小半径曲线TBM隧道的掘进问题分析

冉光耀，王清波，李 渊，陈寿根

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.中交二局第三工程有限公司，陕西 西安 710000)

0 前 言

20世纪后期，曲线型隧道逐渐取代直线型隧道成为隧道选线的热门选择，相比于其他施工方法，盾构法使得隧道的极限转弯半径更小，而且由于外壳的防护限制了地层变形，使得施工更加安全。日本土木学会制订的《隧道标准规范(盾构篇)及解说》[1]提出解决小曲线半径施工有效措施。N.Loganathan and H.G.Poulos(1998)[2]利用Le等提出的地层损失间隙参数G,采用椭圆形土体移动平面，提出了预测地层垂直沉降和水平位移的解析解。赵丹[3]提出盾构在小半径工况下的盾尾间隙的计算值，并对盾尾间隙对地表位移的影响进行数值分析。凌宇峰[4]提出通过调整盾构机刀盘进土位置对盾构机掘进轨迹进行纠偏。

本文以深圳市地铁六号线二期工程翰梅区间TBM在小半径曲线段隧道掘进为工程背景，研究双护盾TBM在小半径曲线隧道的掘进难点以及相应的措施，重点就小半径曲线轴线控制以及TBM纠偏技术展开探讨，为以后类似工程提供技术和施工建议。

民乐停车场出入线隧道(见图1)线路起点为深圳地铁6号线二期工程翰梅区间，线路出区间后以R=300 m曲率半径(曲线段长750 m)往西转，沿塘朗山西行1 km，以R=260 m曲率半径(曲线段长600 m)往东转接入民乐停车场。该段区间左线最小曲线半径R=270 m，右线最小曲线半径R=260 m，曲线段长度占区间长度50%。区间主要采用TBM工法(长2399.59 m)施工，TBM掘进机掘进的极限曲线半径为260 m。

图1 停车场出入线隧道

1 小半径曲线隧道的难点

双护盾TBM油缸分区压力的不连续使得施工对地层扰动增加；曲线段管片拼装质量较直线段差，管片接缝多，易漏水。周舟[5]分析了小半径曲线地铁隧道盾构法施工易出现的问题,并给出解决地层沉降的解决措施。蒙晓莲[6]发现在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，小半径曲线掘进将增加地层损失。

曲线隧道测站的多次转站、换站使得坐标误差累计增大；小半径曲线隧道管片的侧向分力较大以及盾尾空隙等原因，可能造成管片衬砌的移位，导致自动测量系统测站出现测量偏差；始发段为R=260 m的小曲线半径洞内导线布设困难，且双护盾TBM在全断面微风化花岗岩中掘进振动大，导致测量导向系统顶台不稳定，传统的全站仪固定方式不满足测量需要。

2 施工控制技术

李建斌[7]论述了双护盾TBM的技术特点和地质适应范围，并给出了TBM的主推力等计算。

2.1 扩挖刀垫厚

TBM在扩挖施工时在边刀刀座与滚刀之间增加垫片，使边刀外伸以达到扩挖的目的，以此增大洞壁与TBM外壳之间的间隙，满足TBM转弯半径的要求，如图2所示。

图2 边滚刀外移扩挖

超挖有利于TBM在曲线段掘进时转向。但是，反面土体的松散致使背后注浆浆液向掘削面迂回，由于推进反作用力的下降，致使隧道变形等问题更加明显。因此，最终的超挖量应该控制在必要的最小限度范围内。

2.2 铰接装置的使用

将普通TBM掘进机与铰接式TBM掘进行对比，见表1。

表1 普通TBM掘进机与铰接式TBM掘进对比

2.3 TBM掘进监测

圆曲线上需每隔18环布设一个顶台，并严格控制顶台高度。洞内边台采用同边双边台，边台布设尽可能拉长(圆曲线上每80环、缓和曲线上每90环、直线上每100环布设一组边台)。采用双导线进洞，通过对测量顶台的改进，成功解决了因振动大而无法测量的问题，传统顶台见图3，改进后的测量顶台如图4所示。要求测量顶台在高度方向上尽可能低，顶台架圆盘中心距管片竖向高度在46 cm左右，当1根锚杆无法满足顶台固定要求时，可以采用多根锚杆加强固定。隧道内间距20～30环布置测量吊篮。TBM推进采用自动测量系统，推进时每2～3 min自动测量一次TBM姿态，也可以根据实际工况调整测量频率。

图3 传统顶台

图4 优化后单点悬吊顶台

3 小半径曲线隧道纠偏

TBM掘进姿态控制在最大允许偏差的60%。隧道轴线以及管片错台的允许偏差如表2所示。

表2 隧道轴线以及管片错台的允许偏差和检验方法 单位：mm

改变分区油缸压力。TBM的推进油缸按上、下、左、右4个扇形分布，当TBM偏离设计轴线时，可在偏离方向相反处，调低该区域推进油缸压力，造成两推进油缸的行程差；通过停开部分推进油缸获得行程差，但此时衬砌区域受力不匀，容易使管片损坏。一次纠偏量过大，TBM内壳对衬砌产生很大的集中荷裁，导致管片内力激增，混凝土开裂破坏；同时，TBM壳体与周围土体产生单边挤压和剪切，引起土体损失和地面沉降。需要注意的是推进油缸4个区域压力分布呈线性状态。

4 结 语

深圳六号线民乐停车场出入线隧道的曲率半径最小段其半径仅为270 m，由于其曲率半径小的特点，使得隧道在掘进过程中的轴线控制成为了一个难题，通过运用带铰接装置的TBM掘进机、扩挖刀垫厚、掘进轴线预偏设置和监测的及时反馈等措施以及采用小半径曲线隧道纠偏的方法，将盾构机姿态及管片姿态调整到设计允许范围，达到了预期效果。

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