盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制

王彪

摘要：建筑高質(zhì)量的隧道，滿足隧道使用需要是采用盾構(gòu)法施工的質(zhì)量目標(biāo)，盾構(gòu)法施工盾構(gòu)姿態(tài)控制是盾構(gòu)法施工重點(diǎn)環(huán)節(jié)，以京津城際延伸線解放路隧道為例，通過結(jié)合實(shí)際施工情況，分析盾構(gòu)施工過程中不同地質(zhì)條件下姿態(tài)控制技術(shù)，并提出一些盾構(gòu)機(jī)的糾偏措施。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工 ?姿態(tài)控制 ?糾偏

1盾構(gòu)姿態(tài)偏差原因

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏差主要是方向偏差和滾動(dòng)偏差。方向偏差是指盾構(gòu)機(jī)在水平和垂直方向偏離了線路的方向，滾動(dòng)偏差則指盾構(gòu)機(jī)的機(jī)身沿其軸線發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。由于隧道通過的巖層軟硬不均、巖層界線變化較大且盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中還需要適應(yīng)線路在平面方向和垂直方向的變化，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置不可能隨時(shí)都能完全適應(yīng)掌子面的巖層情況，因此盾構(gòu)機(jī)極易發(fā)生方向偏差。另外，由于盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中是依靠刀盤的旋轉(zhuǎn)來擠壓和切削土體來工作的，因此盾構(gòu)機(jī)身有向刀盤旋轉(zhuǎn)方向相反的滾動(dòng)趨勢(shì)，如果這種滾動(dòng)趨勢(shì)得不到有效的控制，盾構(gòu)就會(huì)發(fā)生滾動(dòng)，即發(fā)生滾動(dòng)偏差。方向偏差和滾動(dòng)偏差都會(huì)對(duì)盾構(gòu)的掘進(jìn)帶來不利的影響，因此有必要對(duì)其進(jìn)行控制和糾正。

1.1方向偏差

盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生方向偏差主要原因：

（1）盾構(gòu)推進(jìn)過程中部同部位的推進(jìn)千斤頂參數(shù)設(shè)置不能與實(shí)際需要相吻合，致使推進(jìn)千斤頂在不同部位的推進(jìn)量不一致而產(chǎn)生姿態(tài)偏差。

（2）開挖掌子面的土層軟硬不均，刀盤在洞室不同部位的阻力不一致，致使刀盤向阻力較小的方向移動(dòng)而產(chǎn)生姿態(tài)偏差。

（3）刀盤自重的影響，使盾構(gòu)機(jī)有向下低頭的趨勢(shì)。

1.2滾動(dòng)偏差

產(chǎn)生滾動(dòng)偏差的主要原因是盾構(gòu)殼體與洞壁之間的摩擦力矩不能平衡刀盤旋轉(zhuǎn)的扭矩。這種情況在盾構(gòu)通過穩(wěn)定性較好的地段尤為明顯，因?yàn)榇藭r(shí)盾構(gòu)殼體與洞壁之間只有中下部才產(chǎn)生摩擦力，同時(shí)其摩擦系數(shù)也相對(duì)較小。盾構(gòu)產(chǎn)生過大的滾動(dòng)不僅會(huì)影響管片的拼裝，也會(huì)引起隧道軸線的偏斜。

2盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的一般細(xì)則

在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)操作人員根據(jù)激光自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)在電腦屏幕上顯示的數(shù)據(jù)，通過合理選擇各分區(qū)千斤頂及刀盤轉(zhuǎn)向等來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制操作原則有兩條：

（1）機(jī)體滾角值應(yīng)適宜，盾構(gòu)機(jī)滾角值太大，盾構(gòu)機(jī)不能保持正確的姿態(tài)，影響管片的拼裝質(zhì)量，此時(shí)，可以通過反轉(zhuǎn)刀盤來減少滾角值。

（2）盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向水平向右偏，則需要提高右側(cè)千斤頂分區(qū)的推力;反之，則需要提高左側(cè)千斤頂分區(qū)的推力。如果盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭向下偏，則需要提高下部千斤頂分區(qū)的推力;反之亦然。

