長距離大坡度盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制研究

盧克剛 楊林輝 張穎超

1.中國建筑一局（集團）有限公司 陜西 西安 710000

2.中建一局集團第一建筑有限公司 陜西 西安 710000

盾構(gòu)機掘進姿態(tài)控制一直是盾構(gòu)機施工中的重要環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)機施工的基本原則之一。在具體的施工過程中，一般都是以隧道的設(shè)計為主要依據(jù)和目標(biāo)，而且為了控制偏差在一個合理的范圍之內(nèi)，保證掘進過程處于一個良好的狀態(tài)，就更需要不斷地調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)。

1 盾構(gòu)掘進姿態(tài)的影響因素與控制內(nèi)容淺析

1.1 影響因素

目前，影響隧道掘進姿態(tài)的因素主要有以下幾個方面。一是土壓的設(shè)定值：因為施工中土壤的壓力設(shè)定值是根據(jù)其覆土厚度、土壤內(nèi)部的摩擦角度和容量等一系列的內(nèi)容來確定的，所以在糾偏的過程中，壓力設(shè)定值比較大，這也有利于土體對于機頭的反作用。二是地質(zhì)條件的變化：因為不同區(qū)域的地質(zhì)條件不同，控制難度也不同，如盾構(gòu)處在軟土地層時，控制難度更大。這主要是由于軟土地層含水量更高、孔隙更大、可壓縮性高，這些都會使得地層自身的穩(wěn)定性相對較差，產(chǎn)生一系列的沖突碰撞問題。另外，在盾構(gòu)兩側(cè)軟硬不一的地層中，掘進時縱向和橫向的穩(wěn)定性都相對較差。三是空隙的位置以及時間，在特定的隧道施工過程中，如果形成噸位空隙，那么就需要對它進行灌漿處理，同時確保漿液能夠填滿噸位的空隙。四是轉(zhuǎn)彎管片中的使用。因為整個盾構(gòu)處于曲線狀態(tài)，所以要適當(dāng)使用這種轉(zhuǎn)彎管片，來調(diào)整周圍環(huán)境的轉(zhuǎn)角位置，從而對盾構(gòu)的整體姿態(tài)進行更好的控制。另外，需要特別注意的是，當(dāng)施工中途停頓，或者遇到土質(zhì)變化，都有可能導(dǎo)致盾構(gòu)機下沉，這就會影響到施工的連續(xù)性，需要及時解決。

1.2 控制內(nèi)容

在不停地向前推進時，需要依靠千斤頂在前進過程中，為便于控制軸線，需要將千斤頂分成不同的區(qū)域，以便于管理。在保證切口土壓正確性的同時，還要嚴(yán)格控制不同區(qū)域內(nèi)的油壓，合理控制千斤頂沖程糾偏，保證盾構(gòu)推進呈線性。同時，根據(jù)盾構(gòu)掘進機頭部與設(shè)計軸線之間的偏差，將其歸結(jié)為水平位、豎直位和轉(zhuǎn)動位。在水平方向上，確定水平方向上的水平偏移值；在立面位置上，確定水平方向上的高程偏移值；在旋轉(zhuǎn)方向上，確定盾構(gòu)機身的自轉(zhuǎn)角。一般來說，在直線段施工是最理想的，也是隧道設(shè)計中心和盾構(gòu)之間管道中線的結(jié)合。不過在實際施工中，三條線路難免會有一些偏差。當(dāng)2～3條線處于基本重合狀態(tài)時，管片安裝K塊可交替放置在圓形對稱的位置上，但為保證最終精度，應(yīng)避免出現(xiàn)在隧道的下部，若盾構(gòu)的軸線與隧道的軸線重合，則需盡量對管片拼裝進行矯正，使管片的軸線與盾構(gòu)的軸線保持一致，對于管片軸線與隧道軸線重合的情況，需要在合理范圍內(nèi)控制盾尾間隙，確保管片與設(shè)計的軸線一致，并通過調(diào)整油缸的行程來調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)[1]。

2 盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制方式分析

2.1 控制盾構(gòu)掘進方向

采用隧道自動導(dǎo)引測量與人工測量相結(jié)合的方法，實現(xiàn)姿態(tài)控制與檢測；因為隧道的自動導(dǎo)向檢測系統(tǒng)擁有著導(dǎo)向的功能、自動定位以及挖掘控制等一系列的功能，所以它能夠?qū)崟r地顯示當(dāng)前的位置、隧道設(shè)計軸線偏差等一系列的內(nèi)容，還能對未來的發(fā)展趨勢做出合理的預(yù)測。這樣，當(dāng)通過該系統(tǒng)來調(diào)節(jié)通風(fēng)機進而控制方向時，就可以保證它的數(shù)值維持在一個合理偏差范圍內(nèi)。而且，因為自動導(dǎo)向在測量之后，它的基準(zhǔn)點需要根據(jù)施工的情況不斷地調(diào)整和向前移動。所以，為了保證盾構(gòu)掘進的方向是明確的，在實際的施工過程中，每隔半個月就要進行一次人工測量。一是要對自動導(dǎo)引系統(tǒng)進行精確測量，二是要對終端機的位置、姿態(tài)進行確認。

