浅析盾构掘进施工的姿态控制

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1、浅析盾构掘进施工的姿态控制 浅析盾构掘进施工的姿态控制 摘要：本文结合广州地铁广佛线某盾构区间地层软硬不均，线路曲线多、坡度变化大，针对土压平衡盾构掘进姿态控制问题，介绍了盾构姿态控制的根本概念，总结了影响盾构掘进姿态的因素并从地质条件、盾构掘进、管片选型、测量及注浆控制等几个方面提出了盾构姿态的控制分析。 关键词：盾构；姿态控制 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 1 概述 盾构是隧道工程施工的专用机械，由于掘进开挖面和盾壳外围土压力的不均衡、隧道线形变化、复合地层软硬不均等方面的影响，盾构的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致，本文结合广州地铁广佛线某区间隧道施工，研究土压平衡

2、盾构在变化地层中的姿态控制。 广佛线某盾构区间隧道主要穿越地层为淤泥质土、粉质粘土、6全风化泥质粉砂岩、7强风化泥质粉砂岩、8中风化粉砂岩、9微风化粉砂岩，岩石单轴抗压强度最高到达61.9MPa，曲线最小半径为350m，最大纵坡为29，采用土压平衡盾构施工，由于地层不均、小半径掘进、坡度变化等影响，增加了盾构姿态控制的难度。 盾构区间局部地质断面图 2 盾构姿态及偏差 盾构姿态是施工过程中，根据测量而得的盾构机相对于设计轴线的状态，盾构姿态偏差主要分为方向偏差与滚动偏差。方向偏差是盾构在水平、垂直方向上偏离设计轴线的情况，滚动偏差反映盾构自身的旋转情况，盾构姿态的好坏直接影响已成型隧道偏离设计

3、轴线的程度及隧道的施工质量。 方向偏差：方向偏差包含水平偏差与垂直偏差。盾构不同部位推进千斤顶参数的偏差易引起掘进方向的偏差，盾构外表与地层间的摩擦阻力不均衡,掌子面土压力以及切口环切削欠挖地层所引起的阻力不均衡,也会引起一定的偏差，掌子面地层分界面起伏较大、软硬不均,都易引起方向偏差，即使掌子面地质的物理性质均衡,受盾构刀盘自重的影响也会有低头的趋势。 滚动偏差：盾构掘进的推力是由管片提供的,刀盘切削地层的扭矩主要由盾构壳体与洞壁之间形成的摩擦力矩来平衡。在稳定性好的地层,盾构壳体与洞壁之间只有局部摩擦力提供摩擦力矩，当摩擦力矩无法平衡刀盘切削地层产生的扭矩时将引起盾构的滚动,过大的滚动会影

4、响管片的拼装并引起隧道轴线的偏斜。 3 盾构姿态的影响因素 3.1地质水文 盾构掘进时受到不同地层物理性质的制约和影响，假设切口环出现强度变化大的地层,松软地层侧的千斤顶推力未及时调整,盾构就会呈现出向松软地层陷入的趋势；地下水含量丰富时,易造成土体松软,盾构往往偏向松软地层或地下水丰富的一侧。 3.2设计线路 为了优化设计线路，隧道工程经常会出现线路转弯半径小、坡度变化大的情况,这就增加了一定的施工难度,盾构在施工过程中容易出现偏差过大的现象。 3.3操作手 盾构操作手是最先了解盾构姿态和走势的人，其操作水平和经验直接影响盾构姿态的好坏，这就要求操作手必须要时刻注意盾构姿态走势。 3.4土压

