科技交流材料——武汉地铁小曲线半径盾构施工技术(轨道)

武汉市轨道交通11号线2017·09光谷四路-光谷五路站区间右线盾构施工经验交流中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部1、工程简介光谷四路站-光谷五路站位于武汉市东湖新技术开发区光谷四路至光谷五路之间,从高新大道弧形延伸至神墩一路；区间线路出光谷四路站后，沿高新大道向东行右转，穿越低矮坡地后，再左转下穿神墩一路，终于光谷五路站。一、工程概况区间设计里程范围：右CK46+653.274m～右CK47+675.421m（左CK46+654.325m～左CK47+675.421m，长链0.881m），右线长约1022.147m。采用盾构法施工，线间距为13.0～21.20m。在右CK47+115.000m（左CK27+134.931m）处设置联络通道。线路平面最小曲线半径350m，竖曲线最小半径3000m，纵坡为-6.062‰。本区间沿线无建（构）筑物影响。中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部2、地质情况隧道穿越的地层主要为（20a-2）中风化泥岩，局部为（20c-2）中风化钙质泥岩、（20a-2s）强~中风化泥岩，岩石最大天然单轴抗压强度30.85MPa（最小天然单轴抗压强度2.14MPa），最大饱和单轴抗压强度13.63MPa。隧道覆土厚度约11.95m～27.86m。沿线地面有一定起伏，地面标高一般在33.00～49.64m，局部高程低至20.0m，高至50.0m，堆积垄岗区老黏性土埋藏相对较浅，场地上部土层以一般黏性土与老黏性土组成，基岩埋藏较浅。一、工程概况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部一、工程概况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部起点里程终点里程长度（m）属性备注ck46+654.325ck46+665.60211.277缓和曲线ck46+665.602ck47+050.655385.053圆曲线半径350mck47+050.655ck47+110.65560缓和曲线ck47+110.655ck47+141.10931.335直线含长链0.881mck47+141.109ck47+201.10960缓和曲线ck47+201.109ck47+529.844328.735圆曲线半径350mck47+529.844ck47+589.84460缓和曲线ck47+589.844ck47+675.42185.577直线合计1021.977起点里程终点里程长度（m）属性备注ck46+653.274ck46+656.6863.412缓和曲线ck46+656.686ck47+041.739385.053圆曲线半径350mck47+041.739ck47+101.73960缓和曲线ck47+101.739ck47+132.19830.459直线ck47+132.198ck47+192.19860缓和曲线ck47+192.198ck47+532.039339.841圆曲线半径350mck47+532.039ck47+592.03960缓和曲线ck47+592.039ck47+675.42183.382直线合计1022.147光谷四路站~光谷五路站区间线路统计左线右线区间隧道采用C50、P12钢筋混凝土管片，管片内径5.5m、外径6.2m、厚度350mm、宽度1.5m。采用通用型衬砌环形式，楔形量40mm，错缝拼装，六块分块方案（一块封顶块K，两块邻接块B1、B2，三块标准块A1、A2、A3），块与块、环与环之间均采用8.8级M30弯螺栓连接，纵缝设凹凸榫。3、区间管片设计概况一、工程概况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部一、工程概况4、盾构机概况本区间右线隧道采用奥村复合式土压平衡式盾构机（上海力行LX-13）施工，统一编号为：4号盾构机，主要技术参数如下。