软土复合地层盾构机滚动角纠正施工技术

王建忠

（新大陆科技集团有限公司，福建 厦门 361006）

1 工程概况

福州地铁4 号线会展中心站～林浦站区间左线全长1562.562m，右线全长1552.325m。区间线路最小曲线半径R450，最大纵坡27‰，隧道埋深10.7～21.4m，区间主要穿越地层为含泥中细砂、淤泥质土。

2 项目进展情况

2.1 会林左线情况

2.1.1 滚动角变化

2020 年7 月4 日，会林区间左线盾构机在掘进至701 环后，滚动角持续增大。采取常规动作右转刀盘，未实现滚动角减小；不论左转右转刀盘，均未见滚动角减小；至7 月6 日掘进至721 环，滚动角达到17mm/m。各环掘进完成滚动角大小变化如图1。

图1 会林左线盾构机滚动角变化情况

2.1.2 地层情况、线路设计

地层情况：滚动角增大掘进地层为（含泥）中细砂＜2-4-6＞、淤泥质土＜2-4-2＞，见图2、图3。

线路设计：平曲线：R700 圆曲线左转；纵断面：4.811‰上坡。

图2 会林左线滚动角增大地质纵断面图

图3 会林右线709 环切口与会林左线709 环切口地质横断面图

2.1.3 推力、扭矩变化（见图4）

平均推力为1270t，平均扭矩为839kN/m。

图4 会林区间左线701 至728 环推力及扭矩的变化情况

2.2 会林右线情况

2.2.1 滚动角变化

2020 年10 月17 日，会林区间右线盾构机在掘进至1084 环后，滚动角持续增大。采取常规动作右转刀盘，未实现滚动角减小；不论左转右转刀盘，均未见滚动角减小；至10 月27 日掘进至1143 环，滚动角达到4.14°（1°=17.45mm/m）。各环掘进完成滚动角大小变化如图5。

图5 会林右线盾构机滚动角变化

2.2.2 地层情况、线路设计

地层情况：滚动角增大掘进地层为（含泥）中细砂＜2-4-6＞、淤泥质土＜2-4-2＞，见图6、图7。

线路设计：缓和曲线：直线→R450 圆曲线右转；纵断面：4.86‰上坡→27‰上坡。

图6 会林右线滚动角增大地质纵断面图

2.2.3 推力、扭矩变化（见图8）

会林区间左线1084～1143 环平均推力为1723t，平均扭矩为1080kN/m。

图7 会林右线1132 环切口与会林左线1132 环切口地质横断面图

图8 会林右线1084 至1143 环推力扭矩变化图

3 原因分析

（1）针对会林左线滚动角的增大，通过对地质断面的分析，可判断左侧断面的含泥中细砂高于右侧，地层分界线呈斜面。盾体左侧摩阻力大于右侧，故盾构机滚动角更容易往右侧旋转。

（2）会林左线盾构处于“2-4-6”含泥中细砂、淤泥质土地层，“2-4-6”含泥中细砂地层含砂率低，渣样中几乎未见砂，推进时刀盘扭矩小，不足以提供盾体扭转所需反扭矩值。

（3）针对会林右线滚动角增大，通过断面图分析，可知当时地层处于全断面淤泥质土地层中，可初步判定盾构机重心偏右，在淤泥质土中不足以提供盾体扭转的反扭距[1-5]。盾体重心偏向见图9。

图9 盾构机盾体重心偏向示意图

（4）淤泥质土流塑性较高，刀盘切削岩体后，盾构与围岩间隙未及时填充，围岩未能给盾构机身提供足够大的握裹摩擦力。

（5）盾尾管片未稳固，千斤顶带动管片旋转。管片未能提供使盾体回正的反扭矩。

4 施工措施及效果检查

4.1 施工措施

（1）在盾尾倒数第三、第四环注双液浆，稳定成型管片；

（2）在前、中盾左侧（人仓副仓和仓外）进行堆载（螺杆，2t）；

（3）利用拼装机抓举头吊装一块标准块（3.7t）旋转至左侧8～9 点时钟方向；

（4）开启超挖刀，减小盾体向左旋转的阻力，设定开启角度为6～9点时钟范围，设置伸出行程为20mm；超挖后减少了地层左侧和底部对盾体的包裹力，盾体合力方向指向左下角。盾心纠正变化见图10。

图10 盾体重心纠正后变化示意图

（5）向右旋转刀盘；

（6）减少泡沫注入量，防止泡沫喷嘴堵塞，一路一路打即可（目的是增大刀盘扭矩）；

（7）增大土仓压力，以此来增加刀盘扭矩和增加土体对盾体的包裹性、增大其摩擦力。

4.2 效果检查

会林区间左线于722 环采取相关措施后，在729 环掘进完成后，滚动角纠正到-1mm/m。采取措施后滚动角变化情况如图11。

图11 会林左线盾构机滚动角变化（采取措施后）

会林区间右线于1044 环采取相关措施后，在1165 环掘进完成后，滚动角纠正到-0.03°。采取措施后滚动角变化情况如图12。

图12 会林右线盾构机滚动角变化（采取措施后）

5 结束语

在后续掘进复合地质（地质断面图呈斜面）或全断面淤泥质土过程中，应做好以下几点：

（1）做好渣土改良，保证刀盘提供足够的反扭矩。可通过增减泡沫注入量来减小或增加扭矩。

（2）通过增加土压提高渣土密实度，增加刀盘扭矩、提高周围土体对盾体的包裹性，增加其摩擦力。

（3）在前、中盾堆载，让盾体重心左移或右移。

（4）在盾尾注入双液浆稳固管片，以提供盾体扭转的反扭矩。

（5）适时开启超挖刀，改变盾体扭转的合力方向。

（6）若地层处于全断面淤泥、淤泥质土时，出现该现象，再辅以翻阅掘进记录表刀盘往左和往右旋转的环数。若有一个转向环数明显大于另一转向，可判定盾构机重心偏左或者偏右。刀盘向纠偏方向旋转，机身重心产生的扭矩大于刀盘反扭矩以及地层对盾构机的握裹扭矩，致使盾构机前进过程中滚动角持续增大。

（7）重新选择临界点，已知滚动角较难调整，盾构机滚动角处于刚纠偏后的状态。如：滚动角为0，左转一环滚动角变为3；滚动角为0，右转一环滚动角变为-5。（3-5）/2=-1，以-1 作为临界点，滚动角＜-1，刀盘往左转，否则右转刀盘。