淺析土壓平衡盾構(gòu)機施工軸線控制

摘 要：盾構(gòu)施工軸線控制是盾構(gòu)施工的重點環(huán)節(jié)，通過對盾構(gòu)機軸線偏差因素與操作控制的研究，達到熟練掌握盾構(gòu)施工軸線控制技巧，為以后的盾構(gòu)法施工提供強有力的技術(shù)保證。文章以中盾控股（CTIG-6140）土壓平衡盾構(gòu)機為例，簡單分析盾構(gòu)施工中的軸線影響因素及控制方法。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)姿態(tài)；糾偏；軸線控制

1 工程概況

本工程為西安地鐵四號線試驗段-3標李家村站～和平門站區(qū)間，區(qū)間單線總長為2.3km，最大縱坡為28‰，最小曲線半徑為1000m，采用盾構(gòu)法施工。

李～和區(qū)間隧道埋深8.3～17m，區(qū)間地層自上而下分布為：1-1雜填土；1-2素填土；3-1-1新黃土；3-2-2古土壤；4-1-2老黃土；4-2古土壤；4-4粉質(zhì)粘土層。

本盾構(gòu)區(qū)間左線采用CTIG-6140土壓平衡盾構(gòu)機進行施工。盾體總長9980mm，盾構(gòu)機總重約370t，最大開挖直徑6170mm，前盾外徑6140mm，中盾外徑6140mm，尾盾外徑6140mm，最大掘進速度92mm/min，最大推力4000噸。

2 盾構(gòu)軸線偏差的影響因素

盾構(gòu)軸線的控制是盾構(gòu)推進施工的一項關(guān)鍵技術(shù)。在實際施工中，由于盾構(gòu)機在掘進過程中受到開挖面土壓力和盾殼外圍土壓力的不均衡性、地下土層變化、施工參數(shù)的設(shè)置、人員的誤操作及其他方面的影響，盾構(gòu)機的實際推進軸線無法與理論軸線保持一致，因此，兩者之間的差值直接影響隧道的順利貫通和質(zhì)量?？刂坪枚軜?gòu)的推進軸線，才能保證管片拼裝位置的準確，才能使隧道竣工軸線誤差控制在允許范圍內(nèi)。根據(jù)實際施工情況，現(xiàn)簡單分析下軸線偏差的原因。

2.1 始發(fā)基座的變形

盾構(gòu)進出洞過程中基座設(shè)置很關(guān)鍵，它會直接影響到盾構(gòu)機始發(fā)姿態(tài)的好壞。盾構(gòu)基座設(shè)置主要包括有洞門中心的位置、豎井的大小、還包括設(shè)計坡度與平面方向、盾構(gòu)機的長度、反力架和環(huán)的尺寸等。如果其中任一因素發(fā)生改變都將會導致盾構(gòu)基座發(fā)生變形，使盾構(gòu)掘進軸線偏離設(shè)計軸線，將直接導致盾構(gòu)機在初始推進時發(fā)生位置偏移。甚至在始發(fā)后導致盾構(gòu)推進軸線與基座軸線產(chǎn)生較大夾角，致使盾構(gòu)軸線控制失控，盾構(gòu)走形偏離隧道設(shè)計軸線。

2.2 管片拼裝及注漿的影響

盾構(gòu)機在掘進過程中，隨著盾構(gòu)姿態(tài)沿軸線的不斷調(diào)整，盾構(gòu)千斤頂產(chǎn)生的行程差，要通過合理的使用轉(zhuǎn)彎環(huán)（左轉(zhuǎn)彎環(huán)或右轉(zhuǎn)彎環(huán)）管片來調(diào)整，使管片與盾構(gòu)機盾尾之間保證必要的盾尾間隙量。否則盾尾間隙量小，盾尾受到管片的約束力，極不利于盾構(gòu)姿態(tài)的控制，而且容易造成管片破損。此外，管片拼裝的真圓度也影響盾尾間隙量。

