关于盾构小半径转弯施工技术的研究

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

天津地铁2号线3合同施工段芥园西道站—咸阳路站区间盾构推进工程，采用2 台盾构机从咸阳路站西端头井始发，沿黄河道向西推进至芥园西道站东端头井接收。左、右线共1 868 环，里程为DK4+245～DK5+371.843。盾构隧道分别在左线里程DK5+102.226～DK4+836.233和右线里程DK5+108.218～DK4+836.225处需进行半径450 m的右转弯施工。盾构在小半径转弯隧道施工中，盾构机姿态及管片成型质量的控制较为困难，一但控制不力，会影响地面沉降的控制和隧道防水质量。

该区间转弯段隧道中心标高为－12.84～－13.79 m，盾构掘进施工所在土层为：④1粉质黏土、④2粉土层、⑤1粉质黏土层、⑥1粉质黏土层，⑥2粉土层。其中主要为⑥1粉质黏土层，内摩擦角19.5°，标贯为12.4 击，土层情况良好，对转弯影响较小。

2 难点分析

（a）盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合，曲线半径越小则纠偏量越大，轴线就越难于控制，而可用于姿态调整的千斤顶推力调整量很小，这就更加大了隧道轴线控制和纠偏的难度。

（b）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。

（c）由于盾构机处于纠偏状态，不可避免会有超挖现象，且对土体的扰动也大，易造成长时间的后期沉降。

（d）由于管片的特殊受力状态，管片与管片之间存在斜向应力，使得前方管片内侧角和后方管片外侧角形成2个薄弱点，使得相当多的管片因此破裂。还有一个破裂原因是，相邻两环管片产生了相对位移，使得管片螺栓对其附近处的混凝土产生剪切作用，使该处的混凝土开裂。

3 施工技术措施[1-4]

3.1 隧道轴线控制

（a）合理使用超挖刀：盾构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。本工程中，在转弯姿态不能达到预期时，在右侧适当开启了超挖刀，超挖量为2～3 cm。

（b）轴线控制有提前量：轴线控制有3 个方面，即设计轴线、盾构机姿态、管片姿态。管片姿态应跟着设计轴线、盾构机姿态应跟着管片姿态。因此，盾构机在进入圆曲线段前，根据线路走向趋势，提早对管片贴片，使盾构机提前进入相应的预备姿态，减少后期因不良姿态引起的纠偏。

（c）掌握好左右千斤顶的推力差，尽量减小整体推力和左右推力差，实现慢速急转。

（d）提高盾构机姿态测量频率为2 次/环。

（e）盾构机小曲率半径转弯时，测量吊篮制作较频繁，吊篮也容易发生偏移，所以每制作一次吊篮，都根据甲供控制点进行联测，确保测量精度。

（f）考虑到盾构机在小半径曲线段掘进，盾构机与隧道轴线始终存在一个夹角，导致盾构千斤顶对盾尾后的隧道存在一个向曲线外侧的推力。因此，盾构纠偏控制考虑预先将轴线向轴线内侧偏离20 mm，以防止隧道外移引起轴线超标，同时控制切口较盾尾多偏移10 mm以保证盾构机姿态。以此为基准，将波动幅度控制在10 mm以内，即盾构切口偏离值控制在+20～+40 mm范围内，盾尾偏离值控制在+10～+30 mm范围内。

3.2 分段纠偏

本工程在小半径曲线段采取分段纠偏的方式，将每环隧道的掘进分为12 小段，每段掘进长度100 mm，根据设计轴线的线形事先确定每小段掘进的纠偏量和千斤顶行程差作为掘进施工时纠偏的控制值。实际施工时每推进一小段，测量一次千斤顶行程差，根据需要测量盾构的姿态，并根据测量数据与控制值的对比，在发生偏离时及时采取调整盾构区域油压等措施对千斤顶行程差、盾构姿态进行调整。

3.2.1 纠偏量计算

在进行纠偏量计算时，假定盾构后部的已拼装管片两端面中心始终位于设计轴线上且管片端面始终垂直于设计轴线。实际施工中盾构机姿态较设计预偏了20 mm，相比450 m转弯半径较小，可忽略不计。

因千斤顶靴板在盾构掘进过程中始终紧贴盾构后部已完成隧道的前端面，也可合理假定千斤顶靴板断面处盾构始终与设计轴线重合，因此，盾构推进在小半径曲线段进行拟合纠偏实际上就是调整区域油压的分布，使盾构绕千斤顶靴板截面处设计轴线中心转动的过程。根据以上分析，影响盾构在小半径曲线段掘进对设计轴线拟合效果及地层损失率控制效果的主要因素，就是拟合纠偏过程中盾构轴线方向与设计轴线之间的相对位置关系。在拟合纠偏过程中使盾构切口中心始终位于设计轴线上，即始终使盾构切口中心和千斤顶靴板断面处中心连线（前方中心线）位于设计轴线的割线位置，隧道对设计轴线的拟合效果最好且超挖量最小。

