盾構(gòu)施工姿態(tài)控制與研究

蘇儉

中國鐵建大橋工程局集團(tuán)第三工程有限公司 天津 300000

1 工程概況

區(qū)間為1529m單圓盾構(gòu)區(qū)間，曲線半徑分別為R=1200m、R=1000m和R=800m，縱斷面V字坡，坡度依次為+2‰、-24.384‰、-5.000‰、+5.000‰、+24.384‰、+2‰，隧道埋深8.25-17.92m，隧道外徑為6.2m，內(nèi)徑為5.5m，管片厚度為35cm，環(huán)寬1.2m，每環(huán)由6塊管片通用楔形環(huán)錯縫拼裝方式。

2 工程地質(zhì)

區(qū)間隧道地貌為濱海湖沼積平原，沿線場地自然地面較平坦，盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土含砂粉質(zhì)粘土，地層較軟弱，地下水位高，工程性能較差。

3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

3.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制操作原則

機(jī)體旋轉(zhuǎn)值不能大于3°，機(jī)體旋轉(zhuǎn)影響管片拼裝的同時也存在安全風(fēng)險，通過調(diào)整刀盤旋轉(zhuǎn)方向減少機(jī)體旋轉(zhuǎn)值[1]。

盾構(gòu)前進(jìn)方向需要調(diào)整時，需要將偏移軸線部位的千斤頂分區(qū)推力加大，使其回到正常允許范圍內(nèi)。

3.2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的一般細(xì)則

基本原則：以設(shè)計軸線為目標(biāo)，偏差控制在設(shè)計范圍內(nèi)，一般情況下，脫出盾尾的管片上浮量10mm-20mm，盾構(gòu)機(jī)軸線盡量保持在設(shè)計軸線以下20mm左右宜為最佳，[2]不能超過規(guī)范值±50mm。

管片拼裝與盾構(gòu)姿態(tài)控制互相制約，互相影響。二者均以設(shè)計軸線控制為目標(biāo)，必須進(jìn)行互相匹配才能保證成型隧道的質(zhì)量。

4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制與管片姿態(tài)控制方法

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制基本分兩種：豎曲線、平曲線。

4.1 豎曲線掘進(jìn)姿態(tài)控制

例如盾構(gòu)由上坡轉(zhuǎn)至下坡，為保盾構(gòu)姿態(tài)，加大上部千斤頂推力，減小下部千斤頂推力使盾構(gòu)機(jī)向下掘進(jìn)，管片上部加厚楔子使管片姿態(tài)向下，確保管片和盾構(gòu)走向一致，保證盾尾間隙，防止因間隙過小導(dǎo)致管片碎裂和制約盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。通過以下3種情況進(jìn)行分析：

管片姿態(tài)向下，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)未及時跟進(jìn)造成管片與盾尾下部間隙小使管片拼裝困難下部管片易刮盾尾造成管片碎裂。

盾構(gòu)姿態(tài)向下調(diào)整，管片上超未及時跟進(jìn)調(diào)整姿態(tài)，使靠近掘進(jìn)方向上部盾尾間隙小，下部盾尾間隙大，拼裝時落底塊下壓量不足時導(dǎo)致封頂塊很難拼裝易造成拼裝時管片碎裂；與掘進(jìn)相反方向脫出盾尾管片間隙小易卡盾尾使管片受力造成管片碎裂。

通過控制千斤頂分區(qū)壓力調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，通過管片貼超前量（楔子）來調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)使盾構(gòu)與管片姿態(tài)保持一致，同時保證盾尾間隙。

4.2 盾構(gòu)與管片姿態(tài)計算

本盾構(gòu)盾尾間隙30mm，調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)時千斤頂行程不同會出現(xiàn)行程差，當(dāng)行程差過大就會出現(xiàn)盾構(gòu)與管片出現(xiàn)夾角同時盾尾間隙不能保證造成管片碎裂。

例如，上部千斤頂行程1861mm、下部千斤頂行程1807mm，設(shè)計坡度正在由2‰坡度變化到-24.384‰坡度，因變坡較大上部推力大使盾構(gòu)姿態(tài)向下調(diào)整。

