双护盾TBM小半径曲线地铁隧道施工技术

双护盾TBM小半径曲线地铁隧道施工技术

作者：刘俊生

来源：《中国新技术新产品》2016年第18期

摘 要：青岛地铁2号线利津路站～台东站区间隧道处于两段小半径曲线内，曲线半径分别为350m和320m，隧道曲线半径几乎达到了TBM施工的极限转弯半径。为满足TBM施工中的曲线转弯半径需求和管片拼装质量，分析TBM隧道施工过程中，小半径曲线导致TBM卡盾、线路不符合设计要求和管片错台破损的施工风险，从设备选型及改造、施工工艺措施方面予以优化：（1）通过调整垫片垫高滚刀实现小半径曲线隧道扩挖；（2）选择合适的管片型号适应转弯半径；（3）合理的施工参数及工艺措施对掘进姿态控制的必要性。隧道施工结果表明，经过设备改造和施工工艺优化，达到了小半径曲线隧道TBM施工的质量控制目标。 关键词：青岛地铁；小半径曲线；TBM；施工技术 中图分类号：U416 文献标识码：A

由于在城市中建筑物较为密集的地段修建地铁，普通的施工工艺受地面上建筑物、城市道路、地质和水文条件、施工设备以及建设资金等因素的影响较大，随着设备技术的发展，近些年来，全断面隧道硬岩掘进机（TBM）在城市地铁中越来展现出其先进性。尤其是双护盾TBM，在地铁随带施工中实现掘进、管片拼装和出渣流水作业一次成洞，使隧道施工达到高质量、高标准和保安全的施工目的，其设备结构形式和施工特点受到施工单位的青睐。本文根据青岛地铁2号线隧道曲线半径和设备特性等因素，对TBM工法在青岛地铁小半径曲线施工中的应用进行研究总结。 1.工程概况

青岛地铁是国内首次将双护盾TBM运用至地铁施工，青岛地铁2号线一标03工区利津路站～台东站区间包括2段小半径曲线，曲线半径分别为350m、320m。利台区间由利津路站出发左转进入半径为350m的小半径曲线，起讫里程为YSK26+048.349～YSK26+102.963，总长54.614m。然后通过左转缓和曲线、直线、缓和曲线右转进入半径为320m的小半径曲线，起讫里程为YSK26+249.070～YSK26+589.028，小半径曲线总长339.958m。

区间隧道采用双护盾TBM施工，结构装配式钢筋混凝土管片，管片内、外直径分别为5.4m和6.0m，管片厚度300mm。 2.施工难点

2.1 隧道整体向弧线外侧偏移，轴线难以控制

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双护盾TBM在小半径曲线隧道掘进施工中，管片横向与线路的法线方向在水平方向上形成一定的角度，在辅推油缸的推力下向外产生一个侧向分力。管片脱盾尾后，受到侧向分力的影响，管片衬砌发生向曲线外侧偏移的趋势。

另外，由于双护盾TBM盾体外壳与管片外侧存在15cm空隙，在施工过程中，豆粒石不能做到同步回填，管片衬砌外侧空隙与填充回填方量不一致。如果存在空隙或豆粒石与水泥浆凝结体强度较低的现象，则小曲线半径的管片衬砌将在侧向分力作用下将向曲线外侧发生偏移。

2.2 地层损失增加

双护盾TBM在掘进线路为连续的折线，且掘进方向的外侧出渣量较大，这样造成掘进轴线外侧岩体损失，并形成不均匀受力空间。

在施工中调整设备结构形式和正常掘进参数的条件下，小半径曲线隧道掘进也会增大不均匀受力空间。曲线地铁隧道的底层应力损失的大小与双护盾TBM主机的长度密切相关；与直线隧道相比，双护盾TBM在曲线隧道施工中的地层应力损失，可能随着曲线半径的变小而增大。

2.3 纠偏量工作量大，对土体扰动的增加

由于双护盾TBM主机为2段直线形刚体，小半径曲线隧道施工中，盾体不能与线路曲线完全拟合。双护盾TBM掘进形成的小半径段隧道由一段段连续的折线组成，为了让连续折线与小半径段隧道轴线充分拟合，TBM掘进施工时需连续纠偏。曲线半径越小，TBM主机长度就显的越长，则纠偏量越大，纠偏效果越低。

