盾構隧道施工中盾構機的姿態(tài)控制

王彪

摘要：建筑高質量的隧道，滿足隧道使用需要是采用盾構法施工的質量目標，盾構法施工盾構姿態(tài)控制是盾構法施工重點環(huán)節(jié)，以京津城際延伸線解放路隧道為例，通過結合實際施工情況，分析盾構施工過程中不同地質條件下姿態(tài)控制技術，并提出一些盾構機的糾偏措施。

關鍵詞：盾構施工 ?姿態(tài)控制 ?糾偏

1盾構姿態(tài)偏差原因

盾構機姿態(tài)偏差主要是方向偏差和滾動偏差。方向偏差是指盾構機在水平和垂直方向偏離了線路的方向，滾動偏差則指盾構機的機身沿其軸線發(fā)生了旋轉。由于隧道通過的巖層軟硬不均、巖層界線變化較大且盾構在掘進過程中還需要適應線路在平面方向和垂直方向的變化，盾構掘進參數的設置不可能隨時都能完全適應掌子面的巖層情況，因此盾構機極易發(fā)生方向偏差。另外，由于盾構機在掘進過程中是依靠刀盤的旋轉來擠壓和切削土體來工作的，因此盾構機身有向刀盤旋轉方向相反的滾動趨勢，如果這種滾動趨勢得不到有效的控制，盾構就會發(fā)生滾動，即發(fā)生滾動偏差。方向偏差和滾動偏差都會對盾構的掘進帶來不利的影響，因此有必要對其進行控制和糾正。

1.1方向偏差

盾構機產生方向偏差主要原因：

（1）盾構推進過程中部同部位的推進千斤頂參數設置不能與實際需要相吻合，致使推進千斤頂在不同部位的推進量不一致而產生姿態(tài)偏差。

（2）開挖掌子面的土層軟硬不均，刀盤在洞室不同部位的阻力不一致，致使刀盤向阻力較小的方向移動而產生姿態(tài)偏差。

（3）刀盤自重的影響，使盾構機有向下低頭的趨勢。

1.2滾動偏差

產生滾動偏差的主要原因是盾構殼體與洞壁之間的摩擦力矩不能平衡刀盤旋轉的扭矩。這種情況在盾構通過穩(wěn)定性較好的地段尤為明顯，因為此時盾構殼體與洞壁之間只有中下部才產生摩擦力，同時其摩擦系數也相對較小。盾構產生過大的滾動不僅會影響管片的拼裝，也會引起隧道軸線的偏斜。

2盾構機姿態(tài)控制的一般細則

在掘進過程中，盾構機操作人員根據激光自動導向系統(tǒng)在電腦屏幕上顯示的數據，通過合理選擇各分區(qū)千斤頂及刀盤轉向等來調整盾構機的姿態(tài)。

盾構機姿態(tài)控制操作原則有兩條：

（1）機體滾角值應適宜，盾構機滾角值太大，盾構機不能保持正確的姿態(tài)，影響管片的拼裝質量，此時，可以通過反轉刀盤來減少滾角值。

（2）盾構機的前進方向水平向右偏，則需要提高右側千斤頂分區(qū)的推力;反之，則需要提高左側千斤頂分區(qū)的推力。如果盾構機機頭向下偏，則需要提高下部千斤頂分區(qū)的推力;反之亦然。

一般情況下，盾構機的方向糾偏應控制在±20mm以內，在緩和曲線及圓曲線段，盾構機的方向糾偏應控制在±30mm以內。盡量保持盾構機軸線與隧道設計軸線平行，否則，可能會因為姿態(tài)不好而造成盾尾間隙過小和管片錯臺裂縫。

當開挖面土體較均勻時，盾構機姿態(tài)控制比較容易，一般情況下方向偏角控制在±5mm以內。當開挖面內的地層左、右軟硬不均而且又是處在曲線段時，盾構機姿態(tài)控制比較困難。此時，可以降低掘進速度，合理調節(jié)各分區(qū)的千斤頂的推力，有必要時可考慮使用超挖刀進行超挖。當盾構機遇到上軟下硬土層時，為防止盾構機“抬頭”，要保持下俯姿態(tài);反之，則要保持上仰姿態(tài)。

掘進時要注意上下兩端和左右兩側的千斤頂行程偏差不能相差太大，一般控制在±20mm以內。在曲線段掘進時，一般情況下根據曲線半徑的不同讓盾構機向曲線內側偏移一定量，偏移量一般取10～30mm。在盾構機姿態(tài)控制中，推進油缸的行程控制是重點。對于1.5m寬的管片，原則上行程控制在1700～1800mm之間，行程差控制在0～40mm內，行程過大，則盾尾刷容易露出，管片脫離盾尾較多，變形較大;行程差過大，易使盾體與管片之間的夾角增大，易造成管片的破損、錯臺。

