小曲线半径盾构推进难点及解决方案

小曲线半径盾构推进难点及解决方案
盾构小半径施工难点及施工方法
1、工程概况
长沙市轨道交通2号线一期工程袁家岭~火车站区间段左线工程，始发便是一个R350m，L198.815m的小半径的圆曲线。

主要穿过地层为中风化泥质粉砂岩，其中少部分侧穿强风化泥质粉砂岩。

这是此工程的一个难重点。

掘进开始就得解决小半径曲线段的推进，以及推进中注意的个项参数设置。

2、盾构选型
土压平衡盾构技术在地铁隧道施工中的应用已经渐趋成熟,它保留了泥水盾构的优点,可以在黏土、含水量高的砂层和砾石层中施工,且不需要复杂的泥水处理设备。

在曲线段,由于盾构机本身为直线形刚体,不能与曲线完全拟合,需要使掘进路径成为一段段连续的折线,为了使得折线与急曲线接近吻合,掘进施工时需连续纠偏。

曲线半径越小,盾构机越长,则纠偏量越大。

为了控制好曲线隧道的施工轴线,提高盾构机的纠偏灵敏度,铰接式盾构被提出。

通过在盾构机的中部增加铰接装置,减少了盾构固定段长度。

使用铰接装置后,盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形,需要配套使用仿形刀装置进行部分超挖。

因此,控制好曲线隧道施工轴线的关键技术之一就是如何使用好盾构机的铰接装置和仿形刀装置
3、难点分析
3.1盾构机掘进时隧道轴线控制难度大，纠偏困难。

盾构机体本身为直线形缸体，不能与曲线完全拟合。

曲线径越小纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难控制。

并且由于转弯关系，左右侧油缸需要形成一个很大的推理差才能满足转弯推进要求，一次这就造成左右两侧油缸推力可调范围很小，从而可用于调整姿态的油缸推理调整量很小，这也同样加大了对到控制喝酒片的难度。

曲线上盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形
（实际为椭圆形），需要配套使用超挖刀装置进行超挖。

3、2管片容易在水平分离作用下发生较大的移位，造成管片侵陷现象。

隧道采用1.5m宽度的管片。

比小宽度管片在此工程中的施工难度加大了许多。

隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移，。

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，在千斤顶的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。

3.3 对地层扰动大，容易产生较大的地面沉降。

由于纠偏时的超挖，对土体扰动增大而发生较大沉降。

小曲线隧道的施工除了有直线段隧道施工的地层变形因素外，还有以下二个因素的影响：①由于盾构机处于纠偏状态，超挖刀也不断进行超挖掘进，开挖断面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量，增加了地层不稳定因素；②由于纠偏量较大，对土体的扰动也大，地层损失量也增加，容易造成较长时间的后期沉降。

3.4 管片之间易发生错台，管片易产生开裂和破损。

管片存在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（即前面所叙的侵限现象），还会导致管片之间发生相对位移，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应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成两个薄弱点如图1，使得相当多的管片因此破裂。

还有一个破裂原因就是因为相邻两环管片产生了相对位移，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1 转弯处管片因斜向受力破损示意图
3.5 漏水现象严重
过小半径曲线段漏水现象严重的原因大致如下：①管片错台导致止水胶条衔接不紧密；②拼装效果不好和止水胶条的破坏；③管环外侧的混凝土开裂（转弯段因盾尾间隙减小过多，使得管片被盾尾钢环刮坏），裂缝绕过止水胶条（如图2）。

图2 管片背后开裂导致漏水示意图
4、解决方案
对于小半径转弯的难点，主要是从盾构机掘进参数、盾构设备（超挖刀、铰接装置）、管片选型和拼装等施工措施方面来解决，特别是要采取了同步注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，以及及时填充围岩空隙保证土体稳定。

下面对上叙难点逐一进行分析并探讨解决措施：
4.1 纠偏与隧道轴线控制。

4.1.1中盾和尾盾采用铰接连接，有效地减少了盾构的长径，使盾构在掘进时能灵活的进行姿态调整，顺利通过小半径转弯；
4.1.2盾构机转弯时通过的孔洞不是圆形，而是在原来的圆洞基
础上两边扩挖而形成的椭圆形，超挖刀的设置正好满足了这个增大净空的要求；
4.1.3掌握好左右两侧油缸的推力差，尽量地减小整体推力，实现慢速急转；
4.1.4盾构机司机根据地质情况和线路走向趋势，使盾构机提前进入相应地预备姿态，减少之后的因不良姿态引起的纠偏。

