200 m曲线半径盾构施工技术

2023-03-09王辉

工程建设与设计 2023年4期

王辉

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，济南 250000）

1 引言

20世纪90年代后，随着我国地铁建设的发展，尤其是上海、北京、广州等地相继大规模地铁建设的展开，盾构施工技术在我国得到了迅速发展。受外部环境限制，盾构曲线半径也越来越小，但与日本等国家相比，我国小曲线半径盾构施工经验较少，加之我国地域广阔，工程地质条件差异大，在地铁小曲线半径盾构工程设计与施工过程还存在许多问题需要研究解决。目前国内已建成地铁盾构最小曲线半径为250 m，且实例极少，本工程最小曲线半径为200 m，为国内首例[1]。

2 工程背景

2.1 工程概况

太原地铁2-1号线联络线区间由2号线大南门站南端引出后，以半径200 m的平面圆曲线下穿迎泽公园后接入1号线大南门站东端。盾构段长148.29 m，全线呈上坡，坡度为33‰，区间埋深13.5~17.2 m。

2.2 外部环境

太原地铁2-1号线联络线区间位于迎泽公园范围内。周围主要建筑物为下穿2017年新建仿古建筑群（木结构）。联络线区间出2号线端头后，先后下穿桂聚轩（单层建筑）和回廊→侧穿迎泽阁（3+2层建筑）→下穿回廊，迎泽阁与联络线区间最小水平净距约6 m。

回廊基础采用0.4 m厚筏板+0.3 m厚砂卵石垫层；桂聚轩基础采用0.4 m厚筏板+0.3 m厚砂卵石垫层；迎泽阁基础采用0.4 m厚筏板+0.3 m厚砂卵石垫层+长度8.8~9.7 m直径0.5 m搅拌桩（井字形1.2 m×1.2 m）基底土改良。

2.3 水文、地质情况

本工程所揭露岩土地层分布较为稳定，均为第四系地层。地表多为第四系人工填土，其下由第四系全新统冲洪积黏质粉土、砂（粉）类土、圆砾土及上更新统粉质黏土、砂类土等组成。联络线区间主要穿越地层：拱部为粉质黏土层，下半断面主要穿越粉细砂层。水位位于地面以下2.2~3.7 m，标高约为780.06~781.64 m。

3 分部分项工程施工技术分析

盾构施工主要包括盾构机设备改造、管片设计、盾构始发、盾构掘进、盾构接收等施工内容。从每个分项工程着手进行技术分析，分别介绍在太原地铁2-1号线联络线区间盾构施工中在各个分项工程中遇到的问题及处理措施[2]。

3.1 盾构机改造及管片选型

3.1.1 缩短盾尾、增大铰接度数设计

为适应200 m转弯半径的盾构施工，需要对盾构机进行设计改造。盾构机改造后盾尾长度为3.3 m，比原机盾尾缩短0.5 m，通过缩短盾尾长度使拼装成型管片更好地适应200 m转弯曲线；对铰接密封进行加强，采用MY+VD密封形式，能够承受地层较高的水土压力，主机180 m转弯半径下模拟示意图如图1所示。

图1 主机180 m转弯半径下模拟示意图

通过模拟盾构机打开主动铰接情况下能达到180 m的转弯半径，对于联络线200 m的转弯半径是满足的。

3.1.2 台车双梁改造

为防止台车在跟随主机掘进过程中发生台车掉道等一系列问题的出现，对双梁与1号台车的连接方式做了改造，其连接部位增加了拖拉连接油缸，通过油缸的伸缩调节双梁与1号台车的水平角度，实现后配套台车更好地适应200 m转弯。

3.1.3 减小管片环宽设计

管片转弯时，为了与盾构机盾尾间隙更好相匹配，减小施工时管片拼装难度，保证成型管片的质量，本区间采用通用环、小环宽、大楔形量的管片。通过对区间线路的管片排版，楔形量40 mm满足区间水平曲线施工。

3.2 盾构始发方式及辅助措施

联络线盾构始发场地狭小，从始发至接收全线处于200 m水平曲线。始发井内长度不满足整机始发条件，需采用分体始发，且需采用割线始发的方式进洞，如图2所示。

图2 盾构机沿割线始发示意图

盾构机在小半径曲线半径采用切线始发，盾体完全进洞前无法及时纠偏。极易造成拼装完成后的管片轴线偏离设计轴线，只有采用割线始发，才能满足盾构机进洞后前后轴线偏差均满足设计及规范要求。

