小半径曲线地铁隧道盾构施工工法

小半径曲线地铁隧道盾构施工工法

中铁二局股份有限公司城通公司

1.前言

上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道由正线（双线）及出入段线（两段）两部分组成，全长6249.676m，采用盾构法施工。两岔道井将区间正线分割成三部分共六段盾构隧道。在正线的东、西岔道井之间及线路北侧为东、西车辆出入段线，呈“八”字形分布，东、西出入段线最小曲率半径为230m。

中铁二局股份有限公司城通公司联合设计单位和大专院校开展了科技创新，取得了“三线近距、斜交、小半径、大坡度地铁盾构法施工综合技术”研究成果，于2007年通过四川省科技成果鉴定，获得四川省科技进步三等奖。我们对此技术的应用进行了总结，形成了本工法。

2.工法特点

2.1适用范围广，适用于软土地层土压平衡盾构机小半径曲线掘进

2.2轴线偏差小，控制在2～3cm内

2.3管片外弧碎裂和管片渗水较少

2.4采用带有超挖刀的铰接式盾构用于小半径曲线掘进

3.适用范围

软土地层平面小半径曲线（R≤350）盾构法施工的隧道工程。

4.工艺原理

4.1利用详细的盾构机参数选型及具体的管片宽度选择，预偏量设定，密集的监控量测频率和及时优化的盾构施工参数控制的综合运用，保障了盾构小半径曲线掘进的顺利施工。

4.2 将数据处理和信息反馈技术应用于施工，利用监控量测指导施工，动态修正施工方法和支护参数，以信息化施工技术为贯穿全过程的主线，全面控制和优化盾构施工参数，确保施工安全、快速。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

图5.1 小半径曲线隧道盾构法施工工艺流程图

5.2操作要点

5.2.1盾构机选择

1、适当的超挖量

盾构刀盘上需安装有一定超挖范围的超挖刀。在小半径曲线施工时，进行盾构外周（大于盾构机外径）的超挖，超挖范围可在切削刀盘旋转角度范围0-359度之间设定。超挖量能根据下限设定

值及上限设定值的选定来设定。仿形刀的动作范围与行程可在运行操作台上显示并可任意设定。为了工程的安全起见，须装备二把超挖刀，一把备用。

根据推进轴线情况进行部分超挖时超挖量越大，曲线施工越容易。但另一方面，超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面，加上曲线推进时反力下降的因素，会产生隧道变形增大的问题。因此，超挖量控制在超挖范围的最小限度内。

2、铰接角度满足要求

盾构机增加铰接部分，使盾构切口至支撑环，支撑环至盾尾都形成活体，增加了盾构的灵敏度，可以在推进时减少超挖量的同时产生推进分力,确保曲线施工的推进轴线控制。管片外弧碎裂和管片渗水等情况得以大大改善。铰接角度α=（L 1+ L 2）×180/π×R 其中L 1、L 2分别为铰接盾构的前体和后体，R 为曲线半径，α为盾构机在小半径曲线上的铰接角度，此角度应小于盾构机自身的最大铰接角度。通过固定铰接千斤顶行程差来固定盾构机的铰接角度，从而使盾构机适应相应得曲线半径。铰接千斤顶行程差mm=千斤顶最大行程差×（左右铰接角度deg ）/最大左右铰接角度deg 。

5.2.2管片选择

1、使用大楔形量的管片

1)大楔形量管片排版方式能很好的拟合小半径曲线。 2)楔形量的计算与确定

3)楔形量应综合根据管片种类、管片宽度、外径、曲线半径、曲线区间楔形环使用比例、管片制作方便性及尾隙大小而决定，由于受管片配筋的制约 ,大多混凝土类的管片的楔形量在75mm 以内。一般楔形量与管片外径的关系如下表。

表5.2.1 楔形量与管片外径的关系表

4).楔形量 (δ)的计算方法

()L L k k A R

D

21+=

δ （5.2.2） δ——楔形环的楔形量； D ——管片外径,本例为6.2m ； R ——圆曲线半径，本例为230m ；

A ——标准环与楔形环环数比,本例中为1/6； L k1——标准环的宽度,本例为1.2m ； L k2——楔形环的公称宽度，本例为1m.

