滨海软土地层小半径曲线大坡度盾构施工方法

摘要

本发明公开了一种滨海软土地层小半径曲线大坡度盾构施工方法，本发明施工方法包括以下两大步骤：轴线控制措施、管片位移控制措施，其中在轴线控制措施中需先进行盾构机预纠调整，设置超挖刀，选择合适的管片，进行管片纠偏，在管片位移控制措施中需进行盾构姿态的预纠，减小总推力，设置注浆孔位，最后在掘进过程中及时对管片螺栓进行复紧，本发明方法从各方面全面地阐述了在滨海特殊软土地层中，盾构轴线控制和管片控制措施及方法，从而达到精细化施工的目的，提高盾构隧道施工质量；同时本方法对类似地层及条件下盾构施工提供了指导性意见和参考依据。

说明书

技术领域

本发明涉及地铁施工技术领域，特别涉及一种在滨海软土地层进行小半径曲线大坡度盾构的施工方法。 

背景技术

宁波地铁1号线二期工程共有1站2区间：邱隘站，邱隘站~东环南路站区间，邱隘站~U型槽区间。对于正在施工的邱U盾构区间，穿越地层主要为宁波东部滨海软土地层，并且掘进线路为小半径曲线（R=350M）、大坡度(28‰)。盾构施工难题：（1）由于宁波滨海软土地层主要为：淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土夹粉砂层；土体含水量大、灵敏度高、强度低、流塑性大、土体工程性能差，受到施工扰动后固结时间长。在软土地区进行盾构施工犹如“在豆腐里打洞”，这对盾构施工质量带来了难度，管片极易出现破碎和渗漏水；且盾构施工中，易引起盾构机及管片上浮，姿态难以控制，施工起来比较困难。（2）盾构机本身为直线形刚体，而隧道设计线性为曲线，折线与小半径曲线难接近吻合,拟合难度大，大坡度隧道施工对管片轴线控制较为不利。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的缺点，提供一种在滨海软土复杂地质、小曲线大坡度条件下进行盾构施工的方法。 

盾构在滨海软土地层施工过程中，为做到精细化，须从盾构推进和管片拼装上同时控制：即（一）、推进时控制好各种盾构参数；（二）、管片拼装时严格控制内弧面平整度，避免错台错缝。本专利主要从盾构推进上对盾构精细化施工进行解析阐述。 

盾构推进上各道关键工序主要为：（1）土压力控制（2）总推力和掘进速度控制（3）出土量控制（4）同步注浆量控制（5）壁后补压双液浆（6）盾构轴线控制（7）管片位移控制。总体而言，对于盾构推进中土压、推进速度、出土量等为常规控制项目，本文主要是针对两大要素——盾构轴线控制和管片位移控制来进行论述。 

本发明的技术方案是：一种滨海软土地层小半径曲线大坡度盾构施工方法，该盾构施工方法的关键工序包括:土压力控制工序、总推力和掘金速度控制工序、出土量控制工序、同步注浆量控制工序、壁后补压双液浆工序、盾构轴线控制工序、管片位移控制工序，所述的盾构轴线控制工序及管片位移控制工序还包括如下技术特征。 

（1）轴线控制措施 

①盾构机预纠调整 

    盾构机司机须根据地质情况和线路走向趋势，使盾构机提前进入相应地预备姿态，减少之后因不良姿态引起的频繁纠偏，同时掌握好左右两侧油缸的推力差，200T以内，尽量地减小整体总推力，实现慢速急转；

②超挖刀的设置

    根据隧道设计轴线情况，当需要调整垂直或水平姿态时，允许打开超挖刀对指定某一范围土体进行超挖，超挖量越大，曲线施工越容易；这是因为盾构机不容易出现卡壳现象，且容易实现转向；另一方面，超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面，加上超挖后推进反力减小，会引起隧道变形增大的问题。因此，超挖量应控制在超挖范围的最小限度内。超挖刀伸出角度系统设定时设置在需要进行纠偏的区域，例如上半环或下半环，设置原则：超挖量一般不超过地层损失率的1.5‰，引起地表沉降单单日不超过3mm；

③管片型号选择

    大坡度、小半径曲线中变坡、转弯的管片选型主要依据是线路轴线，故管片的选型在大坡度、小半径曲线上须选择较多的对应的纠偏值的管片点位，须预先选择合理管片点位纠偏，以满足盾构千斤顶的行程要求使盾构机调整到一个良好掘进方向上，例如：当盾尾间隙右侧较小，而盾构机法面左侧超前量不够时，可根据情况在K2～K7中选用一环左超管片；

区间管片采取错缝拼装，拼装点位有16个；

④管片纠偏

取圆曲线的半径为R，管片的环宽为W，管片环所对应的圆心角为α，隧道半径为r；每环所需的超前量计算推导如下：

管片超前量： 

根据上述公式可以计算出半径R曲线下，平均每环管片所需的超前量，再根据设计轴线的总超前量之和，采用满足曲线转弯要求的管片组合即可；

    理论盾尾间隙为25mm，在大坡度和曲线段掘进时，盾尾上、下、左、右间隙随掘进方向是不断变化的，盾构掘进过程中采取选择不同的管片点位来进行纠偏的方式，控制盾尾间隙，盾尾间隙一旦过小，就会拉裂管片，造成管片破碎、渗水。

（2）管片位移控制措施 

①盾构姿态的预纠

盾构进入缓和曲线段时，将盾构机姿态往曲线内侧，靠圆心侧偏移2.0～3.0cm，形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片的往曲线外侧，背圆心侧的偏移；

