在现代城市地铁、公路隧道施工建设过程中，普遍使用盾构工法。但是对于某些特殊工程情况，如小曲线段推进施工时，由于盾构机机身长度过长、截面积过大、机身刚度高，导致施工的灵活性受到严重影响，从而使得掘进效果变差。本文针对盾构在小半径曲线内始发、到达以及掘进施工中存在的难题，探究盾构机浅覆土小半径的掘进技术。

一、工程概况

深圳地铁14号线土建某工区停车场出入线区间，采用1台开挖直径6480mm 盾构机进行掘进。其中小半径始发左转弯隧道（R=250m），左线全长566.081m，右线全长481.585m，最小曲线半径为250m，线间距13.07~86.11m，最小纵坡为10.509‰，最大纵坡为24‰，隧道埋深约3.5~10.7m。

区间总平面布局区间浅覆土地质状况

二、施工难点

1.隧道轴线难以控制

盾构机在小曲线隧道中施工时，每往前施工掘进一段距离，由于隧道弯曲，盾构管片断面与隧道轴线方向都会产生角度偏移。同时在千斤顶的推力作用下，会出现法线方向向外侧的分力，由此导致隧道产生外侧偏移现象。盾构机外壳与管片外壁存在建筑空隙，在进行掘进施工时，同步注浆产生的浆液填充与掘进孔隙产生时间差，难以实现完全一致。当浆液未全部填充孔隙或者浆液早期强度未能达到规定要求时，盾构管片就会在侧向压力作用下，产生向隧道圆弧外侧偏移现象，使小曲线隧道轴线变得难以控制。

2.土体扰动大

盾构机本身长度比较长且刚度大，呈现出直线形刚体。在小曲线工程段中，由于盾构机自身形态造成其无法与曲线隧道较好的拟合，导致盾构机掘进施工时，掘进的线形呈现出连续的折线。

在工程施工中，要避免此种现象的发生，就要连续地进行纠偏。纠偏工作不仅工程量大，而且对周围土体也会产生很大的扰动，从而引起地层沉降。

3.容易造成管片破损

盾构管片产生推进的反力，用于推动盾构机向前推进。但在小半径曲线段中掘进施工过程中，由于隧道原因，盾构机的姿态不断发生变化，由此导致管片与液压缸靴板之间出现侧向偏移或一种侧向偏移趋势。这种变形会使得管片局部应力集中，从而出现断裂现象。此外，管片向圆弧外侧偏移时，对周围地层产生侧向挤压力，使得管片和地层结构都发生变化，加剧了管片的破损程度。

4.盾构与管片之间容易卡壳

在小曲线段掘进时，如遇到转弯区段，盾构机管片会出现左右两端掘进量不同的现象，一段掘进量超量较大，会导致另一端掘进滞后。此时如果工作人员没有一定的控制能力，盾构与管片之间就会因为超量差而出现卡壳，使盾构产生偏移。

5.容易引起渗漏、地表沉降

在曲线段施工时，管片四周的盾尾间隙分布并不均匀，盾尾刷密封装置受管片偏心挤压，易产生塑性变形而失去弹性，从而导致密封性能下降。同时曲线段施工容易出现管片错台现象。在纵缝错台产生后，盾尾刷无法紧密包裹整环管片，极易形成渗流通道，从而增大了隧道渗漏水的风险。

三、治理措施

1.割线始发模拟

盾构机长度为9.5m，通过模拟可知，盾构机中线与始发井结构墙夹角为88°43'。盾构机在掘进10m后脱离始发基座，此时盾构机头部中线与隧道中线相重合。

盾构机割线始发模拟

2.负环管片加固

小半径切线始发负环管片在水平方向受到的作用力，会使负环段衬砌管片发生水平偏移，形成错台、破损，导致管片之间发生相对位移。为了防止出现此类现象，可采取型钢对负环管片进行加固。