3不同地質環(huán)境中盾構機掘進姿態(tài)的控制技術

3.1淤泥質土層中盾構機姿態(tài)控制方法

淤泥質土層中盾構機掘進姿態(tài)的控制盾構機在軟弱土層中掘進時，由于地層自穩(wěn)性能極差，為控制盾構機水平和垂直偏差在允許范圍內，避免盾構機蛇形量過大造成對地層的過量擾動，宜將盾構機掘進速度控制在20～30mm/min之間，刀盤轉速控制在1.4rpm左右。在該段地層中掘進時，四組千斤頂推力應較為均衡，避免掘進過程中千斤頂行程差過大，否則，可能會造成推力軸線與管片中心軸線不在同一直線上。在掘進過程中應根據實際情況加注一定量的添加劑，以保持出土順暢，盡量保持盾構機的連續(xù)掘進，同時，要嚴格控制同步注漿量，以保證管片背后間隙被有效填充。

3.2砂層中盾構機姿態(tài)控制方法

砂層中盾構機掘進姿態(tài)的控制盾構機在全斷面富水砂層中掘進，由于含水砂層的自穩(wěn)性極差，含水量大，極易出現盾構機“磕頭”現象，同時，在含水砂層中盾構機也易出現上浮現象。為避免盾構機在含水砂層中掘進出現“磕頭”現象，在推進過程中盾構機應保持向上抬頭的趨勢，如果發(fā)現有“磕頭”趨勢，應立即調節(jié)上下部壓力，維持盾構機向上的趨勢。為避免盾構機在含水砂層中掘進出現上浮現象，在盾構機掘進時應減小刀盤轉速，減小對周圍砂層的擾動。

3.3為了防止以上出現的情況，采取一些措施

（1）在保證盾構正常掘進的前提下，通過電磁減壓閥，調節(jié)上下區(qū)油缸壓力，同時通過油缸的裝的位移傳感器觀察各區(qū)油缸顯示，減小盾構掘進過程中向一側偏移的趨勢，達到控制盾構姿態(tài)的目的。

（2）在利用鉸接千斤頂轉動特點，在掘進過程中漿軟土側的鉸接千斤頂推出，克制盾構向此側偏的趨勢

（3）在利用盾構機刀盤的超挖刀，先行切割開挖面土體，使盾構機開口環(huán)部位在此側產生較小的空隙，在盾構機另一側千斤頂的推力作用下產生土體硬一側行走的趨勢，從而可以減小盾構機在掘進過程中由于土體軟硬不均而引起的一側跑偏的現象。

（4）以上軟下硬地層為例，在這類地質條件下掘進，盾構機刀盤受力不均，掘進速度不均衡，這就要求在掘進過程中，必須時刻觀察測量系統(tǒng)提供的盾構機姿態(tài)數據，結合推進千斤頂和鉸接千斤頂的行程差值，不斷地調整各分區(qū)千斤頂的推力及總推力，以保持盾構機姿態(tài)的平穩(wěn)。如果不注意調整推進千斤頂的行程差，就會造成管片選型變化大，甚至造成過小的盾尾間隙使管片不能順利脫出盾尾。因此，在推進過程中不能單一的只注意測量系統(tǒng)所提供的盾構機姿態(tài)來指導掘進，還應兼顧各分區(qū)千斤頂的行程差。

（5）盾構機在該類地層中掘進，其軸線姿態(tài)能較好地控制， 在掘進時保持各分區(qū)千斤頂推力均勻， 總推力和掘進速度均勻， 即可保持盾構機較好的姿態(tài)。

4盾構機的糾偏措施

盾構機在掘進過程中總會偏離設計軸線，進行糾偏時必須有計劃有步驟地進行。糾偏措施如下：

（1）在掘進過程中隨時注意滾角的變化，及時根據盾構機的滾角值調整刀盤的轉動方向。

（2）應根據各段地質情況對各項掘進參數進行調整。

（3）在糾偏過程中，掘進速度要放慢，并且要注意避免糾偏時由于單側千斤頂受力過大對管片造成的破損。

（4）盡量選擇合理的管片類型，避免認為因素對盾構機姿態(tài)造成過大的影響，嚴格管片拼裝質量， 避免因此而引起的對盾構機姿態(tài)的調整。

（5）在糾偏時，要密切注意盾構機的姿態(tài)、管片的選型及盾尾的間隙等，盾尾與管片四周的間隙要均勻。

（6）當盾構機偏離設計軸線較大時，不得猛糾猛調，避免往相反方向糾偏過大。

5結語：

對于盾構施工而言，掘進過程就是一個長期糾偏的過程，要通過實際的掘進施工不斷地積累施工經驗，并在施工過程中做記錄，探索出各種問題對盾構機姿態(tài)的影響程度，并把比較嚴重的問題作為施工中的重點問題進行研究解決，為今后的掘進施工提供支持。

參考文獻：

1.關寶樹 隧道施工要點 2002.09

2.劉建航 侯學淵 盾構法隧道 中國鐵道出版社 1991