根据楔形量计算公式，可算得楔形量为32.34mm ，可以很好的拟合R=230m 小半径圆曲线。

2、减小管片宽度

对于小半径曲线地段，根据上海地铁类似工程的施工经验，采用宽1.0m管片。管片宽度采用1.0m比1.2m更有利于线路曲线的拟合，管片拼装更容易，也有利于减少管片的碎裂和隧道的整体防水。

5.2.3隧道管片壁后注浆加固

隧道每掘进完成2环，及时通过隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固，加固范围为管片壁后2m。

5.2.4隧道内设临时纵向加强肋

针对小半径曲线上隧道纵向位移较大，在隧道开挖面后50～60m范围管片设置加强肋以增强隧道纵向刚度，控制其纵向位移。加强肋采用双拼[18a槽钢用钢板焊接成型，然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接，从而将隧道纵向连接起来，以加强隧道纵向刚度。加强肋长2.4（2）m，为两个管片宽度，位于隧道管片的两腰部分各4根共8根，加强肋与管片连接采用M56螺栓与注浆孔连接为一体，加强肋之间纵向连接采用M30螺栓。加强肋部位及构造详见加强肋构造图5.2.4-1、图5.2.4-2及图5.2.4-3。随着掘进向前推进，随时增加前面及拆除后面的加强肋，保持加强肋长度在恒定范围内。

图5.2.4-1纵向加强肋示意图（一）

图5.2.4-2纵向加强肋示意图（二）

图5.2.4-3 纵向加强肋示意图（三）

5.2.5加强螺栓复紧

每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下环推进时进行复紧，克服作用于管片推力产生的垂直分力，减少成环隧道浮动。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次。

5.2.6盾构推进轴线预偏

盾构掘进过程中，管片在承受侧向压力后将向弧线外侧偏移。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。根据理论计算和相关施工实践经验的综合分析，同时需考虑掘进区域所处的地层情况，在小半径曲线隧道掘进过程中设置预偏量20～40mm左右,见图5.2.6所示。曲线半径越小，设置的预偏量越大。施工工程中，通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。

图5.2.6小半径曲线段盾构推进轴线预偏示意图

5.2.7盾构测量与姿态控制

在小曲率段推进时，应适当增加隧道测量的频率，通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性。同时，可以通过测量数据来反馈盾构机的推进和纠偏。在施工时，如有必要可以实施跟踪测量，促使盾构机形成良好的姿态。

由于隧道转弯曲率半径小，隧道内的通视条件相对较差，因此必须多次设置新的测量点和后视点。在设置新的测量点后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，防止造成误测。同时，由于盾构机转弯的侧向分力较大，可能造成成环隧道的水平位移，所以必须定期复测后视点，保证其准确性。

隧道内间距20～30环布置测量吊篮，每推进5环复测一次导线点。盾构机推进采用自动测量系统，推进时每2-3min自动测量一次盾构姿态。

盾构机拼装后，应进行盾构纵向轴线和径向轴线测量，其主要测量内容包括刀口、机头与机尾连接中心、盾尾之间的长度测量；盾构外壳长度测量；盾构刀口、盾尾和支承环的直径测量。盾构机掘进时姿态测量应包括其与线路中线的平面偏离、高程偏离、纵向坡度、横向旋转和切口里程的测量，各项测量误差满足下表5.2.7要求：

表5.2.7测量误差表

以盾构中心轴线作为X轴、垂直于轴线方向为Y轴、Z轴即为高程方向，刀盘中心作为坐标圆点。在刀盘后面固定螺杆盾构姿态的测量前点。利用激光站支架置镜在盾构主机支架上设一个支导线点、然后置镜支导线点后视激光站导线点测出A、B、C三点的大地坐标。因为A、B、C三点相对于O1O坐标轴有固定关系，根据A、B、C三点的实测坐标利用三维坐标转换关系就能定出O1O 的实际位置及刀盘中心O的坐标，利用O点的实测坐标就能计算出盾构的实际里程以及前后参考点的俯仰情况，根据A、C两点的理论高差和实测高差就能计算出盾构的具体旋转情况，根据姿态的实测通过调整千斤顶和注浆压力来对盾构进行纠偏以达到盾构能按预定位置掘进。

5.2.8盾构施工参数选择

1、严格控制盾构的推进速度

推进时速度应控制在1～2cm/min。即避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。

2、严格控制盾构正面平衡压力

盾构在穿越过程中须严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量（0.5～1mm）来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止过量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动，其波动值控制在0.02MPa以内。

