盾构法施工过程中土压平衡盾构机姿态控制技术

2020-01-03祁伟栋

四川建材 2020年2期

祁伟栋

(中交二公局铁路工程有限公司，陕西西安 710065)

1 工程概况

在地铁的盾构施工中，盾构机占有不可或缺的位置，而地铁施工的盾构机姿态控制是影响地铁盾构施工的重要因素。为了进一步提升盾构机的使用效率，本文基于具体工程案例，详细探讨了盾构机姿态控制技术。

本工程为广东省佛山市轨道交通2号线一期工程TJ3标湾华站-登洲站盾构区间盾构施工段。盾构区间左、右线均采用盾构法施工作业，盾构机采用中交天和机械设备制造有限公司生产的Φ6250 mm土压平衡盾构机，盾构隧道衬砌管片外径Φ6.0 m，内径Φ5.4 m，宽1.5 m，厚0.3 m，分为6块：1块封顶块F、2块邻接块L1、L2、3个标准块B1、B2、B3。

2 影响盾构机姿态控制的因素

基于盾构法施工作业时，为给盾构掘进创设良好条件，通过盾构机的自动导向系统VMT系统、自动(人工)测量的方式掌握盾构机主机部分出现的偏差，并做出合理调整，主要跟踪、监控盾构机的切口偏差、盾尾偏差、趋势、滚动角、水平偏差和俯仰角等技术参数。

2.1 土质因素

伴随盾构施工的持续推进，若在切口环两侧土质硬度偏差较大，且在针对松软土质推进时出现推力设置不合理的情况，将使盾构机陷入到土体中，出现盾构机“栽头”的情形，若这一现象未得到改进，盾构姿态将明显偏离标准施工轴线。

2.2 盾构机始发托架与反力架的精准定位

盾构机掘进施工过程中，始发阶段该设备被置于始发托架上，受始发托架高程、盾构机反力架和始发架固定可靠程度、盾构机始发托架与反力架定位是否准确等因素的影响，对应的始发盾构姿态存在差异，因此，始发阶段要合理调整盾构机初始始发位置，相对于盾构隧道的洞门钢环而言，二者在隧道轴心中心线以及高程上都要保持一致，此外始发托架应足够稳固，不可发生变形。

2.3 盾构机姿态控制中的管片姿态

盾构机掘进过程中，管片拼装作业一般在盾构机盾尾区域，应用管片拼装机安装衬砌管片。在管片拼装过程中，拼装机可以实现拼装管片的纵向、径向、横向移动及回转、横摇和俯仰等6个自由度的动作，使管片快速精确地完成定位并安装[1]。在施工中，若管片拼装偏离既定隧道线路，以实际情况为准，采取合适的调节措施。若未在第一时间调节会对隧道实际中线带来影响，无法满足工程需求。所以管片安装应足够合理，这是影响盾构机运行的关键因素。

3 盾构姿态控制技术要点

3.1 不同土质中盾构姿态的安全技术控制

1)在电磁减压阀的辅助下，可以灵活调节上下油缸压力，同时在油缸处安装有高精度位移传感器，可准确获悉油缸的行程，在盾构掘进中调节偏移位置，将盾构姿态控制在合理范围内。

2)铰链千斤顶具有灵活转动的基本特性，因此，在软土环境中施工时将铰链千斤顶推出，避免盾构向该侧发生明显偏移。

3)利用超挖刀切割硬质土体，此时盾构机切口环在该处将存在一个较小的空隙；同时在另一侧千斤顶的推动下，将会倾向于土体较硬的一侧，可提升盾构机掘进平衡性，消除土体软硬不均的影响，避免跑偏现象。

3.2 盾构过程中出土量的控制技术

严格将推进速度控制在合理范围内，在穿越建(构)筑物前必须做好测量工作，明确穿越里程，同时提前20环合理优化掘进参数，在盾构过程中推进速度需稳定在2 cm/min。考虑到整体质量要求，推进时速度需相对稳定，确保周边环境不受到影响。严格控制出土量，盾构机掘进过程中，每环出土量可通过：V=π×D2/4×L计算而得，D为管片的外径直径，L为盾构机管片的长度，V为每环出土的理论体积。

本工程中理论上每环出土体积为：V=π×62×1.5/4=42.39 m3/环。严格控制出土量也是盾构施工的关键要点，是保证控制地层损失率的最直接的手段。在试验段的掘进过程中，对出土量的体积和重量的验证是检验出土量理论计算的有效手段，出土量的实际数据必须通过实际情况进行验证测定，施工过程中通过收集的数据对出土量的控制数据进行优化调整。在盾构姿态调节过程中，需合理控制纠偏次数，否则也会对土体带来明显的扰动影响，甚至出现隧道土体沉降或是隧道变形超标的问题。

3.3 土仓压力控制技术

本工程部分区域施工环境尤为复杂，盾构隧道穿越佛山市城区东平水道时，该区域主要以强风化泥质砂岩为主，经勘测得知隧道顶部最小埋深约为7 m。盾构隧道施工过程中，待盾构快要到达河床底部时，应考虑管片超前量等因素，经计算后得到盾构过河段各管片对应的埋深情况，综合对比地质勘察报告，求得水土压力；在计算当前环的土压时需充分考虑盾构机长度，合理调节土仓压力。最终求得该段的土仓压力为235.97～304.4 kPa，基于工程经验，最终确定为210～260 kPa。

