专利名称：小半径盾构隧道施工技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盾构施工技术，特别涉及一种小半径盾构隧道施工技术。
背景技术：
在国内外的土压平衡盾构施工中，200m转弯是国内最小的转弯，在日本曾经做过250m的转弯。如此特曲小半径盾构施工项目非常罕见。相关的设计和施工技术研究或技术成果也非常少。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，本工程的以上特点导致施工难度很大，施工时的质量、安全，甚至进度都很难保证，即使采取了措施使质量、安全或进度不受太大影响，也可能由于采用的方案不是很合理而使施工成本大大增加。盾构施工在国外发达国家应该是相当普及，在国内引进时间不长，要根据国内的不同地区地质条件总结盾构施工技术，有利于我国在地下工程领域的发展。
发明内容
小半径地铁隧道为300m以下曲线半径。在小半径急曲线盾构隧道施工中存在的难点 1、急曲线隧道轴线难以控制 在急曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟和。曲线半径越小、盾构机身越长，则拟和困难越大。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，则纠偏越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。其施工参数需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。特别在曲线段，每米的施工参数都有所不同，操作难度更大。
2、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，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，不足以使原状土体发生塑性破坏，即土体处于弹性变性范围。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。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之间不可能做到完全同步、完全一致。如果存在空隙或同步注浆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。由此可以看出，同步注浆的浆液宜采用双液浆，因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，可以在较短时间内将建筑孔隙填充并达到一定的强度，与原状提提共同作用，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。
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，仿行刀也处于开启状态进行掘进，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施工条件下，急曲线掘进将增加地层损失，在软土地区施工时，地层损失达0.5～1.0％； (3)纠偏量较大，对土体的扰动亦大，容易造成交叉时间的后期沉降。相应的对策为进行动态管理与信息化施工，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。
本发明采用的技术方案是为保证急转弯段顺利掘进，从盾构设备(超挖刀、铰接装置、盾构机改造)、管片选型和拼装、施工措施等方面采取必要措施，特别是对较软的<6>、<7>地层采取了同步注浆和二次双液注浆相结合的措施，以保证小半径圆曲线段成型管片不出现侧向移动。
图1是曲线掘进时的盾构机状态； 图2是盾构超挖计算示意图； 图3是急转弯施工管片侧向受力分析图； 图4隧道在左转弯时注浆方式。
图5是动物园站～杨箕站区间的200m小半径圆曲线段平面线路图。
具体实施例方式 1、超挖刀应用 在该地段施工中盾尾间隙、超挖刀超挖量、最小转弯半径的计算见表1。
表1 (1)盾构机在曲线掘进时的铰接中心，位于管片组装的前端面。盾尾内管片的倾斜量CT CT＝R1(1-cosθf)＝197×(1-cos0.7°)×1000＝14.8mm R1＝R0-Ds/2＝200-6/2＝197m θf＝sin-1(Lb2/R1)＝sin-1(2.435/197)＝0.7° 上式中，R1——隧道管片内侧曲线半径； ——盾尾端部至第一环管片前端对应圆心角； 考虑到管片组装精度误差或变形量、盾尾的变形量等。根据管片的倾斜量CT＝14.8mm、盾尾间隙宽裕量C＝30mm，可计算出盾尾间隙TR＝(CT+C)/2＝(14.8+30)/2＝22.4mm (2)盾构机前体长度Ls＝4.173m，刀盘宽度0.75m，铰接角度最大按1.4°计算。