位置名称参数位置名称参数刀盘及主驱动刀盘形式面板型铰接形式形式主动式驱动形式电动马达驱动中折角度左右1.7°主驱动工作承压能力4bar上下1.0°开挖直径6490mm同步注浆系统型号及类型SCHWING泵最大工作扭矩6300KN.m数量2台刀盘开口率36%规格1.7MPa、20m3/h刀具配置8把中心滚刀+20把正面滚刀+13把边缘滚刀砂浆罐容积4.5m3（2套）盾体总长9.950m拼装系统类型中心回转形式总重430t起吊能力120KN最大推力40000KN管片吊机起重能力2×5.0t人闸系统容纳人数3+2渣土排出系统形式槽式形式及位置双仓式转速2.0m/s调压装置数量2套出渣量300m3/h设计及试验压力4/6bar驱动方式电动马达推进系统推进油缸数量19只皮带宽度800mm行程2150mm推力40000KN中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部二、施工过程情况区间右线因进入隧道3.412m后由缓和曲线变为圆曲线，平曲线半径350m，考虑能合理的拟合隧道线路，采取割线始发方式，在始发后短距离纠偏，使刀盘中心回到设计隧道中线上；始发托架安装时按照刀盘中心在洞门钢环位置向隧道中心线右侧偏移20mm及盾尾后部中心向隧道中心线左侧偏移300mm进行安装，在盾构机掘进16.8m后刀盘中心与隧道中心线重合，随后根据盾构机姿态、管片姿态、曲线拟合计算参数控制掘进。2015年11月2日开始掘进拼装正1环，11月4日掘进拼装正6环，刀盘前点与隧道中心线相交，在掘进过程中收到测量中心反馈原提供的测量导线控制点坐标存在向隧道中心线偏移右侧30mm，要求按照后期复核提供的控制坐标点进行施工，至2015年11月7日掘进拼装正20环时渣土中存在大块中等风化钙质泥岩，盾构机前点姿态向左偏移加大，随即增加盾构机左侧千斤顶推力，减小盾构机右侧千斤顶推力，加大纠偏量后，由于处在350m小半径曲线掘进，管片脱出盾尾时受到向左的侧向力加大，导致管片环与管片环之间产生轻微错动，造成个别部位管片螺栓将内弧面侧压裂。至2015年11月17日掘进拼装正63环，自查统计有28环成型管片存在不同程度的破损与错台，集中在23环～40环（因盾构机姿态偏左纠偏处理导致15环～30环成型管片局部错台达2.5cm，31环～40环成型管片局部错台达2.9cm，破损17环）、54环～61环（成型管片局部错台达1.7cm，破损5环）。压裂破损严重部位主要分布于隧道腰线附近及拱顶部位的管片部分内弧面侧螺栓孔部位。中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部第21～23环管片破损位置5点位第29～30环管片破损位置11点位针对21环～30环管片破损、错台原因，项目经理部于2015年11月10日在现场召开专题会议，进行认真讨论分析总结，同时邀请项目公司领导、监理单位领导、专家等参加，提出宝贵意见与建议措施如下：1）控制盾构机掘进推力在10000KN左右，根据现场情况控制掘进速度控制在15～20mm/min；2）控制盾构机姿态，前点控制不超过左偏-30mm；五点位处十一点位处五点位处十一点位处二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部3）根据端面平整情况在环向缝上增加软木衬垫；4）下部盾构铰接油缸微收，控制垂直方向姿态；5）加强同步注浆、二次注浆质量控制、加强现场监督管理；6）加强人员组织管理措施，盾构司机与管片拼装人员之间对盾构姿态、管片姿态、推进千斤顶行程差等参数进行交流沟通，确定K块管片拼装位置，盾构司机要清楚成型管片环质量、上环掘进时的推力、铰接行程差、盾构姿态及渣样，及时调整下环掘进参数。通过以上控制，盾构姿态由刀盘水平偏差-28mm，刀盘垂直偏差-20mm，盾尾水平偏差-84mm，盾尾垂直偏差-15mm纠偏调整至刀盘水平偏差21mm，刀盘垂直偏差17mm，盾尾水平偏差-27mm，盾尾垂直偏差-32mm。管片安装质量有所好转。