特急曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究
摘 要：分析急曲线地铁隧道盾构法施工易发生的问题，结合宜山路～停车场区间长距离特急曲线隧道工程实例，介绍急曲线隧道的盾构法掘进技术。
关键词：急曲线；轴线；铰接；仿形刀；侧向分力；注浆
1 引言
城市的发展，带动引了轨道交通建设的发展，在轨道交通线路的选择上，由于受规划及建、构筑物的制约，这使得轨道交通的线形越来越复杂。急曲线隧道线形虽不属良好，但在应用上将会越来越多。急曲线隧道的盾构法施工技术与常规盾构法施工技术相比存在一定的特殊性，研究急曲线隧道的盾构法施工技术，相信对以后类似的急曲线隧道盾构法施工具有一定的借鉴作用。
2 急曲线隧道盾构法施工的难点分析及对策
一般来说，设计线形中取用规范标准的最小限值或与限值接近的大曲率小半径曲线，即认为是急曲线。如果这种不仅半径小，而且有很长的延米，甚至还组合采用缓曲线而构成的复杂线形，我们称之为特急曲线。为方便讨论以下均称之为“急曲线”。
2.1 难点之一：急曲线隧道轴线比较难于控制
在急曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小、盾构机身越长，则拟合难度越大。在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线，为了使得折线与急曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏。曲线半径越小，盾构机越长，则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。其施工参数需要经过计算并结合地质条件等因素综合考虑，并进行试掘进后方可确定。特别在缓和曲线段，每米的施工参数都有所不同，操作难度更大。
为了控制好急曲线隧道的施工轴线，需要提高盾构机的纠偏灵敏度。而要提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是缩短盾构机头的长度。在盾构机的中部增加铰接装置，即可减少盾构固定段长度。使用铰接装置后，盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形，需要配套使用仿形刀装置进行超挖。
因此，控制好急曲线隧道施工轴线的关键技术之一就是如何使用好盾构机的铰接装置和仿形刀装置。
(1)盾构机铰接装置的使用
使用盾构机的铰接装置，可以使得盾构机的前筒、后筒与曲线趋于吻合，预先推出弧线态势，为管片提供良好的拼装空间。
如图1所示为盾构机掘进形态的三种模式。进行曲线施工，弯道内侧如要充分超挖时，在几何学上，以对象曲线的中心为O的情况下，OA>Max（OG，OH，OD）的关系如能得到满足，盾构机便可以掘进。这相当于模式（a）。这种情况，属于绞接角度θ不足，土体超挖量δ过多，盾构机后端的外侧点D和土体之间有缝隙，超挖量一旦增大，就会有盾构机位置不稳定的倾向。
图1
模式（b），OA=Max(OG，OH，OD)的情况下，最适合绞接状态中的刀盘前部外端（A点）和前筒后端（G点）、后筒后端（D点），其中任意一点在同一圆弧上，其余二点在此圆弧之内。此时的绞接角度称为界限绞接角度θcr,此界限绞接角度θcr如果能给出曲线半径和盾构机的尺寸，便可计算出。作为盾构机的构造，全部用此θcr值进行绞接的话，是最为理想的。此时，盾构机的外侧全体都接触到土体，施工上最为稳定，并且超挖量δ为最小值。
模式（c），为过度绞接状态，OA
（2）仿形刀的使用
铰接装置作为一种辅助手段，需要与仿形刀的超挖、锥形管片、曲线内外侧千斤顶的不同推力等施工措施配合在一起使用。仿形刀的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用，超挖量过大将严重地扰动土体，过小将不能充分发挥铰接装置的作用，以至达不到所要求设计轴线的半径。
因此，急曲线隧道施工时，应该选择模式如图1（b┥柚梅滦蔚缎谐碳敖陆咏嵌冉?芯蚪?Ｔ谡庵帜Ｊ较碌姆滦蔚兜某?诹考扑闳缦隆?/DIV>
超挖量计算（见图2）：（基于组装完成后的刀盘一侧的管片端面和盾构后筒呈垂直的条件下进行分析）
