盾構(gòu)法施工過程中土壓平衡盾構(gòu)機姿態(tài)控制技術(shù)

祁偉棟

(中交二公局鐵路工程有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

在地鐵的盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機占有不可或缺的位置，而地鐵施工的盾構(gòu)機姿態(tài)控制是影響地鐵盾構(gòu)施工的重要因素。為了進一步提升盾構(gòu)機的使用效率，本文基于具體工程案例，詳細探討了盾構(gòu)機姿態(tài)控制技術(shù)。

本工程為廣東省佛山市軌道交通2號線一期工程TJ3標灣華站-登洲站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)施工段。盾構(gòu)區(qū)間左、右線均采用盾構(gòu)法施工作業(yè)，盾構(gòu)機采用中交天和機械設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的Φ6250 mm土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)隧道襯砌管片外徑Φ6.0 m，內(nèi)徑Φ5.4 m，寬1.5 m，厚0.3 m，分為6塊：1塊封頂塊F、2塊鄰接塊L1、L2、3個標準塊B1、B2、B3。

2 影響盾構(gòu)機姿態(tài)控制的因素

基于盾構(gòu)法施工作業(yè)時，為給盾構(gòu)掘進創(chuàng)設(shè)良好條件，通過盾構(gòu)機的自動導(dǎo)向系統(tǒng)VMT系統(tǒng)、自動(人工)測量的方式掌握盾構(gòu)機主機部分出現(xiàn)的偏差，并做出合理調(diào)整，主要跟蹤、監(jiān)控盾構(gòu)機的切口偏差、盾尾偏差、趨勢、滾動角、水平偏差和俯仰角等技術(shù)參數(shù)。

2.1 土質(zhì)因素

伴隨盾構(gòu)施工的持續(xù)推進，若在切口環(huán)兩側(cè)土質(zhì)硬度偏差較大，且在針對松軟土質(zhì)推進時出現(xiàn)推力設(shè)置不合理的情況，將使盾構(gòu)機陷入到土體中，出現(xiàn)盾構(gòu)機“栽頭”的情形，若這一現(xiàn)象未得到改進，盾構(gòu)姿態(tài)將明顯偏離標準施工軸線。

2.2 盾構(gòu)機始發(fā)托架與反力架的精準定位

盾構(gòu)機掘進施工過程中，始發(fā)階段該設(shè)備被置于始發(fā)托架上，受始發(fā)托架高程、盾構(gòu)機反力架和始發(fā)架固定可靠程度、盾構(gòu)機始發(fā)托架與反力架定位是否準確等因素的影響，對應(yīng)的始發(fā)盾構(gòu)姿態(tài)存在差異，因此，始發(fā)階段要合理調(diào)整盾構(gòu)機初始始發(fā)位置，相對于盾構(gòu)隧道的洞門鋼環(huán)而言，二者在隧道軸心中心線以及高程上都要保持一致，此外始發(fā)托架應(yīng)足夠穩(wěn)固，不可發(fā)生變形。

2.3 盾構(gòu)機姿態(tài)控制中的管片姿態(tài)

盾構(gòu)機掘進過程中，管片拼裝作業(yè)一般在盾構(gòu)機盾尾區(qū)域，應(yīng)用管片拼裝機安裝襯砌管片。在管片拼裝過程中，拼裝機可以實現(xiàn)拼裝管片的縱向、徑向、橫向移動及回轉(zhuǎn)、橫搖和俯仰等6個自由度的動作，使管片快速精確地完成定位并安裝[1]。在施工中，若管片拼裝偏離既定隧道線路，以實際情況為準，采取合適的調(diào)節(jié)措施。若未在第一時間調(diào)節(jié)會對隧道實際中線帶來影響，無法滿足工程需求。所以管片安裝應(yīng)足夠合理，這是影響盾構(gòu)機運行的關(guān)鍵因素。

3 盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)要點

3.1 不同土質(zhì)中盾構(gòu)姿態(tài)的安全技術(shù)控制

1)在電磁減壓閥的輔助下，可以靈活調(diào)節(jié)上下油缸壓力，同時在油缸處安裝有高精度位移傳感器，可準確獲悉油缸的行程，在盾構(gòu)掘進中調(diào)節(jié)偏移位置，將盾構(gòu)姿態(tài)控制在合理范圍內(nèi)。

2)鉸鏈千斤頂具有靈活轉(zhuǎn)動的基本特性，因此，在軟土環(huán)境中施工時將鉸鏈千斤頂推出，避免盾構(gòu)向該側(cè)發(fā)生明顯偏移。

3)利用超挖刀切割硬質(zhì)土體，此時盾構(gòu)機切口環(huán)在該處將存在一個較小的空隙；同時在另一側(cè)千斤頂?shù)耐苿酉拢瑢A向于土體較硬的一側(cè)，可提升盾構(gòu)機掘進平衡性，消除土體軟硬不均的影響，避免跑偏現(xiàn)象。