2.2 控制油缸推力決定方向

按照事先制定的控制程序，結(jié)合當(dāng)時盾構(gòu)掘進的具體地理位置和周圍土質(zhì)條件，采取一系列行之有效的措施，確定盾構(gòu)掘進方向。舉例來說，當(dāng)盾構(gòu)機處于上坡階段時，可加大其下油缸的推力，當(dāng)盾構(gòu)機處于下坡階段時，可加大盾構(gòu)上部油缸的推力，通過及時調(diào)整掘進的方向和力度，可確保盾構(gòu)機的掘進處于合理的狀態(tài)范圍內(nèi)[2]。需要特別注意的是，在土壤厚度一致的情況下，要保證所有液壓缸的推力在同一垂直方向上。當(dāng)盾構(gòu)機工作在軟硬不齊的土層上時，應(yīng)根據(jù)具體土層的分布情況，不斷加大或調(diào)整推力。

2.3 調(diào)整掘進角度

在具體的隧道施工過程中，由于多種外部因素的影響，在機載實際掘進時，往往會與預(yù)期的隧道設(shè)計軌道有一定的偏差，如果偏差值控制在合理的范圍內(nèi)，則可以正常施工，如果不能控制好，則要及時調(diào)整其確定的方向，以糾正偏差，避免出現(xiàn)更大的錯誤。如果是橫向的話，盾構(gòu)機會在翻滾時發(fā)出警報，如果是橫向的話，只需要加大鉆機的推力，就能進行糾偏。

3 盾構(gòu)機姿態(tài)控制分析

3.1 曲線段出洞盾構(gòu)姿態(tài)控制

以洞口正中為起點，以加固區(qū)外緣與隧道軸心的交點為終點，在計算過程中，在確保盾構(gòu)和管片質(zhì)量不超過標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采用直線前進，而不是曲線前進。

利用超級掘進機調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進傾向性在盾構(gòu)推進過程中，利用超級掘進機對小曲率半徑內(nèi)的土壤進行強化，從而實現(xiàn)對盾構(gòu)的糾傾。在施工過程中，可依據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況，對超挖刀片的延伸長度進行延長或縮短，并對刀片的旋轉(zhuǎn)速度進行調(diào)節(jié)。

3.2 小曲率半徑段推進姿態(tài)的控制

在盾構(gòu)機的運行中，必然會有從直線段到曲線段的工作，這就很容易導(dǎo)致管片提前于盾構(gòu)機轉(zhuǎn)向，從而導(dǎo)致了隧道內(nèi)側(cè)的盾尾間隔很小，如果對此視而不見，那么就會出現(xiàn)小曲率半徑以內(nèi)的管片緊貼著盾構(gòu)外殼的問題，嚴(yán)重的話還會導(dǎo)致盾尾與管片受到擠壓，從而導(dǎo)致管片變形、破碎的現(xiàn)象。在實際操作中，可以采用兩種方式來防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，一種是利用計算的方式，初步確定曲線段軸線前進時的左、右千斤頂?shù)拈L度差，并按照報告的實際情況對其進行調(diào)整[3]。二是對盾構(gòu)進行預(yù)處理，例如當(dāng)盾構(gòu)機從直道轉(zhuǎn)向彎道時，就可以在直道轉(zhuǎn)向R300彎道時，在直道轉(zhuǎn)向+20，從而避免在彎道轉(zhuǎn)向時出現(xiàn)較大的偏移。

3.3 縱坡度推進姿態(tài)控制

對于盾構(gòu)機的縱向斜率，其控制方式主要有變斜率和穩(wěn)斜率兩種。變斜率方法是指在每個循環(huán)的推進過程中，通過設(shè)置不同的推進斜率，使其達到預(yù)定的縱向斜率。而穩(wěn)定斜率則是在每個圓圈上都有一條縱向斜率的斜率，以滿足斜率的要求。

