盾構掘進中姿態糾偏與泥餅部位的判斷和處理

趙超

（中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇無錫214000）

盾構掘進中姿態糾偏與泥餅部位的判斷和處理

趙超

（中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇無錫214000）

影響盾構掘進姿態的因素多且復雜，對姿態的控制和糾偏是盾構施工的技術難題。盾構在復合地層中掘進時，結泥餅的現象也是城市地鐵隧道工程中的另一大難題。從盾構掘進的方向控制和姿態調整闡述盾構掘進中的姿態糾偏，從泥餅的成因出發判斷泥餅的部位，提出應對處理措施。

盾構掘進；姿態控制；泥餅

1 盾構掘進中的姿態糾偏

在盾構施工的過程中，姿態控制是最重要的施工環節之一。盾構姿態控制要遵循的基本原則是：將隧道設計軸線作為控制目標，最大程度地控制偏差，保證偏差程度在在設計范圍內，與此同時，還要保證在此過程之中不破壞管片。

盾構的推進主要依賴于千斤頂的作用。在向前推進盾構時，應該對千斤頂進行不同區域的設置，使得軸線的控制工作得以順利便捷地進行。在對切口水壓的設置確定無誤的基礎之上，各個不同區域的油壓應該被嚴格控制起來，與此同時，千斤頂的行程也要控制好，合理地進行糾偏工作。最好能提高糾偏頻率，做到勤糾，從而縮減單次糾偏量，盡量能夠做到讓盾構在設計軸線的方向上推進[1]。

2 姿態糾偏的主要工作內容

以隧道的設計軸線為標準，盾構推進時機頭的姿態偏差主要有3種位置關系，這3種位置關系也就構成了糾偏工作的3種主要工作內容。

（1）水平位置。水平偏差值（x），將其規定為向右偏為正值，向左偏為負值。

（2）立面位置。高程偏差值（y），將其規定為坡度向上為正值，向下為負值。

（3）旋轉位置。設定盾構機的自轉角（X），規定機身左轉則X為負值，機身右轉則X為正值。

3 盾構掘進姿態控制的具體措施

3.1 方向控制

（1）自動導向測量占主導地位，人工測量起輔助作用。在現代的隧道施工過程中，自動導向測量系統已經廣泛地應用于盾構姿態糾偏，其主要功能為自動定位和引導、方向控制以及實時顯示，還能夠預測偏差可能繼續發展的具體走向。所以，根據隧道自動導向測量系統可以及時發現偏差并對盾構機掘進的方向進行實時的姿態調整，使盾構的姿態偏差能夠保持在工程允許的合理范圍之內。

但是，自動導向測量系統也存在缺陷，在施工時，其后視基準點要隨之不斷向前移動，因此其監測也有微小的誤差。為了彌補自動導向測量系統的技術缺陷，保證盾構的準確推進方向，還必須進行人工測量，頻率為每周2次以上。這樣一來能夠核準自動測量得出的數據，二來可以對盾構機的位置與姿態進行復核。自動導向測量系統與人工測量相結合，確保盾構掘進方向正確性[2]。

（2）嚴密監測并控制油缸推力。油缸推力也能在一定程度上影響盾構的推進方向。在執行設計好的控制程序的同時，還可以因地制宜地對油缸推力進行調整。

當盾構機處于上坡的狀態時，可適當將下部油缸的推力增大；相應地，當盾構機的行進狀態轉為下坡時，就可以稍微將上部油缸的推力增大。而當盾構機的行進狀態處于曲線段時，若是向左轉，可適當增大右側油缸的推力。相應地，若是向右轉，則可以可適當增大左側油缸的推力。而當盾構機處于平坡直線路段時，則應該使所有的油缸推力保持一樣的大小。若盾構機所處的土層軟硬均勻一致，則應該使所有的油缸推力保持一樣的大小。若它所處的土層軟硬不均，則應該根據土層的軟硬之分，在硬地層的那一側的油缸推力應該適量加大，在軟地層的那一側的油缸推力應該適量減小。

3.2 姿態糾偏的具體措施

盡管采取了上述措施，盡量保證盾構機掘進方向不與隧道設計軸線產生偏離，但是施工過程比較復雜，有很多原因都會造成偏離，而且偏離程度會逐漸接近允許的偏離范圍上限。此時，就要對盾構機掘進的方向偏差進行及時的糾正了。糾正偏差的主要方法還是控制油缸推力。

（1）滾動糾偏。若盾構機的滾動超出了限制范圍，那么警報就會自動響起，此時可采取的措施是反轉盾構刀盤來糾正滾動偏差。

（2）豎直方向與水平方向糾偏。盾構機可能會發生下俯或上仰的情況，下俯時可采取的措施是增強下側千斤頂的推力；上仰時可采取的措施是增強上側千斤頂的推力，以此來糾正偏差。

4 盾構掘進中泥餅部位的判斷與處理

我國大城市的人口逐年增多，城市交通壓力逐年增大，地面交通已經無法滿足城市的交通需求，城市交通規劃開始轉向地下空間，地鐵隧道建設工程越來越多，盾構工法在這些過程中得到了廣泛的采用。然而，這一工法在實際的施工中常常面臨著結泥餅的技術難題，它嚴重地影響著掘進的安全性、設備的耐久性和施工組織的合理性。

