2、小半径曲线盾构施工控制经验得失及盾构脱困处理要点

资讯园站—中间风井盾构区间小半径曲线盾构施工经验得失及盾构脱困处理要点中铁隧道集团有限公司二〇一六年三月前言小半径曲线盾构施工时盾构对外侧地层是挤压的状态，同时由于在小曲线地段的盾构，是用管片和地层反力掘进的，因此推进力的反力会使隧道向曲线外侧位移，如果隧道的纵向刚度和地层的刚度过小，可能引起管片和其外地层的过大位移，以及使土压超过土体的被动压力而过大扰动。因此小半径曲线地段的隧道轴线控制难度大，同时管片向外侧扭曲而挤压地层使地层和管片结构均受到复杂的影响，衬砌管片错台及渗漏水控制也有一定的难度。小半径曲线段地质情况为硬岩地层，特别是在软硬地层变化过渡部位，在掘进过程中容易造成盾构卡机，掘进姿态控制显得特别重要。汇报内容一工程概况二小半径曲线盾构掘进经验总结三盾构脱困处理总结■广州市轨道交通四号线南延段施工5标项目位于南沙区,大致呈东西走向。线路西起既有金洲站，终止于南沙客运港站，大致沿双山大道、金隆路、环市大道、海港大道和科技大道敷设。本标段工程为广州市轨道交通四号线南延段（金洲至南沙客运港）施工5标土建工程，具体位置如图所示。1.工程位置一、工程概况工程位置工程规模设计概况■资讯园-中间风井区间为双洞双线区间。区间左线全长1121.441m，圆曲线段左转弯半径R=350m，长450.394m；右线全长1143.571m，圆曲线段左转弯半径R=370m，长464.25m。2.工程规模一、工程概况工程位置工程规模设计概况3.设计概况一、工程概况■区间采用6.28m直径的土压平衡盾构施工，管片衬砌为厚度300mm，外径6000mm，内径5400mm的C50钢筋混凝土结构。分为标准环(P)、左转弯环(L)、右转弯环(R)，衬砌管片分为6块，其中3块标准块(B块)、2块邻接块(C块)、1块封顶块(K块)。管片与盾尾之间的空隙为75mm(包括盾尾刷部位的厚40mm加强钢环)。工程位置工程规模设计概况3.设计概况一、工程概况■衬砌管片安装共10个点位：A组1、3、5、8、10；B组2、4、7、9、11。衬砌管片错缝拼装。转弯环衬砌管片设计最大楔形量38mm。线路左线圆曲线段（350m）平均每环楔形量为26mm，右线圆曲线段（370m）平均每环楔形量为24mm。工程位置工程规模设计概况1.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结■(1)掘进速度及推力的控制曲线段盾构掘进，盾构掘进速度、盾构推力需进行严格控制。同等条件下，掘进速度大，则要求相应的盾构机的推力就大，而小半径曲线段宜减小盾构机的推力，从而控制管片侧向位移。曲线段掘进速度严格控制。根据小盾构曲线段掘进情况总结，在土层地段掘进速度控制在20mm/min以内为宜，在地层强度较大7H、8H等岩层控制在10mm/min以内为宜。掘进速度值并不是一成不变的，需根据盾构机所处地层情况、盾构机姿态、管片姿态等来进行调整。掘进控制管片选型铰接使用管片拼装1.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结■另外，盾构机在曲线段掘进过程中，必要时，可采取短行程多循环的方式进行掘进，可避免千斤顶推进造成管片破损。即在推进过程中每隔40-50cm适量收缩千斤顶，使得千斤顶对管片的不均匀应力得以释放，而且有利于盾构掘进方向的调整。■(2)曲线段轴线预偏由于盾构掘进过程的同步注浆效果不能根本上保证管片后土体的承载强度，管片在承受侧向压力后，将向弧线外侧偏移。为了确保隧道轴线最终偏差控制在规范允许的范围内，盾构掘进时在规范允许范围内给隧道预留一定的偏移量。将盾构沿设计曲线线路的割线方向掘进，管片安装时轴线位于设计轴线的内侧，使得管片脱出盾尾后受侧向向外的力向弧线外偏移时留有预偏移量。根据理论计算、线路通过的地质情况及广州地区实际施工经验的综合分析。进入曲线段前，提前将盾体前端水平姿态控制在-20mm到-30mm之间。掘进控制管片选型铰接使用管片拼装1.