4 特定條件下盾構(gòu)機的姿態(tài)控制分析

4.1 穿越上硬下軟地層時的姿態(tài)控制

這種上硬下軟的地質(zhì)特征，就是上半段的土壤比較堅硬，切割時的阻力比較大，而下半段的土壤比較柔軟，切割時的阻力比較小，很容易產(chǎn)生上升的彎距，造成盾構(gòu)的抬頭，再往前走，盾構(gòu)姿態(tài)就會像“毛毛蟲”一樣，很容易劃破上部管片的外弧，甚至?xí)斐傻撞康耐寥来罅苛魇В瑥亩斐啥軜?gòu)的沉陷。因此，當(dāng)遇到盾構(gòu)有抬高的情況，通常采取以下步驟：第一，使用千斤頂進行編組，臨時停止下部千斤頂?shù)氖褂?；第二，減小下半部千斤頂?shù)挠蛪?，或者增大上半部油壓；三是采用泡沫劑或者局部氣壓等方法，降低地下水的滲透和流動，保證下部土體的穩(wěn)定性。

4.2 穿越上軟下硬地層時的姿態(tài)控制

在盾構(gòu)穿越上軟下硬地層時，盾構(gòu)坡度很難提高、隧道軸線很難控制等。對此：一是對超挖刀和盾構(gòu)鉸接功能進行合理地運用，來實現(xiàn)糾偏的目的；二是對掘進的速度進行控制，以確保刀盤能夠?qū)η懊娴挠餐吝M行充分的切割；三是采用泡沫劑或局部氣壓法來減少地下水的滲透和流動，從而保持上部土體的穩(wěn)定性。

5 長距離大坡度盾構(gòu)掘進中存在的問題

5.1 水平運輸

盾構(gòu)機在全斷面硬巖掘進時，每輛渣土車的運土量達到50噸，當(dāng)電瓶車全部載滿出隧道時，由于斜坡較陡，電瓶車負荷較大，電瓶車很容易出現(xiàn)“溜車”現(xiàn)象。加之隧道內(nèi)高溫，鐵軌表面光滑，更增加了電瓶車打滑的風(fēng)險。為避免溜車，可將每趟電瓶車編列由5輛渣土車降低到3輛，這樣由之前兩趟車掘進一環(huán)變成三趟車掘進一環(huán)，再加上隧道長度變長，對施工進度造成了很大的影響[4]。

5.2 隧道內(nèi)部溫度較高

隨著隧道長度的增加，通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力也隨之增大。此外，在堅硬巖層地區(qū)，盾構(gòu)機掘進時，由于刀盤破巖所產(chǎn)生的巨大熱能，夏天隧道內(nèi)部溫度可以達到40℃，而在盾構(gòu)機內(nèi)部溫度則會更高，從而影響工人的工作效率，并容易出現(xiàn)頭暈、中暑等癥狀。

5.3 掘進過程中容易出現(xiàn)噴涌，且開倉換面難度較高

在長距離的下坡、全斷面硬巖隧道中，同時注漿的大部分同時流入到土槽中，造成隧道與基坑之間形成空隙，使隧道內(nèi)的地下水沿空隙流入到土槽中，造成了隧道施工過程中的噴涌現(xiàn)象，造成隧道施工難度的增高。此外，由于大量來水，造成土倉中出現(xiàn)積水，使得工人難以進入倉庫檢查工具，需要先處理積水，從而影響掘進時間。

5.4 成型姿態(tài)難以控制，成型管片質(zhì)量不佳

在進行長距離下坡掘進時，同步注漿的漿液在很大一部分流向了土倉，這就會導(dǎo)致開挖面與管片之間的空隙產(chǎn)生。當(dāng)盾尾脫出管片后，管片的姿態(tài)就會降低。后期施工中，大量的地下水充滿了開挖面與管片的空隙，這會導(dǎo)致管片后期上浮，并且還會造成管片錯臺以及滲漏水[5]。

6 長距離大坡度盾構(gòu)掘進優(yōu)化措施

6.1 雙頭車牽引

為了確保施工進度，能夠讓前期兩趟車掘進一環(huán)，可采用雙頭車牽引。在始發(fā)端頭站臺上增設(shè)道岔，掘進過程中由一輛電瓶車將渣土車以及材料等轉(zhuǎn)運到隧道內(nèi)部進行掘進。再由一輛電瓶車在井口進行倒土以及準(zhǔn)備材料等工作。當(dāng)完成準(zhǔn)備工作后，電瓶車頭與后列分離，通過道岔進入隧道。在隧道中，電瓶車編組五個渣土斗，在裝滿渣土后，進入隧道的電瓶車頭連接起來，兩個車頭同時開動，將滿載渣土車帶出隧道[6]。在進入洞門后，兩輛電瓶車頭就會分開，前面車頭和停在井口的編列重新連接起來，后面車頭將滿載渣土斗拉至站頭，進行倒土和下材料的工作，前面車頭將井口編列開進隧道，繼續(xù)掘進，如此反復(fù)。在保證盾構(gòu)掘進順利進行的前提下，有效地避免了大傾角、大傾角的隧道出現(xiàn)滑車的危險。

