淺談施工過程中土壓平衡盾構機姿態(tài)控制技術的分析

顏濤

摘要：文章主要是分析了影響到盾構機姿態(tài)控制的因素，在此基礎上講解了地鐵盾構工程中的盾構姿態(tài)控制技術的重點，望能為有關人員提供到一定的參考和幫助。

關鍵詞：地鐵盾構區(qū)間;盾構機姿態(tài);姿態(tài)控制

1、前言

盾構機是地鐵盾構施工中重要的組成部分，在其中有著十分重要的作用，地鐵施工的盾構機姿態(tài)控制是影響到地鐵盾構施工工程的主要因素。為此為能進一步提升到盾構機的使用效率，文章詳細探討了盾構法過程中土壓平衡盾構機姿態(tài)控制技術。

2、影響盾構機姿態(tài)控制的因素

在建立盾構法項目的基礎上，為創(chuàng)造盾構隧道的良好先決條件，借助自動完成導向價值的軟件系統(tǒng)功能和手動測量結果，可以充分掌握盾構掘進方向和掌握部分的錯誤，并進行更合理的總體調整，然后跟蹤和監(jiān)測盾構機的技術參數(shù)，例如切割位置不正確、盾構尾部偏差的總體趨勢、翻轉角度、水平差、上下間距角度等。

2.1地質因素

隨著盾構機工程的不斷全面施工，如果切割環(huán)一側地質硬度高，另一側硬度低且滲漏量大，在推到軟弱地質時設置發(fā)動機推力不合理，盾構機就會下降或上浮，進入軟弱地層中，盾構機就會出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象。如果這種現(xiàn)象得不到改善，盾構狀態(tài)將明顯偏離基本標準施工軸線。

2.2盾構機始發(fā)托架與反力架的精準定位

在盾構掘進過程中，設備在始發(fā)時放置在始發(fā)托架上。由于受始發(fā)托架設計高程、反力架可靠性和始發(fā)托架固定的影響，以及始發(fā)托架和反作用架本身的定位精度等因素的影響，相應的啟動盾構施工掘進姿態(tài)不同。因此，在盾構啟動初期，應更合理地調整盾構機的初始啟動位置。與盾構隧道進口處的鋼圈相比，兩者應在隧道軸線中心的施工線和地面高程上長期保持基本一致。另外，始發(fā)托架應該足夠穩(wěn)定以防止變形。

2.3盾構機姿態(tài)控制中的管片姿態(tài)

在盾構掘進過程中，管片拼裝通常在盾構尾部重要部位進行，管片拼裝機用于襯砌管片的安裝。在管片裝配過程中，裝配機還可以實現(xiàn)管片的平行度和直徑、自由度定向和斜向運動以及旋轉、滾動和俯仰運動使管片能夠快速準確地定位和部分安裝。施工單位在施工過程中，當管片部件裝配偏離預定目標隧道出口線時，以實際情況為準。采用左、右轉環(huán)管片，適當調整掘進油缸壓力等措施，對偏離區(qū)段做出糾偏。如果不進行調整，將影響隧道的實際情況中心線，不能完全滿足工程要求。因此，管片能否合理安裝是影響盾構機連續(xù)運行的最關鍵因素。

3、盾構姿態(tài)控制技術要點

3.1不同地質中盾構姿態(tài)的安全技術控制

借助電磁場減壓法的閥門，還可以很靈活地調節(jié)內(nèi)外缸的壓力。此外，油缸上還安裝了各種超高精度、雙技能的傳感器，可以更準確地知道油缸的所有行程，調整盾構隧道內(nèi)偏移方向的主位置，將盾構的姿態(tài)控制在合理范圍內(nèi)。在軟弱地質掘進工作中，鉸接千斤頂可同時向該地質方向推出，使盾構機可以向另一側地層掘進。若采用盾構機超挖刀對硬土進行精細切割，則盾構機的切割環(huán)會出現(xiàn)小間隙。另外，在多個千斤頂?shù)尿寗酉?，向土質較硬的一側傾斜，可以提高盾構隧道施工的平衡性，消除軟、硬土不均勻的影響，防止偏斜。

3.2盾構過程中出土量的控制技術

應當嚴格控制超速掘進，并使其處于科學合理的范圍之內(nèi)。調查、測量工作須在穿越建筑物前進行。此外，更合理的是提前優(yōu)化多個掘進的開挖參數(shù)。在盾構隧道施工中，連續(xù)推進過程中，控制在2cm/min內(nèi)應該是穩(wěn)定的。考慮到總體情況和質量要求，隧道速度應相對穩(wěn)定，以確保不影響周圍的環(huán)境。所以嚴格地控制開挖量也是盾構施工的重點，也是確保控制巖層總流損失率的最終途徑。在試驗中段開挖過程中，開挖土石方的體積、重量是檢驗各種開挖土石方理論計算方法的連續(xù)有效手段。開挖量的實際操作數(shù)據(jù)應根據(jù)實際數(shù)據(jù)現(xiàn)象進行驗證和測量。在工程施工過程中，通過各種方式收集的綜合數(shù)據(jù)應控制開挖量，并對綜合數(shù)據(jù)進行升級、優(yōu)化和調整。在盾構姿態(tài)調整的過程中，應合理控制。否則，會對土體產(chǎn)生明顯的流動性因素，甚至導致土體地面沉降或隧道內(nèi)管片變形超標。