掘进中的纠偏频率和纠偏量的变大，增加了对地层扰动，其结果就是延长了围岩的后期沉降时间。在小半径曲线隧道掘进时，如果地层的刚度和隧道的纵向刚度偏小，可能引起管片衬砌和外侧地层产生的较大位移，甚至发生较大范围的地层土体的扰动变形。 2.4 容易造成管片破损

双护盾TBM换步过程中需要辅推油缸对管片施加压力，以固定管片姿态，在一个换步过程中，尤其是在小半径曲线段上施工时，TBM盾体的姿态曲线变化较大，这就在辅推油缸靴板与管片之间产生一个向外的微小滑移趋势，在换步过程中导致管片局部受力过大而产生裂纹或破碎。

同时管片外侧豆粒石松散，可向外侧偏移挤压地层，使管片姿态和结构稳定受到影响，极易造成TBM的尾盾与管片卡壳及管片碎碎现象发生。 2.5 纠偏不及时极易造成TBM卡盾

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小半径曲线隧道均处于向左或向右转弯状态，鉴于TBM盾体的长度和隧道曲线半径，需要持续地保持掘进行良好地程差掘进施工，掘进司机如不能控制好掘进参数，需要频繁地纠偏，如果纠偏不及时，极有可能造成卡盾现象。 3.技术措施 3.1 掘进前起始状态 3.1.1 前盾的起始姿态

前盾到转弯处要由设计直线轴线过渡到曲线轴线。正常状态刀盘开挖直径为6300mm，前盾外径6240mm，前盾与洞壁单侧间隙为30mm，尾盾外径6150mm，盾尾与洞壁单侧间隙为75mm，经过计算不超挖的最小转弯半径为600m，如果涉及开挖曲线最小半径为320m，则前盾姿态调整有以下两种方法：①使用超挖刀，一次性调整好支撑盾与前盾间夹角；曲率半径为固定的320m。②不使用超挖刀，而曲率半径依次从600m递减到320m。 3.1.2 支撑盾的起始姿态

此时主推进缸处于收缩状态，内外伸缩盾处于重叠状态，此时前盾与支撑盾的夹角为θ。 θ=2×arcsin（w+t/R） 式中：

W——支撑盾起始测量点到撑靴中心距离（此数值为固定值由盾体结构决定）； L——在直线推进时前盾与支撑盾的初始测量长度（此数值为固定值由操作人员确定）； R——隧道的设计轴线曲率半径； 以向左转为例

此时的测定左侧距离传感器的测量长度为Lb： Lb=（R+a）sinθ-W

a——左侧传感器到盾体中心的距离

此时测定右侧距离传感器的测量长度值为Lr： Lr=（R+b）sinθ-W

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b——右侧传感器到盾体中心的距离 左右传感器测量长度差△L：

△L=Lb-Lr+（R+b）sinθ-W-（（R-a）sinθ-W）=（a+b）sinθ

结论：TBM换步时首先把前盾测量端面姿态与隧道的设计轴线垂直，中心与隧道的设计轴线相切，固定前度。然后调节盾尾姿态，盾尾姿态要以左右两侧传感器的位移差为依据。可采用主推油缸快速同步移动和慢速差动微调来保证两侧传感器的差值；按此差值可以保证在主推油缸初始状态下盾尾位置正确。 3.1.3 伸缩盾的初始姿态

外伸缩盾：外伸缩盾与前盾固定连接，姿态随刀盘和前盾变化。

内伸缩盾：与支撑盾铰接，通常状态下铰接油缸前后腔都有一定压力，这是内伸缩与支撑盾处于平行状态，由于内外伸缩盾间隙10mm，在小曲率半径条件下前盾与支撑盾由夹角θ，所以外伸缩盾与内伸缩盾会产生干涉。因此此时应对铰接油缸的工况进行调整，释放铰接油缸前后腔压力使内伸缩盾外伸缩盾浮动，消除相互干涉。 3.2 施工参数设定 3.2.1 掘进轴线预偏设置

在TBM掘进过程中，要加强对推进轴线的控制。曲线推进时TBM实际上应处于曲线的切线上，因此推进的关键是确保对TBM姿态的控制。

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，TBM掘进时给隧道预留一定的偏移量。根据理论计算和相关施工实践经验的综合分析，同时需考虑掘进区域所处的地质情况，在小半径曲线隧道掘进过程中，将设置使其向曲线内侧（圆心侧）预偏移30mm～50mm。施工中通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量，预偏量如图1所示。 3.2.2 TBM掘进参数选择 （1）严格控制TBM的推进速度

