長距離大坡度盾構掘進姿態控制研究

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

盾構機掘進姿態控制一直是盾構機施工中的重要環節，也是盾構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計為主要依據和目標，而且為了控制偏差在一個合理的范圍之內，保證掘進過程處于一個良好的狀態，就更需要不斷地調整盾構的姿態。

1 盾構掘進姿態的影響因素與控制內容淺析

1.1 影響因素

目前，影響隧道掘進姿態的因素主要有以下幾個方面。一是土壓的設定值：因為施工中土壤的壓力設定值是根據其覆土厚度、土壤內部的摩擦角度和容量等一系列的內容來確定的，所以在糾偏的過程中，壓力設定值比較大，這也有利于土體對于機頭的反作用。二是地質條件的變化：因為不同區域的地質條件不同，控制難度也不同，如盾構處在軟土地層時，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定性相對較差，產生一系列的沖突碰撞問題。另外，在盾構兩側軟硬不一的地層中，掘進時縱向和橫向的穩定性都相對較差。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。四是轉彎管片中的使用。因為整個盾構處于曲線狀態，所以要適當使用這種轉彎管片，來調整周圍環境的轉角位置，從而對盾構的整體姿態進行更好的控制。另外，需要特別注意的是，當施工中途停頓，或者遇到土質變化，都有可能導致盾構機下沉，這就會影響到施工的連續性，需要及時解決。

1.2 控制內容

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域，以便于管理。在保證切口土壓正確性的同時，還要嚴格控制不同區域內的油壓，合理控制千斤頂沖程糾偏，保證盾構推進呈線性。同時，根據盾構掘進機頭部與設計軸線之間的偏差，將其歸結為水平位、豎直位和轉動位。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；在旋轉方向上，確定盾構機身的自轉角。一般來說，在直線段施工是最理想的，也是隧道設計中心和盾構之間管道中線的結合。不過在實際施工中，三條線路難免會有一些偏差。當2～3條線處于基本重合狀態時，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，應避免出現在隧道的下部，若盾構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，需要在合理范圍內控制盾尾間隙，確保管片與設計的軸線一致，并通過調整油缸的行程來調整盾構姿態[1]。

2 盾構掘進姿態控制方式分析

2.1 控制盾構掘進方向

采用隧道自動導引測量與人工測量相結合的方法，實現姿態控制與檢測；因為隧道的自動導向檢測系統擁有著導向的功能、自動定位以及挖掘控制等一系列的功能，所以它能夠實時地顯示當前的位置、隧道設計軸線偏差等一系列的內容，還能對未來的發展趨勢做出合理的預測。這樣，當通過該系統來調節通風機進而控制方向時，就可以保證它的數值維持在一個合理偏差范圍內。而且，因為自動導向在測量之后，它的基準點需要根據施工的情況不斷地調整和向前移動。所以，為了保證盾構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。一是要對自動導引系統進行精確測量，二是要對終端機的位置、姿態進行確認。

2.2 控制油缸推力決定方向

按照事先制定的控制程序，結合當時盾構掘進的具體地理位置和周圍土質條件，采取一系列行之有效的措施，確定盾構掘進方向。舉例來說，當盾構機處于上坡階段時，可加大其下油缸的推力，當盾構機處于下坡階段時，可加大盾構上部油缸的推力，通過及時調整掘進的方向和力度，可確保盾構機的掘進處于合理的狀態范圍內[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。當盾構機工作在軟硬不齊的土層上時，應根據具體土層的分布情況，不斷加大或調整推力。

2.3 調整掘進角度

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，往往會與預期的隧道設計軌道有一定的偏差，如果偏差值控制在合理的范圍內，則可以正常施工，如果不能控制好，則要及時調整其確定的方向，以糾正偏差，避免出現更大的錯誤。如果是橫向的話，盾構機會在翻滾時發出警報，如果是橫向的話，只需要加大鉆機的推力，就能進行糾偏。

3 盾構機姿態控制分析

3.1 曲線段出洞盾構姿態控制

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

利用超級掘進機調節盾構推進傾向性在盾構推進過程中，利用超級掘進機對小曲率半徑內的土壤進行強化，從而實現對盾構的糾傾。在施工過程中，可依據現場施工的實際情況，對超挖刀片的延伸長度進行延長或縮短，并對刀片的旋轉速度進行調節。