4.1 泥餅部位的判斷

（1）泥餅的概念。所謂泥餅，就是盾構刀盤切削下來的細小砂土顆粒、碎屑在土艙內重新聚集而成的半固結和固結狀的塊狀體。泥餅的問題早在半個世紀以前就被日本的盾構專家提出來了，各國專家也一直都在探索解決的方法。我國自從上海打浦路隧道開始修建后，也一直在積極地尋求解決途徑。泥餅會增加盾構機刀盤和刀具的負荷，它的存在常常會影響掘進參數，施工效率會因此而大大降低。

（2）泥餅的部位判斷。在隧道穿過的復合地層中，巖層大多都是強風化的泥巖、泥質粉砂巖、泥質砂巖，這些種類的巖層一般都含有豐富的粘土礦物顆粒，它們經過刀具的切削和刀盤的沖擊，巖塊會碎裂，最終變成碎屑或粉末狀的粘土顆粒，這就是泥餅形成的基本材料。在隧道的施工過程中，技術人員曾對形成了泥餅的環段進行檢測分析，對砂土進行采樣實驗，采用沖水稱重和簡單的篩分法作為實驗方法。實驗結果為：泥餅的形成與粘土粒、碎屑的含量有關，當它們在泥巖和泥質粉砂巖中的含量＜20%時，泥餅形成的可能性很小，當含量＜25%時，再加上施工技術和設備等因素的多重影響，形成的可能性就會更大了。由此可見，泥巖和泥質粉砂巖中粘土粒和碎屑多的部位，更容易結泥餅。

盾構刀盤和刀具設計和制造不合理，也會導致盾構機在推進的過程中產生泥餅。影響泥餅形成的主要因素有：刀盤中心區開口率，刀盤內的攪拌棒及幅條型式和數量。一般認為，33%的刀盤中心區開口率是保證少結泥餅的開口率下限值。如果刀具的布置不合理，那么削下來的砂土就不均勻，滾刀也會產生磨損，這些都會對掘進和排土效率產生影響，進而產生泥餅。工程實踐中表明，泥餅形成的高發區在刀盤中心區，因為中心區的開孔率比較小，線速度比較低，如果設置了滾刀，泥餅就更容易形成了。此外若刀盤支撐幅條鋼結構呈箱式向密封倉開口，也很容易形成泥餅[3]。

4.2 泥餅的處理

（1）在設計和制造盾構機時，選擇開口率適當的到刀盤中心區。為了將土艙內泥土粘附情況及時反映出來，可以在土艙內設置一個土壓力傳感器，對泥餅的產生進行監測和預防；還可以在刀盤內側設置攪拌棒，與刀盤一起攪拌轉動，使土體流動得速率更快，降低泥餅產生的可能性。

（2）粘性土地層砂土的土體改良。由泥餅產生的部位可知，泥巖和泥質粉砂巖中粘土粒和碎屑的含量會影響泥餅的產生，因此為了降低泥餅產生的可能性，可以對粘性土地層砂土的土體進行改良。在施工中調查分析土體粘性和含砂粒比例，適當時可以添加適量的土體改良劑，即泡沫，降低土體粘著力，實現土體的改良。

（3）盾構掘進參數的設定。盾構施工時，在粘性土地層中的土壓平衡的情況下，土壓的設定值是以理論上的土壓值作為基礎的，然后進行適當降低，在施工中可以根據實際情況做出輕微調整。不過，在實際施工中對盾構穿越地層的特性進行觀測和分析是十分必要的，在盾構推進中，要實時掌握施工速度、盾構掘進性能、泥土溫度等等，并觀察這些因素對泥餅形成的影響，盡量控制好盾構推進的速度，最大程度地降低泥餅產生的可能性。

（4）土壓力傳感器的設置。對于土壓力傳感器的設置，應當在土艙內的不同高度有所不同。測出土體的表觀密度，在傳感器感覺到有泥餅產生之前，采用漏斗法測量土樣的黏度，一旦測量到黏度＞12時，就應該及時地往土層中注入泡沫劑和膨潤土，對砂土進行改良。

（5）快速均衡施工。在施工中，要保持盾構施工的連續、快速和穩定，如果有長時間的停機狀況，那么土艙內土壓就會越來越高，流動性受到影響，刀盤及刀具板更容易形成泥餅；而且盾構掘進的速度過慢，掘完一環就需要花費3 h以上，時間太久，泥餅形成的可能性也會很大[4]。

（6）定期開艙、清艙。在盾構過程中進行定期的開艙檢查，這類似于人需要定期去做體檢，起的是一種早發現早解決的功能，而不是等到病情顯現之后再來補救，這時就延誤了最佳的解決時機。定期的開艙檢查能夠及時地掌握地層的地質狀況，以及刀具的磨損狀況，可以預防泥餅的產生。一旦檢查出刀盤處有粘著的顆粒或已經形成的泥餅，一定要對其進行徹底的清理。

［1］彭涌濤.盾構掘進姿態控制技術研究[J].森林工程，2013，（6）：106-110.

［2］郭正剛.基于機器學習的盾構姿態調整決策方法研究[D].大連理工大學，2013.

［3］嚴輝.盾構隧道施工中刀盤泥餅的形成機理和防治措施[J].現代隧道技術，2007，（4）：24-27+35.

［4］竺維彬，鞠世健.盾構施工泥餅(次生巖塊)的成因及對策[J].地下工程與隧道，2003，（2）：25-29+48.

〔編輯利文〕

U455.43

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.40