超挖量δ
（D：盾构外径 θ：中折角 Ro：曲线半径）
2.2 难点之二：隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移
急曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度θ（见附图3），在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，受到侧向分力的影响，隧道向圆弧外侧偏移。一般在圆曲线半径取定时，已验算侧向作用力对原状土体的影响，管片在侧向作用力下，不足于使原状土体发生塑性破坏，即土体处于弹性变形范围。因此研究侧向分力形成原因和规律就可以有效控制土体的弹性变形范围。
侧向分力计算：（见附图3：侧向分力示意图）
式中：F总－盾构千斤顶作用力
F纵－垂直于管片环面的反作用力
F侧－平行于管片环面的侧向反作用力
RC－圆曲线半径；
D－管片外径；
L－管片宽度；
由此可以看出，侧向压力F侧的大小，取决于F总及θ，而θ取决于L及RC、D，当D一定时， L越小、RC越大，则θ越小。因此设计管片尺寸时，应选择使用宽度较小的管片。在工程施工阶段，进入圆曲线后，L、 RC为定值，侧向压力F侧的大小取决于盾构千斤顶作用力F总。为减小土体的弹性变形量，应考虑尽量减小盾构千斤顶作用力F总。
另外，由于盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙，在施工过程中，掘进产生的空隙与同步注浆的浆液填充量两者间不可能做到完全同步、完全符合一致。如果存在空隙或同步注浆浆液早期强度不够的现象，则管片在侧向压力作用下将向弧线外侧发生偏移。如果不考虑土体的弹性变形，则隧道最大偏移量为（D1-D2）/2（D1为盾构外径、D2为管片外径）。见附图4。
从这个角度分析，笔者认为，同步注浆的浆液宜采用双液浆，因为双液浆为瞬凝性浆液，具有较高的早期强度、良好的流动性和填充的均匀性，可以在较短的时间内将建筑空隙填充并达到一定的强度，与原状土共同作用，有效减小管片受侧向压力影响在建筑空隙范围内向弧线外侧的偏移量。
2.3 难点3：盾构掘进时，纠偏量较大，对土体扰动的增加易发生较大沉降量。
急曲线隧道的施工与直线段施工相比，除直线段隧道施工原有的地层变形因素外，还将增加以下三个因素的影响：
(1）由于沿急曲线掘进，盾构机处于纠偏状态，仿形刀也处于开启状态进行超挖，实际掘进面为一椭圆形，实际挖掘量超出理论挖掘量。
(2）在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，急曲线掘进将增加地层损失，地层损失达0.5～1%8L2πR/（R+RC）。（L为盾构长度；R盾构外半径；RC盾构掘进曲线半径）
(3）纠偏量较大，对土体的扰动亦大，容易造成较长时间的后期沉降。
相应的解决对策为进行动态管理和信息化施工，控制好同步注浆的注浆时间及注浆量。视具体情况，必要时进行二次补浆。
3 工程实例
3.1 工程概况
上海市轨道交通明珠线二期宜山路～停车场区间隧道，隧道总长462.64m，是通往蒲汇塘停车场的一条出入段线。由于受明珠线一期高架轻轨桩承台及中山西路高架道路等诸多客观因素的限制，隧道线路设计选择在两高架众多深桩群桥墩中穿越。
该区间隧道水平方向呈“U”字型，最小曲率半径只有250m，曲线段占总长度的87.02%。而该隧道后接R150m明挖隧道，圆缓点在盾构工作井内，因此出洞处隧道位于连接R150m的缓和曲线段上，此处隧道的当量曲率半径仅为178.3m。
该区间隧道垂直方向呈倒“V”字型，先上坡再下坡，最小竖曲线半径2000m。平曲线250m与竖曲线2000m交汇，形成一条立体空间的长距离急曲线地铁隧道。见附图5。
由此该工程的难度成为上海地铁盾构法施工“两个第一”：
一是第一次用φ6340盾构掘进真正意义上的长距离急曲线隧道，曲率半径R只有250m，曲线段占总长度的87.02%；
二是盾构机第一次圆曲线超近距离斜穿明珠线一期桩承台，盾构距承台最近平面距离仅为1.35m。