3.2 盾構(gòu)過程中出土量的控制技術(shù)

嚴格將推進速度控制在合理范圍內(nèi)，在穿越建(構(gòu))筑物前必須做好測量工作，明確穿越里程，同時提前20環(huán)合理優(yōu)化掘進參數(shù)，在盾構(gòu)過程中推進速度需穩(wěn)定在2 cm/min?？紤]到整體質(zhì)量要求，推進時速度需相對穩(wěn)定，確保周邊環(huán)境不受到影響。嚴格控制出土量，盾構(gòu)機掘進過程中，每環(huán)出土量可通過：V=π×D2/4×L計算而得，D為管片的外徑直徑，L為盾構(gòu)機管片的長度，V為每環(huán)出土的理論體積。

本工程中理論上每環(huán)出土體積為：V=π×62×1.5/4=42.39 m3/環(huán)。嚴格控制出土量也是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵要點，是保證控制地層損失率的最直接的手段。在試驗段的掘進過程中，對出土量的體積和重量的驗證是檢驗出土量理論計算的有效手段，出土量的實際數(shù)據(jù)必須通過實際情況進行驗證測定，施工過程中通過收集的數(shù)據(jù)對出土量的控制數(shù)據(jù)進行優(yōu)化調(diào)整。在盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)節(jié)過程中，需合理控制糾偏次數(shù)，否則也會對土體帶來明顯的擾動影響，甚至出現(xiàn)隧道土體沉降或是隧道變形超標的問題。

3.3 土倉壓力控制技術(shù)

本工程部分區(qū)域施工環(huán)境尤為復(fù)雜，盾構(gòu)隧道穿越佛山市城區(qū)東平水道時，該區(qū)域主要以強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為主，經(jīng)勘測得知隧道頂部最小埋深約為7 m。盾構(gòu)隧道施工過程中，待盾構(gòu)快要到達河床底部時，應(yīng)考慮管片超前量等因素，經(jīng)計算后得到盾構(gòu)過河段各管片對應(yīng)的埋深情況，綜合對比地質(zhì)勘察報告，求得水土壓力；在計算當前環(huán)的土壓時需充分考慮盾構(gòu)機長度，合理調(diào)節(jié)土倉壓力。最終求得該段的土倉壓力為235.97～304.4 kPa，基于工程經(jīng)驗，最終確定為210～260 kPa。

通過對前期盾構(gòu)掘進施工實際出土量分析，實際出土量約為56 m3/環(huán)，相比于設(shè)計出土量42.39 m3/環(huán)而言，得知在東平水道河床底部，盾構(gòu)機掘進過程中出土松散系數(shù)約為1.2。每班配備技術(shù)員，通過對渣土斗存方量的測量，求得每環(huán)的實際出土量，基于此方式確保出土量統(tǒng)計準確性。靈活改變螺旋機轉(zhuǎn)速，可隨之優(yōu)化出土量，在調(diào)節(jié)時需積極與盾構(gòu)機司機、技術(shù)員溝通，全方位考慮總推力、掘進速度等參數(shù)，確定最低要求，即掘進刀盤扭矩不超過2 500 kN·m，主軸承溫度不超過40℃，且總推力不超過20 000 kN，在上述基礎(chǔ)上，盡可能控制出土量。

3.4 盾構(gòu)機推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩的管控

盾構(gòu)機掘進通過東平水道段的過程中，遵循勻速緩慢的基本原則，要求盾構(gòu)機的推進速度在25～40 mm/min，盡可能在短時間內(nèi)盾構(gòu)機穿過東平水道。盾構(gòu)機穿越東平水道的過程中，刀盤轉(zhuǎn)動速度不超過1.8 r/min，且刀盤扭矩不超過2 500 kN·m，若刀盤扭矩突然加大，第一時間上報盾構(gòu)機操作手。

3.5 盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制

為確保盾構(gòu)機隧道掘進的施工質(zhì)量，在盾構(gòu)機始發(fā)掘進前將姿態(tài)向軸線靠攏，正式施工時嚴格控制盾構(gòu)糾偏量，隧道線路方向不可糾偏過急、過大[2]，造成環(huán)與環(huán)之間產(chǎn)生過大錯臺，要求每環(huán)最多糾偏不超過3 mm，注重對自動控制點的復(fù)測，將盾構(gòu)姿態(tài)糾偏量穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。在遇到上硬下軟的地層推進，由于刀盤上部的土體比較硬，下部土體比較軟，開挖時上部受阻力較大且不易挖掘，下部阻力小且易挖掘，容易導(dǎo)致刀盤開挖整體向下移動，長期積累，造成盾構(gòu)機無法抬頭，即“載頭”現(xiàn)象。

