盾构机浅覆土小半径掘进技术

盾构机浅覆土小半径掘进技术

王祥羽

身份证号码：230622199109201557

摘要：在现代城市地铁、公路隧道施工建设过程中，普遍使用盾构工法。盾构工法具有对底层扰动小、施工速度快、机械化程度高等优点，但是对于某些特殊工程情况，如小曲线段推进施工时，由于盾构机机身长度过长、截面积过大、机身刚度高，导致施工的灵活性受到严重影响，从而使得掘进效果变差。本文针对盾构在小半径曲线内始发、到达以及掘进施工中存在的难题，通过预偏盾构始发、到达姿态，调整始发侧墙结构、洞门位置，确保盾构始发不超限、到达不偏离洞门中心，保证了始发姿态预偏后帘板的密封性。同时，通过对盾构机身、管片链接方式进行管控以及采取超前注浆控制等技术来有效保护管片拼装的质量。

关键词：小半径；盾构机；掘进技术

1工程概况

某京地铁某号线某标段某区间，该区间采用盾构法施工，投入2台盾构机由某站A始发，至某站B采用钢套筒接收。该区间线路间距为7~13m，覆土深度为10~25m，线路纵断采用“W”字向坡，最大纵坡1.9%.最小曲线半径为500m。区间穿越地层主要为粉质粘土、黏土等粘性土，沿线地下水为上层滞水潜水，水位埋深14m以下，位于局部夹杂的砂层或粉土层，含水量较小。

盾构管片采用内径7.2m，外径8m，环宽1.6m通用型管片，每环7块管片，盾构左线5039.22m，管片环数量3151环。右线5008.75，管片环数量3131环，管片数量共6282环。共设置8座联络通道，其中4号与区间风井合建。区间设置2座泵房，泵房分别与3号、8号联络通道结合设置。

2施工难点

2.1隧道轴线难以控制

盾构机在小曲线隧道中施工时，每往前施工掘进一段距离，由于隧道弯曲，盾构管片断面与隧道轴线方向都会产生角度偏移。同时在千斤顶的推力作用下，会出现法线方向向外侧的分力，由此导致隧道产生外侧偏移现象。盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙，在进行掘进施工时，同步注浆产生的浆液填充与掘进孔隙产生时间差，难以实现完全一致。当浆液未全部填充孔隙或者浆液早期强度未能达到规定要求时，盾构管片就会在侧向压力作用下，产生向隧道圆弧外侧偏移现象，使小曲线隧道轴线变得难以控制。

2.2土体扰动大

盾构机本身长度比较长且刚度大，呈现出直线形刚体。在小曲线工程段中，由于盾构机自身形态造成其无法与曲线隧道较好的拟合，导致盾构机掘进施工时，掘进的线形呈现出连续的折线。在工程施工中，要避免此种现象的发生，就要连续地进行纠偏。纠偏工作不仅工程量大，而且对周围土体也会产生很大的扰动，从而引起地层沉降。

2.3容易造成管片破损

盾构管片产生推进的反力，用于推动盾构机向前推进。但在小半径曲线段中掘进施工过程中，由于隧道原因，盾构机的姿态不断发生变化，由此导致管片与液压缸靴板之间出现侧向偏移或一种侧向偏移趋势。这种变形会使得管片局部应力集中，从而出现断裂现象。此外，管片向圆弧外侧偏移时，对周围地层产生侧向挤压力，使得管片和地层结构都发生变化，加剧了管片的破损程度。

2.4盾构与管片之间容易卡壳

在小曲线段掘进时，如遇到转弯区段，盾构机管片会出现左右两端掘进量不同的现象，一段掘进量超量较大，会导致另一端掘进滞后。此时如果工作人员没有一定的控制能力，盾构与管片之间就会因为超量差而出现卡壳，使盾构产生偏移。

2.5容易引起渗漏、地表沉降

在曲线段施工时，管片四周的盾尾间隙分布并不均匀，盾尾刷密封装置受管片偏心挤压，易产生塑性变形而失去弹性，从而导致密封性能下降。同时曲线段施工容易出现管片错台现象。在纵缝错台产生后，盾尾刷无法紧密包裹整环管片，极易形成渗流通道，从而增大了隧道渗漏水的风险。

3治理措施

3.1割线始发模拟

盾构机长度为10.18m，通过模拟可知。盾构机在掘进12m后脱离始发基座，此时盾构机头部中线与隧道中线相重合。

3.2负环管片加固

小半径切线始发负环管片在水平方向受到的作用力，会使负环段衬砌管片发生水平偏移，形成错台、破损，导致管片之间发生相对位移。为了防止出现此类现象，可采取型钢对负环管片进行加固。