3、严格控制同步注浆量和浆液质量

由于曲线段推进增加了曲线推进引起的地层损失量及纠偏次数的增加导致了对土体的扰动的增加，因此在曲线段推进时应严格控制同步注浆量和浆液质量，在施工过程中采用推进和注浆联动的方式，确保每环注浆总量到位，确保盾构推进每一箱土的过程中，浆液均匀合理地压注，确保浆液的配比符合质量标准。注浆未达到要求时盾构暂停推进，以防止土体变形。

每环的压浆量一般为建筑空隙的200％～250％，为2.7～3.2m3/环，采用可硬性浆液，浆液稠度9～11cm，泵送出口处的压力不大于0.5MPa左右。具体压浆量和压浆点视压浆时的压力值和地

层变形监测数据选定。根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆参数，从而有效地控制轴线。

5.2.9土体损失及二次注浆

由于设计轴线为小半径的圆滑曲线，而盾构是一条直线，故在实际推进过程中，实际掘进轴线必然为一段段折线，且曲线外侧出土量又大。这样必然造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此在曲线段推进过程中在进行同步注浆的工程中必须加强对曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙。每拼装两环即对后面两环管片进行复合早凝浆液二次压注，以加固隧道外侧土体，保证盾构顺利沿设计轴线推进。浆液配比采用：水泥:氯化钙:水玻璃＝30:1 :1，水灰比为0.6。二次注浆压力控制在0.3Mpa以下；注浆流量控制在10～15L/min，注浆量约0.5m3/环。

5.2.10严格控制盾构纠偏量

盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，推进的关键是确保对盾构的头部的控制，由于曲线推进盾构环环都在纠偏，须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。除了采用楔型管片，为控制管片的位移量，管片纠偏采用楔形低压棉胶板或软木楔子，从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的。盾构推进的纠偏量控制在2～3mm/m。

针对每环的纠偏量，通过计算得出盾构机左右千斤顶的行程差，通过利用盾构机千斤顶的行程差来控制其纠偏量。同时，分析管片的选型，针对不同的管片需有不同的千斤顶行程差。

5.2.11盾尾与管片间的间隙控制

小曲率半径段内的管片拼装至关重要，而影响管片拼装质量的一个关键问题是管片与盾尾间的间隙。合理的周边间隙可以便于管片拼装，也便于盾构进行纠偏。

1、施工中随时关注盾尾与管片间的间隙，一旦发现单边间隙偏小时，及时通过盾构推进方向进行调整，使得四周间隙基本相同。

2、在管片拼装时，应根据盾尾与管片间的间隙进行合理调整，使管片与盾尾间隙得以调整，便

于下环管片的拼装，也便于在下环管片推进过程中盾构能够有足够的间隙进行纠偏。

3、根据盾尾与管片间的间隙，合理选择楔型管片。小曲率半径段时，盾构机的盾尾与管片间间隙的变化主要体现在水平轴线两侧，管片转弯正常跟随盾构机，当盾构机转弯过快时，隧道外侧的盾尾间隙就相对较小；当管片因楔子量等原因超前于盾构机转弯时，隧道内侧的盾尾间隙就相对较小。因此，当无法通过盾构推进和管片拼装来调整盾尾间隙时，可考虑采用楔型管片和直线型管片互换的方式来调整盾尾间隙（可结合管片选型软件指导）。

5.2.12监控量测及信息反馈

1、施工监测内容

针对区间隧道沿线的建（构）筑物及地下管线设施，结合盾构推进施工中引起地面沉降的机理采用如下监测内容：

1）地表环境沉降监测

地表沉降、地下管线沉降、建（构）筑物沉降

2）在建隧道沉降监测

2、施工监测范围及点位布置

1）地表沉降点布设

建立地面沉降监测网，即在现场布置平行于隧道轴线的沉降监测点和垂直于隧道轴线的沉降监测点。平行于隧道轴线的沉降监测点一般情况每5环布设一点，垂直于隧道轴线的沉降监测点每100环布设一组长24米的断面，每组均为9点，距离隧道轴线分别为2米、4米、6米、12米；在两长断面中间再布设一12米长的短断面，测点该区间距隧道轴线分别为3米、6米对称布设。

