超大直径盾构小半径圆曲线始发技术研究

陈晓飞 余郁 钱锋

我国自上世纪90年代以来，随着隧道建设的发展，盾构施工技术在我国得到了迅速发展，但由于受规划及建、构筑物的制约，在某些特殊条件下盾构始发轴线在小半径曲线上，造成施工风险大，提出相应防治措施以及合理的施工方案是施工当中最为重要的一环。

一、工程简介

1.工程概况

扬州市瘦西湖隧道是我国直径最大的单管双层盾构隧道，也是国内第一座穿越国家5A级旅游核心景区和国家重点文物保护单位的隧道，其主体为单孔双层双向四车道盾构法隧道。本工程线路总长为4082m，上层总长2245m，隧道下层主线总长2705m。盾构段里程为K0+885～K2+160，总长度为1175m。平面位置在里程K2+160～K1+546.963处设计一条R=1500m的左转圆曲线，曲线长613.037m，K0+933.637～K1+546.963为直线段， K0+885 ～ K0+ 9 33.637，位于R=700m的右转圆曲线上。纵断面最大坡度5%。盾构需在R=1500m的左转圆曲线上始发。

扬州市瘦西湖隧道工程采用原南京长江隧道工程使用的直径为14.93m的泥水平衡式盾构机，单机总重3500吨，长135m，额定推力185253kN，额定扭矩34735KNm，其最小转弯半径为750m。

2.工程与水文地质条件

隧道所经场地为一级阶地和高砂平原过渡带，地貌分区属长江下游冲积平原区，地貌类型为长江三角洲平原中的古河口沙嘴，场地地势较平坦，地面高程6.0～9.0m。盾构范围内主要为杂填土、淤泥、粉土、粉砂、黏土、粗砂、泥质砂岩、泥质砂岩等。其中盾构下穿层为全黏土地层⑶-1，黏土为下蜀黏土，具有硬塑，压缩性低，中等膨胀性，遇水易崩解等特点。场地地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水，主要分布于表层（1）杂填土、（2）-1层粉土和（2）-2层粉砂层内，土层水平向呈广泛而连续，垂向上具有一定的水平层状沉积韵律变化。根据现场试验结果可知，潜水含水层的渗透系数为2.08E-3～2.66E-3cm/s，属中等透水性。潜水位埋深0.3～4.9m，相对于标高为3.077～4.536m，平均标高为3.8m，水位变幅一般为0.3～4.9m。

二、小半径曲线的始发施工

1.始发方案

盾构始发轴线位于R=1500m的平面圆曲线，由于盾构机主体长度约14.3 m，不可能在工作井内曲线始发。在盾构机始发初期，为了提供足够的推力并保持反力架和负环管片稳定，盾构机必须沿直线推进。当盾构机整体进入隧道，盾尾完全脱离始发基座后才能开始转弯。在直线推进的前15m过程中，盾构轴线与设计轴线将产生一定偏差；当盾构完全进入土体后，盾构机开始纠偏，纠偏曲线与设计轴线也会有一定的偏差，所以盾构机始发方向必须同时保证这两个偏差不超过设计和规范要求。经综合考虑，采用割线始发，在洞门位置始发线路相对设计隧道中线偏移量为0mm，在盾构进入土体直线掘进约15m位置，始发线路相对设计隧道中线偏移量为117.5mm；盾构机直线推进15m后，开始向左转弯进行纠偏，纠偏曲线与设计轴线最大理论偏差为120mm，各个偏差的理论值均能满足要求；待纠偏完毕后与圆曲线重合，继续按照设计曲线施工。

2.监测控制技术

据监控量测目的，考虑盾构隧道地质条件、隧道埋深及周边环境进行监测点布置。设定各项观测项目的预警值，有超过预警值的情况发生应立即上报并采取补救措施，如依据规范最大地面沉降值为20mm，隆起值不超过10mm。

三、效果分析

始发洞口里程为K2+160，断面1～断面6的里程分别为K2+148、K2+120、K2+100、K2+080、K1+980、K1+820。

断面位置图

断面1的位移观测点全部布置在旋喷桩满堂处理的复合地基之上。实测沉降结果表明，沉降槽隆起且盾构轴心处为隆起最高点，隆起量达6.1mm，并未超过规范要求10mm。由于旋喷桩复合地基可有效提高地基承载力，加强地基整体刚度与整体性，在盾构进入复合地基时，可有效限制地基土的变形，且冻结施工也具有稳定始发线性与防止洞口涌土的作用。

断面2位于复合地基外侧，且距边缘桩中心仅22m。实测结果表明，地表沉降沿盾构轴心基本呈现对称分布，沉降最大值（6.4mm）出现在盾构轴心附近，且沉降值明显小于埋深比更大的断面3等。这可能旋喷桩施工时由于土体劈裂效应，在旋喷桩体外还存在一些支体。支体是因为土裂缝造成的，其数量、粗细和长短与土的裂隙状况及喷射施工参数有关。也就是说复合地基的实际影响区域略大于加固区域，由于断面2距加固区较近，受旋喷桩加固影响较大，因此其沉降较小。

纠偏曲线自K2+145起始，在盾构纠偏曲线内选取具有代表性的4条横向断面，并利用Peck方程进行拟合，可得如下规律：

1.随盾构埋深的增加，沉降槽的最大沉降值明显减小。由图可得，隧道埋深10.4m时，其最大沉降值为14.2mm；隧道埋深为11.36m时，最大沉降值为13.1mm；埋深为14.1m时，其值为9.5mm；埋深为18.2m时，其值为3.8mm。沉降槽的最大沉降值与隧道埋深基本呈现良好线性关系。

2.随盾构埋深的增加，沉降槽影响宽度呈现增加趋势。隧道埋深10.4m时，其左侧横向影响范围为15m，右侧为10m；隧道埋深为11.36时，其左侧横向影响范围为-20m；埋深达到14.1m时，其左侧影响范围为30m。沉降槽的影响范围随隧道埋深呈现明显增大趋势。

3.整个个断面沉降槽均基本呈偏态分布，轴线左边影响范围大于轴线右侧。由于割线始发完毕之后，盾构即刻进入连续向右纠偏状态。由于纠偏势必会造成盾构轴曲线外侧超挖，引起超挖侧土体向盾构一侧的移动和流变，因此沉降槽左侧影响范围大于右侧。

四、结语

1.结合盾构施工接收端的设计轴线、工程地质条件与周边环境，制定了一套适合于超大直径盾构在全黏土地层中小曲线半径始发的施工方法，采取了如旋喷桩冻结加固洞口、盾构参数选择优化等措施，保证了盾构的顺利始发与掘进。

2.将原1500m圆曲线始发的设计线路调整为“先割线、后纠偏、再汇合”线路。代表性断面的地表沉降实测数据证实此种线性不仅提高施工安全性，还可有效保证沉降不超过规范限制，有效保护周边环境，对类似工程始发掘进具有一定指导作用。

3.实测资料表明，盾构施工扰动程度随离盾构距离的增加呈衰减趋势，且与盾构掘进的平面曲线线性相关，曲线施工会造成沉降槽在盾构轴线两侧的偏态分布，纠偏曲线外侧沉降值较内侧大且影响范围广。