3.3小半径掘进时液压缸行程差控制

出入线区间在500m小半径掘进中，可以通过计算，得出盾构机每推一环所产生的偏转角以及推进液压缸行程差。管片环宽1.6m，则β=1.2/πR=0，管片外径8.0m，管片内径7.2m。经计算，得到管片外弧长度为25.12m，管片内弧长度为22.608m。当盾构推进处于R=500m圆曲段时，推进方向偏转角为2.3″。每推进一环，左右行程差为32mm。

3.4管片排布模拟

本区间采用环宽1.6m通用型管片，双面楔形量为50mm。盾构机在500m左转小半径曲线上掘进时，左右液压缸行程差为32mm。将每环掘进左右液压缸行程差控制为35mm，每环纠偏3mm，将盾构机向左预偏30mm，使盾构机提前转弯。

3.5管片错台和破损控制措施

盾构同步注浆为水泥砂浆，在小半径地段，管片出盾尾5~6环后，需要对管片进行二次补浆，补浆过程应以上部和侧面为重点。其中，针对轴线外侧应增加注浆量，浆液采用水泥-水玻璃双液注浆，并加快凝结时间，保证管片不会出现偏移。在每环掘进施工过程中，千斤顶应进行3~4次伸缩，并将应力全部释放，以保护已经拼装的管片，防止管片出现旋转，并有效避免盾构机出现侧滚。适当调整刀盘转动方向，每掘进一斗渣土更换刀盘转向，以解决盾构机侧滚问题。在盾构机管片拼装过程中，要将原管片的螺栓拧紧。如出现管片脱离盾构机尾部的情况，应及时进行复紧。此外，在盾构机掘进施工过程中要注意增加复紧工序，以防止管片在工作时出现松弛现象。

3.6盾尾间隙及姿态控制

盾构掘进小半径过程中，严格按照一环一报表、一环一分析的制度，根据现场实际情况进行商讨决策，防止出现小半径掘进管片破损、姿态超限现象，结合管片实际姿态进行盾构姿态调整。

3.7仿形刀的使用

仿形刀是采用油路对刀盘前方超挖刀进行伸缩，结合刀盘转速，可以对掌子面进行局部超挖，确保小半径曲线转弯过程中盾构机轴线纠偏，减少管片侧向压力向弧线外侧偏移量。

3.8隧道管片选择

在小曲线区段进行掘进施工时，盾构管片的选择应该根据盾构的姿态，同时应考虑盾尾间隙的变化。管片的选择必须要超前掘进施工4~6环，以保证在施工时，管片的姿态能够与盾构姿态的轴线重合。在最小曲线半径取值的众多影响因素中，管片是其中一个关键的因素，因此在实际施工过程中，为满足小曲线半径盾构掘进施工的要求，必须根据隧道的要求，适时的调整管片的宽度及楔形量。

3.9增加管片纵向刚度

从应力分析角度来看，盾构机在掘进施工过程中会对土体产生反力，而小曲线隧道的外侧不需要通过反力臂来进行弯曲。但为了保证盾构机能够产生合理的推进反力，需要采用纵向刚度较高的盾构管片。而采用纵向刚度较高的管片，成本也会较高。通常可以通过加固螺栓的方式，以及按照固定点位进行纵向钢板连接的方式，来提高小半径隧道的纵向刚度。

结语

在小曲线半径段盾构掘进施工过程中，为了合理控制轴线，提高工作效率，减少对周围土体的扰动等要求，需要做到以下几点：根据隧道特点选择合适的盾构机。在施工过程中，根据工程要求增加铰接装置和仿形刀。根据工程需求选取合适的盾构管片，对宽度、刚度和楔形管片的选取要做到科学、合理。提高信息化施工水平，注意对工程施工过程的动态监测，及时进行纠偏。在遇到复杂的复合地层时，可以通过采取超前注浆和同步注浆等技术，减少对周围土体的扰动。

参考文献

[1]郑晋.大直径盾构在小半径曲线段淤泥质土层掘进中地表变形控制研究[D].兰州交通大学，2022.

[2]王江华.盾构小半径割线始发控制技术研究[J].铁道建筑技术，2021(01):146-149.

[3]袁吉.盾构机曲线施工关键参数研究[J].智能城市，2020，6(23):151-152.

[4]宋剑.软土地层盾构机掘进姿态及管片破损控制分析[D].清华大学，2020.

[5]陈亚军，吕涛，龙彪.富水砂卵石地层小半径曲线盾构纠偏技术研究[J].企业技术开发，2019，38(06):25-27.