推进时速度应控制在3cm/min～ 4cm/min，降低因掘进推力过大而引起的向外分力的增大，减小TBM推进过程中对地层的扰动和纠偏量。另外，在小半径曲线段为避免辅推千斤顶对管片造成破损，可采取短行程多循环的掘进换步方式，可按照每30cm～50cm收缩主推千斤

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顶进行换步，使得辅推油缸对管片的侧向压力滑移的趋势降低，同时有助于TBM在掘进过程中的纠偏调向。

（2）严格控制TBM正面掘进力

必须严格控制掘进过程中的相关施工参数，推进贯入度、刀盘转速等。防止发生大方量的超挖，尽量减少掘进参数的大幅跳动。

（3）严格控制豆粒石的填充密度和浆液回填量

由于双护盾TBM在小半径曲线段隧道施工中，管片会受到向外侧的一个挤压分力，因此在小半径曲线段施工时应严格控制浆液回填量，确保盾尾段管片浆液回填总量到位。通过及时灌注水泥浆液，减少施工过程中的管片轴线偏移量。注浆量未达到施工要求时暂停推进，以降低管片轴线偏移。

根据施工中的变形监测情况，可增加盾尾段双液浆止浆环，从而有效地控制管片拼装轴线。

3.2.3 严格控制TBM纠偏量

TBM的曲线掘进实际上是处于线路的切线上，掘进的重点是确保对TBM的刀盘姿态控制，由于TBM曲线掘进时都在纠偏，必须跟踪测量，保证掘进行程差的前提下缩小纠偏量，确保转弯环的端面始终处于线路轴线的径向竖直面内。

通过计算得出在半径320m曲线转弯下每环TBM左右主推油缸的行程差需控制在28mm～33mm，通过利用TBM主推油缸行程差来控制其纠偏量。同时，分析管片的选型，针对不同的管片类型选用不同的行程差。在小半径曲线隧道掘进中，双护盾TBM的纠偏量控制在3mm～5mm/环。

3.2.4 盾尾与管片间的间隙控制

小半径曲线隧道的管片拼装质量尤为重要，而管片拼装质量的一个重要因素是管片的盾尾间隙。控制好盾尾间隙有助于管片拼装，也利于TBM姿态纠偏。

（1）在管片选型时，应根据盾尾间隙进行合理选择，使管片与盾尾间隙得以调整，便于下环管片的拼装，有助于管片隧道的成型效果拟合隧道设计轴线。

（2）根据盾尾与管片间的间隙，合理选择转弯环管片。小半径曲线段时，双护盾TBM的管片盾尾间隙变化主要出现在水平方向，管片转弯趋势跟随主机掘进方向，当主机转弯过快时，曲线外侧的管片盾尾间隙就相对较小；当管片因楔形量等原因大于掘进转弯形成差时，曲线内侧的盾尾间隙就相对较小。因此，当无法通过主推油缸行程差和管片拼装来调整盾尾间隙

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时，可考虑采用转弯环和标准环管片组合的方式适应盾尾间隙变化。另外，在小半径曲线隧道掘进过程中，将管片向曲线内侧预偏移20mm～40mm，增加管片拼装对盾尾间隙的适应性。 3.3 管片选型

本工程管片采用平板型单层管片衬砌、错缝拼装（局部通缝拼装），管片外径6.0m，厚0.3m，环宽1.5m，每环管片分6块，由封顶块（F），邻接块（L1、L2），标准块（B1、B2、B3）构成，管片分块组装方式采用3B+2L+1F。为满足直线段和曲线段施工和纠偏的需要，设计了有标准环和左、右转弯环，转弯环楔形量38mm，通过标准环与转弯环的各种组合来拟合不同的线路。 3.4 扩挖刀垫厚措施

TBM刀盘上安装有19寸扩挖刀，在进行扩挖施工时在边刀刀座与滚刀之间增加垫片，使边刀外伸以达到扩挖的目的。通过加垫法把边刀垫高，推动C型嵌入座外移，来实现超挖，边刀垫后尺寸见表1。

