小半径曲线盾构始发和到达施工技术

小半径曲线盾构始发和到达施工技术

摘要：为解决盾构在小半径曲线内始发、到达的难点和风险，文章以广佛线地铁某盾构标段盾构在320 m小半径曲线内始发和到达的施工为研究背景，对盾构在小半径曲线内盾构始发和到达施工的风险进行了系统研究，并提出了相应的控制措施、取得了较好的效果，为今后类似工程的施工提供了借鉴。

关键词：小半径曲线；盾构机；铰接；曲线始发；曲线到达

随着城市高速的发展，带引了地下轨道交通建设的飞速发展，但在城市轨道交通线路的选择上，由于受规划及建（构）筑物的制约，使得城市轨道交通的线形设计越来越复杂。不可避免的出现存在小半径曲线的规划线路。小半径曲线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，施工难度大、风险大。因此，研究小半径曲线盾构法施工技术，针对盾构在小半径曲线始发、到达以及掘进过程中的风险，提出科学、合理的应对措施，可有效的避免盾构在小半径曲线内施工容易超限、管片容易出现错台、漏水等质量事故。相信对以后类似的小半径曲线盾构法施工具有一定的借鉴作用，可以很好地解决设计线型对盾构施工的影响。

1盾构机的选型

盾构机在曲线内始发或是到达掘进时，首先盾构机必须能够满足曲线内掘进的参数要求，也就是说所选用盾构机的最小转弯半径必须满足小于盾构始发或到达曲线的曲率半径，通常盾构机的最小转弯半径的大小取决于盾构机的长度、是否启用铰接、铰接的开启量等因素，盾构机选取尺寸尽量短。对盾构机选型还要验算盾构机的最小转弯半径，计算方法如下：

Rmin=÷sin

式中：LA为盾构机前体长度，mm；LB为刀盘的厚度，mm；􀱺为铰接可开启最大值。

例如广佛线[桂~雷区间]320 m的小转弯半径始发和到达，本工程盾构机采用了日本三菱的泥水平衡盾构机，盾构机总长度（刀盘面至盾尾）为8 420 mm，盾构机筒体的直径为6 260 mm，刀盘的开挖直径为6 280.5 mm，盾构机前体（刀盘面到铰接中心）的长度为 5 028 mm，后体（铰接中心到盾尾）的长度为3 392 mm。盾构机具备中折装置，中折角度最大1.5 ̊，盾构机刀盘面到铰接中心的长度为5 028 mm。根据上面公式，可计算本工程所采用盾构机，在打开铰接后，其能转弯的最小转弯半径为160.81 mm，能满足区间曲线掘进的要求。

2管片的设计

曲线段隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度θ，为了更好的使得盾构机沿着计划曲线掘进，在管片选型时尽可能选

用楔形量大的管片来减小角度。在地铁盾构隧道施工中常选用环宽为1.2 m和1.5 m的管片，环宽为1.5 m管片的结构形状为单面楔形量38 mm，环宽为1.2 m的管片的结构形状为单面楔形量42 mm，按照管片错缝拼装计算，环宽1.5 m的管片理论上能满足的最小转弯半径为246.31 mm，环宽为1.2 m的管片理论上能满足的最小转弯半径为181.85 mm，因此施工前需根据盾构始发或到达曲线的曲率半径的大小来预制管片。

另外在管片选型时要注意，盾构曲线始发时由于负环管片和托架均难以布置成相应的曲线型，因此始发时不能开铰接，只能沿曲线的割线掘进，因此盾构全部进入后需用比设计曲线更小半径的实际曲线来拟合设计曲线，因此需采用楔形量更大的管片来拟合新计划曲线。盾构曲线到达时需在碰壁时铰接归零，为了保证盾构机准确的碰壁，那么盾构机到达掘进的姿态要比计划曲线适度超前，为达到盾构姿态比计划曲线还超前的效果，就需在曲线内进行更小曲率半径的纠偏，而为了管片姿态更好的拟合盾构姿态，就需选用楔形量更大的管片，通常是1.2 m 的管片。

