中铁十局集团第二工程有限公司 河南省郑州市 450000
摘要：目前，国内采用盾构法施工的隧道越来越多。对于一般直径盾构所产生的地面沉降规律和土体扰动规律以及影响范围，国内外己有不少这方面的研究，但针对中小直径盾构的研究较少。目前城市建设环境复杂，线路设计中受到影响因素较多，小半径曲线隧道不可避免。地下工程施工中，没有任何事情是千篇一律的，地质情况、盾构机选型及人员操作决定了整个工程的成败，本文结合郑州地区实际情况下，搜集施工中的第一手资料，总结特定条件下的施工经验，为小半径电力隧道施工提供借鉴和参考。
关键词：小半径；电力隧道；设备改造
Abstract：at present，there are more and more tunnels constructed by shield method in China.There are many researches on the ground settlement and soil disturbance caused by the general diameter shield at home and abroad，but there are few researches on the medium and small diameter shield.At present，the urban construction environment is complex，the line design is affected by many factors，small radius curve tunnel is inevitable.In the underground engineering construction，nothing is the same.The geological conditions，shield machine selection and personnel operation determine the success or failure of the whole project.Combined with the actual situation of Zhengzhou area，this paper collects the first-hand information in the construction，summarizes the construction experience under specific conditions，and provides reference for the construction of small radius power tunnel.
Key words：small radius，power tunnel，equipment transformation.
1、引言
在我国，盾构隧道用于电力电缆的敷设还只是近10年的事，随着城市电力需求的快速增长，供电负荷越来越高，线路愈加密集，中小直径电缆隧道已经逐步显现出了取代传统架空线路的趋势，是我国未来城市发展的方向。
2、工程简介
本工程为若水～呈祥220千伏线路工程的二标段起止桩号为K0+806.11～K4+230.13，标段全长3424.02m，全线采用盾构法施工。小曲线半径掘进主要集中在1#盾构检查井～2#盾构检查井区间，掘进埋深在16～24m之间，处于粉细砂、粉土、粉质粘土地层中。
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图1 线路走向示意图
3、施工要点
隧道线路由众意路和朝阳路交叉口起，平行朝阳路并于其南侧向东走线，沿途下穿龙湖、如意湖人工运河2次、下穿既有地铁4号线后，线路左转向东北，继续平行朝阳路走线至朝阳路与北三环路口，区间线路左侧主要为市政主干道，右侧主要为在建、已建小区。
盾构隧道内直径为3.5m，外直径为4.0m，区间最小曲线半径300m，施工过程中轴线较难控制，管片安装质量控制难度大。
4、设备的适应性改造
4.1.设备改造前外置式同步注浆管布置
1.盾构机尾盾上布置的注浆及油脂管路采用外置式。每根注浆管设置有观察窗，利于清洗、维修。注浆管在圆周方向上一共布置了8根，其中2用6备。
2.盾构机自身尺寸：刀盘直径4170mm、前盾直径4160mm、中盾直径4160mm、尾盾直径4150mm，外置注浆管4组高度55mm，外置盾尾油脂管5组高度55mm（局部4150+55*2=4260mm）
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图2 盾尾外置注浆管及油脂管布置图