二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部2015年11月21日负环管片拆除恢复掘进，至11月23日掘进5环（累计正68环），盾构姿态出现向左偏移的趋势，64环～68环管片部分内弧面螺栓孔部位再次出现脱出盾尾后压裂破损现象，主要分布于顶拱部位。在原来采取措施的基础上增加1次掘进过程中收缩推进油缸释放应力、加强二次注浆跟进（在盾尾已拼装成型的倒数第三环、第五环管片进行二次注浆形成环箍，增强成型隧道的稳定性，抵抗掘进与纠偏引起的管片移位）、项目班子成员现场跟机值班，督促及时调整掘进参数。至2015年11月30日掘进到正106环，盾构姿态由刀盘水平偏差-7mm、垂直偏差21mm，盾尾水平偏差-55mm、垂直偏差18mm纠偏调整至刀盘水平偏差24mm、垂直偏差-18mm，盾尾水平偏差-42mm、垂直偏差-35mm。盾构姿态、管片安装质量逐步改善，但管片脱出盾尾后仍存在局部边角破裂、错台现象。71环～85环盾构施工掘进主要技术参数如下表：二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部针对本次盾构姿态、管片破损质量问题重复出现，公司领导高度重视，在此期间也得到项目公司领导的大力支持与帮扶，多次组织项目经理部管理人员、盾构司机、拼装手召开原因分析会，提出改进措施并安排具有多年盾构施工经验的专业工程师到现场跟机值班指导。并于2015年12月3日邀请盾构专业土木工程与机械设备工程专家到现场进行咨询、分析，根据专家意见归纳采取措施如下：1）定期检查边缘滚刀（磨耗控制在5mm以内）和刮刀，及时更换，保证开挖直径以便降低摩擦阻力，减小推力，从而降低管片所受到的纵向压力，所受的横向侧压力减小，环向错台减小，管片内弧面侧被螺栓压崩裂的机率减小；2）在全断面中风化泥岩段采取半仓掘进模式，降低推力和扭矩，从而使管片所受的横向侧压力减小；3）从前盾体上的9—10点位径向孔往盾壳外注入泡沫剂或膨润土或水，降低前盾体及中盾一壳体与掘削面之间的摩擦阻力，加大作用在前盾体及中盾一沿其中轴线方向前进的推力，减少了向设计轴线外侧的分力，从而使中盾二和盾尾能快速带入设计轴线的内侧，减小盾体漂移；4）在每环掘进至900mm和1400mm时停止推进，在管片拼装模式下逐个收伸推进千斤顶，释放推进千斤顶撑靴与管片环面之间的横向应力及因刀盘旋转作用于盾体的环向扭力，从而减小管片脱出盾尾后的一次错动量，避免因一次错台过大造成管片崩裂；5）根据盾尾间隙及盾构机姿态合理选择K块拼装点位；二、施工过程情况中国电建武汉地铁11号线一标段项目经理部6）管片螺栓在脱出盾尾后再次复紧到位；7）同步注浆量及时跟进，二次注浆从脱出盾尾的第5环管片的10—11点位开始注水泥水玻璃双液浆，在双液浆混合处安装压力表，注入压力为0.3MPa，减小管片漂移；8）在中盾二和盾尾带入设计轴线的内侧后，调整铰接角度（左右铰接行程差控制在75mm左右），使盾体前中后三点所在圆的半径为350m，然后不再调整铰接角度，通过调整左侧推进千斤顶推力来保持盾体沿设计轴线内侧偏离20-30mm掘进，从而保持成型隧道轴线与设计轴线基本重合。按照专家意见与措施落实，公司安排两名具有多年盾构施工经验的部门负责人在现场进行跟机值班，并聘请专家现场指导了近半个月，至2015年12月10日掘进正163环，存在刀盘扭矩持续增大、掘进速度降低（掘进速度约10mm/min）、盾构机纠偏困难的现象，停机开仓检查，有少量结泥饼现象，发现有18把刀具损坏严重，其中7把中心滚刀、11把正面滚刀均为刀圈断裂、合金齿脱落，初步判定刀具质量存在一定问题。更换刀具后，至2015年12月25日221、222环、223环、224环、225环推进过程中，刀盘扭矩偶尔出现增大现象；至2015年12月26日掘进正232环，存在刀盘扭矩增大（刀盘扭矩由2.0MN.m增加到4.0MN.m），掘进速度降低，停机开仓检查，有少量结泥饼现象，发现2把刀具损坏严重，1把正面滚刀刀圈破裂、合金齿断裂脱落，1把边缘滚刀刀圈断裂，均为原装刀具。随后调整泡沫剂参数，目前渣土改良效果较好。二、施工过程情况中国电建武汉