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特急曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究
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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。（参考《建筑中文网》）
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。
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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13581.htm
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