4.1.5加密加勤VMT移站测量，避免由此产生的轴线误差。

由于我们是将短距离的曲线看成是直线段来指导盾构机掘进，如果不短距离移站测量，则相当把长距离的弧线当作直线，故轴线偏差自然会相差很大。

4.1.6做好管片选型，由于是选用的通用管片，不存在转弯环与标准环的区别，所有每一环管片都是一样的。

同时每一环管片可以调整的姿态最大为45mm。

因此，这就需要我们实时对盾尾间隙进行测量来确定KT块的位置。

从而有效保证使盾构姿态尽量与设计轴线的吻合。

4.2 控制管片水平移动和侵限。

4.2.1进入缓和曲线段时，将盾构机姿态往曲线内侧（靠圆心侧）偏移15～20cm，形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片的往曲线外侧（背圆心侧）的偏移。

由于我们开始推进便是从缓和曲线开始，因此提前做好转弯姿态准备是重中之重。

这样可以保证我们在以后的掘进时能够轻松地控制盾构机走向。

4.2.2减小油缸推力。

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水平分力的等情况下，管片会向外侧整体移动。

小半径曲线掘进管片位移量δ可用公式表达：
ζζδ?=?=R T P
T ：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ξ：变形系数
由上式得知：当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大，当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大。

同时，推进时根据我们火锦区间段的经验，可以把推力控制在900-1150t ；在特殊地层时根据
实际来及时调整推力。

4.2.3 在管片偏移的方向额外进行注浆，达到一定的压力以抵抗管片的偏移。

待浆液凝固后，则管片位置基本已经确定下来了。

注浆的位置选择1点和4点手孔为宜（右转弯），这样不但可以抵抗管片水平偏移，还可以抵抗管片的上浮。

4.3 减小对地层的扰动，避免大的沉降。

4.3.1严格控制好姿态，争取进行时时的细微纠偏，避免大的纠偏而造成对土体的扰动。

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。

盾构机掘进时，总是在进行蛇行，难免出现姿态偏差，蛇行修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态调整（纠偏）方式有：a、滚动纠偏：采用刀盘反转的方法进行滚动纠偏。

b、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；盾构机叩头时，可加大下部千斤顶的推度进行纠偏。

c、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。

4.3.2及时、充足地跟进同步注浆与二次注浆，将管片与围岩间
地空隙填充密实，达到稳固管片和减少地表沉降地效果。

4.3.3减小推力和掘进速度，同时选择合适地土仓压力保持模式，
最大限度地减小地层扰动，和保证掌子面的稳定，防止坍塌。

4.4 尽量避免大的错台和破损。

4.4.1油缸推力尽量不要太大，尤其时曲线外侧（背圆心侧）油缸，由于要加大推力来增加左右两侧油缸推力差，从而实现盾构机转弯。

但是，在加大油缸推力的同时，一定要注意管片的承受能力，避免由此造成的管片破裂。

4.4.2由于曲线外侧油缸推力较大，尤其要注意不要突然加力或者突然释放推力，这样也会造成管片的破裂。

4.4.3掘进的时候，把拧螺栓这道工序做到位，有效的防止错台的发生。

4.4.4提高管片拼装手的水平，避免因拼装不到位产生的错台。

4.4.5注意保持良好的盾尾间隙状态，避免盾尾钢环刮坏管片。

调整好油缸撑靴的位置，尽量使撑靴完全作用在管片上。

4.5 减少漏水。

4.5.1减小错台，使止水胶条对接紧密，达到良好的止水效果。

4.5.2拧紧螺栓，压紧止水胶条。

4.5.3检查止水胶条，保证其完整、牢固。

拼装前，用水清洗止水胶条，避免因止水胶条之间挤有杂物而影响止水效果。

4.5.4注意保持好盾尾间隙，避免盾尾钢环刮坏管片，使裂隙绕过止水条而形成漏水。