淤泥質(zhì)土地層盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角糾正施工技術(shù)研究

朱俊陽(yáng)

摘要：針對(duì)福州地鐵6號(hào)線蓮花站～濱海新城站區(qū)間隧道盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)滾動(dòng)角過(guò)大的問(wèn)題，本研究通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，推導(dǎo)了一種糾正淤泥質(zhì)土中盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角施工所需千斤頂數(shù)量的公式，并對(duì)施工方法可行性、整治措施及整治效果進(jìn)行了研究。研究表明：盾構(gòu)機(jī)自身勞損及淤泥質(zhì)土流塑性較高是盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角失控的關(guān)鍵原因，本方案操作簡(jiǎn)單，能有效糾正盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角，可為相關(guān)研究提供借鑒作用。

Abstract： Aiming at the problem that the rolling angle of the shield machine is too large in the tunnel of Lianhua Station and Binhai Xincheng Station of Fuzhou Metro Line 6， this study deduces a kind of correction of the rolling angle of the shield machine in the muddy soil through theoretical analysis and on-site measurement. The formula of the number of jacks required for construction， and the feasibility of construction methods， remediation measures and remediation effects were studied. The research shows that the shield machine's own strain and high muddy soil flow plasticity are the key reasons for the uncontrolled rolling angle of the shield machine. The scheme is simple in operation and can effectively correct the rolling angle of the shield machine， which can provide reference for related research.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);滾動(dòng)角;淤泥質(zhì)土;施工技術(shù)

Key words： shield machine;rolling angle;construction technology

中圖分類號(hào)：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0169-03

0? 引言

地層的不均勻性、盾構(gòu)機(jī)操作不合理性等多種因素極易引起盾構(gòu)滾動(dòng)角的變化，當(dāng)前關(guān)于盾構(gòu)滾動(dòng)角調(diào)整的研究中，崔明[1]針對(duì)盾構(gòu)穿越閩江出現(xiàn)的滾動(dòng)角變化，提出在油缸撐底墊鋼靴塊控制盾構(gòu)機(jī)的滾動(dòng);趙毅昕[2]針對(duì)盾構(gòu)機(jī)機(jī)體出現(xiàn)的嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)，介紹了修正的實(shí)施方案;賈璐[3]對(duì)特殊地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)脫困技術(shù)進(jìn)行了研究;郭瑞[4]提出改變刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)調(diào)整滾動(dòng)角的方法。這些研究中有的需盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，操作風(fēng)險(xiǎn)較大，或并不適用于淤泥質(zhì)土等復(fù)雜地層。

本研究設(shè)計(jì)出了一種適用于淤泥質(zhì)土等復(fù)雜地層糾正盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角的方法，推導(dǎo)出了相關(guān)公式，整治措施效果明顯。

1? 工程概況

福州地鐵6號(hào)線蓮花站～濱海新城站從濱海新城站始發(fā)，沿規(guī)劃道慶路向西掘進(jìn)至蓮花站，區(qū)間隧道主要農(nóng)田、魚(yú)塘及水系，線路縱斷面呈“V”字坡，全長(zhǎng)1190.96m，覆土厚度約7.10m～15.21m，區(qū)間主要穿越地層主要為淤泥質(zhì)土層、富水砂層等不良地質(zhì)，采用S812舊盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)施工。

在左線區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)至80環(huán)時(shí)，盾構(gòu)滾動(dòng)角為

-8.2mm/m，通常來(lái)說(shuō)反轉(zhuǎn)刀盤(pán)可以調(diào)整盾構(gòu)滾動(dòng)角[4]，但實(shí)際操作中，不論刀盤(pán)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，盾構(gòu)滾動(dòng)角均是增大，直至82環(huán)時(shí)，盾構(gòu)角已達(dá)14.9mm/m，刀盤(pán)左轉(zhuǎn)鎖死。項(xiàng)目部采取在中盾9點(diǎn)鐘方向懸掛2.5T重物等措施后，滾動(dòng)角依舊增大。

2? 原因分析

①盾構(gòu)采用S812舊盾構(gòu)機(jī)在盾構(gòu)過(guò)程中出現(xiàn)故障，盾構(gòu)機(jī)重心嚴(yán)重偏右，盡管刀盤(pán)向右旋轉(zhuǎn)，機(jī)身重心產(chǎn)生的扭矩大于刀盤(pán)反扭矩及巖層對(duì)盾殼握裹扭矩，致使盾構(gòu)機(jī)在前進(jìn)過(guò)程中滾動(dòng)角持續(xù)變大。

②盾構(gòu)由含泥中細(xì)砂層過(guò)度到淤泥質(zhì)土后，淤泥質(zhì)土流塑性較高，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)并不能給盾構(gòu)機(jī)身提供足夠的反扭矩;同時(shí)，刀盤(pán)切削巖體后，盾構(gòu)與圍巖間隙未及時(shí)填充，圍巖未能給盾構(gòu)機(jī)身提供足夠大的握裹摩擦力。

③區(qū)間隧道掘進(jìn)正處在100m試掘進(jìn)階段，盾構(gòu)對(duì)該地層還處于摸索試驗(yàn)階段，盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)及渣土改良添加劑參數(shù)正處于改進(jìn)中。