5、 土压是根据覆土厚度、土体内摩擦角及容重来设定的，一般在纠偏时,土压力的设定值比拟大,这有助于土体对机头的反作用力将机头托起或横移。 3.5始发 盾构始发时,始发基座的水平、高程位置及牢固稳定等情况决定了盾构始发阶段的盾构姿态，曲线始发时更为重要。 3.6推进速度 盾构推进速度过快时,姿态不易控制，调整姿态时，推进速度应控制在20mm/min以内，施工中途停止时，假设遇上地层比拟松软，易造成盾构偏移，也将影响盾构掘进姿态。 3.7刀盘正反转 盾构刀盘的正反转不均匀会导致盾构滚动角过大，同时会带动管片旋转影响管片的拼装质量。 3.8管片 盾构在曲线上掘进时,通过使用楔形管片调整相临管环之间的转角

6、可以拟合出一条光滑曲线,尽量使其与盾构掘进半径相同,保证必要的盾尾间隙量，否那么管片与盾尾相制约增大摩擦阻力,不利于盾构姿态的控制。 3.9注浆 注浆包括同步注浆和二次注浆，同步注浆是盾构掘进时同步进行的注浆施工，二次注浆是管片拼装完成后的注浆施工。在注浆施工过程中，控制适宜的注浆压力，对盾构管片稳定有一定作用，从而有利于盾构姿态的调整。 3.10测量误差 测量过程中，由于管片的位移、人的操作及环境影响等问题易引起测量误差,主要是控制点误差、设备系统误差和测量环境引起的误差，施工人员应时刻结合测量数据进行分析判定。 4 盾构姿态的控制分析 4.1地质条件 盾构施工中,假设切口环处出现软硬不均的

7、地层,松软地层侧的千斤顶推力未及时调整,盾构会呈现出向松软地层陷入的趋势,造成盾构姿态偏离设计轴线,导致姿态偏差较大，可先行从地质条件进行分析。 在既有设计地质勘察资料根底上做好地质补勘工作，核对地质条件变化情况，为盾构掘进提供可靠的地质资料。 在盾构掘进过程中,研究地质条件，调节不同区油缸压力,观察各区油缸行程显示,减小盾构掘进过程中向一侧偏移的趋势,到达控制盾构姿态的目的。 使用铰接千斤顶,在掘进过程中将软土侧的铰接千斤顶推出,克服盾构向此侧偏移的趋势。 利用盾构刀盘的超挖刀,先行切割开挖面较硬侧的地层,盾构在另一侧千斤顶的推力作用下,产生地层较硬一侧行走的趋势,从而减小盾构掘进时受地层软

8、硬不均而引起的跑偏现象。 4.2盾构掘进 盾构掘进是施工过程中的关键环节，因此须对掘进过程进行严密监视，在出现盾构姿态偏差时，可以通过以下几方面进行控制。 分区油压调整及千斤顶编组 结合盾构姿态及其偏差情况选中全部千斤顶，分别确定各区的推进油压，尽量做到逐环少量纠偏，因分区油压纠偏能力受到限制，曲线段掘进或纠偏时需采用千斤顶编组与分区油压综合控制的方法，同时调整各区油压，为盾构掘进提供最大的纠偏力矩，以保证盾构弯道掘进姿态和纠偏效果。 刀盘正反转控制 刀盘的正反转不均匀会造成盾构向一个方向持续的滚动，逐渐积累后导致盾构姿态旋转位置偏差过大，因此在盾构掘进中要保证刀盘正反转时间的均匀，尽量缩短刀

9、盘单向转动时间，同时正反转时刀盘扭矩根本一致，确保盾构不会产生过大滚动偏差。 千斤顶行程差控制 盾构在转弯和纠偏过程中，各组推进千斤顶会产生行程差，为改善管片受力，保护成型管片，可以通过选择管片封顶块的拼装位置调整行程差，利用管片不同点位处的超前量来尽量缩小行程差，使管片平面与盾构前进平面尽量重合，此时盾构千斤顶能获得最大的推力，有利于盾构按设计线路前进。 4.3管片选型 盾构姿态与管片姿态是相辅相成的，盾构推进姿态决定了管片拼装姿态，同时成型隧道又作为盾构推进的导向。在曲线段施工时，曲线内、外侧的推进油缸会产生行程差，须安装楔形环以平衡这个行程差，标准环和楔形环可以排列拟合出不同半径的曲线隧