在进行扩挖施工时，首先将刀盘适当后退，在已经开挖的掌子面洞壁处用风镐或其他工具开挖出安装新刀空间，安装扩挖施工的刀具。利用电机驱动系统缓慢转动刀盘，以较慢速度转动刀盘，利用新安装的刀具扩挖洞壁，扩挖完成后开始进行推进作业。推进时，要用小推力缓慢推进，直到新刀已扩挖出一定距离，设备运行平稳后，方可正常操作掘进。在安装新刀扩挖时，刀盘转速和推进力不要过大，防止新刀的损坏。

扩挖施工时要注意启动和推进作业，严格按照扩挖施工程序进行，避免启动过猛或推进过快造成新安装刀具的损坏。 3.5 及时注浆

管片背后回填注浆对减少地层变形和维持管片稳定起着重要的作用，也是控制地面建筑物和管线沉降变形的有效措施。因此小曲线半径隧道掘进施工时，应密切关注TBM掘进和注浆的综合影响，按比例拌合水泥单液浆，并在合适位置进行管片背后注浆，同时加强地面监控量测。

3.6 TBM测量与姿态控制

TBM的测量是确保隧道轴线的根本，在小曲率半径段对TBM的测量尤为重要。 在小半径曲线段掘进时，应适当提高隧道测量的频率，通过多次测量来确保导向系统数据的准确性。同时，可以通过测量数据来反馈TBM的掘进姿态和纠偏。

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由于隧道转弯半径较小，隧道内的通视条件相对较差，因此必须多次转站、设置新的控制点和后视点。在设置新的全站仪控制点后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，防止造成误测。同时，由于管片小半径转弯的侧向分力较大，可能造成管片衬砌的水平移动，所以必须定期复测后视点，保证其准确性。

由于线路的急转弯，间距5-15环布置测量支架，每推进5环复测一次导线点。TBM掘进进采用自动导向系统，推进时每30s自动记录一次TBM姿态。

TBM主机组装后，应进行TBM纵向轴线和径向轴线测量，其主要测量内容包括刀盘、前盾、中盾和盾尾姿态测量；TBM外壳长度测量；TBM刀盘、盾尾的直径测量；以及盾尾的椭圆度测量。TBM掘进时姿态测量应包括其与线路中线的水平方向、高程、纵向坡度、滚动角的测量。

3.7 监控量测及信息反馈 （1）跟踪监测

在小半径曲线段施工时加大人工监测频率，在TBM后配套通过后对隧道管片姿态随时跟踪监测，把信息及时反映给TBM操作人员，以便根据管片变形程度调整掘进参数。

（2）针对该区间隧道沿线的建（构）筑物及地下管线设施，结合TBM掘进施工中引起地面沉降的机理采用如下监测内容：①地表环境沉降监测：地表沉降地下管线沉降和建（构）筑物沉降；②在建隧道沉降监测。 4.施工效果

本段双护盾TBM施工的小曲线半径隧道，在国内地铁施工中尚属首例，该段小曲线半径隧道对设备的适应性和施工技术管理水平提出了严苛的考验，在采取了本文所述的措施后，利津路站～台东站区间隧道贯通后，整条隧道轴线均控制在-50mm～50mm范围之内，TBM小半径曲线施工成型隧道符合验收标准，平均错台控制在1cm以内，管片破损和漏水部分较少，地表沉降控制在-15mm～0mm范围之内，各项指标达到优良工程标准，很好地完成了这一重难点的施工任务。 5.结论与建议

（1）在双护盾TBM小半径曲线隧道施工中，既有和一般的隧道掘进相同的一面，又有其特殊性，我们要着重研究和控制它差异的一面。

（2）在双护盾TBM小半径曲线隧道施工中，要抓住隧道轴线曲率大半径小、盾体姿态难以控制的特点，选择好盾体掘进姿态，使用好扩挖刀，要在更小更严的纠偏幅度中进行各种参数优化。

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（3）在双护盾TBM小半径曲线隧道施工中，针对TBM管片易向隧道轴线外侧偏移的特征，最好使用双液浆作为同步注浆。当采用惰性浆时，要做好轴线预偏及二次注浆工作，加强监测，进行动态管理，信息化施工。 参考文献

[1]陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术[J].隧道建设，2009（8）：98-99.

[2]张颖，李铭军，何肖健.小半径曲线盾构隧道设计及施工新技术[J].都市快轨交通，2010（10）：128.