罗云峰1,2 李吉勇1,2 刘桂荣1,2 1
1.上海市基础工程集团有限公司，上海，200433
2.上海城市非开挖建造工程技术研究中心，上海，200433
摘要：中心城区地下管网建设受复杂道路交通组织、既有密集地下管网、邻近建（构）筑物避让及保护等制约，不可避免地形成急曲线隧道线型。针对淤泥质软土地层急曲线盾构隧道施工所面临的地层反力不足、管片易错位或上浮、地面沉降较大、盾构姿态不稳定等问题，结合上海桃浦初期雨水调蓄工程，开展了淤泥质软土地层急转弯曲线盾构隧道施工关键技术研究，分析了软土地层急曲线隧道施工难点，提出并实施了急曲线段“偏心门式”MJS土体加固法结合同步注浆模式下的附袋注浆管片稳定控制方法的关键技术。监测结果显示，工程实施效果良好，且周边环境仅为微扰动，可为今后类似工程提供参考。
0引言
城市化快速发展催生地下市政管网等基础设施需求急剧增加，随着中心城区地下市政管网基础设施建设的大规模展开，受复杂的地上、地下道路交通组织，既有的密集地下管网，邻近建（构）筑物避让和保护等制约，使得隧道线形复杂多样，急曲线（GB50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》规定R/D≤40为急曲线段，其中R为隧道平面曲线半径、D为盾构直径）隧道急剧增加。目前日本由于土地限制，施工中常面临急曲线施工，因此在盾构急曲线技术方面走在世界前列[1]。急曲线盾构施工在欧洲等国家也有较多案例[2]。目前，我国也进入了这一领域研究与实践发展阶段，并完成了一些成功案例，比如武汉市江夏区清水入江二期工程采用⌀4.1m盾构，实现了最小转弯半径R＝120m（最小R/D＝29.3）[3]；广州市220 kV犀牛站电缆隧道采用⌀4.1m盾构实现了最小转弯半径R＝118m（R/D＝28.8）[4]；南京青龙山电力隧道采用⌀4.0m盾构实现了最小转弯半径R＝150m（R/D＝37.5）[5]等。但国内的大多数盾构施工成功案例均处于较硬土层或岩层中[6-7]，在软弱淤泥地层不良地质中还未见R/D≤25级别的急曲线盾构隧道工案例。
上海及同类软弱淤泥质土层的强度低、渗透性差、含水量高、压缩性高、灵敏度高，具有触变性和流变性，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳，对于盾构急曲线掘进极为不利[8]。在软弱淤泥质土层中进行急曲线盾构隧道施工主要面临的主要问题有：①急曲线段盾构掘进时隧道轴线与管片端面法向形成一个角度，在千斤顶的作用下会产生一个侧向分力作用在脱出盾尾的管片，使得急曲线段形成隧道内侧受压外侧受拉的受力状态，造成管片向圆曲线外侧移动，而软弱淤泥土层强度极低，无法提供急转弯隧道充足的侧向反力；②急曲线段盾构掘进施工不可避免会出现超挖现象，造成地层损失，对土体扰动较大易发生较大沉降；③对于淤泥质土层含水量，盾构开挖成形后还会有可能引起管片上浮的问题；④由于软弱淤泥质土层自稳性能极差，盾构姿态也难以控制，若盾构机水平和垂直方向偏差过大，则会使得盾构机蛇形量过大，会对地层产生过大扰动，引起管片错台及开裂。为解决淤泥层急曲线段盾构隧道施工地层反力不足、管片易错位或上浮、地面沉降较大、盾构姿态不稳定等问题，本文结合上海桃浦污水处理厂初期雨水调蓄工程急曲线段，进行了多种工艺参数试验及现场实施，总结形成软土地层急曲线盾构隧道稳定控制关键技术。
1工程概况
1.1工程急曲线概况