在盾構(gòu)機進入上硬下軟地層前，提前做出反應(yīng)，保持向上抬頭姿態(tài)進入上硬下軟的地層，當盾構(gòu)機有前端被壓低的趨勢時，繼續(xù)加大抬頭的趨勢，在極端的情況下，可以打開仿形刀在上方局部進行超挖，避免盾構(gòu)機低頭。合理調(diào)節(jié)盾尾間隙，如果盾構(gòu)機的盾尾間隙不好，及時調(diào)整盾尾間隙，待管片上方間隙調(diào)整出來后再控制盾構(gòu)機抬頭。在極端情況下，可以鑿掉上方管片背面的保護層混凝土調(diào)整盾尾間隙，從而更好地調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)。

1)千斤頂編組與分區(qū)油壓綜合控制。

(1)合理調(diào)節(jié)各分區(qū)油壓。以盾構(gòu)姿態(tài)為基準，若為直線正常掘進狀態(tài)，此時需要全選千斤頂，盡可能提升后背管環(huán)受力均勻性，從而確保管片拼接質(zhì)量；通過分區(qū)油壓可實現(xiàn)對盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整。選中所有掘進千斤頂(共計24個)，分析所得的測量結(jié)果，準確掌握I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的油壓，嚴格控制好調(diào)整范圍，即在0～34.3 MPa。

(2)千斤頂編組。此方式可應(yīng)用于各類盾構(gòu)掘進施工場景中，是現(xiàn)階段盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整應(yīng)用極為廣泛的方法。實際操作中，需注重如下幾大要點：①千斤頂總量有24臺，單臺設(shè)備的最大推力150 t，所有千斤頂構(gòu)成的總噸位為3 600 t；若遇到砂土層施工環(huán)境，推力以1 000～1 200 t為宜，從而確定千斤頂編組數(shù)量，即不可低于8個。②注重跟蹤與計測工作，由于跟蹤負荷相對較小，因此主要被用于編組之外，可滿足環(huán)面平齊的要求。③掘進千斤頂全選，僅憑分區(qū)油壓盾構(gòu)糾偏的方式顯然不具備可行性，因此，在針對曲線段展開掘進與糾偏工作中，需在該方式的基礎(chǔ)上輔以千斤頂編組的方式。選定合適數(shù)量的千斤頂，以盾構(gòu)糾偏需求為基本參考，合理調(diào)節(jié)各區(qū)油壓，盡可能提升糾偏力矩，以滿足盾構(gòu)彎道掘進姿態(tài)調(diào)整需求，并確保糾偏效果。

2)盾構(gòu)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)控制的主要方法。

(1)刀盤正反轉(zhuǎn)控制。盾構(gòu)機運行過程中，若刀盤正反轉(zhuǎn)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，則會對盾構(gòu)機姿態(tài)帶來影響，使其朝相同方向持續(xù)滾動，隨之出現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)偏差過大的問題，在長時間影響下，無法確保管片拼裝質(zhì)量。盾構(gòu)掘進過程中，需嚴格控制刀盤正反轉(zhuǎn)時間，二者需盡可能相同，避免刀盤單向轉(zhuǎn)動時間過長的現(xiàn)象；此外，正反轉(zhuǎn)對應(yīng)的刀盤扭矩應(yīng)該盡可能相同，以免盾構(gòu)主體出現(xiàn)滾動偏差，也有助于提升管片順逆時針扭轉(zhuǎn)的均勻性。

(2)同步注漿質(zhì)量控制。相比于管片拼裝直徑，實際施工中的開挖直徑明顯大于該值，若襯砌脫出盾尾，在此影響下管片與土體之間將產(chǎn)生縫隙，當后續(xù)環(huán)節(jié)同步注漿用量不足或是漿液凝結(jié)狀況欠佳時，管片將難以與周邊土體達到緊密接觸狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)摩阻力隨之減小，在刀盤轉(zhuǎn)動過程中不具備阻擋主機滾動的能力，使得主機發(fā)生扭轉(zhuǎn)，且受掘進施工的影響，管片自身也存在明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對此，需嚴格控制同步注漿質(zhì)量，在不影響施工質(zhì)量的前提下，盡可能提升漿液凝結(jié)速度，控制同步注漿量，確保管片襯砌能夠與土體緊密貼合，形成足夠的抗扭轉(zhuǎn)摩阻力，有效避免盾構(gòu)滾動現(xiàn)象，提升管片環(huán)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

地鐵盾構(gòu)掘進施工地質(zhì)情況和施工環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)機掘進過程中姿態(tài)的控制尤為關(guān)鍵，是影響盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量的重要因素。工程人員應(yīng)兼顧地質(zhì)環(huán)境、設(shè)備性能等多方面因素，合理調(diào)節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)，有序推進施工作業(yè)，確保盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性。

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