最小转弯半径Rmin＝[(4.173+0.75)/2]/sin(1.4°/2)＝188.1m 而在200m小半径圆曲线上，盾构铰接角度大小依照上述公式进行计算为 θt＝sin-1((4.173+0.75)/2×200)＝0.7° 盾构机中的铰接油缸组成的圆形直径为5790mm，则水平方向3点与9点位置的铰接油缸行程差Δ＝2×5790×sinθt＝2×5790×sin0.7°＝141.5mm 而现有的盾构机铰接油缸行程最大为150mm，可以满足施工要求。
(3)盾构机内侧曲线半径 Rs＝R0-CT/2-D/2＝200×1000-14.8/2-6280/2＝196853mm Xc＝Lb1-(La-Cw)cosθt+(D/2)sinθt ＝1562-(4173-150)cos 0.7°+(6280/2)×sin 0.7°＝-2422.3mm Yc＝R0-(La-Cw)sinθt-(D/2)cosθt ＝200×1000-(4173-150)sin 0.7°-(6280/2)×cos 0.7°＝196811.1mm OC与Y轴形成的转弯角度θc的计算 θc＝tan-1|Xc/Yc|＝tan-1|-2422.3/196811.1|＝0.7° 理论超挖量OC的计算
而盾构机配备的超挖刀超挖量最大达到50mm，相对于理论计算量还有23.0mm的富余量，完全满足超挖量要求。
综上所述，理论计算的盾尾间隙和超挖的富余量之和为22.4+23＝45.4mm，在实际的管片拼装中，盾尾间隙只要不小于30mm就可以，而45.4mm＞30mm，盾尾间隙可以满足要求。
2、管片选型 为满足急转弯施工要求，管片环宽1.2m，转弯环契形量为41mm，施工过程中要严格管片选型程序(主要是封顶块点位的选择)，保证管片拼装质量。本段施工时，严格注意盾尾间隙的变化进行适当调整。盾尾间隙标准值为75mm，在圆曲线段掘进时盾尾间隙变化较大，可将盾尾间隙保持在75±15mm范围内。
3、推力控制 在强、中风化地层中小半径圆曲线掘进的过程中，对土体的扰动会显著降低外围土体的强度及自稳能力，土体具有的蠕变特性以及出现水平方向土体压力不均，管片在长时间承受千斤顶压力的等情况下，管片很可能向外侧整体移动。见图3。
小半径曲线掘进可能带来的管片位移量δ T盾构机推力的反作用力 P土体对管片侧面的附加应力 R转弯半径 ξ变形系数 由上式得知当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大；当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大。
故为了减小在小半径圆曲线段施工引起的管片整体移位所带来的隧道变形，掘进过程中必须减小盾构推力。根据类似的施工经验，盾构在很小的半径线路上掘进施工时，推力可控制在600～900t。
4、盾构姿态实时控制与调整 利用系统对盾构机姿态的实时监测显示，根据地层的软硬分布情况，分区操作推进油缸，设定推力和推进速度，实现对盾构姿态的实时控制，必要时一个掘进循环可分几次完成。盾构机掘进时，难免出现姿态偏差，盾构机姿态修正以长距离慢慢修正为原则，盾构机姿态调整(纠偏)方式主要有 (1)采用刀盘反转的方法进行侧滚纠偏； (2)盾构机抬头时，可加大上部千斤顶的推度进行纠偏；盾构机叩头时，可加大下部千斤顶的推度进行纠偏； (3)向左偏时，加大左侧千斤顶推度；向右偏时，加大右侧千斤顶推度。
盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。处于200m转弯圆曲线时，为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，垂直方向控制在-30～-40mm之间，水平视平方向应控制在0～30mm之间。根据管片监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-40～-50mm之间。同时应加密移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。
5、同步注浆及二次补充注浆 再风化岩层中急转弯掘进，足够的、快凝的同步注双液浆也是必不可少的，它能尽早地固定管片，改善管片的受力状态，防止管片错台破损，因此，盾构机配置了两套背填注浆系统，一套用于常规的背填注浆，另一套用于以侧面为重点的管片二次补充注浆。