通过对前期盾构掘进施工实际出土量分析，实际出土量约为56 m3/环，相比于设计出土量42.39 m3/环而言，得知在东平水道河床底部，盾构机掘进过程中出土松散系数约为1.2。每班配备技术员，通过对渣土斗存方量的测量，求得每环的实际出土量，基于此方式确保出土量统计准确性。灵活改变螺旋机转速，可随之优化出土量，在调节时需积极与盾构机司机、技术员沟通，全方位考虑总推力、掘进速度等参数，确定最低要求，即掘进刀盘扭矩不超过2 500 kN·m，主轴承温度不超过40℃，且总推力不超过20 000 kN，在上述基础上，尽可能控制出土量。

3.4 盾构机推进速度、刀盘转速与扭矩的管控

盾构机掘进通过东平水道段的过程中，遵循匀速缓慢的基本原则，要求盾构机的推进速度在25～40 mm/min，尽可能在短时间内盾构机穿过东平水道。盾构机穿越东平水道的过程中，刀盘转动速度不超过1.8 r/min，且刀盘扭矩不超过2 500 kN·m，若刀盘扭矩突然加大，第一时间上报盾构机操作手。

3.5 盾构机掘进姿态控制

为确保盾构机隧道掘进的施工质量，在盾构机始发掘进前将姿态向轴线靠拢，正式施工时严格控制盾构纠偏量，隧道线路方向不可纠偏过急、过大[2]，造成环与环之间产生过大错台，要求每环最多纠偏不超过3 mm，注重对自动控制点的复测，将盾构姿态纠偏量稳定在合理范围内。在遇到上硬下软的地层推进，由于刀盘上部的土体比较硬，下部土体比较软，开挖时上部受阻力较大且不易挖掘，下部阻力小且易挖掘，容易导致刀盘开挖整体向下移动，长期积累，造成盾构机无法抬头，即“载头”现象。

在盾构机进入上硬下软地层前，提前做出反应，保持向上抬头姿态进入上硬下软的地层，当盾构机有前端被压低的趋势时，继续加大抬头的趋势，在极端的情况下，可以打开仿形刀在上方局部进行超挖，避免盾构机低头。合理调节盾尾间隙，如果盾构机的盾尾间隙不好，及时调整盾尾间隙，待管片上方间隙调整出来后再控制盾构机抬头。在极端情况下，可以凿掉上方管片背面的保护层混凝土调整盾尾间隙，从而更好地调整盾构机的姿态。

1)千斤顶编组与分区油压综合控制。

(1)合理调节各分区油压。以盾构姿态为基准，若为直线正常掘进状态，此时需要全选千斤顶，尽可能提升后背管环受力均匀性，从而确保管片拼接质量；通过分区油压可实现对盾构姿态的调整。选中所有掘进千斤顶(共计24个)，分析所得的测量结果，准确掌握I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的油压，严格控制好调整范围，即在0～34.3 MPa。

(2)千斤顶编组。此方式可应用于各类盾构掘进施工场景中，是现阶段盾构姿态调整应用极为广泛的方法。实际操作中，需注重如下几大要点：①千斤顶总量有24台，单台设备的最大推力150 t，所有千斤顶构成的总吨位为3 600 t；若遇到砂土层施工环境，推力以1 000～1 200 t为宜，从而确定千斤顶编组数量，即不可低于8个。②注重跟踪与计测工作，由于跟踪负荷相对较小，因此主要被用于编组之外，可满足环面平齐的要求。③掘进千斤顶全选，仅凭分区油压盾构纠偏的方式显然不具备可行性，因此，在针对曲线段展开掘进与纠偏工作中，需在该方式的基础上辅以千斤顶编组的方式。选定合适数量的千斤顶，以盾构纠偏需求为基本参考，合理调节各区油压，尽可能提升纠偏力矩，以满足盾构弯道掘进姿态调整需求，并确保纠偏效果。

2)盾构姿态旋转控制的主要方法。

(1)刀盘正反转控制。盾构机运行过程中，若刀盘正反转出现不均匀现象，则会对盾构机姿态带来影响，使其朝相同方向持续滚动，随之出现盾构姿态旋转偏差过大的问题，在长时间影响下，无法确保管片拼装质量。盾构掘进过程中，需严格控制刀盘正反转时间，二者需尽可能相同，避免刀盘单向转动时间过长的现象；此外，正反转对应的刀盘扭矩应该尽可能相同，以免盾构主体出现滚动偏差，也有助于提升管片顺逆时针扭转的均匀性。

(2)同步注浆质量控制。相比于管片拼装直径，实际施工中的开挖直径明显大于该值，若衬砌脱出盾尾，在此影响下管片与土体之间将产生缝隙，当后续环节同步注浆用量不足或是浆液凝结状况欠佳时，管片将难以与周边土体达到紧密接触状态，扭转摩阻力随之减小，在刀盘转动过程中不具备阻挡主机滚动的能力，使得主机发生扭转，且受掘进施工的影响，管片自身也存在明显的扭转现象。对此，需严格控制同步注浆质量，在不影响施工质量的前提下，尽可能提升浆液凝结速度，控制同步注浆量，确保管片衬砌能够与土体紧密贴合，形成足够的抗扭转摩阻力，有效避免盾构滚动现象，提升管片环的稳定性。