小半径曲线隧道盾构施工技术控制措施研究

摘  要：为了研究交通运输行业中小半径曲线隧道工作过程的施工难点及控制措施。笔者结合多年工作经验，以隧道施工中小半径曲线盾构施工技术为研究对象，运用理论与实际相结合的研究方法，就小半径盾构施工过程技术要点及其控制难点进行系统总结，以期提供建设性意见。

关键词：小半径;曲线;隧道;施工技术

中图分类号：U455.43    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）02-0000-00

0 引言

随着社会的进步与时代的发展，以高标准、高要求、短工期为代表的交通建设行业飞速发展。其中隧道桥梁施工以复杂地质情况下的多工艺、多设备快速施工将行业技术推向到一个新领域。

1 小半径曲线隧道盾构施工技术难点

隧道施工需要根据环境变化以及岩土力学变化情况而动态调整。先期的地质勘探能为盾构施工过程中的小半径曲线隧道工况环境提供工艺支持。在此对明确盾构机型号、管片楔形量以及工程细节参数后进行工程施工的施工技术难点进行探讨。

（1）掘进过程中在多因素诱导下隧道曲线段轴线定位难控制问题探讨：盾构机的工作理论是在定位器辅助作用下产生直线定向运动，而实际工作过程中由于操作进度和围岩应力影响通常盾构机会成一定幅度的蛇形摆动。因此在工艺要求精度较高的曲线段施工过程中会对最终施工质量产生严重影响，甚至会发生工艺操作参数与预设单位曲线不匹配等问题，导致在施工后期形成断续直线。相关技术人员必须基于当前工艺参数进行不同标段的曲线纠正，使隧道曲线转弯段圆滑而合规。在技术控制层面需要在盾构曲线半径变小的同时严格控制左、右两侧油缸压差，防止管片受力不均匀导致的后续纠偏不利情况。但是最终的纠偏量需要结合盾构机长度而合理控制纠偏灵敏度，实现轴线的合理可控。

（2）不良水平力诱导下的管片位移探讨：小半径曲线段，由于在特殊夹角下的长时间施工会诱发水平分力的动态变化，最终在时间积累下造成隧道管片衬砌轴线向曲线外侧偏移。因此盾构每掘进一阶段刚性管片的端面就会产生轴线方向的平面夹角，而在设备油缸压力差的影响下会增加衬砌管片水平方面应力，最终产生管片背向圆心一侧的移动趋势。在现场施工过程中由于工程间隙的存在（盾构机外壳与管片），导致在同步注浆过程中因填充缺陷产生的侧向压力造成向定弧线外侧发生偏移。

（3）多因素下的管片错台、开裂和破损问题探讨：盾构速度以及外在围岩应力的影响会导致在管片拼装过程中以及竣工后的内弧面不平整事件（如环向错台、纵向错台）。另外在水平力作用下会发展成为整段隧道衬砌管片偏移至一定限度后的错台式相对位移。在外观质量遭受管片错台影响的情况下所产生的集中应力会破坏管片的完整度。

（4）土体扰动诱发的沉降量探讨：盾构施工需要合适的盾构速度、压力和刀盘旋转量。在小半径曲线中施工会造成盾构机纠偏状态持续时间较长。此外相关仿形刀掘进也是持续进行的，开启的仿形刀会导致盾构壳体与附件围岩土体发生不同程度的单边挤压和剪切，因此导致挖断面最终成形为椭圆形。从而造成开挖量的真实数据远大于前期模拟的计算量。

2 小半径曲线隧道盾构施工技术控制措施

2.1 曲线掘进纠偏与隧道轴线控制

（1）盾构姿态控制。不同施工前提下的小半径曲线地段施工过程需要进行盾构姿态的动态調整，以此及时纠偏和实现最终施工质量的保证。相关操作人员在施工前应根据后续工作情况进行先期的准备与数据的输入，保证施工过程的顺利进行。通常盾构机掘进的转弯位置已经确认，为减小盾构施工过程的偏向位置累积，需要不断进行位置调整。

（2）掘进参数控制。控制参数的制度化输入或者半自动的控制。在确保施工设计完善的前提下进行预先输入并利用密封舱内的土压力实现土体挖掘的平衡与稳定。根据现场经验盾构机掘进过程中保证98%～100%的持续出土量可以保证安全生产。