上海桃浦污水处理厂初期雨水调蓄工程DG16～DG14隧道区间，采用盾构法施工，隧道内径4500mm，采用1台⌀5400mm土压平衡盾构机，全长1681m，隧道区间坡度为1.0‰，隧道最大覆土厚度15.3m。该段隧道由DG16井始发穿越沪嘉高速，沿张泾河向南，下穿张泾河防汛墙、古浪路桥，至武威东路与桃浦西路口DG14井进洞。原DG15井为DG16～DG15及DG14～DG15这2个区间段的盾构接收井，由于地理位置特殊（邻近周边居民小区、道路桥梁），面临着周边环境影响大、社会维稳压力大、交通组织难以实施的困局，通过取消DG15井位的方法，将2段区间线路进行综合调整：原DG16～DG15、DG15～DG14盾构区间整合为一；原DG15井区域调整为R=115 m的急曲线盾构隧道，长度约185.29m，如图1所示。
1.2工程地质情况
本工程场地地基土在55m深度范围内均为第四系松散沉积物，属滨海平原相，全线主要由①1层杂填土、②1层褐黄色粉质黏土、③1层灰色淤泥质粉质黏土、④1层灰色淤泥质黏土、⑤1层灰色黏土、⑤1t层灰色砂质粉土、⑥1层暗绿～灰绿色粉质黏土、⑦1层草黄～灰色砂质粉土及⑧1层灰色粉质黏土组成。
本工程拟建隧道主要位于④1灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土，上覆土层厚度11.98～13.87m（图2）。④1层及⑤1层为软黏性土层，顶进阻力较小，但其强度低、渗透性差、含水量高、压缩性高、灵敏度高，具触变性和流变性，施工易受扰动，容易导致开挖面失稳。
2急曲线盾构隧道偏心门式加固结合附袋注浆稳定控制施工关键技术
为解决淤泥软土地层急曲线段隧道侧向反力不足，以及纵向传力不稳定的问题，确保淤泥层急曲线段高精度的盾构隧道安全，提出并形成了急曲线段“偏心门式”MJS土体加固法结合同步注浆模式下的附袋注浆管片稳定控制方法。该方法主要通过“偏心门式”MJS土体加固，有效平衡曲线段弧线内外侧的压力差，且可以有效避免隧道上浮，同时结合同步注浆模式下的附袋注浆进行管片及时间隙填充支撑，有效保证了急曲线段盾构隧道施工时土层的稳定性及隧道管片的稳定性，大幅减小施工对环境的影响。
2.1施工流程
具体步骤为：①施工准备；②偏心门式加固；③急曲线段盾构掘进；④管片拼装；⑤附袋注浆；⑥拆除球阀及注浆器；⑦二次注浆（图3）。
急曲线盾构隧道正式施工前，应做好轴线复测、盾构姿态调整、盾构机施工参数确认、设备维护保养、材料质量检查、技术及应急物资检查等工作。
2.2偏心门式加固
R115段盾构隧道主要处于④1灰色淤泥质黏土层，属于软弱淤泥质土层中的急曲线盾构工程，在软弱淤泥质地层盾构急曲线施工造成的土体变形比一般地层更大，影响范围更广，容易造成不均匀沉降，对施工安全和工程稳定性有较大影响[9-10]。为有效解决转弯期间盾构施工产生的侧向分力所导致的隧道侧向位移，以及为盾构推进提供充足反力，保障隧道稳固性，对软弱淤泥地层急曲线盾构隧道地层采用MJS工法进行地面预加固。
为确定加固范围，对急曲线段土体加固三维建模分析（图4），以简化盾构掘进受力解析解及有限元数值模拟分析。
加固范围结合三维数值模拟分析，控制急曲线段盾构穿越盾构沉降Δs≤20mm、主压应力σmax≤0.5MPa。当急曲线内侧加固起点与隧道内弧线切线距离在0.3～0.5m，加固宽度b1为0.45～0.5D，约2.4m；当急曲线外侧加固起点与隧道外弧线切线距离在0.5～1.0m，急曲线外侧b2加固宽度为0.85～1.0D，约5.2m。曲线段两侧加固深度应超过隧道管底0.3m，隧道上部的加固底面距离隧道管片外距离s应在300～500mm，加固高度h1应不小于3m，以此标准形成偏心的门式加固。加固立面及平面如图5所示。
MJS桩采用⌀2400mm@1800mm，使用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量不低于40%，水灰比0.6～0.8。加固体单轴压缩强度为0.8～1.2MPa。