6、小半径掘进采取的其它措施 (1)在小半径线路上掘进时，如地下水过多，土仓内水压力过大则难以对盾构机进行纠偏，故需要采取一定措施控制土仓内的含水量。
对于掌子面所产生的水，可采取向掘进面和土仓内注入添加剂的方法控制水量。对于盾尾后面的可能向土仓内流入的水，可采取如下的处理措施 对盾尾后面的50环管片的每环管片都进行严格的同步注浆，确保注浆量和注浆效果； 对于该50环管片，每隔10环则对一环管片进行双液注浆，可形成一个比较彻底的封闭环(止水环)，则可达到较好的止水效果。
(2)广州地区地质情况复杂，可能存在地层突变的情况，因此，在盾构掘进时要求随时对挖掘出的土质进行取样分析，了解可能出现的地质变化，好采取有针对性的处理措施。
(3)施工过程中尽量控制好盾构姿态，为预防管片可能的外侧位移，掘进时水平偏差一般控制在设计轴线内侧0～30mm范围内，必要时可控制在0～50mm范围内。
(4)根据理论计算，本区间的管片选型能够满足200m的转弯半径，但在实际的施工过程中，为了确保管片拼装后形成200m半径的线路，可在管片上采取辅助措施。措施主要为 由于向左转弯时，封顶块主要拼在8、9、10点的位置，则B1、B2、B3主要在隧道的右侧，可将这三块标准块管片的缓冲垫增加2～3mm的厚度，这样就相当于增加了一部分楔形量，可确保管片的拼装效果。
(5)由于本区间存在200m的小半径，掘进时确保足够的超挖是保证盾构机顺利转弯的关键。由于在广州其它盾构隧道中没有存在如此小的半径，故很少有使用超挖刀的成功实例。在广州的复杂的且比较坚硬的地层中使用超挖刀存在一定的风险，如超挖刀的损坏或油缸伸出去而缩不回来等事故，必须做好其它保证超挖的预案。主要的措施为 如由于超挖刀故障而不能确保超挖时，可在刀盘外缘焊一耐磨钢板，相当于加大了刀盘半径，可达到确保超挖的目的。
(6)在小半径转弯时，确保边缘刀(尤其是边缘滚刀)的正常使用是很重要的。由于在急转弯时，边缘刀的磨损较大，则导致刀盘容易卡住。故要经常对边缘刀进行检查，必要时进行更换，以确保边缘刀的正常使用。
(7)盾构在施工小半径隧道时，使用铰接装置，与普通的土压平衡盾钩机比较有起优越性，铰接式盾构机不但能用于小半径隧道施工，也能用于盾构的纠偏。施工过程中盾构前进方向右侧被动的铰接油缸经常出现无法收回，通过用辅助的千斤顶强行将铰接油缸收回，或者用钢筋等连接杆拉住中盾和尾盾，有效地防止铰接的拉断，避免盾构铰接处出现漏水现象。
(8)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。在杨箕～动物园区间隧道掘进过程中，预偏量40～60mm。
7、跟踪监测措施 在急转弯地段施工时加大人工监测频率，在盾构机过后对隧道管片姿态随时跟踪监测，把信息及时反映给盾构操作人员，以便根据变形程度调整掘进参数。
本发明技术的有益效果是，在采取了前文所述的技术措施后，杨箕～动物园区间隧道竣工后，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。[有益效果是实用新型和现有技术相比所具有的优点及积极效果，它是由技术特征直接带来的、或者是由技术特征产生的必然的技术效果。
权利要求
1.本发明涉及到小半径盾构施工技术，其特征在于盾构机使用的超挖刀时盾尾间隙、超挖刀超挖量、最小转弯半径的理论计算，管片选型，推力控制参数，盾构姿态实时控制与调整，同步注浆及二次补充注浆的运用，以及小半径盾构施工采取的其它辅助措施，包括防止地下水的措施，对地质情况的适时了解，对盾构的水平方向偏差的控制，确保管片楔形量，确保超挖的措施，确保边缘刀正常使用，防止盾构铰接拉断的措施，盾构掘进时走向的预偏，跟踪监测措施等一整套的辅助施工技术，解决盾构机通过特曲小半径掘进施工带来诸多的难题，隧道轴线的控制均符合设计线路要求。
全文摘要
分析急曲线地铁隧道盾构法施工易发生的问题，结合杨箕～动物园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。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，特别是在广州复合地层中急曲线隧道盾构法施工技术，相信对今后类似的急曲线隧道盾构法施工具有一定的借鉴作用。
文档编号E21D9/093GK101737058SQ20081022671
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者赵书银, 阎向林, 章卫 申请人:中铁十六局集团有限公司