一般情況下，盾構(gòu)機(jī)的方向糾偏應(yīng)控制在±20mm以內(nèi)，在緩和曲線及圓曲線段，盾構(gòu)機(jī)的方向糾偏應(yīng)控制在±30mm以內(nèi)。盡量保持盾構(gòu)機(jī)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線平行，否則，可能會(huì)因?yàn)樽藨B(tài)不好而造成盾尾間隙過小和管片錯(cuò)臺(tái)裂縫。

當(dāng)開挖面土體較均勻時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制比較容易，一般情況下方向偏角控制在±5mm以內(nèi)。當(dāng)開挖面內(nèi)的地層左、右軟硬不均而且又是處在曲線段時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制比較困難。此時(shí)，可以降低掘進(jìn)速度，合理調(diào)節(jié)各分區(qū)的千斤頂?shù)耐屏Γ斜匾獣r(shí)可考慮使用超挖刀進(jìn)行超挖。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)遇到上軟下硬土層時(shí)，為防止盾構(gòu)機(jī)“抬頭”，要保持下俯姿態(tài);反之，則要保持上仰姿態(tài)。

掘進(jìn)時(shí)要注意上下兩端和左右兩側(cè)的千斤頂行程偏差不能相差太大，一般控制在±20mm以內(nèi)。在曲線段掘進(jìn)時(shí)，一般情況下根據(jù)曲線半徑的不同讓盾構(gòu)機(jī)向曲線內(nèi)側(cè)偏移一定量，偏移量一般取10～30mm。在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制中，推進(jìn)油缸的行程控制是重點(diǎn)。對(duì)于1.5m寬的管片，原則上行程控制在1700～1800mm之間，行程差控制在0～40mm內(nèi)，行程過大，則盾尾刷容易露出，管片脫離盾尾較多，變形較大;行程差過大，易使盾體與管片之間的夾角增大，易造成管片的破損、錯(cuò)臺(tái)。

3不同地質(zhì)環(huán)境中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制技術(shù)

3.1淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制方法

淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中掘進(jìn)時(shí)，由于地層自穩(wěn)性能極差，為控制盾構(gòu)機(jī)水平和垂直偏差在允許范圍內(nèi)，避免盾構(gòu)機(jī)蛇形量過大造成對(duì)地層的過量擾動(dòng)，宜將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度控制在20～30mm/min之間，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.4rpm左右。在該段地層中掘進(jìn)時(shí)，四組千斤頂推力應(yīng)較為均衡，避免掘進(jìn)過程中千斤頂行程差過大，否則，可能會(huì)造成推力軸線與管片中心軸線不在同一直線上。在掘進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加注一定量的添加劑，以保持出土順暢，盡量保持盾構(gòu)機(jī)的連續(xù)掘進(jìn)，同時(shí)，要嚴(yán)格控制同步注漿量，以保證管片背后間隙被有效填充。

3.2砂層中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制方法

砂層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機(jī)在全斷面富水砂層中掘進(jìn)，由于含水砂層的自穩(wěn)性極差，含水量大，極易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“磕頭”現(xiàn)象，同時(shí)，在含水砂層中盾構(gòu)機(jī)也易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。為避免盾構(gòu)機(jī)在含水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，在推進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)應(yīng)保持向上抬頭的趨勢(shì)，如果發(fā)現(xiàn)有“磕頭”趨勢(shì)，應(yīng)立即調(diào)節(jié)上下部壓力，維持盾構(gòu)機(jī)向上的趨勢(shì)。為避免盾構(gòu)機(jī)在含水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)減小刀盤轉(zhuǎn)速，減小對(duì)周圍砂層的擾動(dòng)。

