超大直径泥水盾构小半径曲线转弯研究

王 静/WANG Jing

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

随着城市建设的发展，公路隧道合建方案成为高效利用地下空间资源行之有效的途径，超大断面的公路、铁路隧道建设逐渐增多，如双向四车道或六车道公路隧道等[1]。受制于城市周边密集建筑物的影响，小半径曲线转弯成为超大直径盾构施工时的难点，如武汉两湖隧道最小转弯半径为500mm、深圳春风隧道最小转弯半径为750mm等。为了满足城市施工对地表沉降精度和施工风险的要求，此类工程一般选用泥水盾构，并采用无铰接设计。同时，盾构设计单位会尽量缩短主机长度，配备具有伸缩摆动功能的主驱动、以实现超挖的目的，以便能顺利通过小半径曲线转弯。本文以某项目为背景，理论分析超大直径泥水盾构的小半径曲线转弯，为今后具有伸缩摆动功能盾构的转弯提供参考。

1 工程背景

本项目的开挖直径为15.02m，盾体总长为14.5m，前中尾盾为无铰接直径阶梯状逐步减小设计。配备的伸缩摆动主驱动结构图如图1所示，内环与伸缩油缸连接，外环与盾体连接，伸缩机构后部安装有多组伸缩油缸，通过伸缩油缸的不同伸缩行程控制，实现内环的伸缩与球铰的摆动，最终使刀盘具备伸缩和摆动超挖功能。

根据施工经验，盾构的姿态调整主要限制在主机部分，本文仅以主机为研究对象。盾构在小半径曲线转弯处于卡盾状态时，图2中C、D点距离隧道的距离均为零，本文以此状态为极限状态研究盾构的最小转弯半径。

图1 主驱动伸缩摆动示意图

图2 主机处于卡盾状态示意图

2 转弯模拟研究

2.1 无伸缩摆动状态下的转弯

如图3所示，刀盘在无伸缩摆动情况下，开挖直径为15.02m，单侧不超挖，此时最小转弯半径约为700m，此时等同于主机之间均为刚性连接。

图3 无伸缩摆动状态下的最小半径转弯

2.2 伸缩摆动状态下的转弯

如图4～9分别为超挖5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm状态下的最小半径转弯，通过主驱动后部的伸缩油缸，推动刀盘伸出、带动主驱动摆动，使刀盘超挖5mm，单侧开挖半径达到7.515m，此时最小转弯半径为650m。刀盘超挖10mm时最小转弯半径约为600m。刀盘超挖15mm时最小转弯半径约为550m。刀盘超挖20mm时最小转弯半径约为520m。刀盘超挖25mm、转弯半径为520m时，开始出现盾体与隧道干涉现象。刀盘超挖30mm、转弯半径为520m时，盾体与隧道的干涉达到5mm。

图4 超挖5mm状态下的最小半径转弯

图5 超挖10mm状态下的最小半径转弯

图6 超挖15mm状态下的最小半径转弯

图7 超挖20mm状态下的最小半径转弯

图8 超挖25mm状态下的转弯

图9 超挖30mm状态下转弯

3 结 论

1）本项目在通过伸缩摆动在达到超挖量为20mm时，最小转弯半径达到了520mm，相比无超挖时，减小了最小转弯半径。可见，超大直径泥水盾构配备伸缩摆动主驱动，能够实现超挖的目的，这在一定程度上有助于通过小半径曲线。

2）本项目在超挖量为25mm、30mm时，开始出现盾体外侧与开挖隧道干涉的情况，说明此时超挖不是实现小半径曲线转弯的主要手段，超挖量并非越大越好。

通过对比具有铰接的盾构，本法发现具备伸缩摆动功能的盾构，在一定程度上与具有铰接的盾构类似，此时刀盘和主机其他部分之间具有一定的柔性，这对于通过小半径曲线十分有利。

超大直径泥水盾构为了减少施工风险，一般来说不带铰接，这对于小半径转弯来说，方向控制比较困难。设计单位应选择合适的超挖量、配备多种监测装置（如盾尾间隙测量装置、开挖直径检测装置等）；施工方可从控制注浆量、注浆质量、推进速度、保证管片拼装质量等方面采取措施以便盾构顺利通过小半径曲线[2]。（注：本文系科研项目支持下完成，课题名称：∅15.8m超大直径气垫式泥水盾构关键技术研究及应用；课题编号：装备研合2017-23。）