盾构长距离小半径穿越建（构）筑物控制措施研究

吴 朝

（上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200433）

0 引言

随着城市高速发展，人口增多，城市出行对城市轨道交通的需求也也来越高。在轨道交通建设中，盾构法施工由于其对沉降控制的优势，其应用也越来越多。随着工程的增多，工程所面临的环境也越来越复杂，受到规划及现有建筑物的制约，地铁线路的线性越来越复杂，因此小半径隧道的应用也是越来越多。小半径隧道的施工和常规的盾构法施工相比还是存在着一定的特殊性，因此研究小曲率半径盾构法隧道施工技术也就很有必要了。

决定小半径曲线隧道掘进成败的因素很多，有地层的关系、盾构机的选型、衬砌的拼装、超挖量控制、背后注浆量及其它辅助工法的使用。其中关键因素就是掌握好小半径曲线上的盾构掘进技术、管片拼装技术、同步注浆技术以及地面沉降控制技术等[1-3]。

1 工程概况

上海市轨道交通5号线南延伸段某区间隧道长度为978.109 m，共816环（见图1）。区间隧道顶部埋深为 4.9～15.7 m，平面最小曲线半径为R=370 m，纵坡为“V”字坡，最大纵坡为26‰。区间隧道采用两台奥村土压平衡盾构施工。

区间隧道穿越地层包括④淤泥质黏土、⑤1黏土、⑤1ta黏质粉土夹粉质黏土、⑤1tb粉砂，穿越万科楼盘地下车库段部分土体部分进行了加固，地层软硬不均（见表1）。地层含水量、强度、渗透系数、自立性不一，盾构掘进过程中容易出现开挖面稳定性差、盾尾渗漏、螺旋机发生喷涌、推进困难及地表沉降较难控制等问题。

2 盾构机优化选型

盾构区间隧道施工中，必须要根据地层、隧道轴线及周边环境特点选择合适的盾构设备，并根据需要对盾构机进行刀盘、刀具及其它方面的优化，这是保证区间隧道安全、顺利的前提条件，同时也可以保证盾构在穿越建（构）筑物时减少对地层的扰动，减小沉降。

本区间隧道需要在加固地层中长距离推进，在此种地层中推进易出现推力及扭矩大、刀盘及刀具易磨损，轴线控制难度大的特点；在中间段还需要在具有微承压水性质的砂性土层中推进，在此种地层中推进易出现推力及扭矩大、盾尾易出现涌水，隧道渗漏水控制难度大；且本区间隧道的最小半径为R=370，在小半径盾构隧道施工中易出现轴线控制难度大、管片易出现错台、破损等情况。根据本区间的特点，首先在盾构机的刀盘上加装了12把贝壳刀，并选用其它耐磨性好的刀具。

2.1 铰接系统

盾构机本体在曲线段上视为有一定长度的直线形体，曲线半径越小，盾构机身越长，则盾构机的行走线路与隧道轴线拟合就越难，偏差越大。曲线段上的盾构掘进线路为连续折线，为了与隧道设计轴线更好的拟合，盾构推进过程中则需要连续纠偏，遵循勤纠、少纠的原则。因单次纠偏量越大，纠偏灵敏度就越低，轴线就越难控制，并且会影响到成环管片的质量。在曲线段上掘进时超挖刀与盾构铰接装置的使用就成为了控制特急曲线上隧道轴线的关键。

图1 区间隧道平面布置图

表1 区间隧道穿越主要建（构）筑物情况

盾构机通常分成前后两个部分用千斤顶连接起来，形成一个铰接装置，此系统主要使盾构机安全、平稳，快速的进行姿态调整，对曲线段的掘进提供了保障。

考虑到本区间R=370 m小曲率半径施工，盾构机选取了配备V型主动铰接系统的两台奥村盾构机，铰接油缸规格为2 500 kN×170 mm×35 MPa×12支，铰接角度左右1.5°上下1°，可满足最小半径R250 m的曲线施工要求。

2.2 盾尾密封系统

盾尾密封系统是管片的外表面和盾构壳体的内表面之间的密封，可以防止水和砂土进入隧道（见图2）。由于本区间所经土层渗透系数较大，盾尾内新装三道盾尾刷，外侧一道为钢板刷，内侧两道为钢丝刷。相间2道腔体内各布置8个油脂注入孔，增加流量和压力传感器，达到注入压力和时间单独控制，以满足盾构在小半径穿越建（构）筑物和在微承压水层中掘进时盾尾区域性注入盾尾油脂的要求。

图2 奥村盾构盾尾密封系统

3 盾构小半径穿越建（构）筑物主要技术措施

3.1 盾构机推进参数设定

土压力设定根据隧道中心埋深及土质情况，对穿越段土压力计算值附加建筑物荷载，具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行实时优化调整。施工过程中应根据地面及建筑物监测数据及时对土压力设定值进行调整，确保地面环境及建筑物的安全和稳定。

