論土壓平衡盾構(gòu)機(jī)“栽頭”極限處理方式

梁壽

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

佛山地鐵二號(hào)線花卉世界站～仙涌站區(qū)間全線長1.7km，盾構(gòu)從明挖區(qū)間始發(fā)，始發(fā)段位于R=600m（右線R=650m）左轉(zhuǎn)曲線半徑上，線路側(cè)穿在建廣明高架橋墩后進(jìn)入佛山一環(huán)路基，斜穿佛山一環(huán)高速路基后進(jìn)入大都村。先后穿越2 棟大都村房屋（該房屋有樁基，需要進(jìn)行拆房拔樁），然后，以R=700m 半徑右轉(zhuǎn)，第一次斜穿文登河進(jìn)入大都大道，沿大都大道行進(jìn)右轉(zhuǎn)至文登河，第二次、第三次穿越文登河后進(jìn)入佛陳公路，在佛陳公路上線路半徑轉(zhuǎn)為R=1000m 并進(jìn)行右轉(zhuǎn)，線路沿佛陳公路并下穿文登河公路橋涵后至花卉世界車站東端頭，在車站東端頭完成拆機(jī)、吊裝后運(yùn)輸至車站西端頭，在車站西端頭進(jìn)行二次組裝并始發(fā)。

下穿廣明高速～文登路～佛城路后到達(dá)花卉世界車站，其中有一段長度為120m 標(biāo)貫基數(shù)為N=2 ～4 的<4-2B>淤泥質(zhì)軟弱地層，整個(gè)掘進(jìn)區(qū)間含有大量<3-1>富水砂層，地層含水量大，透水性強(qiáng)，透水漏沙風(fēng)險(xiǎn)極大，佛山地鐵二號(hào)線TJ3 標(biāo)1 分部花卉世界站～仙涌站區(qū)間采用2 臺(tái)由中交天和機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的之間為φ6.28m 的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

2 盾構(gòu)機(jī)“栽頭”及地質(zhì)概況

在左線盾構(gòu)機(jī)二公盾4 號(hào)推到720 環(huán)后，地層地質(zhì)情況發(fā)生突然變化，區(qū)間隧道底部地質(zhì)情況從<7-1>強(qiáng)風(fēng)化泥巖層突然變?yōu)?4-2B>淤泥質(zhì)土層，區(qū)間地層地質(zhì)標(biāo)貫數(shù)值驟然由N=20 下降到N=4，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)“載頭”現(xiàn)象，每推進(jìn)一環(huán)，整機(jī)往垂直方向下降28 ～39mm，并且隨著掘進(jìn)距離拉長盾構(gòu)機(jī)俯仰角下降趨勢(shì)越變?cè)酱螅軜?gòu)機(jī)刀盤最大栽頭數(shù)值達(dá)到489mm。

3 土壓盾構(gòu)栽頭處理的特殊應(yīng)用

3.1 土壓盾構(gòu)主動(dòng)鉸接的推進(jìn)原理

此次花卉世界站～仙涌站區(qū)間使用的盾構(gòu)機(jī)是由中交天和盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠商生產(chǎn)設(shè)計(jì)的全新設(shè)備，在公司內(nèi)部編號(hào)為二公盾4 號(hào)，盾構(gòu)機(jī)采用14 根主動(dòng)鉸接，其設(shè)計(jì)方式為兩邊相互對(duì)稱，1 ～7 號(hào)主動(dòng)鉸接分布在2 ～5 點(diǎn)位置，8 ～14 號(hào)主動(dòng)鉸接分布在7 ～10 點(diǎn)位置，一共分為7 個(gè)區(qū)域。主動(dòng)鉸接設(shè)計(jì)在中盾和盾尾之間，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)油缸固定在尾盾部分（鉸接后方），盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中，推進(jìn)系統(tǒng)力首先傳遞到主動(dòng)鉸接的油缸上，然后，由主動(dòng)鉸接推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)主機(jī)向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，通過盾構(gòu)操作室主司機(jī)主動(dòng)操作安裝在盾尾與中盾之間的上、下、左、右四個(gè)區(qū)域的主動(dòng)鉸接油缸長短距離來達(dá)到盾構(gòu)機(jī)的調(diào)向目的，中交天和盾構(gòu)21 根主推進(jìn)油缸。

