大直径主动铰接盾构小曲线下穿地铁施工技术——以长春市地铁6,号线为例

姜超

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州 072750）

我国城市轨道交通建设迅速发展，地铁线路和里程数不断扩增，盾构隧道穿越复杂地层和既有建、构筑物的工程越来越多。在隧道修建过程中，盾构隧道在穿越既有轨道交通结构时会引起施工与既有结构周围的土体移动［1-4］，引发既有轨道结构的附加变形与内力，进而引起轨道交通线路的变形等破坏，最终破坏轨道、影响城市轨道交通的正常运营［5-7］。本文以长春市地铁6 号线隧道施工为例，探究主动铰接盾构小曲线下穿地铁施工技术的施工重点和难点，讨论该技术的控制措施和安全性能的提升方式，为在隧道地铁掘进施工中完善主动铰接盾构施工技术提供可行性建议。

如图1 所示，长春市地铁6 号线为连接城市南部的东西向填充线。本研究中的地铁站为长春市城市轨道交通6 号线工程的第6 座车站。

图1 长春市城市轨道交通6 号线工程线路图

1.1 站址环境

车站北侧为欧亚卖场、公交停车场、飞跃啤酒街及南部污水处理厂。车站南侧为伟业星城、飞悦经典等楼盘。车站设于飞跃路下，飞跃路北侧为欧亚卖场及飞跃啤酒街，南侧的伟业星城和飞悦经典小区规模大、住户多。车站周边用地规划如图2 所示，图中圆圈代表用地规划范围。

图2 周边用地规划图

1.2 地下管线

根据已提供的管线资料，飞跃路南侧有DN400砼雨水管、埋深1.1 m，DN800PVC中水管、埋深1.87 m，DN300PE输配水管、埋深2.01 m。附属施工期间上述管线均临时搬迁，施工结束后原位复位。飞跃路北侧道路下方有DN600 砼污水管、埋深2.80 m，DN1000砼雨水管、埋深2.34 m，位于车站附属上方；
上述管线均考虑临时改迁，施工结束后原位复位。

1.3 车站总平面布置

如图3 所示，1 号、2 号出入口位于飞跃路北侧欧亚卖场前停车场内，临近欧亚卖场20 号门，分别预留与欧亚地块连接的商业接口。3 号、4 号出入口，1 号、2 号风亭及消防专用出入口均设于飞跃路南侧绿化带及地面停车用地内，临近伟业星城住宅区，风亭口远离红线边与出入口对齐设置。

图3 总平面图

2.1 轴线偏差控制

在大盾构施工过程中将盾构机的转弯半径设置为550 m，是在以往的隧道掘进施工工程中难度极大的施工设计。由于铰接设备需要密封以保证施工安全，且需要盾构机的铰接油缸长度数量设计误差保证在一定范围，因此，轴线偏差控制是施工中的难点和关键点。

2.2 管片拼装控制

在本次工程施工中所使用的管片为通用环。通用环管片的大小要求盾构机的使用位置和间隙大小保持在同一差距，因此，应避免管片发生错位，进而影响施工进度。

2.3 地铁沉降控制

本次施工的地铁段在长春市人流量非常大的位置，使用率极高，因此，在掘进施工中必须考虑到地铁沉降可能产生的不安全不稳定因素。为保证施工安全和地铁使用安全，在施工需要对该段工程的地表进行施工加固，控制地铁沉降。

2.4 管片上浮危害

根据地勘资料以及施工期间补勘资料，对本盾构区内的地质情况进行分析，确认隧道穿越的土层性质为粉质黏土，结合以往施工经验进行判断，可预见盾构施工时，会出现管片上浮情况，并引发管片错台、破裂、渗漏水等现象。

3.1 管片点位选择计算

在盾构机进行施工操作的过程中，必须要保证盾尾间隙的大小。盾尾间隙的大小是由管片的位置和距离决定的，这就要求在管片安装时应严格按照设计施工要求进行操作。在选择管片点位时，根据公式计算［4］：

式中，C为楔形量，W为固定值管片环宽，D为固定值管片外径，R为曲线半径。假设R为600 m，通过计算可得C=22.67 mm。

由计算结果得出，在实际施工操作过程中，连续进行拼装反总楔形量值会增大。因此，结合油缸行程距离和盾尾间隙大小，还需要选择其他的管片点位。本工程设计的盾构机共有19 根推进油缸，对于F 块19 个管片拼装点位，根据公式（1）可以计算出这19 个拼装点位对应的楔形量。

计算结果表明，将拼装点位选择在13#、14#、15#、16#、17#、18#油缸，能满足R=600 m，左转曲线管片楔形量-22.67 mm 的要求。但连续选择这几个点位拼装，其综合楔形量会超过-22. 67 mm。实际拼装过程中，F块多选择在这6 根油缸，再综合盾尾间隙和推进油缸形程差，通过其他点位拼装补偿，保证盾尾间隙均匀，减小推进油缸的行程差，保证盾构机在小曲线段顺利拼装掘进。

