm，混凝土設計強度C55 ，抗?jié)B強度1.0MPa。隧道襯砌采用通縫方式拼裝。
3.2 工程地質情況
根據工程地質勘察報告，盾構主要在④1層淤泥質粘土中掘進，該土層屬高靈敏度、高塑性、高壓縮性、低強度、低滲透性飽和軟土，該土層含云母、有機質，夾薄層粉砂，土質較均勻。在該土層中，一般盾構掘進施工較容易，但應注意該土層蠕變量大，易粘著盾構設備。④1層淤泥質粘土物理力學性質指標見表1。
3.3 主要施工技術措施
3.3.1 解決軸線難控制的技術措施
3.3.1.1 選用帶選鉸接裝置及仿形刀的盾構機
該工程選用日本三菱公司的φ6340鉸接式土壓平衡式盾構機，盾構機頭部長度約為8625ｍｍ，鉸接處離刀盤端面的長度為4990ｍｍ，水平張角±1.5°，垂直張角為±0.5°。該機設計定位的隧道最小半徑為200m，但利用盾構的鉸接裝置，輔以仿形刀的使用，能夠完成出洞處緩和曲線段最小當量半徑R為178m的隧道施工任務。經過明珠線二期宜山路～停車場區(qū)間隧道實踐證明，該盾構機是一臺技術先進，性能良好的盾構法隧道施工機械。
該盾構機的缺點為同步注漿系統(tǒng)不能使用雙液漿漿液施工。
3.3.1.2 開啟盾構鉸接裝置，預先推出弧線態(tài)勢
根據設計曲線半徑及盾構直徑計算鉸接角度，開啟盾構鉸接裝置，使得盾構機的前筒與后筒張角與曲線吻合，預先推出弧形趨勢，為管片提供良好的拼裝空間。
在宜山路～停車場區(qū)間隧道工程中，盾構機在出洞處就處于當量半徑為178m小半徑緩和曲線范圍，所以盾構機在洞門加固區(qū)4～5m的掘進行程中，開啟盾構鉸接裝置，鉸接水平張角須達到約1.5°（配合開啟仿形刀進行超挖）。隨著盾構進入緩和曲線，逐步減小水平張角，直至直線段處，張角完全閉合，進入直線段掘進。
在宜山路～停車場區(qū)間隧道掘進過程中，在掘進R=250m曲線段時，實際中折角θ為0.8°（見表2），與理論計算值0.703°相符。
表2 鉸接角度
3.3.1.3 采用仿形刀在曲線內側位置進行超挖，有利于糾偏
仿形刀的使用主要須考慮兩個方面的因素，一是仿形刀的超挖范圍。仿形刀通過設置，可以在圓周任意區(qū)域位置進行超挖，該工程將采用仿形刀在曲線內側位置進行超挖，以有利于糾偏。二是超挖量。根據公式（1）計算：R=250m, 理論超挖量δ為21mm；在緩和曲線段，它是不斷變化的一個函數值。
在宜山路～停車場區(qū)間隧道掘進過程中，R=250m時,實際超挖量δ為8mm左右（參見表3），小于理論超挖量。
筆者分析，由于上海的地基較軟，即使不使用仿形刀，在急曲線段，盾構在開啟鉸接裝置后掘進時對內側土體的擠壓，亦能使盾構沿軸線掘進，故實際施工中，實際超挖量要小于理論超挖量。因此實際超挖時，超挖量必須根據隧道的設計軸線、鉸接裝置的設置值、盾構機的姿態(tài)、管片的拼裝狀態(tài)等因素綜合考慮后確定。
表3：仿形刀行程
3.3.2 解決隧道受側向分力的影響向圓弧外側偏移的技術措施
宜山路～停車場區(qū)間隧道曲線半徑為250m，在千斤頂的推力下產生側向分力為 （參見公式2）。由于該工程采用的同步注漿漿液為惰性漿液（該工程盾構機不能采用雙液漿作為同步注漿施工），早期強度較低，在承受側向壓力后會產生流動，不能滿足抵抗要求，管片將向弧線外側偏移。
根據宜山路～停車場區(qū)間隧道初期掘進的實際測量，在圓曲線段，管片出盾尾后的偏移量在40～80mm之間,符合土體的彈性變形假設及管片建筑空隙內偏移量分析（理論偏移量為（6340-6200）/2=70mm）。見表4。
表4：管片出盾尾后收側向分力影響產生的位移
在該工程施工過程中，主要采取了以下措施進行控制：
3.3.2.1 盾構掘進時走向的預偏
為了控制隧道軸線最終偏差控制在規(guī)范要求的范圍內，盾構掘進時，考慮給隧道預留一定的偏移量。
將盾構沿曲線的割線方向掘進，管片拼裝時軸線位于弧線的內側，以使管片出盾尾后受側向分力向弧線外側偏移時留有預偏量。而預偏量的確定往往須依據理論計算和施工實踐經驗的綜合分析得出，同時需考慮掘進區(qū)域所處的地層情況。在宜山路～停車場區(qū)間隧道掘進過程中，預偏量40～60mm。
