无锡轨道交通盾构小半径曲线施工技术
2010-09-15 21:51
无锡轨道交通盾构小半径曲线施工技术
［摘要］无锡市轨道交通一号线湖滨路站～大学城站段处于软土地区，隧道最小曲线半径300m，采用盾构法施工。施工前在小半径曲线段加密勘探钻孔获得准确地质资料，制定盾构过小半径曲线段专项施工方案，选用前铰接式盾构及合理隧道管片;施工中严格控制盾构掘进参数;后期通过吊装孔打锚杆或注浆加固;在施工过程中及时纠偏。保证小半径曲线段不发生明显偏移。
［关键词］轨道交通;小半径曲线;盾构;吊装孔;纠偏
1、工程概况
无锡市轨道交通一号线盾构在湖滨路站～大学城站区间位于湖滨区太湖镇观山路中段至西段，再转向南沿蠡湖大道到达大学城站。里程:右CK26+421.340～CK27+944.4，右线长1 522.704m，左线长1500.719m。线间距13m，最小曲线半径300m，最大坡度2.5‰。埋深9.1～16.2m，穿越地层主要为:③3粉土夹粉质黏土、⑥1-1粉质黏土、⑥1黏土。
小半径曲线段左线曲线半径300m(见图1)，弧长520.875m，偏转角约88°;右线曲线半径310m，弧长536.237m，偏转角约88°;管片设计环宽1.2m，厚度350mm，分6块(3个标准块、2个邻接块、1个封顶块)，楔形量37.2mm。覆土厚度14m，小半径曲线段线路上方地面西北侧(弧外侧)为停车场;东南侧(弧内侧)为儿童活动场、绿化土坡，并规划有一拟建小区高层基础(先于隧道建成)，最小平面间距4.49m。
2、关键施工技术
2.1施工准备
1)加密勘探钻孔在小半径曲线段，将地质勘探钻孔间距缩小至30m一孔，平面位置布设在左、右线外侧5m处，尽量详细地揭示小半径曲线段的地层分布，并进行土工试验，为碴土改良提供依据。
2)水文勘查聘请有资质的单位，在小半径曲线段进行抽水试验，判断该段是否有承压水的影响以及影响程度、获取各层岩土的渗透等关键参数。
3)人员培训施工人员方面，盾构司机、土建工程师是关键，对其加强小半径曲线段施工培训。
4)设备检修进入小半径曲线段进行设备的全面检修及维护，备好易损构件，尤其对铰接密封及盾尾密封系统的排查务必详细。
5)技术准备①制定盾构过小半径曲线段专项施工技术方案，方案中明确通过前需预先采取的措施、通过中盾构操作人员如何操作、设备参数的获取与修正、辅助工法的实施与效果评价等;②制定盾构过小半径曲线段发生偏移等现象的预案，明确纠偏方法、步骤，进一步预防偏移的措施等;③制定后期加固技术方案及措施，明确实施的时间、部位、方法等;④所有参与人员必须对制定的方案、措施详细了解，做到胸有成竹。
2.2设备选型
采用日本小松盾构，该机为前铰接方式，即前体与中体铰接连接，推力千斤顶和中体连接。这种铰接方式更有利于盾构姿态控制和掘进纠偏，在掘进过程中，操作司机可根据线路情况(曲、直线及纠偏需要)调整好铰接行程差来控制盾构机前端姿态，采用推力油缸的行程差来控制好盾构机后端的姿态及盾尾间隙。
通过计算，在掘进过程中，铰接油缸平面角控制在0.829°，推力千斤顶的行程差控制在35.1mm以内即可完成300m小半径曲线的掘进。
2.3管片选型排版
本工程采用2个楔形环+1个标准环的组合方式。考虑采用4∶1组合方式时，盾尾间隙将出现一边很小、一边很大的情况，造成对盾构尾刷挤压较大，出现最大轴线偏移时采用3个楔形环+1个标准环的组合方式纠偏。
2.4掘进控制
1)小半径曲线段掘进时，从做好管片选型、采取复拧紧方式改善螺栓孔处受力等几方面入手，确保管片选型、拼装、拧紧质量。
2)台车轮设转轴，防止台车掉道;设专人负责，防止皮带跑偏。电瓶车适度缓行，加强、改进轨道铺设线型及固定控制。
3)选派经验丰富的盾构司机，在进入小半径曲线段前进行模拟掘进，提前进入圆曲线操作状态。
4)在盾构机载计算机上安装CAD软件进行曲线纠偏，对线路拟合起到预控作用。
5)掘进过程中，合理设定行程差。
6)合理降低掘进速度，调节各分区千斤顶推力，推力中心左、右最大、最小推力偏差控制在1 500kN以内，必要时，可将水平偏角放宽到10mm/m，以加大盾构的调向力度，同步调整控制左右油缸的油压值和油缸行程，保证曲线内侧处土仓压力略小于外侧。
7)曲线段推进速度控制在30～40mm/min，并根据出土量和地层变形监测数据及时调整施工参数，在较短时间内将施工参数和注浆量调至最佳状态。在盾构刀盘边缘对称布设2把超挖刀，最大可超挖125mm，最大超挖直径达6 590mm，超挖刀伸出速度3～4s。