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图3 盾构机主机结构及直径参数图
4.2.设备改造前推力过大原因分析
1）盾构掘进推力判断
始发井至1#检查井区间里程为K0+815.910～K1+366.150（长度550.24m），隧道沿线地层构成以第四系冲洪积成因的粉土、粉质黏土、砂土及地表的堆填土为主，掘进埋深在10～14m之间，地下水位8～9m。
盾构始发后15环后掘进推力达到11000KN，掘进100环推力达到14000KN。掘进100～200环推力稳定在14000～15000KN。
盾构机设计推力16500KN，最大推力18620KN，15000/16500=91%，15000/18620=80.5%。
盾构掘进推力超出理论计算值9000KN及邻近标段相同地质情况推力10000KN约50%～66%，属不正常推力掘进。
2）盾构机掘进推力大原因类比分析
第1～100环属分体始发阶段，考虑分体始发液压系统流体压力损失情况，出现虚压情况导则推力显示略大于实际推力。
第120～250环分体始发完成，属正常掘进阶段，盾构机推力值达到15000KN，推力较大。
考虑地质情况为粉砂层，会引起粉砂土包裹盾构机摩擦力增大情况，采用盾构掘进时注入盾壳膨润土润滑掘进200～250环，推力明下降，推力稳定在13000～14000KN。
根据以上情况考虑粉砂土包裹盾构机影响因素较小，综合盾构机主机结构分析，刀盘直径4170mm＜盾尾直径4260mm，刀盘小于盾尾，盾构开挖自己较小，形成“头小尾大”锥形盾构结构，掘进过程盾构机靠挤压外部土层扩径进行掘进，正面推力较大。
针对“头小尾大”锥形盾构结构，尝试增大盾构机开挖直径掘进，增大开挖直径方式为开启刀盘超挖刀。
超挖刀超挖量以5mm为一级进行增大，每级掘进不少于20环收集掘进数据进行分析。
表2 盾构超挖量与掘进推力统计表
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根据实际超挖刀使用情况掘进推力及地面沉降情况统计，类比邻近标段三标日系小松外置式同步注浆盾构机粉砂地层掘进推力9000～11000KN，分析其盾构机主机尺寸结构，刀盘直径4160mm，中前盾4150mm，盾尾4150mm，内置盾尾油脂管，外置注浆管4组高度40mm。分析结果：盾构掘进推力较大原因为盾尾直径过大，刀盘开挖直径较小。
4.3.盾构机针对性改造
1）盾构外置注浆管改造
管片外径4000mm，盾尾内径4050mm，盾尾间隙不满足盾构同步注浆管内置盾尾间隙位置。
盾尾外径4150mm，盾尾厚度50mm，原设计不考虑注浆管放置盾尾结构内原因：4道盾尾注浆内置盾尾壁内影响整体盾尾受力易变形。且改造成内置壁需解体盾构机，吊出盾尾，现场施工条件不满足改造要求，且改造时间较长约3个月。
2）盾构开挖直径改造
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图4 盾构机刀盘结构图
根据刀盘超挖量与掘进推力统计情况显示，结合设计院进行数据分析刀盘超挖量为30mm时，盾构推力较为合理。
刀盘外径4170mm，超挖量300mm，即需要刀盘直径4200mm。
因改造刀盘刀圈需解体吊出，现场施工条件不满足改造要求，且改造时间较长约2个月，直接改造盾构机刀盘保径刀，将每把保径刀加大1.5mm，共计12把，施工时间约5天。
刀盘改造在1#检查井盾构接收后进行，现场历时4天，改造后实测盾构刀盘直径4201mm。后续掘进埋深15～24m粉砂地层推力参数为10000KN～12000KN，为后续穿越运河，地铁做好设备保证。
5、小半径曲线段施工
小曲线段盾构推进时，根据推进速度、出土量和地层变形的信息数据，及时调整各种施工参数，以期在尽量短的时间内将施工参数和管片成形轴线拟合调至曲线推进的最佳状态。
5.1.盾构机配置
选用主动铰接式土压平衡盾构机进行隧道掘进，盾体最小转弯半径250m。在掘进配置上配备1把可伸缩局部超挖的超挖刀。最大超挖45mm。在小曲率曲线上充分利用“铰”和超挖的作用，使盾构铰调整到曲率半径技术参数内，利于曲线段的掘进。
铰接缸的作用是可以更好的控制盾构姿态，使盾构能够很好的适应蛇行前进，特别是更好的适应曲线掘进。主动铰接系统由铰接油缸及控制阀组组成，泵源为高压定量泵，系统设定工作压力为350bar。
铰接油缸成周向分布，共分为四组进行控制，调整时四组全部动作，转弯方向一侧油缸缩回，另一侧伸出，由程序控制。控制阀组设有平衡阀和双向溢流阀，既保证铰接缸能够长时间锁紧，又保护机械结构。
铰接油缸行程为160mm。铰接系统需在盾构掘进模式且刀盘旋转的情况下才能够运行。铰接的控制点位铰接的动作范围如图：