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结■(3)掘进过程中的纠偏盾构掘进过程从微观来讲是一个“S”型纠偏的过程，每延米纠偏量控制在2～3mm，掘进每环纠偏量控制在7mm以内。盾构掘进方向偏角控制在5mm/m，当处在曲线段时，盾构机的方向控制将比较困难特殊情况下不超过10mm/m，否则盾构机转弯过急易导致盾尾间隙过小，损坏盾尾密封，造成管片破裂漏水。右线S460盾构机千斤顶按上、下、左、右四个扇形分布，分为A、B、C、D四组，推进千斤顶的油泵为变量泵，当盾构需要调整方向时，可通过调整四个区域的油压，来调节千斤顶的顶力。掘进控制管片选型铰接使用管片拼装1.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结■如盾构偏离设计轴线，而需纠偏时，可在偏离方向相反处，调低该区域千斤顶工作压力，造成两千斤顶的行程差，也可采用停开部分千斤顶获得行程差，但这样易造成衬砌部分区域受力不匀，使管片损坏。盾构纠偏时要使千斤顶各区域压力分布呈线性状态，如盾构要向右纠，除左区要较右区有一个较大的压力差外，上、下区域的压力也要适当，一般可取左、右区域压力的平均值。同理，如需上、下纠偏时，可造成上、下区域千斤顶的压力差。掘进控制管片选型铰接使用管片拼装1.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结■实际曲线段推进过程中B、D组(右、左)油缸压力差值一般在控制在10bar～30bar为宜，盾构机水平趋势控制在-2到-4之间。当左右组油缸推进油压差大于40bar时，趋势会变大，导致水平姿态难以控制。表2-1为右线圆曲线段230环～240环盾构机水平姿态控制掘进参数表。从表中可见，232环盾构机左右油压压差44bar，234环43bar，235环43bar，导致水平趋向从-3变大到-9，水平姿态-26，-3(前，后)变化到-42,-23(前，后)。由于左右油缸推进油压差过大，导致水平姿态未得到较好的控制。通过236环到240环对左右油缸推进油压差的控制，基本在10bar范围内，水平姿态基本回到理想状态。掘进控制管片选型铰接使用管片拼装1.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结掘进控制管片选型铰接使用管片拼装表2-1右线230环-240环盾构机水平姿态控制掘进参数表注:表中左右组油缸推进压力差为当环油缸压力平均值。环号管片类型速度（mm/min）左侧D组油缸压力(bar)右侧B组油缸压力(bar)盾尾间隙(mm)掘进开始盾构机姿态掘进结束盾构机姿态上下左右水平前水平后趋势水平前水平后趋势230L1130-446710772758954-24-7-4-27-5-5231L134-42648478708755-27-5-5-17-7-3232L1130-406410875738662-17-7-3-26-3-6233L125-38759875728365-26-3-6-25-4-5234P216-307011374757872-24-4-5-39-5-8235L129-366811176708265-38-5-8-46-9-9236L1130-42838575727968-46-9-9-44-16-7237L125-38727174717869-44-16-7-42-23-5238L1120-42757575707768-42-23-5-33-26-2239P1015-40849376687080-33-26-2-30-200240L116-38759070807276-30-200-29-18-11.盾构掘进姿态控制二、小半径曲线盾构掘进经验总结■（4）隧道测量控制1)规范测量搬站程序每次搬站必须复核不少于3个导线点的边角关系，经检核无误后方可向前传递坐标。搬站前后记录比对姿态数据，确保各项偏差小于限差。一般导向系统姿态跳动20mm以内需结合管片姿态进行判断，姿态跳动超过20mm必须检核搬站程序并复核坐标。尽量不用托架向前引测。2)导线点复核。