（3）纠偏量控制。纠偏量的核算需要基于当前土体压力、盾构程度与偏转角位置而时刻调整，所以实际操作中为避免错误应进行小参数、多批次的纠偏量调整，优化调整推进轴线的控制，保证盾构机当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。不同工作区的情况需要先进行岩土力学调研，确保初始数据的准确性后方可开始施工。注浆工艺流程图1所示。

2.2 管片位移控制

（1）保留偏移量。在盾构机掘进过程中，承受侧向压力后，管片将偏移至圆弧外侧。当施工进入曲线段时，根据理论计算和施工实践经验的综合分析，考虑曲线段的地层条件，小半径施工段的预留偏移范围计算为30～50毫米，为了减小盾构姿态相对于曲线外部的偏移，盾构的初始姿态可以偏移到曲线内部，进而形成反向预偏移，以此抵消一些段的外部偏移量。

（2）推力控制段选择。为了减小小半径曲线段施工引起的管片位移，在掘进过程中必须减小盾构推力。设计线段尺寸时，应选择宽度较小的线段。研究发现1.2 m段用于半径为300 m的小半径曲线段及其相邻的过渡曲线段，曲线段的总控制力控制在600～900kN。

（3）灌浆控制。在小半径曲线隧道中，由于盾构纠偏量大，土体扰动和管片位移增大。因此，应实时监控灌浆压力、灌浆质量和灌浆量。灌浆是主要的方法，根据灌浆时间可分为同步灌浆和二次灌浆。灌浆的材料、比例、参数和工艺是根据工程的具体地质、水文和环境条件，参照以往类似地质区灌浆的成功经验确定的。

（4）减少地层扰动。施工前应根据相应安全措施及工艺要求进行监测点和相应设备的部署，通常选择固定式沉降观测点于建筑物距离地面20 cm处，切单点间距5 m及以上，墙体根据厚度进行全面化测斜仪倾角测量标定。同时需要进行系统工程框架下的施工区域地面沉降监测以防止各种参数误差带来的地面沉降以及隧道塌方等恶性事故。相应技术人员应注意分析地质勘探资料以避免沉降或隆起的产生。计算机模拟器会提供当前工艺下的改进建议，避免参数偏差累计而成的误差事故，及时进行土筒仓、压力、灌浆量、灌浆压力、行驶速度等施工工艺的调整。在管理方面应根据安全细则及相应技术规范进行不同施工节点的连贯式监控。如根据工程需要在不同施工段进行软硬区域划分并优化盾构系统工作方式，实时进行盾构姿态的调整。

3 結语

由于狭长隧道施工作业面的有限性，在小半径曲线部分该种情况更加突出。因此相应技术人员应该基于盾构机尺寸综合优化隧道挖掘工作方式，在曲线半径与转弯方式方面进行一定的函数关系转换，以形成数学模型式的操作规程和设备控制算法。根据前进轴线的曲折度和现场难以确定的操作细节进行施工方式的确定，以此来克服小半径曲线恶劣施工环境带来的施工误差。盾构机是隧道施工的必备设备。为了在小半径曲线施工过程中尽可能发挥其作用，在实际操作过程中，可以通过调整盾构机的管片宽度来满足小半径曲线隧道盾构施工要求。由于曲线部分的曲率和其他因素的影响，表面变形更加困难并且变形量更大，因此在小半径曲线隧道盾构施工中，不可避免地会造成较大的地层损失，导致较大的地表变形。

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收稿日期：2019-05-05

作者简介：张晓勇（1985—），男，甘肃武威人，本科，工程师，研究方向：城市轨道交通施工技术与管理。

Study on Control Measures of Shield Construction Technology for Small Radius Curved Tunnel

ZHANG Xiaoyong

（CCCC Tunnel Engineering Bureau Co.， Ltd. Beijing Shield Engineering Branch ， Beijing 100102）

Abstract： In order to study the difficulties and control measures in the working process of small radius curve tunnel in transportation industry. Based on years of working experience， taking the development of small radius curve shield construction technology in tunnel construction as the research object， use the research method of combining theory with practice to solve problems systematically， this paper systematically summarizes the technical points and control difficulties in the process of shield construction under the premise of small radius construction， in order to provide constructive suggestions.

Key words： small radius; curve; tunnel; construction technology