同步注漿理論上是填充切削土體與管片壁之間的空隙，但同時要考慮盾構(gòu)推進過程中的軸線糾偏、跑漿和注漿材料收縮等因素。盾構(gòu)推進時同步注漿量的多少及漿液壓力的大小和環(huán)向的分布都可能對軸線控制產(chǎn)生直接的影響。

2.3 施工參數(shù)

盾構(gòu)機在掘進中，所穿越的地層直接影響到盾構(gòu)機及隧道的整體受力情況，尤其是在不同的地層之間進行掘進中，盾構(gòu)機的受力情況更加復雜。這樣會給掘進中的姿態(tài)控制造成了較大的難度，所以在施工中，要對隧道穿越地層的地質(zhì)情況進行系統(tǒng)地分析，事先確定掘進參數(shù)，以保證施工的順利進行。

2.4 人員操作的誤差

在隧道掘進過程中，測量的正確性、準確性及精確性是至關(guān)重要的，它直接決定了盾構(gòu)機的掘進方向，所以在施工中應(yīng)保證測量的萬無一失，并經(jīng)常進行復測，并對現(xiàn)有測量成果進行及時調(diào)整，保證隧道軸線的正確性。盾構(gòu)機操作手的誤操作也是影響姿態(tài)的重要因素之一。盾構(gòu)司機必須根據(jù)總工程師下發(fā)的技術(shù)指令及現(xiàn)場測量的結(jié)果，通過合理控制分區(qū)油缸，設(shè)定推進速度等手段來調(diào)整機身姿態(tài)。

2.5 施工技術(shù)

在掘進中，影響盾構(gòu)機姿態(tài)及隧道軸線控制的因素還很多，主要包括盾構(gòu)機選型、掘進參數(shù)的設(shè)定、地下水及地下不明物、隧道自身游離偏移等，都需要在具體施工中根據(jù)具體情況進行具體的分析解決。

3 盾構(gòu)軸線偏差的控制措施

3.1 控制內(nèi)容

盾構(gòu)掘進過程中，根據(jù)盾構(gòu)機相對于設(shè)計軸線的偏差描述為以下幾種盾構(gòu)姿態(tài)。

（1）水平姿態(tài)：水平偏差值，右偏為正，左偏為負。（2）垂直姿態(tài)：高程偏差值，沿坡度向上為正，向下為負。（3）盾構(gòu)側(cè)滾：左轉(zhuǎn)為負，右轉(zhuǎn)為正。

3.2 控制要點及部位

盾構(gòu)機的姿態(tài)控制要點簡言之就是，通過調(diào)整推進千斤頂?shù)母鱾€區(qū)的推進油壓的差值，并結(jié)合鉸接千斤頂?shù)恼{(diào)整，使盾構(gòu)機形成向著軸線方向的趨勢，使盾構(gòu)機三個關(guān)鍵節(jié)點（切口、鉸接、盾尾）盡量保持在軸線附近。

3.2.1 盾構(gòu)機切口部位的控制。盾構(gòu)機切口位置的控制可以通過調(diào)節(jié)四組推進千斤頂來實現(xiàn)。四組千斤頂分為四個區(qū)域：A區(qū)（右側(cè)）、B區(qū)（下部）、C區(qū)（左側(cè)）、D區(qū)（上部）。在均勻地質(zhì)條件時，A區(qū)與C區(qū)油缸推力與速度基本相同時，盾構(gòu)機切口面保持直向前。在左轉(zhuǎn)彎曲線段時應(yīng)增加A區(qū)油缸推力和速度，反之盾構(gòu)機切口會產(chǎn)生向右轉(zhuǎn)的趨勢。

由于盾構(gòu)機切口頂部與底部所在底層受力有差異，所以在直推時，B區(qū)與D區(qū)推進壓力差應(yīng)當應(yīng)根據(jù)實際推進時的土質(zhì)具體情況和試推進情況來確定。在上坡段，適當加大盾構(gòu)機B區(qū)油缸推力和速度；在下坡時候應(yīng)適當加大D區(qū)油缸推力和速度。綜上在直線平坡段掘進時應(yīng)盡量使所有油缸推力保持一致。