3? 方案設(shè)計(jì)理論研究

3.1 方案介紹

因常規(guī)反轉(zhuǎn)刀盤(pán)、懸掛重物等方案均不能抑制滾動(dòng)角的大小，本研究擬在油泵撐靴與管片間墊鋼板，通過(guò)固定在鋼板上的千斤頂推動(dòng)盾殼旋轉(zhuǎn)，力學(xué)模型如圖1所示，T1為刀盤(pán)施加給盾殼的反扭矩，T2為土層作用于盾殼上的摩擦阻力扭矩，T3為鋼板上千斤頂作用于油泵后對(duì)盾殼產(chǎn)生的扭矩。

滿足T1+T3？叟T2，即可達(dá)到調(diào)整滾動(dòng)角的效果。

3.2 扭矩計(jì)算

3.2.1 計(jì)算假定

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中假定如下：

①土體為不排水固結(jié)及均勻的半無(wú)限空間體;

②土體與盾殼間的摩擦力作用面視為均勻分布;

③僅考慮盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的空間效應(yīng)，不考慮時(shí)間效應(yīng)。

3.2.2 土層摩擦阻力扭矩T2

當(dāng)不考慮盾構(gòu)機(jī)自重時(shí)，將作用于盾殼面上的垂直土壓力p1和水平土壓力p2分解為垂直于盾殼側(cè)表面上的正壓力。盾殼側(cè)表面受力分析如圖2所示。

在盾殼側(cè)表面取一微面ds，則ds上由水平土壓力、豎向土壓力分解的正壓力分別為

3.2.3 千斤頂作用扭矩T3

以油缸為受力分析對(duì)象，固定在鋼板上的千斤頂推力為F0，F(xiàn)0克服撐靴與鋼板間的摩擦力產(chǎn)生對(duì)油泵的環(huán)向力f31，即

4? 方案實(shí)施及其效果

4.1 本方案所需千斤頂數(shù)量

盾構(gòu)機(jī)事故發(fā)生段巖層為淤泥質(zhì)土，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)操作儀表知淤泥質(zhì)土中刀盤(pán)最大扭矩值為400kN·m，即T1=400kN·m;盾殼與土體間的摩擦系數(shù)？滋0[5]取0.3;盾構(gòu)機(jī)中軸線到地表距離H=8.9m;本研究使用鋼板有輕微銹蝕，其與管片間的摩擦系數(shù)？滋2取0.76;鋼板撐靴側(cè)涂有機(jī)油，其與撐靴間的摩擦系數(shù)？滋1取0.36;盾構(gòu)機(jī)巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，S812舊盾構(gòu)機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

單組油缸最大推力F0=42570/16 kN =2660kN，將以上參數(shù)帶入式（10），得出n？叟3.9。

即5根即以上千斤頂分別作用在不同油泵上即可保證盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角糾正，遠(yuǎn)小于總油泵組數(shù)16，設(shè)計(jì)方案可行。

4.2 千斤頂參數(shù)及施工工藝

4.2.1 千斤頂設(shè)計(jì)參數(shù)

千斤頂采用Q235型號(hào)鋼板與M32型號(hào)螺栓焊接而成，螺母與鋼板接觸處滿焊，鋼板尺寸及螺母焊接位置如圖3所示。

4.2.2 施工工藝

千斤頂操作示意圖如圖4（a）所示，為確保順利糾正盾構(gòu)機(jī)同時(shí)考慮到人工成本，現(xiàn)場(chǎng)采用6臺(tái)千斤頂同時(shí)施工。將千斤頂鋼板撐靴側(cè)涂上機(jī)油后放在撐靴與管片間，啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)并將油泵推力調(diào)至最大，反轉(zhuǎn)刀盤(pán)。用風(fēng)動(dòng)扳手旋轉(zhuǎn)千斤頂上螺栓，視盾構(gòu)滾動(dòng)角的變化調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，現(xiàn)場(chǎng)千斤頂操作圖如圖4（b）。

4.3 監(jiān)控量測(cè)

圖5為盾構(gòu)掘進(jìn)中的滾動(dòng)角變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析可知，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程至82環(huán)時(shí)，滾動(dòng)角達(dá)14.9mm/m，盾構(gòu)機(jī)左轉(zhuǎn)鎖死，但刀盤(pán)右轉(zhuǎn)情況下滾動(dòng)角依舊增大;在第87環(huán)采用在9點(diǎn)鐘方向加2.5T重物后，滾度角變化速度變緩，但依舊增大。在第91環(huán)采用本方案后，滾動(dòng)角迅速變小，并于101環(huán)時(shí)減小至可控范圍內(nèi)，說(shuō)明本方案能及時(shí)、有效糾正盾構(gòu)扭轉(zhuǎn)角。

5? 結(jié)論

①盾構(gòu)機(jī)自身勞損及淤泥質(zhì)土流塑性較高是盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角失控的關(guān)鍵原因，后期施工應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)保養(yǎng)及施工監(jiān)控量測(cè)。

②通過(guò)扭矩計(jì)算，推導(dǎo)出求解千斤頂數(shù)量的公式，證明了采用千斤頂糾正盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角方案的可行性。

③利用文中千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝，通過(guò)分析后期監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)可知，方案有效、及時(shí)的糾正了盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角，使盾構(gòu)施工順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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