该区间隧道采用预制装配式钢筋混凝土衬砌结构，衬砌用管片环宽1012mm，外径6200mm，内径5500mm，壁厚350mm，混凝土设计强度C55 ，抗渗强度1.0MPa。隧道衬砌采用通缝方式拼装。
3.2 工程地质情况
根据工程地质勘察报告，盾构主要在④1层淤泥质粘土中掘进，该土层属高灵敏度、高塑性、高压缩性、低强度、低渗透性饱和软土，该土层含云母、有机质，夹薄层粉砂，土质较均匀。在该土层中，一般盾构掘进施工较容易，但应注意该土层蠕变量大，易粘着盾构设备。④1层淤泥质粘土物理力学性质指标见表1。
3.3 主要施工技术措施
3.3.1 解决轴线难控制的技术措施
3.3.1.1 选用带选铰接装置及仿形刀的盾构机
该工程选用日本三菱公司的φ6340铰接式土压平衡式盾构机，盾构机头部长度约为8625ｍｍ，铰接处离刀盘端面的长度为4990ｍｍ，水平张角±1.5°，垂直张角为±0.5°。该机设计定位的隧道最小半径为200m，但利用盾构的铰接装置，辅以仿形刀的使用，能够完成出洞处缓和曲线段最小当量半径R为178m的隧道施工任务。经过明珠线二期宜山路～停车场区间隧道实践证明，该盾构机是一台技术先进，性能良好的盾构法隧道施工机械。
该盾构机的缺点为同步注浆系统不能使用双液浆浆液施工。
3.3.1.2 开启盾构铰接装置，预先推出弧线态势
根据设计曲线半径及盾构直径计算铰接角度，开启盾构铰接装置，使得盾构机的前筒与后筒张角与曲线吻合，预先推出弧形趋势，为管片提供良好的拼装空间。
在宜山路～停车场区间隧道工程中，盾构机在出洞处就处于当量半径为178m小半径缓和曲线范围，所以盾构机在洞门加固区4～5m的掘进行程中，开启盾构铰接装置，铰接水平张角须达到约1.5°（配合开启仿形刀进行超挖）。随着盾构进入缓和曲线，逐步减小水平张角，直至直线段处，张角完全闭合，进入直线段掘进。
在宜山路～停车场区间隧道掘进过程中，在掘进R=250m曲线段时，实际中折角θ为0.8°（见表2），与理论计算值0.703°相符。
表2 铰接角度
3.3.1.3 采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏
仿形刀的使用主要须考虑两个方面的因素，一是仿形刀的超挖范围。仿形刀通过设置，可以在圆周任意区域位置进行超挖，该工程将采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，以有利于纠偏。二是超挖量。根据公式（1）计算：R=250m, 理论超挖量δ为21mm；在缓和曲线段，它是不断变化的一个函数值。
在宜山路～停车场区间隧道掘进过程中，R=250m时,实际超挖量δ为8mm左右（参见表3），小于理论超挖量。
笔者分析，由于上海的地基较软，即使不使用仿形刀，在急曲线段，盾构在开启铰接装置后掘进时对内侧土体的挤压，亦能使盾构沿轴线掘进，故实际施工中，实际超挖量要小于理论超挖量。因此实际超挖时，超挖量必须根据隧道的设计轴线、铰接装置的设置值、盾构机的姿态、管片的拼装状态等因素综合考虑后确定。
表3：仿形刀行程
3.3.2 解决隧道受侧向分力的影响向圆弧外侧偏移的技术措施
宜山路～停车场区间隧道曲线半径为250m，在千斤顶的推力下产生侧向分力为 （参见公式2）。由于该工程采用的同步注浆浆液为惰性浆液（该工程盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工），早期强度较低，在承受侧向压力后会产生流动，不能满足抵抗要求，管片将向弧线外侧偏移。
根据宜山路～停车场区间隧道初期掘进的实际测量，在圆曲线段，管片出盾尾后的偏移量在40～80mm之间,符合土体的弹性变形假设及管片建筑空隙内偏移量分析（理论偏移量为（6340-6200）/2=70mm）。见表4。
表4：管片出盾尾后收侧向分力影响产生的位移
在该工程施工过程中，主要采取了以下措施进行控制：
3.3.2.1 盾构掘进时走向的预偏
为了控制隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时，考虑给隧道预留一定的偏移量。
将盾构沿曲线的割线方向掘进，管片拼装时轴线位于弧线的内侧，以使管片出盾尾后受侧向分力向弧线外侧偏移时留有预偏量。而预偏量的确定往往须依据理论计算和施工实践经验的综合分析得出，同时需考虑掘进区域所处的地层情况。在宜山路～停车场区间隧道掘进过程中，预偏量40～60mm。
