淺談施工過程中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)的分析

顏濤

摘要：文章主要是分析了影響到盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的因素，在此基礎(chǔ)上講解了地鐵盾構(gòu)工程中的盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)的重點(diǎn)，望能為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)區(qū)間;盾構(gòu)機(jī)姿態(tài);姿態(tài)控制

1、前言

盾構(gòu)機(jī)是地鐵盾構(gòu)施工中重要的組成部分，在其中有著十分重要的作用，地鐵施工的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制是影響到地鐵盾構(gòu)施工工程的主要因素。為此為能進(jìn)一步提升到盾構(gòu)機(jī)的使用效率，文章詳細(xì)探討了盾構(gòu)法過程中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)。

2、影響盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的因素

在建立盾構(gòu)法項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，為創(chuàng)造盾構(gòu)隧道的良好先決條件，借助自動(dòng)完成導(dǎo)向價(jià)值的軟件系統(tǒng)功能和手動(dòng)測(cè)量結(jié)果，可以充分掌握盾構(gòu)掘進(jìn)方向和掌握部分的錯(cuò)誤，并進(jìn)行更合理的總體調(diào)整，然后跟蹤和監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)參數(shù)，例如切割位置不正確、盾構(gòu)尾部偏差的總體趨勢(shì)、翻轉(zhuǎn)角度、水平差、上下間距角度等。

2.1地質(zhì)因素

隨著盾構(gòu)機(jī)工程的不斷全面施工，如果切割環(huán)一側(cè)地質(zhì)硬度高，另一側(cè)硬度低且滲漏量大，在推到軟弱地質(zhì)時(shí)設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)推力不合理，盾構(gòu)機(jī)就會(huì)下降或上浮，進(jìn)入軟弱地層中，盾構(gòu)機(jī)就會(huì)出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象。如果這種現(xiàn)象得不到改善，盾構(gòu)狀態(tài)將明顯偏離基本標(biāo)準(zhǔn)施工軸線。

2.2盾構(gòu)機(jī)始發(fā)托架與反力架的精準(zhǔn)定位

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，設(shè)備在始發(fā)時(shí)放置在始發(fā)托架上。由于受始發(fā)托架設(shè)計(jì)高程、反力架可靠性和始發(fā)托架固定的影響，以及始發(fā)托架和反作用架本身的定位精度等因素的影響，相應(yīng)的啟動(dòng)盾構(gòu)施工掘進(jìn)姿態(tài)不同。因此，在盾構(gòu)啟動(dòng)初期，應(yīng)更合理地調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的初始啟動(dòng)位置。與盾構(gòu)隧道進(jìn)口處的鋼圈相比，兩者應(yīng)在隧道軸線中心的施工線和地面高程上長(zhǎng)期保持基本一致。另外，始發(fā)托架應(yīng)該足夠穩(wěn)定以防止變形。

2.3盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制中的管片姿態(tài)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片拼裝通常在盾構(gòu)尾部重要部位進(jìn)行，管片拼裝機(jī)用于襯砌管片的安裝。在管片裝配過程中，裝配機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)管片的平行度和直徑、自由度定向和斜向運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)使管片能夠快速準(zhǔn)確地定位和部分安裝。施工單位在施工過程中，當(dāng)管片部件裝配偏離預(yù)定目標(biāo)隧道出口線時(shí)，以實(shí)際情況為準(zhǔn)。采用左、右轉(zhuǎn)環(huán)管片，適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)油缸壓力等措施，對(duì)偏離區(qū)段做出糾偏。如果不進(jìn)行調(diào)整，將影響隧道的實(shí)際情況中心線，不能完全滿足工程要求。因此，管片能否合理安裝是影響盾構(gòu)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的最關(guān)鍵因素。

3、盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)要點(diǎn)

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

借助電磁場(chǎng)減壓法的閥門，還可以很靈活地調(diào)節(jié)內(nèi)外缸的壓力。此外，油缸上還安裝了各種超高精度、雙技能的傳感器，可以更準(zhǔn)確地知道油缸的所有行程，調(diào)整盾構(gòu)隧道內(nèi)偏移方向的主位置，將盾構(gòu)的姿態(tài)控制在合理范圍內(nèi)。在軟弱地質(zhì)掘進(jìn)工作中，鉸接千斤頂可同時(shí)向該地質(zhì)方向推出，使盾構(gòu)機(jī)可以向另一側(cè)地層掘進(jìn)。若采用盾構(gòu)機(jī)超挖刀對(duì)硬土進(jìn)行精細(xì)切割，則盾構(gòu)機(jī)的切割環(huán)會(huì)出現(xiàn)小間隙。另外，在多個(gè)千斤頂?shù)尿?qū)動(dòng)下，向土質(zhì)較硬的一側(cè)傾斜，可以提高盾構(gòu)隧道施工的平衡性，消除軟、硬土不均勻的影響，防止偏斜。