为确保盾构始发安全性，采用外沿钢环辅助始发。密封钢环由两道密封钢丝刷及一道密封帘布组成。外沿密封环整环环面与盾构机设计割线垂直。两道钢刷之间均匀设置8根注油脂管用于盾尾刷间注油脂，两道钢刷前方均匀设置8根注浆管，用于注双液浆堵漏。

此项盾构始发结合端头冷冻、增加延伸钢环、分体、割线始发、全段超小曲线大坡度掘进等工序于一身，综合难度系数较高[3]。

3.3 盾构掘进

盾构机在曲线段的施工，主要是控制好机器的掘进姿态、掘进参数、管片预选安装、管片背后的同步注浆的浆液凝结时间和注浆效果等，其技术要求如下[4]：（1）盾构机的铰接油缸增加机器的转弯灵敏度，当刀盘在曲线段掘进时，首先利用中间铰接油缸小推力掘进，改变刀盘方向，使盾构机成为两段折线掘进，增加转弯灵敏度。（2）刀盘旋转由低速慢慢调整到设定速度，防止急转。（3）充分利用激光导向系统的管片预选拼装功能，正确选用管片拼装环楔形量位置，减小管片环在盾尾中转弯的阻力，而且保证推力油缸的推力支撑环面与隧道轴线基本垂直，有利于使用推力油缸调向和减小曲线段上调向推力并保持管片在曲线段上的稳定。（4）曲线段掘进时，强大推力使管片承受向外弧方向运动的分力，在管片背后浆液还未凝固受力前，这个分力由联结螺栓承受，曲线半径越小，分力越大；强力纠偏，分力越大，甚至会造成螺栓损坏，环间错台超差等。因此，在曲线段掘进时适当缩短管片背后同步浆液的凝结时间，减小掘进推力和不使用急弯转等掘进措施是非常重要的技术措施。（5）盾尾同步注浆一定要及时、饱满，杜绝空隙存在，以提高管片承受剪切力的能力。（6）在竖曲线的坡道施工时，除了利用好上述平面曲线施工技术要点外，在大坡道下坡掘进时应采用防止盾构上抛抬头的掘进技术措施。上坡时则相反。由于竖曲线半径很大，在管片拼装时，可以在底部管片的外弧侧粘垫约3 mm的胶垫，以增加下部管片的外弧间隙，适应竖向曲线要求。胶垫不宜厚，确保环缝误差在允许范围内。坡度大时，可在每环下部管片上都贴垫，坡度小时，间隔贴垫即可。（7）严格控制出土量，对每环掘进的渣土称重，严禁超出。在整体技术措施控制下，掘进中成型隧道满足设计规范要求。

3.4 盾构接收

盾构接收常规风险外，因本区间曲线半径小，存在管片接缝不严造成渗漏水的风险，同时在掘进过程中由于地下水丰富，盾体铰接、盾尾处存在漏水风险，需加强密封措施。本区间采用三轴搅拌+高压旋喷+水下接收方式+降水井辅助。具体接收流程如下：（1）接收线路制定：盾构机出洞按正线200 m曲线半径、纵坡33‰出洞。在接收洞门钢环外侧设置与洞门相适应的密封帘布、圆弧板、翻板（翻板上设置钢丝绳引孔）、牵引钢丝绳（φ16 mm）及3 t手拉葫芦牵引。（2）接收端底板布置：接收端北侧负2层侧墙浇筑封堵（40 mm厚钢筋混凝土墙）与主体四面形成封闭框架结构，接收端底板与正线一致，纵坡为33‰，底板回填0.6 m厚碎石,摊铺平整、碾压密实作为接收临时支座，然后回灌清水，根据水位观测井水位，确定回灌水位，接收时达到水土平衡。（3）洞内布置：隧道内从管片接触加固区135环开始，在盾尾后部进行止水环箍二次注浆作业切断管片壁后前后水流通道，盾构接收时后10环布设管片拉紧装置。（4）盾构机接收：盾构机进入加固区至刀盘出洞，开挖仓顶部土压力逐步降低。刀盘到达出洞里程停止旋转。盾构机继续空推及管片拼装，刀盘脱离帘布后，前盾盾壳位置拉紧帘布；盾构中盾位置到达帘布时，再次收紧帘布。盾构盾尾位置到达帘布时，第三次收紧帘布，盾构盾尾脱离管片时，第四次收紧帘布保证洞门封堵效果。

盾构机空推过程中抽排坑内回灌水，同时加强接收端范围地表监测。后10环管片拉紧条及二次注浆随主机空推及时跟进。接收洞门封堵完成后，盾构机继续空推拼装底部管片直至推出盖板结构到达拆机位置。主机空推到达拆机位置，刀盘旋转到零位，切断电源，按拆机方案准备拆机工作。