复杂条件下盾构施工关键技术控制

童刚强

（天津市地下铁道集团有限公司，天津300000）

地铁盾构入线的平曲线最小曲线半径一般≮300 m，最大纵断面坡度宜采用40‰，隧道覆土厚度一般≥1D（D为隧道外廓直径），平行隧道净距一般≥1D，不能满足要求时，应结合工程地质条件、区间隧道的相互关系以及覆土厚度，选择具备相应施工能力的盾构设备、合理安排施工顺序、制定详细的施工计划才能保证工程顺利实施[1]。

1 工程概况

天津地铁10号线某区间隧道左线长351.6 m、右线长357.9 m；左线最小平曲线半径380 m，右线最小平曲线半径350 m，区间线间距8.5～12.4 m。区间纵断面为斜下坡，左线纵坡坡度分别为33.925‰、6.25‰、14.5‰，区间右线纵坡分别为35‰、4.441‰、14.5‰。隧道结构覆土厚度4.1～8.8 m，采用盾构法施工。

成型隧道允许偏差：高程和平面±50 mm；每环相邻管片平整度≤10 mm；纵向相邻管片环面平整度≤15 mm；衬砌圆环直径椭圆度≤5‰D。

区间隧道主要穿越地层为⑥1粉质黏土、⑥3砂质粉土及⑥4粉质黏土，隧道上方地层主要为①1杂填土、①2杂填土及④1粉质黏土，隧道下方地层主要为⑦1粉质黏土、⑦2黏质粉土及⑧1粉质黏土。

区间隧道盾构始发后先后下穿废品交易市场、道路、简易板房、单层砖砌平房及小桥涵，周边环境相对简单。

2 工程难点分析

在大坡度并小半径曲线段，盾体沿着曲线前进时的轨迹并不是完全与设计线路拟合的，而是呈现近似弧线的多段线的组合，为不规则曲线且盾首与盾尾在不同的轨迹线上[2]，盾构姿态控制难度大。当两条盾构隧道小间距、长距离并行施工时，会出现后行盾构隧道对先行隧道先挤压、后卸载的情况，引起先行隧道环向的内力变化[3]。基于此，本区间隧道盾构施工主要有4个难点。

1）大坡度。本区间隧道纵断面为斜下坡，最大坡度为35‰。大坡度盾构始发施工困难，需要确保盾构机的设计趋势与设计轴线保持一致，同时注意盾构机与洞门钢环、止水密封装置的相对位置关系，避免盾构机发生剐蹭，甚至卡顿；大坡度盾构施工易造成管片上浮[4]，盾构机姿态是通过调整各组油缸推力来控制，当盾构隧道坡度较大时，为防止盾构机栽头并满足调整姿态需要，会增大盾构机底部油缸推力，这将在设计轴线上产生向上的分力，造成管片上浮；坡度对水平运输有影响，电瓶车容易顺坡而下，发生溜车、车轮滑转、制动困难、撞击盾构拼装机等事故，对电瓶车设备动力性能、制动性能和各项安全措施要求高，施工风险高；大坡度盾构施工管片拼装质量控制困难，千斤顶作用于管片的推力产生较大垂直分力，容易造成管片错台、边缘破损。大坡度盾构施工需要频繁纠偏，盾尾间隙不均匀，易造成管片挤压变形。

2）浅覆土。隧道埋深小，地层荷载不足，刀盘前方土压平衡建立困难，土仓压力难以控制，容易造成地表沉降、窜浆或者冒顶坍塌等问题；同时盾构机上下受力不平衡，盾构姿态易上扬，造成盾构姿态控制困难。

3）小间距。本盾构区间有约55 m长度隧道间距＜0.7D，最小间距盾构接收段仅2.28 m。地层土体二次扰动、后行隧道盾构推进时造成的挤压、卸载作用对先行隧道的影响，易造成先行隧道变形，进而引发错台、破损、渗漏等质量问题。

4）小半径曲线。本区间隧道最小转弯半径为350 m，对施工要求较高。由于盾构机自身为直线形刚体，为确保盾构隧道轴线与设计轴线吻合，盾构机在掘进过程中，须不停地连续纠偏，对操作人员技能、设备性能稳定性要求高，姿态控制难度大。盾构机要通过超挖来实现小曲线半径转弯，同时油缸存在不同压力差与行程差，易对成型管环产生横向分力，导致管片受力不均匀。

3 关键技术控制

3.1 大坡度施工

3.1.1 防管片上浮

1）在保证盾构机不出现磕头的情况下尽量减小上下油缸的推力差，防止由于下部油缸推力过大产生竖向分力，造成管片上浮。

2）适当增加同步注浆量，尤其控制上部注浆量，提升管片背后的填充效果，防止管片脱出盾尾后上浮。

3）做好管片螺栓复紧。每环推进结束后，拧紧当环管片的全部连接螺栓并在下环推进中在油缸推力作用下进行复紧，克服作用于管片上的推力产生的垂直分力，减少管片上浮。

3.1.2 盾构掘进姿态保证措施

1）掘进过程中为保证盾构机垂直姿态，须上下分区油缸产生推力差，防止盾构机栽头，但推力差引起的向上分力会导致管片上浮。因此在盾构掘进过程中应在保证盾构机不出现栽头的前提下，尽量减小上下分区油缸推力差，从而减小向上的分力作用。