3.3土倉壓力控制技術

項目施工環(huán)境尤其復雜。盾構隧道穿越佛山市城區(qū)東平水道時，主要為以強風化泥質砂巖為主。據(jù)調查，隧道凈距較小，埋深約7m，在盾構隧道施工過程中，當盾構即將到達目的地的河床底區(qū)時，應提前考慮管片超前量等因素，合理計算出該段河段各環(huán)管片的埋深情況，求得水土壓力，盾構機械的最佳長度應更充分更科學合理地調整盾構的土壓力。結果表明，該段土體的最大壓力為235.97～304.4kPa，根據(jù)施工工程實踐經(jīng)驗確定為210～260kpa。根據(jù)實際開挖數(shù)據(jù)的綜合分析，實際開挖量約為56m3 /環(huán)。與部分設計開挖量42.39m3/環(huán)相比，東平水道干河床開挖土體的疏松組織調整系數(shù)約為1.2。每個架子隊都配備技術人員以各種方式測量渣土車斗的存儲量，以獲得每個環(huán)的實際數(shù)據(jù)挖掘量，在此基礎上，為確保挖掘相關數(shù)據(jù)的準確性，非常靈活更改螺旋機的速度，然后全面優(yōu)化開挖量。在調整過程中，有必要與操作間的技術人員進行積極溝通，并最終確認它已降低到其要求，即，驅動切割頭的扭矩不超過2500kn·M，軸向軸承的整體溫度低于40℃，總推力不超過20000kn。在此基礎上，可以盡可能地控制挖掘量。

3.4盾構機推進速度、刀盤轉速與扭矩的管控

在東平水道的盾構掘進的過程中，基本原理是恒速和慢速行駛。盾構機的整體推進加速度為25-40mm/min，盾構機應盡快通過東平水道。在盾構穿越的過程中，切刀頭的速度應不大于1.8r/min，切刀頭發(fā)動機的扭矩應不大于2500KN·M。

3.5盾構機掘進姿態(tài)控制

為了確保施工單位的質量水平，盾構機的正確姿勢應在開挖前靠近主軸。在正式施工單位，應嚴格規(guī)范機器的自校數(shù)量。隧道出口處線路的偏差不應太快，環(huán)路之間的交錯不應太大。要求每個環(huán)的最大偏差不應超過3mm。注意盾構機控制系統(tǒng)的點重新測試。當?shù)额^的上部較軟而下部較硬時，刀頭的下半部較硬而側面則較軟。挖掘時，刀頭的中下部難以挖掘，而上部易于挖掘。很容易導致刀盤整體向上移動并長時間堆積，使盾構機難以低頭。在盾尾進入上軟下硬層之前，應提前做出不同反應，始終保持向下姿態(tài)，正式進入上軟下硬層。當盾構機的尖端趨于減少時，它又會增加，并作為一個整體增加。在這種極端情況下，仿形刀還可在下部快速打開和超挖，以避免盾構機抬高頭部，科學合理地調整和控制盾構機尾部中心點位置，從而及時調整盾構機尾部的中心點位置控制調整段上下間隙時間，然后降低盾構機。在出現(xiàn)極端現(xiàn)象的情況下，還可以鑿出上、后部形成保護層的砂漿，以微調盾構尾部的間隙，從而更好地調整中間盾構機的姿態(tài)。

3.6盾構姿態(tài)旋轉控制的主要方法

以盾構機的使用壽命為參考。如果盾構機處于直線狀態(tài)且異常，則必須選擇全部千斤頂以盡可能少地提高后管環(huán)的應力均勻性，以確保拼接組合和所取零件的質量。盾構機的姿勢可以通過以各種方式分離油壓來調節(jié)。僅使用分開的機油壓力保護蓋來選擇所有千斤頂是不可行的。因為有必要在開挖，掘進，撓度校正和彎曲部分的工作中選擇所有千斤頂。在合理的盾構隧道數(shù)百斤數(shù)量的基礎上，應適當調整百斤數(shù)量，以滿足隧道建設的需要。在盾構機運行過程中，如果刀頭正反轉動且掘進不均勻，會影響盾構機的使用壽命，使盾構機繼續(xù)向同一方向滾動，并處于持續(xù)狀態(tài)。在長期影響下，無法保證管片組件的整體質量。在盾構掘進過程中，應嚴格調節(jié)刀頭的正反轉時間保持一致，以免刀頭單向或雙向旋轉時間過長。正反轉時刀盤引擎的輸出應盡可能相同，以避免盾構體的整體出現(xiàn)旋轉誤差，并且還有助于提高管片在順時針和逆時針方向上的扭轉均勻性。與管片拼裝直徑相比，實際掘進直徑大約高于該值。當整體同步灌漿加固量不足或粘性液體的固化條件不好時，該段就很難與周圍的土壤接觸，從而完全改變了摩擦力，降低了阻力。在刀盤旋轉的過程中，它不具備使主體停止的綜合能力，并且盾構機會滾動，從而使管片發(fā)生扭曲。而且，由于隧道施工的影響，該路段本身有非常明顯的扭轉情況。

4、結束語

由上可知，地鐵盾構掘進施工地質的情況和施工環(huán)境都十分復雜，盾構機掘進過程中的姿態(tài)控制是影響到盾構隧道施工質量的主要因素，為此有關人員在施工的過程中應當注意地質環(huán)境、設備性能等方面的因素，還要科學合理的調節(jié)盾構的姿態(tài)，才能有效確保到施工的安全穩(wěn)定性。

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（作者單位：中交二公局鐵路工程有限公司）