市政地下通道结构下方盾构双曲线始发施工技术

张子敏（上海市基础工程集团有限公司， 上海 200438）

1 工程概况

上海市轨道交通 14 号线 12 标浦东南路站—陆家嘴站区间上、下行线盾构始发位置位于浦东南路站西端头井处，盾构始发后即全断面位于东西通道底板下部、围护结构内，出洞即穿越东西通道。东西通道围护结构采用 SMW（Soil Mixing Wall） 工法桩，盾构始发位置于东西通道底板最小竖向净距约 5.6 m。区间盾构始发后即进入双曲线的施工工况，平曲线为转弯半径 350.0 m 的左转弯曲线段，长度约40.0 m。纵曲线为半径 3 000.0 m 的凸形圆曲线段。2 个转弯半径均为轨道交通隧道线路设计的最小半径。由于始发井位于上海市浦东新区浦东南路浦东大道路口，交通繁忙，盾构施工同时需保证浦东大道上的车辆正常行驶，故始发井为半封闭结构，端头井盾构机上部中板已施工完成，为盾构始发布置带来了困难。隧道与东西通道相互关系平剖面如图 1所示。

图1 隧道与东西通道相互关系平剖面图

2 难点分析

2.1 与常规双曲线施工不同

双曲线线型掘进属于盾构推进控制的难点，按照常规线路设计一般将其设置在区间线路中段。本工程由于区间线路受制于避让区间沿线建构筑物桩基基础，双曲线段位于盾构始发段，施工难度更高。

2.2 加固区对双曲线始发的影响

始发井盾构出洞加固采用三轴深层搅拌桩结合高压旋喷桩施工工艺，加固总长度为 11.0 m，其中三轴搅拌桩加固长度为 10.5 m，加固深度为坑底至 －20.0 m，加固范围为洞圈两侧向外延伸 3.0 m，水泥参量为 20%。搅拌桩加固区与地下连续墙间约 50 cm 空隙处，采用三重管高压旋喷桩完成盾构出洞加固，加固深度同深度高压旋喷桩，水泥掺入量为 25%。加固区设计无侧限抗压强度为 1 MPa。盾构始发加固区平剖面图 2 所示。

图2 盾构始发加固区平剖面图

本工程由于轨道交通 14 号线与东西通道合建的特殊工况，盾构出洞加固需在始发井完成后东西通道结构施工前施工完成，施工时间距离盾构始发时间约 2 a。至盾构始发时，土体加固强度远远超过设计强度，经取芯达到 2 MPa。在如此高强度的加固土体内，盾构机不具备有效的纠偏能力。若根据常规工艺发射架垂直于洞圈进行盾构始发体系布置，并模拟盾构轴线偏差。盾构切口推出加固区，水平偏差将达到偏右 197 mm；盾构盾尾离开加固区后，水平偏差将达到偏 681 mm，垂直偏差将达到偏 245 mm。上述数据并未包括后续纠偏过程中还会增大的偏差，无法满足 ± 100 mm 轴线偏差要求。另外，由于盾构机推进正环后，盾构机本体仍在加固土内，纠偏能力有限，盾构仅能进行直线推进，但此时管片轴线已根据 350.0 m 曲线段线路进行转弯，管片与盾构机盾尾钢板会逐步挤压导致成型管片碎裂、管片安装困难，产生后续质量问题。

2.3 半封闭结构对盾构始发布置的影响

本工程盾构始发工况因受浦东大道东西通道施工影响及保持交通通行的需要，盾构始发为半封闭结构，盾构机上部中板结构已施工完成，不利于进行始发反力架体系布置，反力架上端无法将后坐力传递至中板。并且双曲线施工对盾构姿态控制要求较高，反力体系在盾构始发过程中出现变形会导致盾构始发后的轴线偏差。盾构机上部中板下翻梁底标高低于洞圈顶标高，导致盾构机基座布置时，盾构机中心无法对准洞圈中心，造成盾构始发时即已产生竖向偏差。

