軟土地層中土壓平衡盾構機姿態控制技術分析

張 燁

中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000

1 工程概況

天津市地鐵11號線一期工程PPP項目起點站為水上公園西路站，終點站為東麗六經路站，全線約為22.6km，共設21座車站，全線均采用地下線敷設。設七經路車輛段1座。該標段為天津市地鐵11號線一期工程PPP項目11號線土建第7標段，工程地點位于天津市東麗區，線路由西向東，施工范圍為招遠路站—外環輔道站—馴海路站—東麗一經路站（不含）包括招遠路站—外環輔道站（盾構區間1372m）；外環輔道站—馴海路站（盾構區間612.8m）；馴海路站—東麗一經路站（盾構區間801.1m）。該標段計劃投入2臺土壓平衡盾構機。

2 盾構區間施工盾構機選型

盾構機選型是施工的基礎，該標段盾構所穿越的地段大部分為粉質黏土、粉砂、黏質粉土，多為軟弱土層，依據該區間工程地質和水文地質特點和類似地區工程的經驗，選用加泥式（泡沫）土壓平衡盾構機。該標段采用2臺土壓平衡盾構機，其中1臺為中交天和機械設備制造有限公司制造的新盾構機，另1臺為廈工中鐵重型機械有限公司生產的盾構機。

3 盾構姿態控制技術

受隧道曲線、坡度變化和操作技術不當的影響，在推進盾構時，有時會有誤差存在。如果誤差不能得到及時處理，長時間累積易造成隧道襯砌侵限的問題，盾尾間隙變小后，管片局面受力不均，因此在盾構施工的過程中，需采取切實可行的方法管控掘進方向，及時糾正掘進偏差，下面以招遠路站—外環輔道站區間左線為例，分析軟土地層中盾構掘進的要點。

3.1 出土量控制

采取措施控制盾構掘進施工的速度，在穿越建筑物時，預先測量好穿越的里程，對掘進參數進行科學的調整，在軟土地層中，盾構掘進速度要保持在3cm/min左右。為了使整個工程的施工質量滿足設計要求，掘進施工速度一定要平穩，四周環境不可給掘進施工造成不利影響。在盾構機掘進施工時，需嚴格管控出土量。掘進循環理論出渣量計算公式如下：

式中：r為盾構機掘進半徑，m；L為掘進行程，取1.5m。

中交天和6430盾構機開挖φ6450mm，根據上述公式可得Q=58.8m3。因此，該區間左線理論上每環出土體積大約為59m3/環。

土壓平衡盾構機施工的核心為科學管控出土量，使地層損失率得到高效的管控。在掘進試驗段時，要想使出土量理論計算得到準確的檢驗，就要積極驗證出土量的重量和體積，測定實際情況后，才能獲得準確的出土量信息。

3.2 土倉壓力控制

中交天和6430盾構機配置4個土壓傳感器，將土壓傳感器安裝在螺旋輸送機、土艙隔板和土艙頂部等位置，比較地面測量數據信息，使土艙壓力實時調整和監測發揮最大的作用。正常施工情況下，通過計算隧道埋深、土層性質和地面超載，詳細分析地勘報告，可獲得準確的土壓力。實際施工過程中，土壓力的設定值需根據監控量測結果及時調整，滿足地面最小沉降量控制目標要求即可。

3.3 推進速度、刀盤轉速與扭矩的管控

盾構機在招遠路—外環輔道區間掘進施工時，遵循的主要施工原則為勻速緩慢施工，在粉質黏土、粉砂、黏質粉土等軟弱地質條件下，推進速度要保持在30～35mm/min，刀盤扭矩要保持在3000kN·m以下，刀盤轉動速度保持在1.2r/min以下，這樣既可以保證工作效率，又可以有效控制管片成型的錯臺率不超設計規范要求[1]。

3.4 掘進過程中姿態控制

在坡度變化、隧道曲線和操作技術不當等因素的制約下，推進盾構有時會有誤差產生。假如未及時采取有效措施處理誤差，一段時間后，隧道襯砌侵限的問題就會隨之發生，隨著盾尾間隙不斷地變小，管片局面受力就會出現失衡的情況，因此在盾構作業時，需采取科學合理的辦法管控掘進施工任務，及時糾正掘進偏差，設定預警值。根據偏差程度不同對盾構機掘進方向控制以及掘進姿態調整進行分析、總結，保證盾構機姿態的良好以及成型隧道的質量[2]。