2）盾构掘进过程中，适当增加隧道监测频率，通过多次测量确保盾构测量数据的准确性并通过监测数据反馈指导盾构推进和纠偏。

3）在大坡度地段，由于隧道内通视条件较差，须多次设置新测量点和后视点。新的测量点设置后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，防止误测。

3.1.3 盾构施工安全保证措施

本区间隧道纵断面为一字下坡，左线始发阶段坡度达到33.925‰，施工过程中存在电瓶车溜车安全隐患。为确保隧道内水平运输安全，对电瓶车各部件增设钢丝绳，电瓶车车头前端设置螳螂钩，盾构机1号台车设置车挡，电瓶车配置防溜车。

3.2 浅覆土施工

3.2.1 盾构掘进土压设定

考虑浅覆土软弱地层的敏感性，盾构掘进过程中切口压力设定不宜过大，防止击穿覆土，切口压力在水土压力基础上增加10～20 kPa。盾构掘进过程中应保持切口压力稳定，波动范围控制在±5 kPa。

3.2.2 注浆控制

注浆效果对控制沉降极为关键，针对浅覆土段，除常规的同步注浆外，随盾构掘进二次补充注浆。每环一个吊装孔位管片进行补浆，每隔10环进行一次整环注浆形成止水环，二次补充注浆浆液初凝时间宜控制在13～15 s。注浆压力宜略大于对应地层位置静止水土压力，控制在0.2～0.3 MPa。

3.2.3 掘进速度

浅覆土段盾构掘进速度控制在20～30 mm/min，以匀速为宜，避免对土体造成过大扰动。

3.3 小间距施工

3.3.1 先行隧道内注浆加固

在先行隧道（左线）右侧90°范围内利用管片吊装孔向土体中打入长1.5 m，φ48 mm×3.0 mm钢花管进行注浆加固，达到改良硬化土质，减少对周边地层扰动的目的。见图1。

图1 小间距段地层注浆加固

加固采用水泥-水玻璃双液浆，初凝时间控制在60 s，压力控制在0.15 MPa左右。为确保土体加固质量，采用以下控制措施：

1）同一孔内采用从外到内的注浆方式分层注浆，每次拔管长度150～200 mm；

2）同一管片内不同注浆孔应保持对称平衡注浆；

3）隧道纵向隔环跳注，每环一次施工1～2孔。

3.3.2 后行隧道推进控制

后行隧道施工对先行隧道的主要影响有挤压和单侧卸载，挤压作用包括盾构推进产生的压力和注浆压力。为避免对先行隧道产生影响，采取了如下措施：

1）合理设置土压力，根据覆土厚度和水文地质条件，土仓压力控制在0.1 MPa左右，出土量控制在42 m3以内；

2）盾构掘进过程加强同步注浆，及时进行二次注浆，注浆压力控制在0.3 MPa以内；

3）降低推进速度，控制在10～20 mm/min；

4）严格控制盾构姿态，偏差控制在±20 mm，尽量避免纠偏。

3.4 小半径曲线施工及曲线接收

小半径曲线盾构掘进对铰接装备、仿形刀要求高，始发前绘制好管片拼装点位图，编排好管片理论排环表[5]。

1）加强对盾构推进轴线的控制。由于曲线推进盾构机环环都在纠偏，须做到“勤测勤纠”，每次的纠偏量尽量小，以保证形管片的环面始终处于曲率半径的竖直面内；控制管片的位移量和环面的平整度，以减少位移和管片碎裂现象的发生，从而达到有效控制轴线和地层变形的目的。

2）为确保盾构机沿设计轴线推进，必须严格控制盾构出土量，同时根据地面监测情况合理调整出土量。

3）严格居中拼装，从而使管片处于较理想状态，确保拼装质量及推进轴线控制在规范要求范围之内。

4）隧道贯通前应加强盾构姿态的控制，以使盾构机拥有良好的到达姿态，准确就位在盾构接收基座上。在最后50环推进时，增加人工测量的次数，及时修正盾构机掘进方向，使盾构机保持准确的出洞姿态。

5）未能达到预期效果时，应启用超挖刀进行超挖纠偏[6]。

4 盾构施工参数

首先根据本区间的水文地质条件、覆土厚度以及盾构机特性等情况计算出盾构的理论掘进参数，再根据计算结果，参照天津地区以往工程经验初步拟定盾构初始掘进参数，施工过程中再进行调整，以保证盾构掘进正常，姿态与设计相符，盾构施工稳定后的参数见表1。

表1 盾构施工参数

5 结论

1）盾构施工应根据地质情况、线形设计、覆土厚度以及周边环境等情况进行盾构机选型并制定有针对性的技术方案。

2）浅覆土及小间距地段盾构施工应控制速度，匀速推进，减小对周边地层及先行隧道的影响。

3）大坡度及小半径曲线地段盾构施工应做到“勤测勤纠、多次微纠”，严禁“猛纠”，严格控制盾构姿态。

4）施工过程中应严格控制同步注浆及二次注浆，结合监测情况，少量多次补浆。