2.4 纠偏施工对上部结构的影响

由于盾构机始发段上部即东西通道结构，隧道距东西通道底板竖向净距仅 5.6 m。盾构始发后的小半径纠偏施工易产生超挖、注浆不充分、增加土体扰动等次生影响，导致上部东西通道结构在盾构穿越期间发生变形。

3 施工方法

通过上述难点分析，本工程盾构双曲线始发施工若不进行方案优化，会导致轴线偏差、管片碎裂、东西通道变形等影响。故施工目的在于确保盾构轴线与管片轴线均能跟上设计轴线，并在施工过程中减少对上部结构的扰动。在实际施工中，通过盾构机在加固区内掘进及推出加固区后 2 个阶段实施纠偏，同时通过预设管片轴线，确保纠偏过程中控制盾构机与管片的夹角，使其在可控范围。

3.1 优化反力架体系

根据端头井结构实际情况，加强反力架反力支座体系，采用三道直径为 609 mm 的钢管斜撑作为反力支座，确保盾构始发后反力架能够承受盾构双曲线纠偏时不均匀的总推力，确保后靠体系不变形。始发负环布置采用钢结构管片，具备足够的强度及刚度，规避过去采用钢筋混凝土管片受力后管片变形导致盾构姿态发生变形。且负环采用满环布置，确保盾构始发后即具备往下纠偏的能力。

3.2 预设加固区内盾构轴线

盾构始发第一阶段施工为盾构机刀盘进入加固土至刀盘出加固土，通过计算设计轴线出加固区时的平面坐标及标高，满足盾构刀盘出加固区后，切口位于设计轴线上。并考虑盾构机与洞圈钢板的关系，确保盾构始发后盾构机壳体及同步注浆系统不会与洞圈钢板相碰，确定盾构机的始发方位角和坡度。始发方位角按割线布置，具体数据如下。① 区间盾构上行线出洞段平曲线是缓和曲线及半径为 349.873 m的左转弯曲线，上行线出洞段竖曲线是径为 3 000.000 m 的凸曲线。下行线出洞段平曲线是径为 349.847 m 的左转弯曲线，下行线出洞段竖曲线是半径为 3 000.000 m 的凸曲线。② 为满足盾构出洞后 12 m 盾构机切口位于轴线上，计算得出出洞 12 m 后的方位角，上行线方位角为 246°09′53.36″，下行线方位角为 245°32′57.48″，上行线与地墙垂直方向夹角为 0°49′29.57″，下行线与地墙垂直方向夹角为 0°55′32.48″。拟定本次上行线盾构以方位角为 246°09′53.36″ 出洞，下行线盾构以方位角 245°32′57.48″ 出洞。

在坡度选取上，另还需考虑盾构上部已建中板下翻梁的影响，具体数据如下。① 区间盾构上、下行线出洞段竖曲线是半径为 3 000.000 m 的凸曲线，考虑盾构出 12 m 加固区后盾构机钳行于竖曲线上，计算得出出洞 12 m后的坡度为 -9‰，拟定下行线盾构始发坡度为 －8‰。②上行线区域距端头井内衬墙约 7 m 位置，活塞风孔有 800 mm×900 mm 下翻梁。根据计算得出，如以洞门中心沿轴线方向按 －8‰ 出洞，则盾构机上部将与该下翻梁有冲突，经过对该下翻梁底标高实测以及对轴线进行模拟，拟定按坡度为－5‰、盾构机中心按洞门中心下偏 9 cm 放置发射架。