②减小总推力

    管片在长时间承受千斤顶水平分力的情况下，管片会向外侧整体移动；

小半径曲线掘进管片位移量可用公式表达：

T：盾构机推力的反作用力     P：土体对管片侧面的附加应力

R：转弯半径   ：变形系数     

由上式得知：当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大，当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大，故掘进过程中须合理控制盾构总推力；

③合理设置注浆孔位

    在管片偏移的方向进行二次注浆填充空隙加固土体，固定和挤压管片以抵抗管片的偏移；注浆的位置选择要看管片位移的方向确定，一般在管片位移的一边注浆为宜，这样可以抵抗管片水平和垂直偏移；

④掘进过程中及时对管片螺栓进行复紧 

每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下一环推进时进行复紧，克服作用于管片上的推力所产生的垂直分力，减少造成管环隧道的上浮，每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次；每块管片都是通过螺栓与周围管片连接，当管片受到上浮力作用时，会通过螺栓孔壁将上浮。

本发明的有益效果是：本发明方法从各方面全面地阐述了在滨海特殊软土地层中，盾构轴线控制和管片控制措施及方法，从而达到精细化施工的目的，提高盾构隧道施工质量；同时本方法对类似地层及条件下盾构施工提供了指导性意见和参考依据。 

具体实施方式

实施例：以本区间邱U区间左线举例进行详细说明： 

选取邱U区间盾构推进施工过程中的一段，线型为右转R=450半径曲线，盾构机所处地层为②3层淤泥质粉质粘土和③1层粉土夹粉砂，覆土埋深为12m。当时盾构姿态平面偏差：切口20mm，盾尾-40mm；垂直偏差：切口35mm，盾尾106mm。前一环管片选型为K5。

为适应滨海软土地层盾构施工，便于盾构机姿态控制和纠偏，盾构机设备出厂前，配备较为先进的铰接系统。 

（1）轴线控制措施 

①盾构机预纠调整 

盾构机所处地层为②3层淤泥质粉质粘土和③1层粉土夹粉砂，线型为右转半径为450m小半径曲线，盾构机司机须根据②3层和③1层易上浮和姿态内侧控制的原则，提前在姿态控制在轴线下方-20～-30mm，水平偏右30mm，减少之后因不良姿态引起的频繁纠偏，同时掌握好左右两侧油缸的推力差，控制在150t左右，实现慢速急转；

②超挖刀的设置

    由于当前地层原因，盾构机和管片上浮情况比较严重。根据当前盾构姿态情况，盾尾垂直偏差已超过+100mm。因此，可在盾构机下半环135°范围内开启超挖刀； 

③管片型号选择

当前为右转R=450m小半径曲线上施工，而经现场测量法面时发现，盾尾间隙左侧较小，管片左侧超前量不够，可选用一环左超管片。而为遏制管片上浮趋势应选择一环上超管片。结合上述条件，遵循合理选择管片点位进行纠偏的原则，故可在下一环管片选型时选择K7，以满足盾构千斤顶的行程要求使盾构机调整到一个良好掘进方向上。 

本区间管片设计为错缝拼装，拼装点位有16个，下表为16个点位各自的纠偏量： 

④管片纠偏

由于线路为右转R=400半径曲线，实施时即沿半径R=400 m的曲线每前进1.2 m，需要18.6 mm的超前量以抵消因曲线所产生的内外弧长差； 

取圆曲线的半径为R，管片的环宽为W，管片环所对应的圆心角为α，隧道半径为r；每环所需的超前量计算推导如下：

      R=400m管片超前量：

根据上述公式可以计算出R400曲线下，平均每环管片所需的超前量，再根据设计轴线的总超前量之和，采用满足曲线转弯要求的管片组合即可。

理论盾尾间隙为25mm，在大坡度和曲线段掘进时，盾尾上、下、左、右间隙随掘进方向是不断变化的，盾构掘进过程中采取选择不同的管片点位来进行纠偏的方式，控制盾尾间隙，盾尾间隙一旦过小，就会拉裂管片，造成管片破碎、渗水。 

（2）管片位移控制措施 

①盾构姿态的预纠

盾构进入缓和曲线段时，将盾构机姿态往曲线内侧，靠圆心侧偏移2.0～3.0cm，形成反向预偏移，这样可以抵消之后管片的往曲线外侧，背圆心侧的偏移；

②减小总推力

    管片在长时间承受千斤顶水平分力的情况下，管片会向外侧整体移动；

小半径曲线掘进管片位移量可用公式表达：

T：盾构机推力的反作用力     P：土体对管片侧面的附加应力

R：转弯半径   ：变形系数     

由上式得知：当盾构机的推力越大时管片侧向位移也越大，当掘进的转弯半径越小时管片侧向位移也越大，故掘进过程中须合理控制盾构总推力。在盾构机能保证设定土压力和姿态可控的情况下，尽量减小总推力。在本段线路上盾构掘进时，覆土埋深约12m，总推力根据推进经验控制在800～1000t； 

③合理设置注浆孔位

    在管片偏移的方向进行二次注浆填充空隙加固土体，固定和挤压管片以抵抗管片的偏移；注浆的位置选择要看管片位移的方向确定，一般在管片位移的一边注浆为宜，这样可以抵抗管片水平和垂直偏移。在本段右转R=450m小半径曲线上施工时，一般选择在管片左半环进行注浆；

④掘进过程中及时对管片螺栓进行复紧 

每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下一环推进时进行复紧，克服作用于管片上的推力所产生的垂直分力，减少造成管环隧道的上浮，每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次；每块管片都是通过螺栓与周围管片连接，当管片受到上浮力作用时，会通过螺栓孔壁将上浮。