10、道。盾构推进一环拼装前，须选择管片拼装点位，假设管片拼装点位选择不合理，会出现推进千斤顶与管片受力面相对位置及角度产生偏差、盾尾拉住管片等情况，从而导致铰接拉力增大、管片碎裂、千斤顶受损以及盾尾刷失效等严重后果。 因此可以结合隧道的曲线及坡度情况适当减小管片的宽度，以保证隧道实体与设计线路尽量吻合，目前广州地铁使用的管片宽度主要有1.5m和1.2m，在小半径曲线上选择1.2m的管片并采用双面楔形，选择适宜的封顶块位置调整盾尾间隙，也可以为盾构姿态调整提供有利条件。 4.4测量控制 盾构控制掘进方向的主要系统为激光导向系统(VMT),其不间断地监控掘进方向及其变化,VMT是由激光经纬仪发射出激光

11、束照射到控制面靶,根据ELS的中心和盾构的主机轴线平面几何关系,就可以确定盾构的轴线。 在小半径曲线上推进时，由于隧道曲率大，前方的可视距离短，导致盾构VMT测量移站频繁，每次换站后，高程数据都会有一定的变化。为了保证测量数据准确，每天应进行一次复核，及时调整VMT的数据并优化各项掘进参数，每隔5环测量一次管片的姿态，选择最优的掘进参数来控制盾构姿态。 4.5注浆控制 盾构隧道施工的开挖直径大于管片直径，衬砌脱出盾尾后管片与地层间有一定的间隙，假设同步注浆量缺乏或浆液不能及时凝结，管片不能与周围地层紧密接触自稳，无法提供足够的扭转摩阻力，刀盘转动时无法抵抗主机产生的滚动趋势，易造成主机的扭转，

12、管片环自身也将产生一定扭转，通过注浆使得管片尽快实现稳定也可以对盾构姿态控制起到积极作用。 同步注浆 随着盾构掘进，脱出盾尾的管片与地层间出现空隙，通过盾尾的压浆管予以同步充填浆液，根据施工与地质情况对注浆量和压力两者综合考虑，本工程中每环注浆量约为空隙体积的1.6倍，小半径曲线隧道的注浆量要大于直线隧道注浆量。 二次注浆 为减少同步注浆浆液早期强度低、隧道受侧向分力的影响，管片脱出盾尾后，通过管片注浆孔向外周进行二次注浆，来填补同步注浆流失造成的空隙和抵抗侧向分力。为尽快稳定管片，应尽量缩短浆液的凝结时间，保证管片衬砌环能够与地层密贴，提供应盾构足够的抗扭转摩阻力，防止其产生过大滚动，注浆位

13、置选择在管片出盾尾5环处，这样可以靠近盾尾且减少盾尾刷损害。 5 结语 工程实践证明，盾构掘进施工影响盾构姿态的因素比拟复杂，盾构姿态的控制直接对隧道成型后质量是否满足设计要求起决定性作用。盾构施工人员应有超前意识，在盾构姿态出现偏差趋势时及时分析偏差数据与影响因素，从地质条件、盾构掘进、管片选型、测量及注浆控制等几方面综合考虑选择合理的控制方法并不断摸索总结，从而有效的对盾构姿态进行控制，实现实际路线与设计路线尽量一致，施工过程中做好精细化管理、信息化施工,是盾构隧道质量的重要保证。 参考文献 【1】王晖；竺维彬；李大勇.复合地层中盾构掘进的姿态控制J.施工技术.2021(19) 【2】宫学军.浅析土压平衡盾构机掘进姿态控制J.山西建筑.2021(07) 【3】周振国；郭磊；郭卫社.盾构施工姿态控制和管片选型J.西部探矿工程.2002(05)