盾構姿態(tài)控制和機管片選型技術探討

□文/徐 薇

隨著我國地下鐵路、電力隧道、綜合管廊等地下結構的快速發(fā)展，盾構施工因其高效、安全、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢，在地下隧道施工領域應用越來越廣泛。施工前的盾構適應性分析，盾構掘進參數的控制，掘進姿態(tài)控制，管片選型，掘進對沿線建（構）筑物的保護等相關的控制要點的研究得到了高度重視。其中盾構姿態(tài)和管片選型，因直接關系到隧道結構的成型質量和其不可逆轉的特點，成為盾構施工的一個重點和難點。

1 盾構姿態(tài)影響因素

盾構姿態(tài)是盾構主機的空間狀態(tài)，通常采用橫向偏差、豎向偏差、俯仰角、方位角、滾轉角和切口里程等參數描述，反應了盾構與設計線路的擬合程度，也反應盾構掘進參數狀態(tài)控制的合理性。但在施工過程中，盾構機的實際推進軸線無法與理論軸線保持一致，因此需分析影響盾構施工過程姿態(tài)影響因素，采取相應的控制措施，從而更有效的實現盾構姿態(tài)的控制，提高施工質量。

1.1 盾構機的性能

盾構機的性能直接與姿態(tài)調整相關。不同的盾構類型，推進油缸設置的分區(qū)不同，油缸的鎖定或啟用控制區(qū)域也不同，直接影響到在盾構掘進調向控制。盾構機的靈敏度主要表現在調向和轉彎方面，為保證盾構調向的需要增加鉸接機構，但是由于鉸接機構設置的不同，在調向表現上也不同:有的盾構鉸接為被動式，即隨著盾構的需要走；有的則在盾構調向時，可以主動調節(jié)鉸接油缸的行程，調整各分區(qū)油缸行程差。此外盾構設備的配置水平（測量系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、超挖刀等）對盾構的姿態(tài)控制和調整也起到了不同程度影響。

1.2 工程地質

在地質條件復雜，特別是刀盤范圍下軟上硬的地質情況下，盾構掘進方向不易控制，甚至盾構機自行低頭，使掘進偏離隧道中心線或盾尾不規(guī)則傾斜，直接影響到盾構姿態(tài)。隨時掌握盾構所處的地層情況，該地層對于盾構法的表現，掘進范圍內有無特殊地層，這些都是影響盾構姿態(tài)保持因素。

1.3 盾構掘進參數

掘進過程是盾構推力、油缸行程、土壓力、鉸接油缸行程、推進速度等綜合參數的協調統(tǒng)一，盾構機掘進方向偏離中線較大時，主司機可以通過對掘進參數的調整及時糾正盾構姿態(tài)。

1.4 其他因素

盾構的始發(fā)到達、地層突變、長時間停機等當未采取有效控制措施時，出現盾構姿態(tài)的變化。

2 盾構機管片選型拼裝與姿態(tài)的關系

當出現盾構姿態(tài)超限，通?？梢圆扇≈苯臃绞竭M行調整，包括改變分區(qū)千斤頂壓力；減少一個或多個千斤頂；調整盾構參數，包括調整土壓力、盾構扭矩、刀盤轉速、減少貫入度等；也可以采取輔助措施，包括開啟刀盤超挖裝置、單側注漿、膠接裝置的利用等。當盾構姿態(tài)出現問題后除調整盾構各施工參數外，通過正確的管片選型和選擇正確的拼裝點位，將隧道的實際線路調整在設計線路允許的公差范圍內，也是常用有效的方法。

盾構姿態(tài)在某種程度上決定了管片選型，因管片是在盾尾內拼裝，也不可避免地受到盾構姿態(tài)的限制。在管片選型時，一定要考慮盾構機的趨勢、偏移中線在水平和豎直方向的程度，特別是在下幾環(huán)管片選型時一定要綜合考慮盾構機姿態(tài)，計劃通過多少環(huán)將盾構機調整到隧道中心線上。

管片在某種程度上也影響盾構掘進的易難，如果盾構在左右或上下油缸行程差很大，使盾構機趨勢過大甚至偏離中心且推進油缸的撐靴與管片面形成線接觸，要很好地控制盾構掘進方向也是不容易的，而且使推力在管片上分解出一個徑向的分力，此分力可以通過管片及連接螺栓傳遞到前一環(huán)甚至后幾環(huán)，如果這個分力超過了管片混凝土的抗剪極限，管片就要破損。因此盾構姿態(tài)和管片選型，兩者是相輔相成、互為條件、協調統(tǒng)一的關系。

3 管片選型的相關因素和方法

3.1 與隧道線路的關系

為擬合設計線路，通過轉彎環(huán)與標準環(huán)的組合來適應隧道線路要素的不同要求。根據設計線路對管片作一個統(tǒng)籌安排，了解整條線路需要多少轉彎環(huán)（包括左轉彎、右轉彎），多少標準環(huán)以及曲線段上標準環(huán)與轉彎環(huán)的布置方式。