3.2 主動(dòng)鉸接的應(yīng)用要點(diǎn)

由中交天和機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)，主動(dòng)鉸接一般用于改變盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向的趨勢(shì)，不能實(shí)現(xiàn)通過主動(dòng)鉸接油缸替代推進(jìn)油缸的推進(jìn)的功能，而在本次“栽頭脫困”中，正是通過以盾構(gòu)機(jī)自身的主動(dòng)鉸接油缸來替代主推進(jìn)油缸的推進(jìn)功能，而推進(jìn)油缸來配合主動(dòng)鉸接油缸而得以實(shí)現(xiàn)脫困。

停止?fàn)顟B(tài)下，在操作室內(nèi)操作屏幕上將盾構(gòu)主動(dòng)鉸接進(jìn)行解鎖，并鎖定拱腰以上部分鉸接，在整個(gè)操作過程中，保持拱腰以上部分主動(dòng)鉸接伸出長度固定到30mm，主要鎖定N1 ～N3 號(hào)和N12 和N14 號(hào)，即鉸接分布1 號(hào)區(qū)域、2 號(hào)區(qū)域、7 號(hào)區(qū)域。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，合理出渣并保持合理土倉壓力，讓主司機(jī)在操作室調(diào)節(jié)盾體中部以下部分鉸接油缸行程長度，讓最底層鉸接油缸長度最長維持到80mm，主要是4 ～7 號(hào)和8 ～11 號(hào)，即鉸接油缸分布的3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6號(hào)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域安排一名人員，共4 人分別控制盾體拱腰及以下4 個(gè)區(qū)域主動(dòng)鉸接油缸無桿腔排氣閥，并通過對(duì)講機(jī)隨時(shí)與主司機(jī)保持聯(lián)絡(luò)，等候主司機(jī)的操作指令。

操作室內(nèi)主司機(jī)通過操作平臺(tái)解鎖推進(jìn)模式，同時(shí)，轉(zhuǎn)換到管片拼裝模式，在管片拼裝模式下，可將推進(jìn)油缸壓力調(diào)整到設(shè)計(jì)極限，一般最大可達(dá)到30 ～35MPa，安排1 名專人在油缸控制面板控進(jìn)行制推進(jìn)油缸，并利用對(duì)講機(jī)隨時(shí)等候主機(jī)室下達(dá)相關(guān)指令。主司機(jī)第一步啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)并對(duì)土倉進(jìn)行出渣，轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶，此時(shí)下達(dá)指令，啟動(dòng)下半部分推進(jìn)油缸千斤頂7#～16#推進(jìn)油缸，使其達(dá)到最大壓力30MPa，同時(shí)，通知4 名主動(dòng)鉸接操作人員開啟中下部4 個(gè)區(qū)域鉸接油缸無桿腔排氣閥，這時(shí)，鉸接油缸中的油壓會(huì)通過打開的無桿腔排氣閥得以回流，根據(jù)土倉設(shè)定壓力的變化情況，持續(xù)螺旋輸送機(jī)不間斷出土，此時(shí)，可以操縱輔助千斤頂和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸將盾體尾盾部分向前挪動(dòng)，底部主動(dòng)鉸接油缸行程會(huì)逐漸縮短。當(dāng)下部鉸接油缸行程與上部鉸接油缸行程基本一致時(shí)（縮短到30mm），下達(dá)停機(jī)指令，關(guān)閉推進(jìn)油缸和鉸接油缸排氣閥。在此過程中，整個(gè)團(tuán)隊(duì)操作協(xié)調(diào)、同步顯得格外重要，當(dāng)下半部推進(jìn)油缸壓力達(dá)到或者接近達(dá)到30MPa 時(shí)，中下部鉸接油缸無桿腔排氣閥必須同時(shí)快速打開，以保證下部盾尾向前移動(dòng)量盡量和鉸接油缸回縮量相等。

