軟弱地層中盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

廖云洋

（中鐵二局第五工程有限公司，成都610031）

1 引言

盾構(gòu)姿態(tài)主要指的是盾構(gòu)的水平、垂直軸線與設(shè)計(jì)軸線的擬合情況，以及盾構(gòu)機(jī)體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)情況。

盾構(gòu)姿態(tài)在實(shí)際施工顯示為盾構(gòu)的俯仰角、橫擺角、回轉(zhuǎn)角，其中俯仰角是盾構(gòu)機(jī)軸線與水平面的夾角；橫擺角指盾構(gòu)軸線與線路方向在水平面上夾角；回轉(zhuǎn)角指盾構(gòu)繞自軸線旋轉(zhuǎn)的角度[1]。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)示意圖如圖 1 所示[2]。

圖1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)示意圖

盾構(gòu)姿態(tài)控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能出現(xiàn)的異常姿態(tài)，將影響管片拼裝質(zhì)量，導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)縫或碎裂，造成成型隧道滲漏；過大的回轉(zhuǎn)角導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行或隧道管片旋轉(zhuǎn)；磕頭或昂頭將導(dǎo)致地層損失過大，引起地表超標(biāo)沉降。

2 軟弱地層地質(zhì)條件

本文所述工程盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要為④-1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，呈軟塑～流塑狀態(tài)，高等～中等壓縮性，系蘇州沿河地段典型地質(zhì)，具體物理特性如表1 所示。

表1 地層地質(zhì)特性表

④-1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、靈敏度高和易觸變、流變的地質(zhì)特性，標(biāo)貫擊數(shù)值僅3 次。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，該地層中盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)易出現(xiàn)過軸線方向垂直偏差、盾構(gòu)機(jī)磕頭翹尾下沉（或昂頭墜尾上飄）、盾體回轉(zhuǎn)過大等現(xiàn)象。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)

3.1 盾構(gòu)俯仰角異常

3.1.1 磕頭現(xiàn)象（負(fù)值俯仰角）

在隧道右線掘進(jìn)10～40 環(huán)時(shí)出現(xiàn)磕頭現(xiàn)象，盾構(gòu)機(jī)頭部下沉量逐步增大至-130mm，而盾構(gòu)機(jī)尾部快速抬升至125mm，使得盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)磕頭趨勢(shì)，盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)最大達(dá)28mm/m 趨勢(shì)變化如圖2 所示。

圖2 10～40 環(huán)盾構(gòu)姿態(tài)趨勢(shì)圖

當(dāng)盾構(gòu)推至60 環(huán)時(shí)盾構(gòu)機(jī)頭部高程有所上升，但盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)依然達(dá)到了14mm/m（前后垂直姿態(tài)分別為-53mm 和69mm），在盾構(gòu)掘進(jìn)60～145 環(huán)過程中，盾構(gòu)趨勢(shì)不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，但依然保持“磕頭”趨勢(shì)，145 環(huán)時(shí)盾構(gòu)趨勢(shì)再次達(dá)到了28mm/m（前后垂直姿態(tài)分別為-160mm 和92mm），趨勢(shì)變化如圖3 所示。

圖3 60～145 環(huán)盾構(gòu)趨勢(shì)圖

在盾體磕頭過程中，測(cè)量盾尾間隙未見異常（采用的是φ6340 型盾構(gòu)機(jī)，管片采用外徑φ6200mm，盾尾長(zhǎng)3.9m），但通過盾構(gòu)機(jī)磕頭趨勢(shì)分析，盾尾末端與管片下部已緊貼卡死，導(dǎo)致管片下部脫出盾尾后即錯(cuò)臺(tái)、部分破損，最大錯(cuò)臺(tái)量達(dá)40mm，并且成型隧道滲漏點(diǎn)增多。

3.1.2 昂頭現(xiàn)象（正值俯仰角）

在隧道左線盾構(gòu)掘進(jìn)185～215 環(huán)過程中，盾構(gòu)機(jī)中心高程逐步上升至+74mm，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)達(dá)到19mm/m（前后垂直姿態(tài)分別為148mm 和20mm），通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)管片姿態(tài)出現(xiàn)了上浮現(xiàn)象，管片垂直高程最大偏差達(dá)到了+100mm，成型隧道滲漏點(diǎn)增多。

無論是盾構(gòu)機(jī)磕頭或昂頭現(xiàn)象，均導(dǎo)致掘進(jìn)過程中的地層損失加大，造成了地表超標(biāo)沉降。

3.2 盾構(gòu)滾動(dòng)角異常

在隧道左線盾構(gòu)掘進(jìn)530～600 環(huán)過程中，刀盤扭矩僅850kN·m，盾體滾動(dòng)角持續(xù)增加，最大達(dá)到了-8.9°，后部管片也在有一定量的旋轉(zhuǎn)，造成車架及人行走道偏轉(zhuǎn)傾斜，過程中反向轉(zhuǎn)刀盤后滾動(dòng)角仍無明顯回轉(zhuǎn)，僅是使得增速減緩。