3.3 调整加固区外盾构轴线

因受到洞圈限制，盾构始发方位角按照割线进行布置。由于盾构切口出加固区后，进入正式的半径为 350 m 的转弯曲线段。虽然盾构切口和盾尾均位于设计轴线上，但要确保后续推进盾构轴线钳行于设计轴线，需进行第二阶段的纠偏施工，使盾构推进方向方位角尽快达到圆弧切线方向。根据第一阶段加固区的割线布置，上行线盾构出加固土后方位角为 246°09′53.36″，下行线盾构出加固土后方位角为 245°32′57.48″，与 350 m 半径切线方向夹角分别为 1°08′16.46″、1°02′19.46″。根据上述角度计算，此环上、下行线盾构机千斤顶行程差需分别达到 131 mm、120 mm，盾构机方可钳行于 350 m 半径轴线之上。由于当盾构机位于 350 m 转弯曲线段时，按每环 1.2 m 计算，若要确保盾构轴线不偏离，每环千斤顶理论行程差需达到 22 mm，因此考虑将盾构机从割线方位角调整至切线方位角所需的行程差分摊进后续 7～8 环每环推进施工中，也就是盾构切口出加固区后，每环行程需达到 40 mm。在纵坡上，由于放置发射架时已考虑始发 12 m 后出加固区的设计坡度，下行线已达到设计坡度 －9‰，上行线设计坡度与盾构机夹角为4‰。根据 3 000.000 m 半径计算得出，盾构机需跟上设计坡度，每 2.5 环需往下调整 1‰，故上行线盾构在实际推进时调整为每 1 环下压 1‰，可通过推进 8 环将盾构机纵坡调整至设计坡度。

3.4 预设管片轴线

盾构始发负环段管片常规均设置成直线段。根据上文双曲线始发工况分析，因发射架已按割线进行布置，故管片初始轴线已与割线方位角一致，已有一定提前量，但该提前量无法满足盾构切口出加固区后第二阶段纠偏要求。根据前文分析，第二阶段需通过 7～8 环的长度将盾构机由割线方位角调整至切线方位角，每环行程差需达到 40 mm，总行程差将达到 320 mm，要满足该总行程差需通过安装转弯环抵消每环千斤顶推出的行程。但 8 环转弯环仅能抵消 200 mm（25 mm×8 mm）行程差，所以负环段管片轴线与盾构机始发段轴线相同，无法满足后续纠偏要求。因此，实际施工中考虑调整负环段管片轴线，负环管片共 10 环，通过每环钢管片设置 8 mm 的 90° 贴片，将盾构切口出加固区时管片轴线逐步进行调整，使盾构机左侧千斤顶长于右侧千斤顶，再加上正环 8 转弯环，总计可抵消 280 mm 行程差，确保盾构机在后续施工中具有纠偏余量。

3.5 具体实施注意事项

（1）超挖刀应用。盾构始发后即开启左、右两侧超挖刀，目的在于一是提高盾构机头部的灵活度，二是减小总推力，提高盾构纠偏能力，三是刮松盾构机周边加固土体，使盾构机在加固土内具有一定的纠偏量。

（2）铰接油缸应用。盾构机在铰接位置过发射架后，即开启铰接油缸行程至 2～3 cm，使盾构机提前转向，有利于第二阶段的纠偏。

（3）填充注浆、同步注浆及二次注浆。由于始发段掘进时使用了超挖刀，对土体存在一定超挖，且盾构机纠偏，也不可避免会出现超挖，所以始发段填充注浆量及后续同步注浆量由常规 150% 调整为 200%，将管片与土体之间的空隙填充密实。二次注浆量及注浆时间根据东西通道监测情况实施跟踪施工。

4 结 语

针对市政地下通道下方盾构双曲线始发的工况，通过优化反力体系、预先计算加固区内、外的盾构轴线、预先计算管片轴线，并有效利用盾构机设备采取了超挖刀、铰接装置等辅助措施，严控了同步注浆及二次注浆，最终将始发段轴线偏差控制在设计要求范围内，东西通道累计沉降控制在 5 mm 内。以期为后续类似工程提供了宝贵经验和理论依据。