在進行轉(zhuǎn)彎或變坡段頂進的過程中，應(yīng)提前對切口偏移位置進行預(yù)測算，并在推進的過程中適當調(diào)整各區(qū)推進千斤頂?shù)耐七M壓力差，以保證盾構(gòu)機切口在推進的過程中始終保持在施工軸線的允許偏差范圍內(nèi)，一般情況下，我們會將允許偏差范圍向曲線的中心方向作適度的偏移，以保證盾構(gòu)機能夠較好的控制在施工軸線附近。

總之，在進行盾構(gòu)機切口位置的調(diào)整過程中，應(yīng)始終使盾構(gòu)機保持在靠近軸線的推進趨勢中，即使在盾構(gòu)機姿態(tài)不好的情況下，亦應(yīng)將盾構(gòu)機的切口位置控制在施工軸線附近，切忌使盾構(gòu)機切口位置大幅度超出允許范圍進行推進，會對盾構(gòu)機的姿態(tài)及隧道質(zhì)量造成影響。

3.2.2 盾構(gòu)機鉸接部位的控制。鉸接裝置是為了順利進行曲線施工的一種輔助手段，鉸接的結(jié)構(gòu)形式分為主動鉸接和被動鉸接。鉸接裝置可以通過液壓油缸動作，在上下、左右方向上調(diào)整盾構(gòu)本體彎曲角度。

主動鉸接一般在盾構(gòu)機偏離軸線較大或處于小半徑曲線的掘進中，才有必要打開鉸接，但鉸接的打開度需要提前計算打開角度，然后按計算值將鉸接打開到所設(shè)定的角度后，將鉸接鎖定，然后再進行推進。被動鉸接在較大的變坡以及小半徑隧道的掘進中軸線控制優(yōu)勢比較明顯，因為其具有較高的機動性，比較適應(yīng)施工工況，能夠有效的保證管片的成環(huán)質(zhì)量及隧道的整體質(zhì)量。

3.2.3 盾構(gòu)機盾尾位置的控制。由于盾構(gòu)機在土體內(nèi)是處于懸浮狀態(tài)，而成型的隧道則處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，盾構(gòu)機的盾尾直接與成型隧道的末端接觸，后幾環(huán)管片的位置狀態(tài)直接限制了盾尾的位置狀態(tài)，盾構(gòu)機的盾尾位置是不能通過操作推進千斤頂來進行調(diào)解的，它的位置狀態(tài)多數(shù)取決于盾尾內(nèi)拼裝管片的位置狀態(tài)，所以調(diào)整好管片的姿態(tài)對盾尾的位置控制及整個隧道的整體質(zhì)量都起著至關(guān)重要的作用，只要把管片拼裝的位置控制在設(shè)計范圍內(nèi)，則盾尾的位置也必然能夠滿足后續(xù)掘進的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

文章以西安地鐵四號線試驗段-3標盾構(gòu)工程為背景，分析了引起盾構(gòu)軸線偏離的主要因素及一些控制措施。盾構(gòu)機姿態(tài)及隧道軸線控制，是多個工序及工種的綜合控制過程，其中涉及的范圍比較廣泛，首先技術(shù)部門確定但前推進方案及施工軸線，然后由盾構(gòu)司機通過對盾構(gòu)機姿態(tài)的控制來實現(xiàn)施工軸線，所以，一條質(zhì)量優(yōu)良的隧道的成型是需要多個工序的協(xié)調(diào)配合才能實現(xiàn)的，在具體的施工過程中，還需要根據(jù)具體的施工情況作出相應(yīng)的調(diào)整。

參考文獻

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作者簡介：周鑫，工程師，大學本科，土木工程方向。