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制

3.3.1 俯仰角控制

1）盾構(gòu)掘進(jìn)控制

該區(qū)間掘進(jìn)所采用的盾構(gòu)機(jī)共16 組推進(jìn)油缸，額定推力42 000kN，推進(jìn)油缸劃分為 A、B、C、D 4 個(gè)操控區(qū)，各區(qū)油壓可單獨(dú)操控，通過設(shè)置各區(qū)推進(jìn)油壓改變盾構(gòu)姿態(tài)糾偏力矩而調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)糾偏扭矩示意圖如圖4 所示。

圖4 盾構(gòu)糾偏扭矩示意圖

式中，M 為盾構(gòu)糾偏扭矩；RIS為千斤頂油缸到機(jī)體軸線的距離；Fd為下區(qū)千斤頂總推力；Fu為上區(qū)千斤頂總推力。

在掘進(jìn)過程中調(diào)整上下區(qū)域推進(jìn)油缸油壓增加糾偏扭矩。根據(jù)圖2 和圖3 顯示，在盾構(gòu)俯仰角初顯異常是未及時(shí)糾偏，導(dǎo)致俯仰角持續(xù)增加，后期通過調(diào)整糾偏扭矩來糾正俯仰角略顯困難，主要原因是地層軟弱，增大糾偏扭矩的同時(shí)造成推進(jìn)速度增加，不利于盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。

在姿態(tài)糾偏過程中，切忌將單區(qū)油缸壓力調(diào)整過低或相對(duì)區(qū)域油壓調(diào)整過高，過大調(diào)整會(huì)因管片與盾構(gòu)姿態(tài)本身的不重合（或偏差較大）而增加管片斜向分力，導(dǎo)致管片位移，加劇盾構(gòu)姿態(tài)突變。

姿態(tài)調(diào)整要遵循盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)“緩糾慢糾”“保頭護(hù)尾”“以盾尾為控制點(diǎn)”的控制原則；糾偏過程中要確保上下油缸行程差應(yīng)與管片姿態(tài)對(duì)應(yīng)、管片超前量應(yīng)與隧道曲線相對(duì)應(yīng)。

2）輔助措施

針對(duì)盾構(gòu)機(jī)在本區(qū)間的軟弱地層中出現(xiàn)的俯仰角異常問題，輔以以下技術(shù)措施，有利于快速調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)：（1）改變同步注漿部位?！翱念^翹尾”現(xiàn)象（負(fù)值俯仰角）選擇在停用下部2 根注漿管，僅采用上部2 根注漿管注漿，注漿壓力能在一定作用上克服尾部管片上浮，抵消下部推進(jìn)油缸的斜向上的分離，起到調(diào)整姿態(tài)的作用；“昂頭墜尾”現(xiàn)象（正值俯仰角）反之。（2）盾體預(yù)留孔加注膨潤(rùn)土。采用納基膨潤(rùn)土，膨潤(rùn)土制漿配比為：水∶土=5∶2，膨潤(rùn)土漿液稠度為100s，注入壓力控制在低于掘進(jìn)土倉(cāng)壓力約20kPa；采用二次注漿設(shè)備。注入部位的選擇：“磕頭翹尾”現(xiàn)象（負(fù)值俯仰角）采取在前盾預(yù)留垂直注漿孔注入；“昂頭墜尾”現(xiàn)象（正值俯仰角）采取在中盾（后部）預(yù)留垂直注漿孔注入。通過上述措施，盾構(gòu)俯仰角異常的情況得到控制。

3.3.2 盾體回轉(zhuǎn)角控制

呈軟塑～流塑狀的④-1 灰色粉質(zhì)黏土層內(nèi)摩擦角僅為15.5°，盡管刀盤切削扭矩較?。?50～950kN·m），掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)回轉(zhuǎn)角在以±3°內(nèi)可通過正反轉(zhuǎn)刀盤實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)角糾偏；當(dāng)回轉(zhuǎn)角超過±3°，盾體摩擦力矩?zé)o法克服刀盤切削土體產(chǎn)生的扭矩，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)角持續(xù)增大，正反轉(zhuǎn)刀盤已無法實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)角糾偏。

1）回轉(zhuǎn)角±3°以內(nèi)：每掘進(jìn) 300～500mm 刀盤反轉(zhuǎn)一次，以達(dá)到平衡摩阻力矩的作用；

2）回轉(zhuǎn)角超過±3°：調(diào)整兩腰的油缸斜度，本區(qū)間掘進(jìn)過程中調(diào)整了左（13、12、11）右（3、4、5）各 3 組油缸，調(diào)斜油缸后在撐靴底部加焊楔形塊（見圖5）。

圖5 油缸斜度傳力楔形墊

4 結(jié)語

通過采取一系列措施，有效控制盾構(gòu)俯仰角、回轉(zhuǎn)角異常，有利于提高掘進(jìn)效率及成型隧道質(zhì)量控制：（1）在姿態(tài)變化異常初期應(yīng)及時(shí)糾偏，分區(qū)油壓差別不宜過大，避免造成盾尾管片卡死，加劇姿態(tài)變化趨勢(shì)；（2）當(dāng)姿態(tài)變化過大時(shí)可采取盾體外注入膨潤(rùn)土的方式進(jìn)行糾偏；（3）通過調(diào)整部分推進(jìn)油缸傾斜度，以控制盾體過度旋轉(zhuǎn)。