盾构施工的监测范围一般为盾构前20环，后30环。对范围以外30～100环的测点每周复测一次，对100环外所有新完成区间监测点每月观测一次。在整个区间隧道施工完成后对该区间地表轴线点再测量一次看后期变化量。

2）地下管线沉降

施工前与各种管线单位联系，摸清地下管线的准确位置，并将管线落到具体的布点图上，按管线单位要求进行监测点的埋设，并做好监测点的保护工作。

对常规管线的监测利用地表沉降监测网。但为了更直接地了解盾构施工对管线的影响程度，对轴线两侧各5米范围内各种管线的设备点（如阀门井、抽气井、人孔、窨井等）进行直接监测，在管线单位的监控下确保管线的安全。及时了解管线的沉降速率及沉降量，并控制在容许的范围内。

3）建筑物沉降

对盾构推进切口附近方圆30m内涉及的建筑物进行监测。

4）隧道沉降监测

沿着隧道推进方向在隧道的管壁上布设沉降监测点，每4环上布置1个沉降监测点、布设在隧道底部位置。

3、监测技术要求及监测频率

1）监测精度

沉降位移监测误差≤0.5 mm；

2）监测频率

监测工作自始至终要与施工进度相结合，监测频率与施工工况相一致，应根据施工的不同阶段，对影响范围内的监测对象，合理安排施工监测频率：

a地面沉降、管线沉降：在区间隧道盾构出洞前布设监测点，测2次，取得稳定的测试数据，在盾构出洞后即开始监测，在盾构推进期间正常情况下2次/天，施工区域30～100米以远的已完成区段1次/周，1个月后且沉降速率小于3mm/周监测频率可根据工程需要随时调整，以满足保护环境的要求。

b建筑物沉降：监测频率2次/天，及时了解建筑物的变化情况，在盾构穿越危房时要增加监测频率，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率，保证监测信息准确及时。

c隧道（环片）沉降：测试频率为：离推进面20m范围之内时，1次/天；离推进面20m至50m 范围时，1次/2天；离推进距离大于50m范围时，1次/周；隧道贯通后1次/月，沉降稳定后改为1次/2个月，直至验收；

4、监测资料的分析、处理及资料报送

1）监测测量结果在测量工作结束后2小时内提供，出现险情时，及时提供监测数据。

2）监测资料每日以报表形式提交，报表要对应工况，工况要以图表反映，说明施工时间及相应施工参数。

3）每周提交有数据、有分析、有结论（沉降变化曲线）的周报小结；

4）全部工程结束后一个月，提交监测总结报告。

6劳动力组织

表6 劳动力组织表

7.材料与设备

本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表7。

表7 主要施工机械设备表

8.质量控制

8.1在曲线段推进过程中，为确保盾构沿设计轴线推进，必要时使用仿形超挖刀，使内侧的出土量要大于外侧的出土量，此时同步注浆量要及时跟上。

8.2在曲线推进过程中，为确保盾构沿设计轴线推进，严格控制盾构出土量。

8.3在盾构推进过程中，加强对轴线的控制，推进时做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保管片环面始终处于曲线半径的径向竖直面内。

8.4在曲线段推进时应严格控制同步注浆量。每环推进时根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆量。注浆过程中严格控制浆液质量及注浆量和注浆压力，注浆未达到要求时盾构暂停推进。

8.5每环推进过程中，严格控制平衡土压力，使切口正面土体保持稳定状态，以减少对土体的挠动。采取信息反馈的施工方法在盾构推进工程中进行跟踪沉降观测，并及时反馈沉降数据，为调整

下阶段的施工参数提供依据。

9.安全措施

9.1盾构掘进施工全过程严格受控，加强对盾构机的检查、保养，每周由经理部组织人员进行安全检查，发现问题及时整改。

9.2在推进过程中，优化施工参数，严格控制隧道轴线，加强监控量测的密度和强度，以减少地表隆沉和隧道的变形，确保盾构施工安全。

9.3对垂直运输起重设备的索具、钢丝绳、土箱、管片吊钩等做到定期检查，安全使用各种安全装置，及时维修。井口吊装作业时配置声控闪光信号装置作警示。

9.4电瓶车司机严格执行安全行车规程，加强对车连接部位的检查。电瓶车增设电动制动刹车装置，配置行车闪光警示灯；运行过程中严禁搭乘车，严格控制行车速度，工作面钢轨末端设置电瓶车行使止动装置。电瓶车内设行车监控系统。