（1）盾構掘進方向控制。①在監測盾構姿態時，使用的主要方法為人工測量和自動導向系統相結合的辦法，該系統主要包括顯示器、掘進程序軟件、自動定位和導向等設備，其在盾構機主控室中全天24h動態顯示盾構機的具體位置和隧道設計軸線今后的發展趨勢，以此為依據科學調整盾構機掘進作業方向，使其誤差一直處于設計值的范圍之內。每周安排專人實地測量2次，使掘進方向始終處于正確的軌道上。②采取分區操作盾構機的方法，使用油缸管控盾構機的掘進施工方向，以分段軸線來管理導向系統和控制計劃所反映出的姿態信息。以中交天和6430盾構機為例，推進油缸按上、下、左、右分成4個組共計22臺千斤頂，每一臺的額定推力為200t，在粉質黏土層中施工，其推力范圍為1600～1800t。在掘進上坡段的過程中，適當增加盾構機下端油缸的推力；在掘進下坡段的過程中，適當增加上部油缸推力；在掘進左轉彎曲線段的過程中，適當增加右側油缸推力；在掘進右轉彎曲線段的過程中，適當增加左側油缸推力。

（2）盾構掘進姿態調整與糾偏。①在軟土地層中掘進時，常遇下軟上硬地層，此時刀盤下部土體非常松軟，刀盤上部土體比較堅硬，掘進施工時，上部阻力非常大，給掘進施工造成了巨大的困難。下部阻力非常小，使得刀盤掘進施工出現整體下移的情況，長時間后，盾構機抬頭就會受到巨大的影響，這就是常見的“栽頭”問題。掘進過程中可使盾構機保持向上抬頭的姿態，盾構機前端出現被壓低的情況后，需要加大抬頭的趨勢，當達到一定程度以后，打開仿形刀，對上部實施超挖處理，有效減少盾構機低頭的情況。除此之外，積極采取措施科學調整盾尾間隙，當盾構機盾尾間隙不達標時，及時對其進行調整，管片上方間隙調整好以后，方可對盾構機抬頭問題進行控制。如果遇到特殊的情況，可以將上方管片背后的混凝土保護層鑿除掉，對盾尾間隙實施調整，使盾構機的姿態始終保持最佳狀態[3]。②刀盤正反轉糾偏。在盾構機運行時，如果刀盤正反轉出現不均勻的情況，盾構機姿態就會受到嚴重的影響，刀盤就會順著一個方向持續轉動，使得盾構機姿態旋轉偏差逐漸增加，一段時間以后，管片的拼裝質量就會出現偏差。在盾構掘進施工時，需高度重視刀盤的正反轉時間，盡可能使二者保持一致，防止刀盤出現長時間的單向轉動情況。正反轉刀盤的對應扭矩基本一致，將盾構主體滾動偏差控制在最小的范圍之內，使管片順時針和逆時針扭轉變得更加均勻。③蛇形糾偏和修正的過程中，要合理控制施工速度，假如修正過于急躁，就會使蛇形非常明顯。在直線推進時，將設計線上遠方一點與盾構所在位置點連成直線，以此直線為基礎，科學管理線形。曲線推進施工時，曲線要和遠方點與盾構位置點連成的直線保持相切的狀態。④同步注漿質量。對于管片的拼裝直徑而言，在實際施工的過程中，掘進直徑要比設計值大一些，如果出現襯砌超出盾尾的情況，土體與管片之間就會出現空隙。如果后續的漿液凝結狀態不好或同步注漿量不足時，管片與四周土體無法實現緊密連接，扭轉摩阻力就會隨之下降，刀盤轉動不能及時阻擋主機滾動，主機會隨即出現扭轉的情況，在掘進施工的作用下，管片自身的扭轉現象也會非常明顯。因此，施工人員要高度重視注漿施工質量，在保證施工質量的情況下，使漿液在較短的時間之內凝結，科學控制注漿量，使土體與管片貼合得更加緊密，并使抗扭矩摩阻力發揮最大的作用，杜絕盾構滾動現象的出現，使管片環的穩定性得以保證。

4 結束語

綜上所述，地鐵盾構機掘進施工的施工環境和地質條件比較復雜，掘進過程中姿態偏差及管片錯臺時有發生，文章主要探討了在軟土地層中盾構機掘進姿態的控制要點，從而使盾構隧道施工質量滿足設計標準，研究表明，在地鐵盾構機掘進施工過程中，施工人員要高度重視施工機械設備的性能和施工現場的地質環境，科學調節盾構姿態，提升盾構施工的穩定性，確保整個盾構施工工程得以順利完工。