8)加强对推进轴线的控制，勤测勤纠，确保管片的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。同时加强线路监测和人工符合测量，线路出现偏移时及时纠偏。
9)在小半径曲线段尤其要注重注浆量及凝固时间控制，确保浆液饱满，压力适中，有效控制已成环管片的小位移偏移影响到设备小半径拟合。同步注浆以4.8m3/环压注，小半径曲线段超挖严重时则以5.6m3/环进行压注。
10)曲线推进引起的地层损失及纠偏次数增加导致了土体扰动增加，小半径曲线段推进时严格控制同步注浆浆液的质量和注浆压力、注浆量，尤其需要适当增加外弧侧的注浆量。必要时采用壁后二次注浆，应根据测量及监测分析，确定是否需要增加外侧注浆量。
11)重视测量，在小半径曲线段加密导线复测;对盾构姿态采用机载测量系统与人工测量相结合，相互对照、符合，确保“复站”效果;最后将对管片实际位置的人工测量由5环/次加密至2～3环/次。
2.5后期通过吊装孔打锚杆或注浆加固
主要针对富水的黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂等软土地层。
2.5.1锚杆或注浆加固施工
盾构设备通过后，由于开挖直径与管片外径亦即成洞直径之间有7cm(单侧、日本小松盾构)的空隙，尽管通过同步注浆在一定程度上可以弥补由于该地层缺失造成的围岩松动或地层应力重分布，但是并不能完全阻止小半径曲线段管片的轻微位移趋势，进而造成线路的微偏移。
经研究分析，在小半径曲线段，通过将位于每一块管片上的吊装孔打通，进行注浆锚杆打设或直接注浆(见图2)，单根注浆锚杆长度控制在隧道半径长度即3.1m左右，所注浆液采用具有凝固速度快、适合于富水地层的双液浆，注浆后固结体与锚杆形成整体，对小半径曲线段管片位移具有高效的抑制、阻滞作用。
在右线(R=310m)小半径曲线段采用普通的施工方法，左线(R=300m)小半径曲线段采用吊装孔打锚杆注浆加固方法，在进入小半径曲线段后以每25环(30m)设一个监测断面，以注浆后7、30d为监测期，隧道中线偏移，如表1所示。
由表1结果，可得如下结论:①采用该注浆加固方法后的左线较未采用该注浆加固的右线7d监测期隧道轴线偏移平均绝对值小1.03cm，30d监测期小1.4cm。②右线7～30d徐变偏移值为0.60cm，偏移率为15.1%;左线7～30d徐变偏移值为0.23cm，偏移率为7.8%。因此，加固后后期偏移值更小，偏移率更小。③每一断面加固都起到阻止隧道初期及后期偏移的作用。④对抑制小半径曲线段盾构隧道轴线偏移作用明显，效果显著。
2.5.2吊装孔封堵
吊装孔打通注浆完成后，需要及时、严格封堵，以免形成新的渗水通道。注浆或打设锚杆后，封堵通过注浆管盖、注浆管盖密封圈及注浆管密封圈实现(见图3)。
通过打设注浆锚杆来加固隧道洞身，在软土地层中加固效果较好、抑制轴线偏移作用明显。也可仅通过注浆而不打设锚杆来实现，则该施工类似于二次注浆，不同点在于通过注浆管实现柱状加固体，防止隧道洞身管片发生偏移。
3、轴线偏移问题及处理方法
1)管片拼装过程中，楔形环(左或右转弯)与标准环比例不当，导致盾构未能按设计线型掘进。解决措施:掘进前依据管片排版计算公式做好管片排版，并考虑一定的富余量。小曲线半径段楔形环与标准环比例不超过4∶1。
2)在小半径曲线上，盾构测量系统出现偏差，“复站”不及时，掘进时管片姿态实测不及时，导致偏差环环累积。解决措施:加强“复站”工作，通过人工联测、机载测量系统对实际管片姿态复核测量。
3)富水地层掘进时，盾构姿态控制不当，导致掘进轴线与设计线型出现偏差。解决措施:掘进指令下达值比设计轴线低5～10mm(预先考虑合理的上浮或偏移量)，并按小半径曲线的割线掘进，软弱不均地段，特别是地基加固造成软硬不均地段，通过调整超挖刀的开、收区域调整超挖量。
4、结语
通过加强施工准备、设备及管片选型、掘进过程中技术控制、后期通过吊装孔打设锚杆或注浆加固等多方面控制，从始至终确保小半径曲线段线路不发生明显偏移。为后续类似工程中设备选型、技术准备及措施的制定具有一定的借鉴作用。
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