隧道施工过程中，对洞内导线点进行不少于1次/周的坐标复核，以及时纠正导向系统的错误和累积误差，确保隧道正常施工。3)实时观测管片姿态。始发阶段100m范围内每掘进1-2环，对管片姿态进行测量并及时反馈；正常掘进过程中保证每环不少于3次姿态测量，并测量施工当班环倒10环管片，同时复核后10环管片姿态，确保隧道施工精度。掘进控制管片选型铰接使用管片拼装2.衬砌管片选型二、小半径曲线盾构掘进经验总结■根据现场实际情况来看，经验较少的值班工程师，对于管片选型，主要依据还是盾尾间隙。根据盾尾间隙进行管片选型，在直线段基本比较适用。但在圆曲线段，单独依靠盾尾间隙指标来进行管片选型是完全不够的。一方面要考虑管片姿态要适应当前设计线路的走向，尤其是坡度相对较大的小半径圆曲线段，管片点位的选择要兼顾转弯所需要的楔形量和纵向坡度所需的楔形量。表2-2中264环至276环段设计线路处于平面左转弯半径R=370m圆曲线，纵向坡度为4‰的下坡。由表2-2可见，264环到270环管片选型存在未考虑隧道设计线路于盾构掘进姿态情况下进行管片点位选择，该7环管片的点位选择未能满足平面圆曲线楔形量的需要。导致后续的271环、272环、273环在推进过程中右侧盾尾挤压衬砌管片，总推力由原来最大值1250t增大到1437t。造成271-273环产生环缝错台，局部小块破损及渗水。管片选型掘进控制铰接使用管片拼装2.衬砌管片选型二、小半径曲线盾构掘进经验总结管片选型掘进控制铰接使用管片拼装环号管片类型速度（mm/min）推力(t)铰接拉力(bar)土压(bar)盾尾间隙(mm)掘进开始盾构机姿态掘进结束盾构机姿态上下左右水平前水平后垂直前垂直后水平前水平后垂直前垂直后264P240-501130-133060-1141.51-1.6565786582-38-352314-30-342413265L145-541070-124049-951.60-1.6965787076-31-342312-29-262612266P250-561050-118050-761.57-1.6460807080-29-262612-31-222412267L150-561100-117020-631.53-1.6456837178-31-222412-27-132311268P250-561100-118040-581.57-1.6455856976-27-132311-31-142614269L853-581150-123090-1051.55-1.6257878070-31-142614-32-102612270P250-561090-125089-1031.50-1.6561808269-32-102612-32-82611271L125-461154-141482-1301.41-1.54657510050-32-82611-28-52511272L1138-461216-143783-1171.39-1.54637610345-27-52410-27-11713273L130-521214-1366104-1291.50-1.59627810842-27-717-13-26-91111274R725-551155-130270-951.48-1.5358819552-26-91111-19021275R541-581096-123988-1001.46-1.5452889653-19021-21-13-10276R731-601178-126785-1071.40-1.5253879356-21-13-14-19-110-18277L150-561150-124070-1101.48-1.6055859553-17-19-17-19-321-16表2-2盾构掘进管片选型失当统计表根据设计的线路，调整管片的纵向姿态，完全可以装L2、L10两个点位，即可以满足左转弯的楔形量需要，也满足纵向坡度楔形量的需要。2.衬砌管片选型二、小半径曲线盾构掘进经验总结■小结：小半径圆曲线段衬砌管片选型对盾构机姿态控制及管片安装质量等有着紧密的联系。管片选型的依据不仅仅局限于“盾尾间隙”，盾构机姿