3.3為了防止以上出現(xiàn)的情況，采取一些措施

（1）在保證盾構(gòu)正常掘進(jìn)的前提下，通過電磁減壓閥，調(diào)節(jié)上下區(qū)油缸壓力，同時(shí)通過油缸的裝的位移傳感器觀察各區(qū)油缸顯示，減小盾構(gòu)掘進(jìn)過程中向一側(cè)偏移的趨勢(shì)，達(dá)到控制盾構(gòu)姿態(tài)的目的。

（2）在利用鉸接千斤頂轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)，在掘進(jìn)過程中漿軟土側(cè)的鉸接千斤頂推出，克制盾構(gòu)向此側(cè)偏的趨勢(shì)

（3）在利用盾構(gòu)機(jī)刀盤的超挖刀，先行切割開挖面土體，使盾構(gòu)機(jī)開口環(huán)部位在此側(cè)產(chǎn)生較小的空隙，在盾構(gòu)機(jī)另一側(cè)千斤頂?shù)耐屏ψ饔孟庐a(chǎn)生土體硬一側(cè)行走的趨勢(shì)，從而可以減小盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中由于土體軟硬不均而引起的一側(cè)跑偏的現(xiàn)象。

（4）以上軟下硬地層為例，在這類地質(zhì)條件下掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)刀盤受力不均，掘進(jìn)速度不均衡，這就要求在掘進(jìn)過程中，必須時(shí)刻觀察測(cè)量系統(tǒng)提供的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合推進(jìn)千斤頂和鉸接千斤頂?shù)男谐滩钪?，不斷地調(diào)整各分區(qū)千斤頂?shù)耐屏翱偼屏?，以保持盾?gòu)機(jī)姿態(tài)的平穩(wěn)。如果不注意調(diào)整推進(jìn)千斤頂?shù)男谐滩?，就?huì)造成管片選型變化大，甚至造成過小的盾尾間隙使管片不能順利脫出盾尾。因此，在推進(jìn)過程中不能單一的只注意測(cè)量系統(tǒng)所提供的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來指導(dǎo)掘進(jìn)，還應(yīng)兼顧各分區(qū)千斤頂?shù)男谐滩睢?/p>

（5）盾構(gòu)機(jī)在該類地層中掘進(jìn)，其軸線姿態(tài)能較好地控制， 在掘進(jìn)時(shí)保持各分區(qū)千斤頂推力均勻， 總推力和掘進(jìn)速度均勻， 即可保持盾構(gòu)機(jī)較好的姿態(tài)。

4盾構(gòu)機(jī)的糾偏措施

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中總會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線，進(jìn)行糾偏時(shí)必須有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行。糾偏措施如下：

（1）在掘進(jìn)過程中隨時(shí)注意滾角的變化，及時(shí)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的滾角值調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

（2）應(yīng)根據(jù)各段地質(zhì)情況對(duì)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（3）在糾偏過程中，掘進(jìn)速度要放慢，并且要注意避免糾偏時(shí)由于單側(cè)千斤頂受力過大對(duì)管片造成的破損。

（4）盡量選擇合理的管片類型，避免認(rèn)為因素對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)造成過大的影響，嚴(yán)格管片拼裝質(zhì)量， 避免因此而引起的對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整。

（5）在糾偏時(shí)，要密切注意盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)、管片的選型及盾尾的間隙等，盾尾與管片四周的間隙要均勻。

（6）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)偏離設(shè)計(jì)軸線較大時(shí)，不得猛糾猛調(diào)，避免往相反方向糾偏過大。

5結(jié)語：

對(duì)于盾構(gòu)施工而言，掘進(jìn)過程就是一個(gè)長(zhǎng)期糾偏的過程，要通過實(shí)際的掘進(jìn)施工不斷地積累施工經(jīng)驗(yàn)，并在施工過程中做記錄，探索出各種問題對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的影響程度，并把比較嚴(yán)重的問題作為施工中的重點(diǎn)問題進(jìn)行研究解決，為今后的掘進(jìn)施工提供支持。

參考文獻(xiàn)：

1.關(guān)寶樹 隧道施工要點(diǎn) 2002.09

2.劉建航 侯學(xué)淵 盾構(gòu)法隧道 中國鐵道出版社 1991