3盾构曲线始发和到达曲线的设定

3.1盾构始发曲线的设定

通常盾构始发时为了满足盾尾通过帘板时的密封性要求以及线路中线与车站侧墙的净空尺寸要求，均是将盾构机的始发姿态垂直于盾构井的侧墙而始发（曲线切线始发），常规盾构切线始发示意图如图1所示。而盾构始发时在筒体未全部进入土体前铰接无法开启，只能直推（盾构机刀盘+筒体长约8.5 m），从而使得盾构机筒体刚全部进入土层就已经超限，以广佛线施工5标桂~南区间320 m圆曲线始发为例，若按切线始发盾构机刚全部进入土体姿态偏差就达到147 mm（计算详见式1），并且盾构偏移趋势仍是向外弧线偏移，加上盾构机的中折不能一次开到位，只能逐环递增，这样盾构姿态的最大偏移值将达到250 mm以上。因此为了确保盾构机曲线始发不超限，需在始发托架定位时预偏盾构机的始发姿态，让盾构机的机头稍往内弧线偏移，盾尾往外弧线偏移，使得盾构机始发时沿曲线的割线掘进，待盾构机完全进入土体后再开启铰接用比设计曲线更小半径的实际曲线来拟合设计曲线。盾构始发姿态的定位方法如下：

根据设计线型，在洞门环板位置往内弧线偏移3~5 cm定一个点，在距离环板9 m位置往内弧线偏移6~7 cm定一个点，两点连成直线，再将直线往车站内延伸来确定始发托架的中心线位置（即盾构始发姿态），如图2所示。

切线始发姿态偏移计算：

320 m圆曲线每环（1.5 m）方位角改变量

α=tan-1（）=tan-1（）=0.2685 ̊

Δx1=sinα1×L1=4.86-3×1 500=7.03 mm

Δx2=sinα2×L1=9.37-3×1 500=14.06 mm

Δx3=sinα3×L1=0.014×1 500=21.03 mm

Δx6=sinα6×L1=0.028×1 500=42.17 mm

Δx=Δx1+Δx2+…Δx6=147.63 mm（1）

式（1）中，α1=α……α6=6α

3.2盾构到达曲线的设定

常规盾构到达均是托架接收，因此盾构到达掘进时必须在盾构机碰壁时铰接归零，然后让盾构机直线出洞，而盾构曲线到达掘进时由于盾构机是刚性体，为满足曲线掘进要求，盾构机在曲线内掘进需按照到达曲线的曲率半径大小来开启相对应的中折值（盾构曲线掘进时中折值与曲线半径的关系见式2），若在盾构机碰壁时中折就归零，那么就需要在到达掘进时提前按1.5 cm/每环左右来逐步缩小铰接，虽然当曲线半径大于500 m可以用千斤顶代替铰接，但是当盾构到达的曲线半径小于500 m时，必须开启铰接方可以满足盾构机在小半径转弯掘进的要求，因此在小曲率半径内到达掘进过程中提前缩回铰接，将使得盾构机的实际姿态与计划曲线产生较大的偏差，这样将导致盾构出洞时存在较大的水平偏差，甚至是盾构机无法到达。盾构曲线到达实际线型示意图如图3所示。

􀱺=sin-1（）+sin-1（）（2）

式（2）中：􀱺为圆曲线内铰接应开角度，̊；LA为盾构机前体长度，mm；LB为盾构机后体长度，mm；R为曲率半径，mm。

例如：广佛线施工5标段320 m小半径曲线到达，按照曲线到达的掘进要求，中折需开启0.75 ̊，若需盾构机碰壁时铰接归零，那么需在碰壁前5环每环缩回铰接（中折）1.5 cm，即0.15 ̊。

320 m圆曲线每环（1.5 m）方位角改变量α=tan-1（）=tan-1（）=0.2685 ̊，铰接最后5环每环缩回0.15 ̊，每掘进1.5 m实标方位角改变量计算如下：R1=÷sin=（）÷sin（）=402.02 m