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小半径曲线地铁隧道盾构法掘进技术研究
第二工程公司付晓峰
摘要：分析小半径曲线地铁隧道盾构法施工易发生的问题，结合金科路站~广兰路站区间小半径曲线隧道工程实例，介绍曲线隧道的盾构法掘进技术。
关键词：小半径线轴线铰接仿形刀侧向分力注浆
1引言
城市的发展，带动了轨道交通建设的发展，在轨道交通线路的选择上，由于受规划及建、构筑物的制约，这使轨道交通线性越来越复杂。小半径曲线隧道的盾构法施工技术与常规盾构法相比存在一定的特殊性，研究小半径曲线隧道的盾构法施工技术，相信对以后类似的小半径曲线隧道盾构法施工具有一定的借鉴作用。
2小半径曲线隧道盾构法施工的难点分析及对策
一般来说，设计线形中取用规范标准的最小限值或与限值接近的大曲率小半径曲线，即认为是小半径曲线。如果这种不仅半径小，而且有很长的延米，甚至还组合采用缓曲线而构成的复杂线形，我们称之为特急曲线。为了方便讨论以下均称之为“急曲线”。
2.1难点之一：急曲线隧道轴线比较难于控制
在急曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合。曲线半径越小、盾构机身越长，则拟合难度越大。在急曲线段盾构机掘进形成的线形为一段段连续的折线，为了使得折线与急曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏。曲线半径越小，盾构机越长，则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制。其施工参数需要经过计算并结合地质条件等因素综合考虑，并进行试掘进后方可确定。特别在缓和曲线段，每米的施工参数都有所不同，操作难度更大。
为了控制好急曲线隧道的施工轴线，需要提高盾构机的纠偏灵敏度。而咬提高盾构机的灵敏度，最有效的措施试缩短盾构机头的长度。在盾构机的中部增加铰接装置，即可减少盾构固定段长度。使用铰接装置后，盾构机掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形，需要配套使用仿形刀装置进行超挖。
因此，控制好急曲线隧道施工轴线的关键技术之一就是如何使用好盾构机的铰接装置和仿形刀装置。
盾构机铰接装置的使用
使用盾构机的铰接装置，可以使得盾构机的前筒、后筒与曲线趋于吻合，预先推出弧线态势，为观片提供良好的拼装空间。
如图1所示为盾构机掘进形态的三种模式。进行曲线施工，弯道内侧如要充分超挖时，在几何学上，以对象曲线的中心为0的情况下，OA>MaxOG,OH,OD)的关系如能得到满足，盾构机便可以掘进。这相当于模式（a）。这种情况，属于铰接角度θ不足，土体超挖量δ过多，盾构机后端的外侧点D和土体之间有缝隙，超挖量一旦增大，就会有盾构机位置不稳定的倾向。

模式（b）,OA=MAX(OG,OH,OD)的情况下，最适合铰接状态中的刀盘前部外端（A点）和前筒后端（G点）、后筒后端（D点），其中任意一点在同一圆弧上，其余二点在此圆弧之内。此时的铰接角度称之为界限铰接角度θcr，此界限铰接角度θcr如果能给出曲线半径和盾构机的尺寸，便可计算出。作为盾构机的构造，全部用此θcr值进行铰接的话，是最为理想的。此时，盾构机的外侧全体都接触到土体，施工上最为稳定，并且超挖量δ为最小值。
模式（c），为过度铰接状态，OA
仿形刀的使用
铰接装置作为一种辅助手段，需要仿形刀的超挖、锥形管片、曲线内外侧千斤顶的不同推力等施工措施配合在一起使用。仿形刀的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用，超挖量过大将严重地扰动土体，过小将不能充分发挥铰接装置的作用，以致达不到所要求实际轴线的半径。
因此，急曲线隧道施工时，应该选择模式如图1。
2.2难点之二：隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移
急曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度θ（见附图2）,在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。管片出盾尾后，受到侧向分力的影响，隧道向圆弧外侧偏移。一般在圆曲线半径取定时，已验算侧向作用力对原状土体的影响，管片在侧向作用力下，不足于使原状土体发生塑性破坏，即土体处于弹性变形范围。因此研究侧向分力形成原因和规律就可以有效控制土体的弹性变形范围。
侧向分力计算：（见附图2：侧向分力示意图）

θ=tan-1RD-1=tan-1(RC+D/2)-1
F侧=F总Sinθ
式中：F总—盾构千斤顶作用力
F纵—垂直于管片环面的反作用力
F侧—平行于管片环面的反作用力
RC—圆曲线半径；
D—管片外径；
L—管片宽度；
由此可以看出，侧向压力F侧的大小，取决于F总及θ，而取决于L及RC、D，当D一定时，L越小、RC越大，则θ越小。因此设计管片尺寸时，应选择使用宽度较小的管片。在工程施工阶段，进入圆曲线后，L、RC为定值，侧向压力F侧的大小取决于盾构千斤顶作用力F总。为减小土体的弹性变形量，应考虑尽量减小盾构千斤顶作用力F总。
另外，由于盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙，在施工过程中，掘进产生的空隙与同步注浆的浆液填充量两者不可能做到完全同步、完全符合一致。如