由于本区间隧道盾构出加固区后即进入万科地下车库，因此没有常规的试验推进阶段，如何合理的设定土压力成为了确保穿越（建）构筑物的关键。由于地下车库有桩基础，且地下部分土体已进行加固，对沉降不灵敏，因此推进时应适当提高土压力，使地下车库微微隆起1～2 mm，同时应根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量，出土量控制在98%～100%，并通过分析调整，寻找最合理的数值。

根据以往施工经验，盾构推进速度对盾构周围土体的变形及应力的变化有一定的影响。盾构穿越建（构）筑物期间，必须尽量减小盾构推进对周围土体的扰动。因此必须控制合理地推进速度，使盾构匀速施工，减少盾构对土体的挠动，达到控制地面变形的目的。

在穿越过程中，盾构推进速度宜控制在20mm/min左右，尽量保持推进速度稳定，尽量减小土压力的波动幅度，以便减少对周边土体的扰动影响。

3.2 轴线控制

（1）盾构纠偏量的控制

盾构在小半径段掘进时，盾构机的纠偏控制最为重要。盾构机在曲线掘进过程中实际是处于曲线的切线上，因此掘进的关键是如何对盾构的机头部位的控制，由于曲线掘进盾构每环均在纠偏，因此应做到勤测勤纠，同时每次的纠偏量应尽量小，确保衬砌楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的。

盾构掘进前，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，掘进过程中则通过利用盾构机千斤顶的行程差来控制当环的纠偏量。同时，结合分析管片的选型，针对不同的管片型号（直线段、左曲、右曲管片）则有不同的千斤顶行程差。

（2）盾构测量

盾构掘进的测量是保证隧道轴线的根本，在小曲率半径段中盾构机的测量尤为重要。本区间盾构机配有自动测量系统，推进过程中可以通过测量数据及时调整盾构机的推进和纠偏，平面轴线偏差始终控制在±30 mm范围内，盾构机姿态保持良好。

由于隧道转弯曲率半径小，隧道内的通视条件受限，因此必须多次设置新的测量点和后视点。设置新的测量点后，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，因此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。

（3）管片拼装

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最关键问题是衬砌管片与盾尾间的间隙。均匀的周边间隙可以更好的便于衬砌的安装，同时也便于盾构机掘进时进行纠偏。

a.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。

b.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。

c.小半径段时当盾构机转弯过快时，小半径隧道外侧的盾尾间隙就相对较小。当盾构机转弯过慢，管片超前于盾构机转弯时，小半径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，可通过增加曲线管片及加贴楔子来调整盾尾间隙。

3.3 地面沉降控制及环境保护

（1）盾构同步注浆

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浆液的质量及注浆量和注浆压力。每推进一环的建筑空隙为：π（3.1752-3.12）×1.2=1.8 m（3盾构外径：6 350 mm；管片外径：6 200 mm），每环注浆量为建筑间隙的150%～200%，所以每环注浆量是2.7～3.6 m3。在施工过程中采用推进和注浆联动的方式，注浆未达到要求时盾构暂停推进，以防止土体变形。根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆参数，从而有效控制地面沉降。

同时应严格控制浆液质量，确保浆液质量的稳定。不能随意调整浆液的注入量，防止建（构）筑物出现不均匀沉降。

（2）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，实际推进轴线为一段段折线，且曲线外侧出土量大，这样就会造成曲线外侧土体的损失，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。当沉降监测数值接近报警值时，进行二次注浆作业，二次注浆浆液选定为双液浆。注浆量、注浆孔位和注浆次数根据地面及建筑物沉降监测数据的情况，及时进行调整，直至建筑物沉降稳定。

（3）沉降监测

建（构）筑物沉降变形监测除常规地表沉降监测外一般还包括：沉降监测、倾斜监测和裂缝观测。

a.沉降测点：将L型测钉打入或埋入近地面的建筑结构体内，测钉头部磨成凸球型。测钉与建筑结构间不允许有松动。对于沉降变形控制要求较高的，盾构穿越时在建筑物的外墙角、门窗边角等突出部位增设沉降观测点。

b.倾斜测点：建（构）筑物倾斜量值是判别建（构）筑物是否安全的基本控制量。

c.裂缝观测：在施工前对隧道沿线建（构）筑物巡视、观察，若发现先天裂缝，应进行编号记录，通过裂缝观测仪测读裂缝的后期宽度变化，并拍照存档。对比盾构穿越前后裂缝变化情况。

d.应根据建（构）筑物的监测情况，及时调整监测频率，同时应及时的将地面监测情况及时通知有关各方，及时调整施工参数。

4 结语

本盾构区间隧道在地质情况复杂、小半径的情况下长距离下穿建（构）筑物，施工风险较高。施工前根据地层和建（构）筑物沉降的特点采取针对性措施，并有针对性的进行盾构机优化及选型；在施工过程中及时根据施工监测，及时调整施工参数，科学合理配置盾构掘进参数，控制出土量、加强注浆量和注浆压力控制等施工措施控制，这些都是确保盾构成功穿越建（构）筑物的关键，同时也确保了建（构）物安全。

本工程的成功穿越经验，也为后续其它类似的穿越施工提供借鉴。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]张凤祥,傅德明,等.构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].陕西西安:陕西科学技术出版社,1997.