3.2盾構(gòu)過程中出土量的控制技術(shù)

應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制超速掘進(jìn)，并使其處于科學(xué)合理的范圍之內(nèi)。調(diào)查、測(cè)量工作須在穿越建筑物前進(jìn)行。此外，更合理的是提前優(yōu)化多個(gè)掘進(jìn)的開挖參數(shù)。在盾構(gòu)隧道施工中，連續(xù)推進(jìn)過程中，控制在2cm/min內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的?？紤]到總體情況和質(zhì)量要求，隧道速度應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，以確保不影響周圍的環(huán)境。所以嚴(yán)格地控制開挖量也是盾構(gòu)施工的重點(diǎn)，也是確?？刂茙r層總流損失率的最終途徑。在試驗(yàn)中段開挖過程中，開挖土石方的體積、重量是檢驗(yàn)各種開挖土石方理論計(jì)算方法的連續(xù)有效手段。開挖量的實(shí)際操作數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)量。在工程施工過程中，通過各種方式收集的綜合數(shù)據(jù)應(yīng)控制開挖量，并對(duì)綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行升級(jí)、優(yōu)化和調(diào)整。在盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的過程中，應(yīng)合理控制。否則，會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生明顯的流動(dòng)性因素，甚至導(dǎo)致土體地面沉降或隧道內(nèi)管片變形超標(biāo)。

3.3土倉壓力控制技術(shù)

項(xiàng)目施工環(huán)境尤其復(fù)雜。盾構(gòu)隧道穿越佛山市城區(qū)東平水道時(shí)，主要為以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為主。據(jù)調(diào)查，隧道凈距較小，埋深約7m，在盾構(gòu)隧道施工過程中，當(dāng)盾構(gòu)即將到達(dá)目的地的河床底區(qū)時(shí)，應(yīng)提前考慮管片超前量等因素，合理計(jì)算出該段河段各環(huán)管片的埋深情況，求得水土壓力，盾構(gòu)機(jī)械的最佳長(zhǎng)度應(yīng)更充分更科學(xué)合理地調(diào)整盾構(gòu)的土壓力。結(jié)果表明，該段土體的最大壓力為235.97～304.4kPa，根據(jù)施工工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定為210～260kpa。根據(jù)實(shí)際開挖數(shù)據(jù)的綜合分析，實(shí)際開挖量約為56m3 /環(huán)。與部分設(shè)計(jì)開挖量42.39m3/環(huán)相比，東平水道干河床開挖土體的疏松組織調(diào)整系數(shù)約為1.2。每個(gè)架子隊(duì)都配備技術(shù)人員以各種方式測(cè)量渣土車斗的存儲(chǔ)量，以獲得每個(gè)環(huán)的實(shí)際數(shù)據(jù)挖掘量，在此基礎(chǔ)上，為確保挖掘相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，非常靈活更改螺旋機(jī)的速度，然后全面優(yōu)化開挖量。在調(diào)整過程中，有必要與操作間的技術(shù)人員進(jìn)行積極溝通，并最終確認(rèn)它已降低到其要求，即，驅(qū)動(dòng)切割頭的扭矩不超過2500kn·M，軸向軸承的整體溫度低于40℃，總推力不超過20000kn。在此基礎(chǔ)上，可以盡可能地控制挖掘量。

3.4盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩的管控

在東平水道的盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，基本原理是恒速和慢速行駛。盾構(gòu)機(jī)的整體推進(jìn)加速度為25-40mm/min，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)盡快通過東平水道。在盾構(gòu)穿越的過程中，切刀頭的速度應(yīng)不大于1.8r/min，切刀頭發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩應(yīng)不大于2500KN·M。