3.小半径掘进时液压缸行程差控制

出入线区间在250m小半径掘进中，可以通过计算，得出盾构机每推一环所产生的偏转角以及推进液压缸行程差。管片环宽1.2m，则β=1.2/πR=0，管片外径6.2m，管片内径5.5m。经计算，得到管片外弧长度为4.378m，管片内弧长度为4.262m。当盾构推进处于R=250m 圆曲段时，推进方向偏转角为5.5″。每推进一环，左右行程差为32mm。

管片尺寸

4.管片排布模拟

本区间采用环宽1.2m通用型管片，双面楔形量为46mm。盾构机在250m左转小半径曲线上掘进时，左右液压缸行程差为32mm。将每环掘进左右液压缸行程差控制为35mm，每环纠偏3mm，将盾构机向左预偏30mm，使盾构机提前转弯。

盾构预偏示意图

5.管片错台和破损控制措施

盾构同步注浆为水泥砂浆，在小半径地段，管片出盾尾5~6环后，需要对管片进行二次补浆，补浆过程应以上部和侧面为重点。其中，针对轴线外侧应增加注浆量，浆液采用水泥-水玻璃双液注浆，并加快凝结时间，保证管片不会出现偏移。

在每环掘进施工过程中，千斤顶应进行3~4 次伸缩，并将应力全部释放，以保护已经拼装的管片，防止管片出现旋转，并有效避免盾构机出现侧滚。适当调整刀盘转动方向，每掘进一斗渣土更换刀盘转向，以解决盾构机侧滚问题。

在盾构机管片拼装过程中，要将原管片的螺栓拧紧。如出现管片脱离盾构机尾部的情况，应及时进行复紧。此外，在盾构机掘进施工过程中要注意增加复紧工序，以防止管片在工作时出现松弛现象。

6.盾尾间隙及姿态控制

盾构掘进小半径过程中，严格按照一环一报表、一环一分析的制度，根据现场实际情况进行商讨决策，防止出现小半径掘进管片破损、姿态超限现象，结合管片实际姿态进行盾构姿态调整。

7.仿形刀的使用

仿形刀是采用油路对刀盘前方超挖刀进行伸缩，结合刀盘转速，可以对掌子面进行局部超挖，确保小半径曲线转弯过程中盾构机轴线纠偏，减少管片侧向压力向弧线外侧偏移量。

8.隧道管片选择

在小曲线区段进行掘进施工时，盾构管片的选择应该根据盾构的姿态，同时应考虑盾尾间隙的变化。管片的选择必须要超前掘进施工4~6环，以保证在施工时，管片的姿态能够与盾构姿态的轴线重合。在最小曲线半径取值的众多影响因素中，管片是其中一个关键的因素，因此在实际施工过程中，为满足小曲线半径盾构掘进施工的要求，必须根据隧道的要求，适时的调整管片的宽度及楔形量。

9.增加管片纵向刚度

从应力分析角度来看，盾构机在掘进施工过程中会对土体产生反力，而小曲线隧道的外侧不需要通过反力臂来进行弯曲。但为了保证盾构机能够产生合理的推进反力，需要采用纵向刚度较高的盾构管片。而采用纵向刚度较高的管片，成本也会较高。通常可以通过加固螺栓的方式，以及按照固定点位进行纵向钢板连接的方式，来提高小半径隧道的纵向刚度。

四、结语

在小曲线半径段盾构掘进施工过程中，为了合理控制轴线，提高工作效率，减少对周围土体的扰动等要求，需要做到以下几点：

根据隧道特点选择合适的盾构机。在施工过程中，根据工程要求增加铰接装置和仿形刀。根据工程需求选取合适的盾构管片，对宽度、刚度和楔形管片的选取要做到科学、合理。提高信息化施工水平，注意对工程施工过程的动态监测，及时进行纠偏。在遇到复杂的复合地层时，可以通过采取超前注浆和同步注浆等技术，减少对周围土体的扰动。