土壓盾構(gòu)主動(dòng)鉸接推進(jìn)過程示意圖如圖1 所示，圖（a）和圖（b）反映主動(dòng)鉸接推進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)盾體的向上抬頭趨勢(shì)。

圖1 鉸接推進(jìn)示意圖

通過以上步驟，每個(gè)巡回盾構(gòu)機(jī)向前能夠推進(jìn)約100mm，反復(fù)重復(fù)以上非常規(guī)操縱主動(dòng)鉸接的步驟，利用主動(dòng)鉸接非常規(guī)推進(jìn)方法，能夠快速實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在垂直方向的“抬頭”糾偏，使盾構(gòu)隧道曲線回歸到正常規(guī)范值，實(shí)現(xiàn)隧道的順利貫通。

4 總結(jié)與建議

通過此次利用土壓盾構(gòu)主動(dòng)鉸接非常規(guī)的極限處理方法實(shí)現(xiàn)了土壓盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象的快速糾偏，這種方法為以后相似情況提供了一個(gè)有利的參考方向，此方法的應(yīng)用在土壓盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾偏過程中見效快、周期短、操作簡單，不需要額外增加其他施工成本，同時(shí)，此方法也彌補(bǔ)了由中交天和機(jī)械有限公司生產(chǎn)的土壓盾構(gòu)機(jī)在主動(dòng)鉸接上的一些設(shè)計(jì)缺陷。雖然這種鉸接油缸推進(jìn)方式在多人協(xié)同配合作用下得到了實(shí)現(xiàn)，但在自動(dòng)化要求程度越來越高的時(shí)代，在以后相似盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)研究過程中，可以參考將本次盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)鉸接人工操作相互配合操作的過程設(shè)計(jì)成可自動(dòng)化或者半自動(dòng)化操作。

施工人員在以后的盾構(gòu)區(qū)間施工過程中，要更加敬畏地層，特別要仔細(xì)關(guān)注區(qū)間地層地質(zhì)設(shè)計(jì)的詳勘圖，留心危險(xiǎn)地段的特殊地層地質(zhì)，避免在以后的施工中再次在“陰溝”里翻船。本文只是以垂直軸線方向?yàn)槔f明了中交天和機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的土壓盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)鉸接的一種“另類”使用方法，水平軸線方向的糾偏也可參考這種方法。

5 結(jié)語

綜上所述，佛山地鐵項(xiàng)目部通過現(xiàn)場實(shí)際的摸索和總結(jié)，通過對(duì)中交天和土壓盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)鉸接進(jìn)行人為控制、對(duì)盾構(gòu)機(jī)部分操作系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)和盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式進(jìn)行修改后，將已經(jīng)栽頭的盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)快速“抬頭”，解決盾構(gòu)機(jī)的“栽頭”難題。但該工法需要的操作人員較多，要求技術(shù)人員對(duì)整個(gè)盾構(gòu)機(jī)工作原理清晰，對(duì)整機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)、交接系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)能夠融會(huì)貫通，后期可在盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造方面進(jìn)行改進(jìn)，通過增加相應(yīng)的電氣和液壓部件，實(shí)現(xiàn)主機(jī)室內(nèi)自動(dòng)控制鉸接氣動(dòng)閥，減少操作人員，提高自動(dòng)化程度，同時(shí)，該方式在實(shí)際操作過程中由于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整過快，容易導(dǎo)致管片出現(xiàn)破損或者裂紋，所以在不到萬不得已的情況下，慎用此方法。