通过偏心的门式加固，急曲线内侧加固可以减少超挖引起的沉降，外侧加固可以增加侧向反力，顶板加固可以较小盾构隧道沉降及软土中的上浮不利影响。
2.3急曲线段盾构掘进施工
根据背景工程急曲线施工特点，按盾构穿越前、穿越段、穿越后划分为3个施工控制阶段，即控制段（一区）30m、急曲线施工段（二区）185.4m、穿越后（三区）30m（图6），控制区的施工控制要求与小半径区相同。
2.3.1准备段（一区）控制措施
此段施工时主要控制推进速度为2～3cm/min，保持初步设定的土压力，盾构姿态保持平稳，各方向盾尾间隙基本保持一致。对设备进行全面检测及维修，为急曲线一次性通过创造先决条件。
2.3.2急曲线施工段（二区）控制措施
穿越段二区的特点是盾构机进入急曲线段施工。此段施工时，应将推进速度控制在1～2cm/min，降低总推力，减少侧向分力对管片姿态的影响，并可分次间隔地完成一环掘进（方法为每掘进一定距离后停止掘进，分批次收回千斤顶、重新顶压管片，然后继续掘进，多次循环完成一环掘进），从而改变千斤顶顶靴和管片接触面，调整千斤顶推力方向，减小千斤顶推力与管片端面的夹角，使千斤顶侧向分力减小[11]。
急曲线段盾构推进过程中，为确保急曲线段盾构顺利转弯通过，如果曲线内侧的地层没有用仿形刀进行大幅度的挖掘土体，则在盾构机的壳体部位会成为盾构推进的阻力，造成盾构难以及时纠偏的情况。因此，需对曲线内侧土体进行超挖[12]。具体为：①曲线施工前，仿形刀从90°开始缓慢匀速伸出，直至仿形刀角度到120°时达到最大行程，为曲线施工作好准备；②正式进入曲线端头开始，仿形刀保持最大行程继续内侧超挖，仿形刀角度α应控制在120°～240°；③离开曲线段后，仿形刀由角度240°开始缓速回收，到角度270°时仿形刀完全复位。超挖量δ应严格控制在10～50mm，理论超挖量不大于：5.46×5.46×3.14/4＋（5.48×5.48×3.14/4－5.46×5.46×3.14/4）＝23.57 m³/m，并在超挖间隙填充一种双液混合型的塑流性凝胶化材料作为超挖填充材料。
2.3.3转弯结束段（三区）控制措施
此段施工时，需将推进速度控制为2～3cm/min，将施工参数设定值提高至急曲线之前的水平。应重点控制注浆工序，根据地面的沉降变化情况，调整同步注浆压力及方量，对急曲线段因受力不均导致的管片破损情况进行统计、修补。在盾构推进过程中加强同步注浆，注浆应采用对角交替压注的方式进行，使压注的浆液均匀、连续地充满在隧道壁后的建筑空隙。注浆压力为静止土压力的1.5～1.8倍，同步注浆量保持在3.27～4.36 m³/m，并保证填充率达到150%～200%。
2.4管片拼装
急曲线隧道管片为预填充混凝土钢管片，外径5200mm，内径4500mm，壁厚350mm，管片环宽800mm，每环分为6块，双面楔形量为52mm，采用错缝拼装，纵向接缝之间采用2根短直M30螺栓进行连接。为确保急曲线段管片拼装精度，对复合钢管片进行场外预拼装检验，如图7所示。
正式掘进管片拼装时采用错缝拼装方式，采取自下而上的原则，先拼装底部标准块，然后按左右对称顺序逐块拼装两侧的标准块和邻接块，最后拼装封顶块。封顶块拼装时先搭接2/3环宽，径向推上，再纵向插入[13]。
第二块管片与上一环管片及本环第一块管片对准后，先纵向压紧环向止水条，再环向压紧纵向止水条，并微调对准螺栓孔；边拼装管片边拧紧纵、环向连接螺栓；整环管片脱出盾尾后，再次拧紧全部连接螺栓（相邻环环面间隙≤1mm，纵缝相邻块块间隙≤1mm）；待管片拼装完成后，拆下拼装头，选择脱出盾尾后的第一环，打开注浆孔安装附袋注浆器，每环在急曲线外侧管片上安装4～5个附袋注浆器；在急曲线段直缓点和缓直点交接处选取一环，在急曲线内侧管片上安装3～4个附袋注浆器。