3.3.2.2 控制盾構千斤頂掘進速度與推力
在常規(guī)隧道施工時，為了保證進度，盾構機掘進速度往往達到50mm/min左右，與之匹配的推力較大。而在急曲線隧道施工中，根據成熟的施工經驗，必須適當降低掘進速度，即降低千斤頂總推力，同時也意味著降低側向分力，有利于減少隧道向弧線外側的偏移量。
因此在急曲線隧道施工時，必須確定一個合理的推力和掘進速度。這個合理的掘進速度必須不額外的增加推力，從而達到減小側向分力的目的，同時盡可能少擾動土體。必須指出的是這個掘進速度也不是一成不變的，隨著施工條件、地質狀況、線形等的變化，也須即時調整，從而達到最好的施工效果。
值得注意的是，在盾構掘進啟動時，掘進速度要以較小的加速度遞增，這樣可以避免千斤頂起始推力過大的問題。
在宜山路～停車場區(qū)間隧道施工過程中，掘進總推力控制在10000KN左右，見表5。
3.3.2.3 有針對性地選用同步注漿及二次注漿相結合地施工措施
由于宜山路～停車場區(qū)間隧道工程所采用的盾構機不能采用雙液漿作為同步注漿施工，在該工程選擇所采用的同步注漿漿液時，考慮了兩個因素：一是及時充分地填充管片外的環(huán)狀空隙，避免地表沉降；二是提高漿液早期強度，抵抗側向分力的影響。在實際施工過程中，采用了同步注漿（漿液為惰性漿）及二次注漿（漿液為雙液漿）相結合的施工措施。
1）同步注漿：
在施工期間，隨著盾構掘進，脫出盾尾的管片與土體間出現“建筑空隙”，即通過設在盾尾的壓漿管予以同步充填漿液。
同步注漿壓注要根據施工情況、地質情況對壓漿數量和壓漿壓力二者兼顧。一般情況下，每環(huán)壓入量控制在“建筑空隙”的130％-180％（要注意急曲線隧道的注漿量要大于直線隧道注漿量），注漿壓力約0.3～0.5Mpa。壓漿速度和掘進保持同步，即在盾構掘進的同時進行注漿，掘進停止后，注漿也相應停止。施工時，加強對盾構尾部地面的沉降監(jiān)測，通過信息化施工，及時調整同步注漿量，確保地面不下沉，也不能出現過大的隆起。
惰性漿液我們選用以下配比：
表6
(2） 二次注漿：
為了減少惰性漿液早期強度低、隧道受側向分力影響大的問題，在管片出盾尾5～6環(huán)后，通過管片注漿孔向管片外周進行二次注漿，來抵抗側向分力。漿液為瞬凝性的具有較高的早期強度的雙液漿。
雙液漿配比：見表7：
表7
施工技術要點：
先將特制球閥作為防噴裝置安裝好，用沖擊鉆或鑿子將預留孔疏通，隨即關閉特制球閥（防止地下水或漿液滲漏），并將注漿管接在特制球閥上，以便注漿。二次注漿時根據監(jiān)測情況調整注漿量和壓力，注漿結束后，拆除注漿管，封閉孔口。
二次注漿壓力控制在0.3Mpa以下；注漿流量控制在10～15L/min。
在該工程中，通過二次注漿后，隧道的軸線基本穩(wěn)定，未發(fā)生較明顯的偏移。
同時也解決了急曲線施工土體超挖多、擾動大，地表沉降大的問題。
4 施工效果
在采取了前文所述的措施后，宜山路～停車場區(qū)間隧道竣工后,整條隧道軸線均控制在-50～50mm范圍之內，地表沉降控制在-20～5mm范圍之內，各項指標達到優(yōu)良工程標準，目前該工程已被評為上海市第一個隧道類優(yōu)質結構工程。
5 結語
1) 在急曲線隧道盾構法施工中，既有和一般的隧道掘進相同的一面，又有其特殊性，我們要著重研究和控制它差異的一面。
2) 在急曲線隧道盾構法施工中，要抓住軸線曲率大半徑小、盾構難控制的特點，選擇好盾構機，使用仿形刀及鉸接裝置，要在更小更嚴的幅度中進行各種參數優(yōu)化。
3) 在急曲線隧道盾構法施工中，針對管片易向弧線外側偏移的特征，最好使用雙液漿作為同步注漿。當采用惰性漿時，要做好軸線預偏及二次注漿工作，加強監(jiān)測，進行動態(tài)管理，信息化施工。
參考文獻：
[1]劉建航、侯學淵主編 《軟土市政地下工程施工技術手冊》1990.10
[2]劉建航、侯學淵 《盾構法隧道》1991
[3]白廷輝 同濟大學博士論文
[4]白 云 盾構施工引起的土體擾動和變形分析 《軟土隧道及地下工程技術文集》2000.11
文章出處：《城建集團第三屆科技大會論文集》