3.5盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制

為了確保施工單位的質(zhì)量水平，盾構(gòu)機(jī)的正確姿勢(shì)應(yīng)在開挖前靠近主軸。在正式施工單位，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范機(jī)器的自校數(shù)量。隧道出口處線路的偏差不應(yīng)太快，環(huán)路之間的交錯(cuò)不應(yīng)太大。要求每個(gè)環(huán)的最大偏差不應(yīng)超過3mm。注意盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)的點(diǎn)重新測(cè)試。當(dāng)?shù)额^的上部較軟而下部較硬時(shí)，刀頭的下半部較硬而側(cè)面則較軟。挖掘時(shí)，刀頭的中下部難以挖掘，而上部易于挖掘。很容易導(dǎo)致刀盤整體向上移動(dòng)并長(zhǎng)時(shí)間堆積，使盾構(gòu)機(jī)難以低頭。在盾尾進(jìn)入上軟下硬層之前，應(yīng)提前做出不同反應(yīng)，始終保持向下姿態(tài)，正式進(jìn)入上軟下硬層。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的尖端趨于減少時(shí)，它又會(huì)增加，并作為一個(gè)整體增加。在這種極端情況下，仿形刀還可在下部快速打開和超挖，以避免盾構(gòu)機(jī)抬高頭部，科學(xué)合理地調(diào)整和控制盾構(gòu)機(jī)尾部中心點(diǎn)位置，從而及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)尾部的中心點(diǎn)位置控制調(diào)整段上下間隙時(shí)間，然后降低盾構(gòu)機(jī)。在出現(xiàn)極端現(xiàn)象的情況下，還可以鑿出上、后部形成保護(hù)層的砂漿，以微調(diào)盾構(gòu)尾部的間隙，從而更好地調(diào)整中間盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。

3.6盾構(gòu)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)控制的主要方法

以盾構(gòu)機(jī)的使用壽命為參考。如果盾構(gòu)機(jī)處于直線狀態(tài)且異常，則必須選擇全部千斤頂以盡可能少地提高后管環(huán)的應(yīng)力均勻性，以確保拼接組合和所取零件的質(zhì)量。盾構(gòu)機(jī)的姿勢(shì)可以通過以各種方式分離油壓來調(diào)節(jié)。僅使用分開的機(jī)油壓力保護(hù)蓋來選擇所有千斤頂是不可行的。因?yàn)橛斜匾陂_挖，掘進(jìn)，撓度校正和彎曲部分的工作中選擇所有千斤頂。在合理的盾構(gòu)隧道數(shù)百斤數(shù)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整百斤數(shù)量，以滿足隧道建設(shè)的需要。在盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過程中，如果刀頭正反轉(zhuǎn)動(dòng)且掘進(jìn)不均勻，會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的使用壽命，使盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向同一方向滾動(dòng)，并處于持續(xù)狀態(tài)。在長(zhǎng)期影響下，無法保證管片組件的整體質(zhì)量。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格調(diào)節(jié)刀頭的正反轉(zhuǎn)時(shí)間保持一致，以免刀頭單向或雙向旋轉(zhuǎn)時(shí)間過長(zhǎng)。正反轉(zhuǎn)時(shí)刀盤引擎的輸出應(yīng)盡可能相同，以避免盾構(gòu)體的整體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)誤差，并且還有助于提高管片在順時(shí)針和逆時(shí)針方向上的扭轉(zhuǎn)均勻性。與管片拼裝直徑相比，實(shí)際掘進(jìn)直徑大約高于該值。當(dāng)整體同步灌漿加固量不足或粘性液體的固化條件不好時(shí)，該段就很難與周圍的土壤接觸，從而完全改變了摩擦力，降低了阻力。在刀盤旋轉(zhuǎn)的過程中，它不具備使主體停止的綜合能力，并且盾構(gòu)機(jī)會(huì)滾動(dòng)，從而使管片發(fā)生扭曲。而且，由于隧道施工的影響，該路段本身有非常明顯的扭轉(zhuǎn)情況。

4、結(jié)束語

由上可知，地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工地質(zhì)的情況和施工環(huán)境都十分復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的姿態(tài)控制是影響到盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量的主要因素，為此有關(guān)人員在施工的過程中應(yīng)當(dāng)注意地質(zhì)環(huán)境、設(shè)備性能等方面的因素，還要科學(xué)合理的調(diào)節(jié)盾構(gòu)的姿態(tài)，才能有效確保到施工的安全穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]祁偉棟. 盾構(gòu)法施工過程中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)[J]. 四川建材， 2020， 046（002）：119-120.

[2]曹亞奇， 歐陽天一， 李文龍，等. 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越人行天橋施工中的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)[J]. 安裝， 2020（7）.

[3]路百春， 王先革， 王麗娟，等. 耐高寒中壓電力電纜： 2014.

[4]馮飛. 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)小半徑曲線斜切排樁施工技術(shù)[J]. 中國室內(nèi)裝飾裝修天地， 2020， 000（001）：277.

[5]劉肖楠. 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程姿態(tài)建模與控制研究[D]. 2020.

[6]欒鵬龍. 基于代理模型的盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[D]. 2020.

（作者單位：中交二公局鐵路工程有限公司）