3.2 小曲率半徑段推進姿態的控制

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

3.3 縱坡度推進姿態控制

對于盾構機的縱向斜率，其控制方式主要有變斜率和穩斜率兩種。變斜率方法是指在每個循環的推進過程中，通過設置不同的推進斜率，使其達到預定的縱向斜率。而穩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 特定條件下盾構機的姿態控制分析

4.1 穿越上硬下軟地層時的姿態控制

這種上硬下軟的地質特征，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，很容易產生上升的彎距，造成盾構的抬頭，再往前走，盾構姿態就會像“毛毛蟲”一樣，很容易劃破上部管片的外弧，甚至會造成底部的土壤大量流失，從而造成盾構的沉陷。因此，當遇到盾構有抬高的情況，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的使用；第二，減小下半部千斤頂的油壓，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，保證下部土體的穩定性。

4.2 穿越上軟下硬地層時的姿態控制

在盾構穿越上軟下硬地層時，盾構坡度很難提高、隧道軸線很難控制等。對此：一是對超挖刀和盾構鉸接功能進行合理地運用，來實現糾偏的目的；二是對掘進的速度進行控制，以確保刀盤能夠對前面的硬土進行充分的切割；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定性。

5 長距離大坡度盾構掘進中存在的問題

5.1 水平運輸

盾構機在全斷面硬巖掘進時，每輛渣土車的運土量達到50噸，當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“溜車”現象。加之隧道內高溫，鐵軌表面光滑，更增加了電瓶車打滑的風險。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變成三趟車掘進一環，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 隧道內部溫度較高

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

5.3 掘進過程中容易出現噴涌，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 成型姿態難以控制，成型管片質量不佳

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，這就會導致開挖面與管片之間的空隙產生。當盾尾脫出管片后，管片的姿態就會降低。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 長距離大坡度盾構掘進優化措施

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，可采用雙頭車牽引。在始發端頭站臺上增設道岔，掘進過程中由一輛電瓶車將渣土車以及材料等轉運到隧道內部進行掘進。再由一輛電瓶車在井口進行倒土以及準備材料等工作。當完成準備工作后，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，繼續掘進，如此反復。在保證盾構掘進順利進行的前提下，有效地避免了大傾角、大傾角的隧道出現滑車的危險。

6.2 及時完成止水環施工

隧道的成型姿態和質量，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。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，就必須在后面的管片上設置一個止水環，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，以確保止水環的穩定。止水環的設置，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，確保成型隧道的質量與姿態；同時，還能有效地避免在挖掘過程中出現噴涌現象，并在挖掘完畢后，能夠順暢地進入挖掘井內檢驗工具，確保挖掘工作的高效進行。

6.3 隧道降溫

井口處設置大功率通風設施，并在洞中部增設二次通風設施，保證進出盾構機的風速以及風量，并在夏天向洞內輸送冰塊，以降低施工環境的整體溫度，預防中暑。在掘進參數控制方面，應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部的溫度。

7 盾構姿態控制過程中的糾偏方法

在盾構隧道的施工中，會出現各種問題，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，就要求技術人員要時刻注意在施工過程中的實際狀況，時刻對盾構的姿態進行觀測，在出現偏差的時候，可以選擇適當的隧道管片，并采取合理的方式對其進行糾偏。在盾構掘進中，常見的糾偏方式有：千斤頂組合、分區油壓控制、超挖刀、絞接千斤頂等。

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整。

7.2 超挖刀糾偏方法

在不能通過調節千斤頂區段壓力及排布方式實現的情況下，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，實現對盾構軸心的控制，尤其是對加硬區的推進效果更好。

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，來實現對盾構的糾斜量。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 結語

綜上所述，軌道隧道施工過程中，盾構掘進姿態的控制已經成為影響乃至決定工程質量的關鍵因素。因此，盾構機必須時刻保持在可預見的范圍之內。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。并結合客觀實際，有針對性、有計劃地調整姿態，完善方向控制，從而保證盾構機的控制技術更加理想，加快隧道的正常施工與運行。所以，盾構推進時，必須始終依靠千斤頂不斷調整方向，加大力道，并嚴格控制各區域的油壓，以便對千斤頂的沖程進行合理的控制，進而達到合理糾偏的目的。