3.3.2.2 控制盾构千斤顶掘进速度与推力
在常规隧道施工时，为了保证进度，盾构机掘进速度往往达到50mm/min左右，与之匹配的推力较大。而在急曲线隧道施工中，根据成熟的施工经验，必须适当降低掘进速度，即降低千斤顶总推力，同时也意味着降低侧向分力，有利于减少隧道向弧线外侧的偏移量。
因此在急曲线隧道施工时，必须确定一个合理的推力和掘进速度。这个合理的掘进速度必须不额外的增加推力，从而达到减小侧向分力的目的，同时尽可能少扰动土体。必须指出的是这个掘进速度也不是一成不变的，随着施工条件、地质状况、线形等的变化，也须即时调整，从而达到最好的施工效果。
值得注意的是，在盾构掘进启动时，掘进速度要以较小的加速度递增，这样可以避免千斤顶起始推力过大的问题。
在宜山路～停车场区间隧道施工过程中，掘进总推力控制在10000KN左右，见表5。
3.3.2.3 有针对性地选用同步注浆及二次注浆相结合地施工措施
由于宜山路～停车场区间隧道工程所采用的盾构机不能采用双液浆作为同步注浆施工，在该工程选择所采用的同步注浆浆液时，考虑了两个因素：一是及时充分地填充管片外的环状空隙，避免地表沉降；二是提高浆液早期强度，抵抗侧向分力的影响。在实际施工过程中，采用了同步注浆（浆液为惰性浆）及二次注浆（浆液为双液浆）相结合的施工措施。
1）同步注浆：
在施工期间，随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”，即通过设在盾尾的压浆管予以同步充填浆液。
同步注浆压注要根据施工情况、地质情况对压浆数量和压浆压力二者兼顾。一般情况下，每环压入量控制在“建筑空隙”的130％-180％（要注意急曲线隧道的注浆量要大于直线隧道注浆量），注浆压力约0.3～0.5Mpa。压浆速度和掘进保持同步，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后，注浆也相应停止。施工时，加强对盾构尾部地面的沉降监测，通过信息化施工，及时调整同步注浆量，确保地面不下沉，也不能出现过大的隆起。
惰性浆液我们选用以下配比：
表6
(2） 二次注浆：
为了减少惰性浆液早期强度低、隧道受侧向分力影响大的问题，在管片出盾尾5～6环后，通过管片注浆孔向管片外周进行二次注浆，来抵抗侧向分力。浆液为瞬凝性的具有较高的早期强度的双液浆。
双液浆配比：见表7：
表7
施工技术要点：
先将特制球阀作为防喷装置安装好，用冲击钻或凿子将预留孔疏通，随即关闭特制球阀（防止地下水或浆液渗漏），并将注浆管接在特制球阀上，以便注浆。二次注浆时根据监测情况调整注浆量和压力，注浆结束后，拆除注浆管，封闭孔口。
二次注浆压力控制在0.3Mpa以下；注浆流量控制在10～15L/min。
在该工程中，通过二次注浆后，隧道的轴线基本稳定，未发生较明显的偏移。
同时也解决了急曲线施工土体超挖多、扰动大，地表沉降大的问题。
4 施工效果
在采取了前文所述的措施后，宜山路～停车场区间隧道竣工后,整条隧道轴线均控制在-50～50mm范围之内，地表沉降控制在-20～5mm范围之内，各项指标达到优良工程标准，目前该工程已被评为上海市第一个隧道类优质结构工程。
5 结语
1) 在急曲线隧道盾构法施工中，既有和一般的隧道掘进相同的一面，又有其特殊性，我们要着重研究和控制它差异的一面。
2) 在急曲线隧道盾构法施工中，要抓住轴线曲率大半径小、盾构难控制的特点，选择好盾构机，使用仿形刀及铰接装置，要在更小更严的幅度中进行各种参数优化。
3) 在急曲线隧道盾构法施工中，针对管片易向弧线外侧偏移的特征，最好使用双液浆作为同步注浆。当采用惰性浆时，要做好轴线预偏及二次注浆工作，加强监测，进行动态管理，信息化施工。
参考文献：
[1]刘建航、侯学渊主编 《软土市政地下工程施工技术手册》1990.10
[2]刘建航、侯学渊 《盾构法隧道》1991
[3]白廷辉 同济大学博士论文
[4]白 云 盾构施工引起的土体扰动和变形分析 《软土隧道及地下工程技术文集》2000.11
文章出处：《城建集团第三届科技大会论文集》