2.5附袋注浆
由于急曲线盾构推进油缸的分区压差可能导致管片受偏力变形，管片附袋注浆可充分填充超挖间隙，加强隧道轴向刚性，控制隧道受偏力导致的错台变形。
推出盾尾4环后，在附袋注浆器上加装单向三通球阀，开启注浆机进行附袋双液注浆。注浆采用水泥浆和水玻璃原液，注入比1︰1。水泥浆配比为1︰1，水玻璃波美度不低于38，注浆提前按上诉参数配比调配好，以控制双液浆初凝时间25～35s、终凝时间不大于20min。注浆量控制约为0.07 m³，全程保持双液注浆，达到附袋有效伞状撑开直径70～80cm、厚度8～12cm的效果。附袋注浆现场施工流程如图8所示。
附袋注浆注意事项：①注浆前务必确认水玻璃能同步泵送，若水玻璃泵送不及时，将导致固定桩凝固时间延长甚至失去支撑作用，若无法保证开启注浆后三通出浆在第一时间为双液浆，注浆囊袋将失去支撑作用；②注浆后、洗管前，应先关闭注浆孔球阀，随后开启旁通清洗球阀，在隧道内洗管，不可对注浆囊袋内进行洗管操作，不可将清水或单液浆注入注浆囊袋内，否则浆液稀释将会导致注浆囊袋强度下降、初凝时间延长，最终导致注浆囊袋失效；③注浆囊袋注浆过程全程保持双液注浆，否则将影响注浆囊袋支撑作用。
通过急曲线段直缓点和缓直点交接管片内外侧，以及急曲线管片背侧的附袋注浆及时凝固，有效地保证了软土淤泥质土中急曲线隧道管片的及时有效支撑及稳固[14]。同时在平曲线上，实现了急曲线隧道的起、终及背侧三角稳定。4h后，拆除球阀及注浆器。
2.6二次注浆
对于成形隧道应及时进行二次注浆。管片拼装每5环采用双液注浆形成环箍，土体沉降量控制在20mm内。定期复核盾尾后管片的轴线偏离值，并将测量值与历次测量值进行对比，若出现管片在脱出盾尾后向外侧偏离，应利用管片上的注浆孔在曲线外侧壁后压注双液浆组。为保证浆体能较好地渗入周围土体中，注浆压力须大于隧道底处的土压力值，而且必须控制在较好的范围之内，保证只是填充而不是劈裂，因此，注浆压力可取1.2～1.8倍的静止土压力。同时根据偏离值变化量的大小，在曲线内侧壁适当进行二次补浆，防止内侧土体松弛变形，确保轴线偏离值小于30mm。
3工程监测及实施情况
为深入分析急曲线段盾构掘进稳定控制及周边环境影响，应对急曲线段关键管片环进行管片外土压、轴力、环缝错台及土体深层位移与水平位移监测，现场监测布点如图9所示。
背景工程急曲线段施工于2023年12月7日—2024年1月29日，历时53d（平均工效约4环/d），总长约185 m、曲率半径为115m的急曲线盾构顺利完成。现场监测数据显示：掘进工况管片最大轴力110kN，外侧土压力0.35MPa，局部最大错台6 mm，均在设计允许范围内。急曲线段最大轴线偏差小于3 cm，隧道沿线沉降控制在10 mm之内，达到毫米级控制，实现了软弱淤泥质地层小偏差微扰动急曲线盾构隧道施工。工程实际应用效果如图10所示。
4结语
针对软弱淤泥、不良地质、复杂环境，急曲线盾构隧道面临的原状土层无法提供充足的侧向力及稳定控制难题，结合上海桃浦污水处理厂初期雨水调蓄工程R115 m急曲线段盾构施工，通过前期数值分析、多组试验、现场实施，形成了淤泥质地层急曲线隧道“偏心门式”MJS土体加固法结合同步注浆模式下的附袋注浆管片稳定控制方法。该方法有效地保证了急曲线段盾构隧道施工时，土层的稳定性及隧道管片的稳定性，解决了淤泥地层急曲线段隧道侧向反力不足及纵向传力不稳定的问题，为淤泥层急曲线段高精度的盾构隧道安全施工提供了保证。监测结果显示，本工程实施效果良好，且周边环境仅为微扰动，可为今后类似工程提供参考。
转载文献来源：中国知网-建筑施工
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