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图5 铰接的动作示意图
铰接的动作范围如下：
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图6 铰接的动作数值图
1.上下动作铰接最大行程差19mm（同角度0.5°）以内时，左右动作铰接最大行程差72mm（铰接角度1.2°）。
2.左右动作铰接最大行程差36mm（铰接角度0.6°）以内时，上下动作铰接最大行程差为39mm（同角度1.0°）。
3.上图中的并集部分为铰接的活动范围。
4.在曲线施工的操作中，如超出上述的范围时，连锁机构启动，这时只能进行回直操作。
5.铰接量和曲率半径的关系（如图）
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图7 铰接量和曲率半径的关系铰接的动作数值图
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：左右铰接的角度（°）
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：上下铰接的角度（°）
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：左右检测铰接油缸的中心距（mm） 3459mm
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：上下检测铰接油缸的中心距（mm） 2234mm
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：左右检测铰接油缸的行程差（mm）
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：上下检测铰接油缸的行程差（mm）
6.行程限制
铰接油缸限制最小40mm，最大130mm。
5.2.管片优化排版
根据设计曲线及地质情况，为保证隧道结构质量及盾构沿设计轴线推进，在小曲线线路掘进采用1.2m管片作为隧道结构管片。减少每环掘进纠偏量，防止盾构纠偏量大引起偏压而损伤隧道结构管片；减少每环掘进量减小施工掘进操作难度，确保施工质量及安全。
5.3管片质量控制
在盾构小曲线半径掘进时，为实现每环掘进偏移量，盾构掘进时推进油缸推力左右存在偏压现象。压力较大一侧对管片挤压力偏大，为避免管片出现挤压破损现象，需加强管片质量控制。
1）管片生产质量管控
严格控制管片生产过程钢筋骨架尺寸及混凝土浇筑质量控制。管片钢筋骨架入模控制保护层间距符合规范及设计要求，保护层进行出厂前监测，严格控制误差在-3～+5mm以内。
2）管片进出场验收
管片出厂检验外观质量，混凝土抗压强度和抗渗压力应符合设计要求。表面平整，无缺棱、掉角、麻面和露筋方可进场。
3）管片纠偏拼装控制
管片拼装点位选择及纠偏量控制，半径300m曲线理论1.2米每环掘进左右行程差为49mm，1.2米管片楔形量为38mm。拼装采用错缝拼装，每环左右掘进行程差控制在23mm左右。
5.4.管片防水控制
1）结构管片采用C50混凝土，抗渗等级P12。
2）管片接缝密封垫沟槽内设置密封垫，通过被压缩挤密能实现防水。密封垫粘贴前，先清理沟槽灰尘且保持沟槽干燥。吊装孔用带逆止阀和螺旋盖的注浆螺旋管密封。
3）管片外防水采用壁后注浆及时填充管片与围岩之间的间隙，以达到防水及控制地层沉降的效果。
5.5.小曲段“先进后出”预纠偏及预纠偏控制
1）小曲段“先进后出”掘进线路预纠偏控制
根据本工程线路设计，最小曲线半径300m，最小曲线长度13.85m，盾构机盾体长度为9.15m，盾构机通过过短小半径曲线需进行“先进后出”预纠偏操作。
1.盾构掘进小半径铰接差计算
盾构机盾体长度（不含尾刷）L=8.95m，最小曲线半径R=300m，盾体推进油缸管片接触圈外直径D=3.95m。
根据盾构掘进拟合设计线路可计算铰接行程差X：
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求得X=DL/（2R）
=3.95*8.95/2/300
=59mm。
2.盾构机“先进”小曲线掘进
盾构机刀盘至铰接位置长度5.5米，铰接至盾尾刷长度4.15米。
正常曲线长度约3倍盾构机长度比较适合盾构机进行轴线拟合掘进。针对13.85m等超小曲线长度掘进模拟：
在刀盘/切口里程至左转曲线起点时，开始进行曲线掘进预纠偏，正常掘进过程中利用主动铰接，右侧铰接油缸伸出，左侧铰接收缩。每环铰接差调整量不大于15mm，每环分3-5次进行铰接差调整，保证左侧铰接行程最小值大于40mm。模拟值在盾构机整体进入曲线后，铰接水平姿态为-22mm；实际掘进进入小曲线后铰接水平姿态为-13mm。