6.2 及時完成止水環(huán)施工

隧道的成型姿態(tài)和質(zhì)量，后方來水大，以及掘進時的噴涌，都與同步注漿的漿液損失不能填滿掘進面和管片之間的空隙有關(guān)。由于隧道是向下傾斜的，同步注漿的損失是不可避免的，所以，每掘進10-20環(huán)，就必須在后面的管片上設(shè)置一個止水環(huán)，將后面的水流完全堵死。由于注漿量很大，為提高速度，水泥漿使用同時注漿的水泵，在管片注漿點由下而上，均勻地進行注漿，壓力為0.5MPa，一次注漿50立方左右，以確保止水環(huán)的穩(wěn)定。止水環(huán)的設(shè)置，填補了管片與掘進表面之間的空隙，將后面的裂隙水阻隔在外，從而避免管片的浮空，確保成型隧道的質(zhì)量與姿態(tài)；同時，還能有效地避免在挖掘過程中出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，并在挖掘完畢后，能夠順暢地進入挖掘井內(nèi)檢驗工具，確保挖掘工作的高效進行。

6.3 隧道降溫

井口處設(shè)置大功率通風(fēng)設(shè)施，并在洞中部增設(shè)二次通風(fēng)設(shè)施，保證進出盾構(gòu)機的風(fēng)速以及風(fēng)量，并在夏天向洞內(nèi)輸送冰塊，以降低施工環(huán)境的整體溫度，預(yù)防中暑。在掘進參數(shù)控制方面，應(yīng)加大對渣土的處理力度，采用向土倉注水、用膨潤土等方法來降低土倉內(nèi)部的溫度。

7 盾構(gòu)姿態(tài)控制過程中的糾偏方法

在盾構(gòu)隧道的施工中，會出現(xiàn)各種問題，這些問題的影響因素比較多，而且要采取的控制方式也比較多，因此，就要求技術(shù)人員要時刻注意在施工過程中的實際狀況，時刻對盾構(gòu)的姿態(tài)進行觀測，在出現(xiàn)偏差的時候，可以選擇適當(dāng)?shù)乃淼拦芷?，并采取合理的方式對其進行糾偏。在盾構(gòu)掘進中，常見的糾偏方式有：千斤頂組合、分區(qū)油壓控制、超挖刀、絞接千斤頂?shù)取?/p>

7.1 千斤頂編組糾偏方法

千斤頂編組主要是通過對正確選擇千斤頂，使千斤頂合力位置和外力合力位置形成一個有利于糾偏的力偶，從而對高程位置和平面位置進行調(diào)整。

7.2 超挖刀糾偏方法

在不能通過調(diào)節(jié)千斤頂區(qū)段壓力及排布方式實現(xiàn)的情況下，一般利用超級挖刃，通過改變前緣阻力的共同作用位置，獲得一個理想的正向力偶，實現(xiàn)對盾構(gòu)軸心的控制，尤其是對加硬區(qū)的推進效果更好。

7.3 鉸接千斤頂糾偏方法

絞接千斤頂是一種被安裝在盾構(gòu)推進千斤頂前面，用來改變刀盤切割方向的千斤頂，操作者可以通過對左絞（右絞、上絞、下絞）量的大小進行控制，來實現(xiàn)對盾構(gòu)的糾斜量。利用絞接式防傾器進行防傾，不僅能起到很好的防傾作用，而且還能起到很好的作用，但因其對周邊土壤的干擾較大，不利于地表的沉陷控制。

8 結(jié)語

綜上所述，軌道隧道施工過程中，盾構(gòu)掘進姿態(tài)的控制已經(jīng)成為影響乃至決定工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，盾構(gòu)機必須時刻保持在可預(yù)見的范圍之內(nèi)。同時，為了提高操縱性，還必須考慮各種可能影響操縱性的因素。并結(jié)合客觀實際，有針對性、有計劃地調(diào)整姿態(tài)，完善方向控制，從而保證盾構(gòu)機的控制技術(shù)更加理想，加快隧道的正常施工與運行。所以，盾構(gòu)推進時，必須始終依靠千斤頂不斷調(diào)整方向，加大力道，并嚴(yán)格控制各區(qū)域的油壓，以便對千斤頂?shù)臎_程進行合理的控制，進而達到合理糾偏的目的。