土壓/TBM雙模盾構(gòu)栽頭糾偏方案探討

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南，鄭州 450016）

土壓/TBM 雙模盾構(gòu)具備土壓、TBM 兩種設(shè)備的功能特點(diǎn)。從配置上來(lái)講，土壓模式下有：刀盤、主驅(qū)動(dòng)、盾體、管片拼裝機(jī)、螺旋輸送機(jī)；TBM 模式下有：主機(jī)皮帶機(jī)、溜渣槽、除塵風(fēng)機(jī)、豆礫石等主要部件，主機(jī)較常規(guī)設(shè)備重約50t。從功能上來(lái)講，在TBM 模式下主驅(qū)具有高轉(zhuǎn)速、低扭矩的特點(diǎn)，土壓模式下主驅(qū)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的功能特點(diǎn)；設(shè)備功能強(qiáng)度，地質(zhì)適應(yīng)性好。本文通過(guò)分析土壓/TBM 雙模盾構(gòu)在福州地鐵某區(qū)間出現(xiàn)的盾構(gòu)栽頭及采取的應(yīng)對(duì)措施；為雙模盾構(gòu)在國(guó)內(nèi)其他地區(qū)推廣應(yīng)用提供姿態(tài)控制方面的技術(shù)參考。

1 地質(zhì)情況及設(shè)備介紹

福州地鐵4 號(hào)線某區(qū)間從大里程至小里程穿越的地質(zhì)大致可分為3 個(gè)段落：軟土（粉質(zhì)黏土、砂層、淤泥）824.5m、凝灰熔巖1 280.8m、軟土及殘積土80m。區(qū)間隧道兩段為軟土段，覆土較淺，隧道需下穿市政道路、居民房等，地面沉降控制高，適合選用土壓平衡盾構(gòu)；硬巖段下穿山體，主要為微風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r，飽和單軸抗壓強(qiáng)度113～193.8MPa，對(duì)設(shè)備破巖能力要求高，適合采用TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)本區(qū)間的地質(zhì)、環(huán)境條件及既往的工程經(jīng)驗(yàn)，采用任何單一掘進(jìn)模式的掘進(jìn)機(jī)難以較好適應(yīng)整個(gè)區(qū)間不同地質(zhì)的施工要求，為此我司技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合以往隧道掘進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，在福建首創(chuàng)在軟硬軟地層使用土壓/TBM 雙模掘進(jìn)機(jī)，用于提高盾構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)性、設(shè)備掘進(jìn)效率，加快施工工期進(jìn)度。

2 雙模盾構(gòu)栽頭原因分析

土壓/TBM 雙模掘進(jìn)機(jī)在大里程段以土壓模式始發(fā)，軟土段由淤泥地層進(jìn)入粉質(zhì)黏土地層掘進(jìn)至78 環(huán)時(shí)，尾盾出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。項(xiàng)目部采取“勤糾偏、小糾偏”的原則，采取盾構(gòu)切口向下的方式確保尾盾擬合設(shè)計(jì)軸線。設(shè)備掘進(jìn)至310環(huán)時(shí)，隧道底所處的下部地層突變?yōu)榉奂?xì)砂層，如圖1、圖2 所示。

圖1 第310環(huán)地質(zhì)圖

圖2 粉細(xì)砂渣樣

通過(guò)對(duì)粉細(xì)砂渣樣與粉質(zhì)黏土的物理特性進(jìn)行分析，了解粉細(xì)砂的地基承載力遠(yuǎn)小于粉質(zhì)黏土，且具有液化的特性如表1 所示。

表1 粉細(xì)砂與粉質(zhì)黏土主要物理特特性

因粉細(xì)砂的地基承載力較小且具有液化特性，雙模盾構(gòu)在進(jìn)入該不良底層時(shí)呈現(xiàn)向下趨勢(shì)，即切口-107mm，切口-20mm，尾盾26mm。為避免雙模盾構(gòu)姿態(tài)不可控，操作司機(jī)采取加大上下推進(jìn)油缸的行程差等措施來(lái)防止盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)一步向下；但因操作司機(jī)經(jīng)驗(yàn)有限，加上未能準(zhǔn)確掌控雙模盾構(gòu)的性能特點(diǎn)，雙模盾構(gòu)向下栽頭趨勢(shì)未能有效遏制。截止至348 環(huán)，土壓/TBM 雙模盾構(gòu)切口姿態(tài)已偏離設(shè)計(jì)軸線700mm，如圖3、圖4 所示。

圖3 雙模盾構(gòu)上下分區(qū)壓力差

圖4 336～345環(huán)雙模盾構(gòu)姿態(tài)變化折線圖

3 糾偏方案分析

土壓/TBM 雙模盾構(gòu)在掘進(jìn)至第304 環(huán)遇地層突變出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象至第348 環(huán)切口垂直姿態(tài)偏離設(shè)計(jì)軸向700mm，期間項(xiàng)目部多次組織召開(kāi)盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)警會(huì)，采取在前盾底部注厚漿、底部推進(jìn)油缸壓力加大、底部推進(jìn)油缸數(shù)量增加等措施，促使雙模盾構(gòu)姿態(tài)盡快恢復(fù)正常。從項(xiàng)目部采取的糾偏措施來(lái)看，基本上應(yīng)用了所有糾偏措施，卻不見(jiàn)效果。是否因?yàn)殡p模盾構(gòu)中心靠前造成糾偏困難或者推進(jìn)油缸糾偏力不能滿足要求。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析，了解到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)有以下現(xiàn)象。