3.盾构机小曲线内掘进
盾构机完全进入曲线内掘进保持300m曲线所需铰接差59mm掘进，同时利用掘进油缸压力差保持盾构掘进整体水平姿态-△水平（曲线位置成型管片水平位移监测预估值）进行掘进，同时二次注浆及时跟进，右侧进行针对性增强二次注浆。
4.盾构机“后出”小曲线掘进
在铰接里程至左转曲线终点时，开始进行盾构机出曲线掘进预纠偏，正常掘进过程中利用主动铰接，左侧铰接油缸伸出，右侧铰接收缩。每环铰接差调整量不大于15mm，每环分3-5次进行铰接差调整，保证右侧铰接行程最小值大于40mm。模拟值在盾构机整体离开曲线后，铰接水平姿态为-26mm；实际掘进离开小曲线后铰接水平姿态为-24mm。
主要考虑左转曲线位置成型管片水平右移，掘进中进行姿态预纠正。
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刀盘提前进入曲线 曲线内掘进 铰接离开曲线
5.6.小曲段掘进纠偏控制
在盾构掘进过程中，加强对推进轴线的控制，盾构的曲线推进实际上是处于曲线的切线上，因此推进的关键是确保对盾构机的控制，由于曲线推进每环都在“纠偏”，因此要勤测勤纠，而每次的纠偏量尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。同时控制管片的位移量，管片拼装在适当时候采用软木楔子，以减少位移，从而有效地控制轴线和地层变形的目的。
一旦出现由于管片选位错误、盾构机司机操作失误等原因，造成盾构机推进方向偏离设计轴线并超过管理警戒值，产生盾体滚动偏差，这时就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。
1）分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求，每环纠偏量不大于3mm。
2）当滚动超限时，就及时采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差，滚动角不大于2度。
5.7.注浆填充控制成形隧道轴线偏差
1）针对性同步注浆控制成形隧道轴线
曲线段推进增加了曲线推进引起的地层损失及纠偏次数的增加导致了对土体的扰动的增加，在曲线段推进时控制同步注浆量，每环推进时根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆量及参数，从而有效的对轴线进行控制。在注浆过程中，控制浆液质量及注浆量和注浆压力。根据施工中的实际情况及变形监测情况，随时调整注浆参数，从而有效控制轴线。
初凝时间：一般为掘进2～3环所需时间（5～6h），根据地层条件和掘进速度，浆液配比通过现场试验加入速凝剂、变更配比的胶凝时间确定。
2）曲线段外侧增大注浆量和注浆压力
曲线段推进导致土体损失的增加。由于设计轴线为圆滑曲线，而盾构是一定长度的直线，在盾构推进过程中，实际掘进轴线为一段段的折线，且曲线外侧出土量又大，造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此在曲线段推进过程中在进行同步注浆及二次注浆时增加对曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙，加固外侧土体，使盾构顺利沿设计轴线推进。
根据大半径曲线掘进完成后5-10环成形管片姿态X1，掘进过后50环、100环相同环号管片姿态X2、X3。
正常同步注浆成形管片水平位移变化值△水平=Xn-X1；
以及曲线段外侧增大二次注浆量前后△’水平=X前-X后；
根据△水平值控制情况，确定比二次注浆在曲线段外侧增大注浆量为0.4～0.6m3，注浆压力0.35～0.4MPa，压力控制为：压力值满足后停止注浆，30分钟后再次注浆压力不变。
5.8.管片拼装
为控制盾构推进曲线，管片拼装采取“居中拼装”法。若管片无法居中拼装，且曲线管片无法满足纠偏时，采用软木楔子进行调整，使管片处于较理想状态，确保管片拼装质量，使推进轴线控制在要求范围内。
6、结语
本文对城市小半径电力隧道盾构施工关键技术开展研究，通过前期试验分析对设备进行了适应性改造，加强小半径曲线段的施工控制，满足了郑州市区若水（衡山）220千伏输变电工程K0+806.11～K4+230.13段新建电缆隧道工程的安全、质量和工期等各项要求，取得了良好的经济、社会和环保效益。
参考文献：
[1]日本盾构隧道新技术 伊旅超、朱振宏等译，广州，华中理工大学筑
[2]盾构隧道施工手册 张凤祥、付德明、杨国祥，北京，人民交通出版社
[3]小半径曲线盾构施工技术研究 张国杰 交通世界