9.5管片工作面和拼装位置做好警示标志，管片举重臂旋转范围内严禁站人。

10.环保措施

10.1设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。

10.2定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。

10.3在盾构掘进施工过程中，铺设良好的管道排水、排污系统，所有生活和生产中产生的废水及水泥浆液均经过过滤、沉淀等方式集中处理后排出，未造成水污染。

10.4盾构正常掘进时各施工现场设置的集土坑能够满足临时堆土需求。并采用加盖封闭式载重车进行弃土晚间运输。为了防止土方运输车辆污染道路，运土车辆出去时在洗车台处将车辆轮胎冲洗干净，防止带泥上路。

11.效益分析

11.1本工法施工中地表隆沉均在允许范围内，确保了道路、管线和建筑物的安全，未造成环境危害。小曲线半径掘进的成功，为城市地铁小曲线半径掘进提供具体的指导和借鉴，为以后城市地下工程在类似情况下的规划建设提供了可靠的决策依据和技术指标，新颖的工法技术将促进地下工程施工技术进步，社会效益和环境效益明显。

11.2本工法通过盾构机参数选型、管片宽度选择及管片辅助加强措施，预偏量设定，密集的监控量测频率和全面控制和优化盾构掘进施工参数，保障盾构施工轴线控制要求，保证了管片拼装及防水质量，节约了大量隧道渗漏水处理费用，形成了较好的经济效益。

12.应用实例

上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道

12.1工程概况

出入段线是上海市轨道交通9号线一期工程进出地面车辆段的两个单线盾构隧道，包括西出入段线和东出入段线，呈“八”字形分布。其中，西出入段线起点西岔道井，终点西工作井，最小曲线半径为250m，曲线全长117.976m；东出入段线起点东岔道井，终点东工作井，最小曲线半径为230m，曲线全长130.479m。出入段线隧道埋深9.42～1.91m，主要穿越土层为③-1灰色粉质粘土、⑤-1a 灰色粘土。

出入段线隧道采用装配式钢筋砼管片，管片内、外直径分别为Φ5.5m和Φ6.2m，管片厚度350mm，宽度为1.2m和1.0m两种，后者主要用于小半径曲线段。衬砌拼装纵缝为通缝拼装。衬砌间连接件采用双头直螺栓。每环衬砌由六块组成，即一块拱底块（84°）、二块标准块（65°）、二块邻接块（65°）、一块封顶锲形块（16°）。

12.2施工情况

西出入段线工程盾构掘进开始时间为2006年3月22日，掘进完成时间为2006年6月20日。最高日推进13环，平均5.6环。每环平均循环时间：初始掘进阶段为140分钟，正常掘进段为75分钟。

东出入段线工程盾构掘进开始时间为2006年6月6日，掘进完成时间为2006年9月2日。最高日推进12环，平均6.5环。每环平均循环时间：初始掘进阶段为140分钟，正常掘进段为80分钟。

盾构机选择的是小松TM634PMX型盾构机，盾构外径φ6340mm，盾构内径φ6250mm，盾构长度7905mm，前盾长度3415mm，后盾长度4490mm，盾尾建筑空隙2×70mm。推进系统最大总推力为37730KN。铰接系统最大总推力为1960KN，油缸行程为170mm。水平最大转角为±1.5度，垂直最大转角为±1.0度。盾构刀盘上安装有2把仿形刀,为液压油缸驱动式，由切削刀、液压油缸构成。仿形刀的动作范围与行程可在运行操作台上显示并可任意设定，仿形刀参数见下表12.2所示。

在两条出入段线隧道掘进过程中，将设置预偏量30mm左右。施工工程中，通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。同时超挖量控制在20mm左右。盾构机采用铰接装置和仿型刀超挖及预偏量设置的方法解决了小半径弯道掘进轴线控制和管片拼装问题。

12.3工程监测与结果评介

采用“盾构小半径曲线掘进施工”工法后，为保证施工过程盾构及管片的轴线控制，上海市地质勘查技术研究院施工进行了全过程监控量测。

监测结果显示，小半径曲线掘进过程中，盾构轴线偏差均控制在2～3cm内。

施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，工程质量合格率100%，东、西出入段线两段盾构隧道区间均获得上海市“优质结构工程”，掘进无安全生产事故发生，得到了各方的好评。