現(xiàn)象1：設(shè)備掘進(jìn)過(guò)程中雙模盾構(gòu)盾尾間隙頂部30mm，底部123mm，左右均為40mm。

現(xiàn)象2：每環(huán)底部推進(jìn)油缸比上部推進(jìn)油缸多推進(jìn)10mm。

現(xiàn)象3：在（346/347/348）三環(huán)前半環(huán)掘進(jìn)有糾偏效果，但是后半環(huán)狀態(tài)繼續(xù)變差。盾構(gòu)間隙變化如圖5 所示。

圖5 280～348環(huán)尾盾間隙變化情況

首先，從以上的3 個(gè)現(xiàn)象可以理清兩個(gè)疑問(wèn)。現(xiàn)象1 中的盾尾間隙變化可以反映出尾盾目前處于豎向彈性變形。尾盾頂部間隙為0（尾刷保護(hù)環(huán)高度約為35mm） 因此該變形為尾盾豎向受拉造成。從圖6 的盾構(gòu)糾偏力傳遞路徑示意圖中可以看出，底部推進(jìn)油缸壓力差在糾偏狀態(tài)下有很大一部分轉(zhuǎn)移至尾盾的下拉。底部推進(jìn)力能造成尾盾豎向彈性形變，說(shuō)明推進(jìn)油缸有足夠富裕的壓力來(lái)“抬頭”，完全可以克服前端自重問(wèn)題。盾構(gòu)掘進(jìn)是通過(guò)后部推力和掌子面土壓來(lái)平衡自重，因此，即使在砂層地層掘進(jìn)，只要保持合適的土壓即可規(guī)避盾構(gòu)栽頭的情況。

圖6 盾構(gòu)糾偏力傳遞路徑示意圖

其次，現(xiàn)象2 和現(xiàn)象3 充分說(shuō)明當(dāng)前糾偏措施有效?，F(xiàn)象1 說(shuō)明掘進(jìn)過(guò)程中已經(jīng)有足夠的糾偏力在糾偏，現(xiàn)象2 反饋出底部油缸的超前伸出說(shuō)明糾偏起到一定的效果?，F(xiàn)象3 屬于盾尾間隙過(guò)小限制了尾盾的下拉，影響盾構(gòu)抬頭。每環(huán)剛開(kāi)始推進(jìn)時(shí)，上部有一定的間隙（管片選型）。糾偏時(shí)切口上抬，尾盾下移，上部較小間隙很快消失，一旦間隙消失，尾盾無(wú)下移空間，糾偏效果也隨之消失。

4 雙模盾構(gòu)糾偏建議

通過(guò)近期掘進(jìn)情況及掘進(jìn)方案分析，明確要減小盾構(gòu)栽頭趨勢(shì)，就要解決就糾偏過(guò)程中的空間、糾偏力提供等問(wèn)題，具體措施及建議如下。

1）選擇合理的土壓力，結(jié)合地層埋深計(jì)算和掘進(jìn)情況建議土壓力設(shè)定在2.3bar 左右為宜。土壓過(guò)高會(huì)造成推進(jìn)負(fù)擔(dān)，消減糾偏推力。土壓過(guò)低不能很好平衡盾構(gòu)自重，造成盾構(gòu)栽頭，也會(huì)影響糾偏。掘進(jìn)過(guò)程中開(kāi)啟超挖刀，保持上半部分超挖，為前盾上抬提供空間。

2）鎖定主動(dòng)鉸接行程。推進(jìn)前期調(diào)整好鉸接角度，保持上下行程差在60～90mm。配合水平轉(zhuǎn)彎，左右行程差可保持在40mm。糾偏過(guò)程中不要隨意收放鉸接，以免改變?cè)O(shè)備原有受力狀態(tài)，導(dǎo)致糾偏措施失效。

3）繼續(xù)保持上部油缸屏蔽，由中下部油缸提供推進(jìn)，形成較好的糾偏力矩確保上部油缸無(wú)推進(jìn)力。

4）加強(qiáng)管片選型。確保尾盾頂部間隙。如果連續(xù)上超造成油缸行程差過(guò)大，可通過(guò)下部加墊型鋼工裝等方式來(lái)調(diào)整。同時(shí)管片間可適當(dāng)墊一定厚度的軟木。底部加墊工裝一定要可靠，設(shè)置防滑裝置，避免彈出傷人。

5）糾偏過(guò)程中嚴(yán)格控制刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度。刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.5r/min，推進(jìn)速度控制在20mm/min 以內(nèi)。

6）糾偏推進(jìn)時(shí)將管片拼裝機(jī)移動(dòng)到最后部，并提升一塊標(biāo)準(zhǔn)管片作為配重，有利于設(shè)備抬頭。

通過(guò)對(duì)雙模盾構(gòu)的自身特性分析，并堅(jiān)持應(yīng)用以上糾偏方案，該區(qū)間的雙模盾構(gòu)姿態(tài)逐步恢復(fù)正常。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析土壓/TBM 雙模盾構(gòu)在福州地鐵4 號(hào)線某區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中遇地層突變出現(xiàn)盾構(gòu)主機(jī)向下偏離設(shè)計(jì)軸線的現(xiàn)象；并根據(jù)土壓/TBM 雙模盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置及功能的特點(diǎn)，對(duì)雙模盾構(gòu)在特殊地層糾偏方法的探討，掌握雙模盾構(gòu)的糾偏方案，為該設(shè)備在廣州、深圳等國(guó)內(nèi)一線地區(qū)推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考，給我國(guó)盾構(gòu)施工建設(shè)帶來(lái)一定的促進(jìn)作用。