計算式：盾構(gòu)與管片之間夾角=上下千斤頂行程差54mm/上下千斤頂中心距5850mm=9.23‰度，此時脫出盾尾管片上部受盾殼壓力造成上部管片碎裂。

經(jīng)驗總結(jié)：為保證管片完好盾構(gòu)與管片之間的夾角控制應(yīng)小于5‰度，上下行程差小于30mm。

4.3 管片姿態(tài)計算

盾構(gòu)姿態(tài)通過自動系統(tǒng)測量及人工復(fù)測計算。

管片姿態(tài)通過測量超前量計算：管片坡度=超前量（mm）/拼裝完成管片內(nèi)徑。

通過行程差計算出的盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)的夾角和通過超前量計算出的管片姿態(tài)與自動測量計算出的盾構(gòu)的夾角，兩種方式一起來復(fù)核數(shù)據(jù)，穩(wěn)準(zhǔn)及時的調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。

4.4 平曲線掘進(jìn)姿態(tài)控制

平曲線段推進(jìn)時，控制千斤頂?shù)男谐淌侵攸c(diǎn)。一般行程比管片寬度多60-70cm即可，如行程過大，會導(dǎo)致盾尾刷露出，拼裝管片好的管片受盾尾束縛力過小而可能發(fā)生變形，影響后續(xù)拼裝；行程差過大，盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)之間的夾角變大，與豎曲線一致，會造成盾尾間隙不均、管片拼裝不順暢、造成管片拼裝和推進(jìn)的過程中碎裂、極易產(chǎn)生管片之間的錯臺，錯臺量要求環(huán)內(nèi)5mm，環(huán)間6mm。

盾構(gòu)機(jī)在緩和曲線及圓曲線段掘進(jìn)時，糾偏量應(yīng)控制在±20mm-±30以內(nèi)。當(dāng)開挖面土體較均勻時，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制比較容易。當(dāng)開挖面地層左、右軟硬不均，同時處在曲線段時，控制姿態(tài)困難?？赏ㄟ^降低掘進(jìn)速度，調(diào)節(jié)千斤頂推力進(jìn)行控制，如效果不明顯，可采用超挖刀協(xié)助調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，但同時注意控制注漿量，填充好管片外間隙防止漏水。

平曲線推進(jìn)時在盾構(gòu)開始進(jìn)入轉(zhuǎn)彎區(qū)域時要提前控制盾構(gòu)及管片姿態(tài)慢糾緩糾，避免到曲線段來不及調(diào)整盾構(gòu)及管片姿態(tài)。

5 盾構(gòu)姿態(tài)控制總結(jié)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程軸線偏離時常發(fā)生，控制好盾構(gòu)與管片姿態(tài)極為重要，姿態(tài)糾偏必須提前進(jìn)行規(guī)劃。姿態(tài)控制調(diào)整措施總結(jié)如下：

（1）盾構(gòu)推進(jìn)過程中時刻注意盾構(gòu)轉(zhuǎn)角值變化，及時通過盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動方向進(jìn)行調(diào)整。

（2）通過百環(huán)試推以及相關(guān)地區(qū)的推進(jìn)經(jīng)驗對盾構(gòu)各項的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整及總結(jié)。

（3）在糾偏過程中，要放慢盾構(gòu)的推進(jìn)速度，避免局部區(qū)域千斤頂推力過大，致使管片產(chǎn)生破損。

（4）通過盾構(gòu)姿態(tài)及設(shè)計軸線進(jìn)行分析，提前籌劃好后續(xù)需要的管片規(guī)格，以及盾構(gòu)千斤頂?shù)姆謪^(qū)推力，使盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)同設(shè)計軸線一致。

（5）盾構(gòu)糾偏時，要密切關(guān)注盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)、管片的姿態(tài)及盾尾的間隙等，始終要保持盾尾間隙均勻。

（6）當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)偏離設(shè)計軸線較大時，不得糾偏過猛，應(yīng)進(jìn)行緩慢逐環(huán)糾偏，避免糾偏過猛造成管片碎裂，甚至造成蛇形糾偏。