3.2.2 盾尾偏离值计算与盾尾间隙复核

盾构在掘进时其切口应始终位于设计轴线上，因此，在对设计轴线拟合过程中，切口水平方向的偏离值的理论控制值始终为0。因拟合纠偏始终保持千斤顶靴板断面中心和切口中心连线位于设计轴线的割线上，因此盾尾存在一定量的向曲线外侧的偏离值，这个偏离值可根据盾构轴线与设计轴线在千斤顶靴板中心处切线之间的夹角计算。

由于盾尾间隙的限制，盾构纠偏幅度过大会造成盾尾没有间隙，造成管片拼装错台、错缝甚至管片破碎等质量问题，故盾构纠偏过程中盾尾保留一定量的间隙。因此，对拟合纠偏的理论计算还必须对盾尾间隙值进行复核。在对设计轴线的拟合纠偏时，盾尾间隙的变小是由于盾构轴线与已拼装管片之间存在的夹角造成盾尾向曲线外侧偏离造成的，故盾尾间隙的变小量与盾尾偏离量相同，此时盾尾间隙的最小值应为盾尾间隙的标准值减去盾尾偏离量。

3.3 成型管片偏移控制

（a）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20 mm左右，形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片往曲线外侧（背圆心侧）的偏移。

（b）减小千斤顶推力：在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，土体具有蠕变特性，且水平方向压力不均，管片在长时间承受千斤顶水平分力的情况下，会向外侧整体移动。

（c）在管片偏移的方向进行二次补注浆，增加外侧土体强度以抵抗管片的偏移，待浆液凝固后，管片位置基本已经确定下来。

（d）加强螺栓的复紧工作，有效地增加隧道的整体刚度，以抵抗成型隧道的整体偏移。

3.4 减小对地层的扰动、避免较大沉降

（a）严格控制好姿态，争取进行及时的细微纠偏、避免大的纠偏而造成对土体的扰动。

（b）盾构机在掘进时，总是在走蛇形线路，难免出现姿态偏差，蛇形修正以长距离慢慢修正为原则，根据盾构机姿态测量结果及地层的软硬分布情况，及时调整各分区千斤顶的推力及推进速度。

（c）盾构推进纠偏量越小，则对土体的扰动越小。施工中及时调整盾构机姿态，多次小幅纠偏，并将盾构姿态控制在垂直方向－30～－40 mm之间，水平方向圆曲线内侧20 mm（盾尾）左右。

（d）及时跟进同步注浆与二次注浆，将管片与土体间的空隙填充密实，达到稳固管片和减少地表沉降的效果。由于盾构机转弯时不可避免会出现超挖现象，每环同步注浆量较正常增加15%。二次注浆根据地表监测进行。

（e）减小推力和掘进速度，速度控制在3 cm/min以内，同时根据地面监测情况合理调整土压力设定值。

管片拼装质量控制方法：

（a）施工过程中通过小幅贴片纠偏的方式，保持良好的盾构间隙，使左侧间隙始终微大于右侧约5 mm，避免管片姿态跟不上盾构机姿态，而造成管片外弧面被盾尾钢板拉碎。

（b）合理控制千斤顶推力，尽量不要太大，尤其是曲线外侧（背圆心侧）千斤顶。要注意管片的承受能力，避免由推力过大造成的管片碎裂，必要时采取正环贴片1 mm的缓冲措施，以保护管片。

（c）由于曲线外侧千斤顶推力较大，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碎裂。

4 结语

根据盾构施工期间及后期测量数据显示，转弯段管片成型姿态，施工期间较设计偏差在－16～+48 mm之间；后期复测（施工完成后1个月）较设计偏差在－32～+37 mm之间。管片破碎量为6 处，基本为顶部小角拼装破碎，避免了由于左侧千斤顶受力过大可能引起的大面积破碎，符合预期控制目标。盾构在小半径转弯施工中对隧道成型质量的控制和环境保护是一个系统的过程。总结本次施工，分段纠偏量、盾构姿态及管片预偏量的预先精细设计，施工中贴片技术的运用和土压力、注浆量等的合理设定是本次小半径施工达到预期目标的关键点，也为以后类似工况下的盾构施工提供一些参考。