3.2 掘进模式的选择

根据公式：

式中，δ 为管片位移量，p为土体对管片侧面的附加应力，ζ 为变形系数，T为盾构机推力的反作用力，R为转弯半径。

可得：①管片位移与盾构机的推力呈正相关关系。②管片位移与转弯半径大小呈负相关关系。因此，为了避免在掘进过程中管片的位置发生位移，需要适当减少盾构机的推力，增大转弯半径，以控制管片位置。

在盾构机下穿地铁6 号线前取相同地层50 m作为试验段进行试掘进，详细记录分析掘进参数与地面沉降情况。根据试掘进情况，秉承“少扰动、快通过”的原则确定掘进参数，见表1。

表1 掘进参数

3.3 施工沉降控制应用分析

如图4 所示，在盾构施工过程中，由于开挖施工、盾构机通过隧道、后期投入使用等原因，可能发生沉降。为避免在施工和使用过程中发生沉降，除了通过地表加固，还需要在掘进施工过程中对隧道进行加固措施。

图4 盾构施工沉降

（1）在施工开始时期，沉降发生在盾构机刀盘不远处。由于地表土层和岩石层质地较软，在掘进施工时，盾构机的运行导致地层不稳出现沉降现象。为避免施工早期产生沉降现象，需要提前对地表和掘进施工通道进行加固。

（2）在开挖施工时期，由于对盾构机的土舱控制不足，掘进开挖过度超量，可能导致沉降现象。

（3）在盾构机通过时期，可能会发生沉降现象。这是由于用来开挖的刀盘位于盾构机的前方，刀盘的直径略大于盾身直径，在盾构机通过时尺寸大小不一导致的空隙不能及时填充。因此，在盾构机通过时应当对盾构机进行精准把控，采用特殊黏土材料替代传统的注浆进行空隙填补。

（4）在施工过程中，管片问题也会导致沉降现象的发生。这主要是因为在盾构机尾部通过时，头部较宽，尾部较窄，安装在盾构机尾部的管片位置容易发生移动，若管片的位置离开超过一定范围，则填补间隙的特殊黏土材料不能及时补充，因而导致沉降现象的出现。因此，为避免此种情况，应当在掘进过程中固定管片位置，同时对空隙填充物进行及时补充，并精准控制填充物配比，缩短凝固时间。

（5）在盾构机通过后，也会产生沉降现象。这时发生的沉降是由于盾构机脱离掘金通道一段距离后，注浆填充物发生凝固收缩，对地表产生不稳定因素所导致的。因此，应当提升空隙填充技术，采用锚杆注浆技术来减少对地层的影响，保障工程施工安全和使用安全。

3.4 同步注浆控制机理

同步注浆的主要目的是在管片脱出盾尾的过程中对盾尾空隙进行及时有效的填充，从而减少对地层的扰动。因此同步注浆的压力、注浆量、同步浆液初凝时间以及结实率等都会对既有隧道的变形产生影响。盾构下穿施工其实是新建隧道、夹层土体（夹层土指的是新建隧道与既有隧道之间的土层）、既有隧道共同作用的问题，三者形成了一个复杂的系统。新建隧道施工对既有隧道的影响，是通过开挖引起的周边土体的位移场以及周边土体应力场的改变，间接施加在既有隧道上的。同样，既有隧道的存在也会通过应力场的改变来对新建隧道产生影响，如图5 所示。盾构施工是扰动来源，夹层土体是传播介质，既有隧道是受影响对象，作为中间介质的夹层土体，其属性比如中间土层的性质、土体厚度等都是影响既有隧道变形的重要因素。

图5 盾构、土体、既有隧道的共同作用

3.5 其他措施

在盾构施工过程中，有以下施工操作要点和难点需要注意：

（1）盾构机掘进施工至预计产生影响的范围前，管理技术人员需要再次确认盾构施工方案，同时要对实际操作人员强调操作要点和难点以及安全注意事项，完成施工前的刀具检查更换、传感器检查更换等检查工作，保证施工的顺利完成。

（2）在盾构机通过影响范围时，要注意盾构机的稳定性，掘进误差不得大于3 mm，避免因盾构机不稳定造成的消极影响。

（3）在掘进施工过程中要加强监测，利用现代化的工程设备实现自动化监测，同时也要安排专业的施工检测人员监测管片状态，实时进行结果反馈。

在本文中的地铁工程施工过程中，正确选择管片位置进行安装，采取地表加固和隧道内加固的措施防止沉降，同时在掘进施工过程中保证盾构机的平稳推进，合理控制，多方面的密切配合才使得6号线地铁工程顺利完工。与此同时，施工过程中的实时监测对于工程顺利施工起到非常重要的作用。本次工程采用了大直径主动铰接盾构掘进技术进行施工，成功完成工程项目的要求，也为其他类似工程施工方案和操作提供借鉴。