3.2 與管片楔形量的關系

依照曲線的圓心角與轉彎環(huán)產生的偏轉角的關系，可以計算出區(qū)間線路曲線段的轉彎環(huán)與標準環(huán)的布置方式，見圖1。

圖1 標準環(huán)與轉彎環(huán)的關系

轉彎環(huán)偏轉角

式中：θ——轉彎環(huán)的偏轉角；

δ——轉彎環(huán)的最大楔形量的一半，取24.5mm；

D——管片直徑，取6200mm。

θ=0.4528

根據圓心角的計算公式

式中：L——線路中心線的長度；

R——曲線半徑，取350m。

而θ=α，得出L=2.765m。

式（1）和式（2）表明，在半徑R=350m的圓曲線上，每隔2.765m要用一環(huán)轉彎環(huán)，由于管片環(huán)寬為1.2m。以此類推，可以算出R=400m時，每隔3.1595 m要用一環(huán)轉彎環(huán)。

3.3 管片拼裝點位的選擇

拼裝點位是指管片拼裝時封頂塊所在的位置。轉彎環(huán)在實際拼裝過程中，可以根據不同的拼裝點位來控制不同方向上的偏移量，控制盾構隧道的曲線走向，從而實現隧道的調向。由于是錯縫拼裝，所以相鄰兩塊管片的點位不能相差2的整數倍。一般情況下，本著有利于隧道防水的要求，都只使用上部5個點位。

3.4 與推進油缸和鉸接油缸行程的關系

盾構機是依靠推進油缸頂推在管片上所產生的反力向前掘進的，當各組推進油缸的行程有差異時，管片端面不垂直于盾構機軸線，推進油缸的推力就會在管片環(huán)的徑向產生較大的分力，從而影響已拼裝好的隧道管片以及掘進姿態(tài)。通常當兩個相反方向上的油缸行程差值≥40mm時，就應該拼裝轉彎環(huán)進行糾偏。盾構機中體與盾尾之間采用鉸接油缸進行連接，鉸接油缸的收放實現盾構機在曲線段的掘進及盾構機的糾偏。當顯示鉸接油缸行程差較大或使用大于2/3行程后，應通過針對性措施進行調整。當鉸接油缸的上下或左右的行程差值較大時，盾構機中體與盾尾之間產生一個角度，這將影響到油缸行程差的準確性。這時應當將上下或左右的推進油缸行程差值減去上下或左右的鉸接油缸行程的差值，最后的結果作為管片選型的依據。

現有一組油缸，見圖2。行程數據：B組1640mm，C組1643mm，D組1634mm，A組1674mm；左右行程差D-B=1634-1640=-6（mm）；上下行程差為A-C=1674-1643=31（mm）。

圖2 油缸分區(qū)

由以上計算可以看出，盾構機的軸線相對于管片平面向左上方傾斜。在對這環(huán)管片進行選型的時候，就應選擇一環(huán)左轉彎環(huán)且還要有向上的偏移量。

3.5 與盾尾間隙的關系

盾構施工中管片的安裝是在盾尾殼體的保護下在主機內部進行的，每環(huán)管片安裝完成后被推出盾尾，實際上是主機在已安裝的管片提供的反力作用下向前推進，這就要求盾殼和管片外徑之間有一定的空隙，這個空隙稱為“盾尾間隙”。如果盾構機偏離設計線路，糾偏過程中要保證盾構機的鉸接密封、盾尾鋼絲刷密封工作良好，也要兼顧管片與盾尾之間的間隙，避免盾構機推進時，盾尾鋼絲刷密封與管片發(fā)生干擾而損壞管片。根據施工實踐，一個掘進循環(huán)內盾尾間隙的糾偏值宜控制在±4mm內，否則轉彎環(huán)管片的偏移量跟不上盾構機的糾偏幅度，盾尾會將管片擠壞。

4 結論與建議

1）正常情況主機沿著隧道設計中心線走，管片隨著主機走，線形控制為工作內容之首。過程中注意盾尾間隙的保持，起碼滿足管片的拼裝需求，提前決策做到胸有成竹。

2）管片選型中關注油缸行程差，特別是在曲線部位，如果外側與內側油缸行程差過大，若通過連續(xù)安裝大量的轉彎環(huán)來跟上主機的姿態(tài)，就會造成盾尾間隙過小和管片破裂。

3）在遇到曲線內側盾尾間隙過小的情況時，不可貿然使用與曲線方向相反的管片進行調整，可以適當地調整一下鉸接油缸的長度，雖然這時間隙很小，但一般幾環(huán)之后可以好轉，特殊情況下可以在管片選型時稍稍加大行程差的數值，使管片向外運動一些。

4）不同的工程、不同的盾構，其掘進姿態(tài)控制和管片選型的計算不同，但其基本的原理和過程是相同的?！酢?/p>

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