軟土地層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制技術(shù)分析

張 燁

中交第三航務(wù)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(xiàng)目起點(diǎn)站為水上公園西路站，終點(diǎn)站為東麗六經(jīng)路站，全線約為22.6km，共設(shè)21座車站，全線均采用地下線敷設(shè)。設(shè)七經(jīng)路車輛段1座。該標(biāo)段為天津市地鐵11號線一期工程PPP項(xiàng)目11號線土建第7標(biāo)段，工程地點(diǎn)位于天津市東麗區(qū)，線路由西向東，施工范圍為招遠(yuǎn)路站—外環(huán)輔道站—馴海路站—東麗一經(jīng)路站（不含）包括招遠(yuǎn)路站—外環(huán)輔道站（盾構(gòu)區(qū)間1372m）；外環(huán)輔道站—馴海路站（盾構(gòu)區(qū)間612.8m）；馴海路站—東麗一經(jīng)路站（盾構(gòu)區(qū)間801.1m）。該標(biāo)段計(jì)劃投入2臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

2 盾構(gòu)區(qū)間施工盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)機(jī)選型是施工的基礎(chǔ)，該標(biāo)段盾構(gòu)所穿越的地段大部分為粉質(zhì)黏土、粉砂、黏質(zhì)粉土，多為軟弱土層，依據(jù)該區(qū)間工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點(diǎn)和類似地區(qū)工程的經(jīng)驗(yàn)，選用加泥式（泡沫）土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。該標(biāo)段采用2臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，其中1臺為中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司制造的新盾構(gòu)機(jī)，另1臺為廈工中鐵重型機(jī)械有限公司生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)。

3 盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)

受隧道曲線、坡度變化和操作技術(shù)不當(dāng)?shù)挠绊?，在推進(jìn)盾構(gòu)時(shí)，有時(shí)會有誤差存在。如果誤差不能得到及時(shí)處理，長時(shí)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(gòu)施工的過程中，需采取切實(shí)可行的方法管控掘進(jìn)方向，及時(shí)糾正掘進(jìn)偏差，下面以招遠(yuǎn)路站—外環(huán)輔道站區(qū)間左線為例，分析軟土地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的要點(diǎn)。

3.1 出土量控制

采取措施控制盾構(gòu)掘進(jìn)施工的速度，在穿越建筑物時(shí)，預(yù)先測量好穿越的里程，對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整，在軟土地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)速度要保持在3cm/min左右。為了使整個(gè)工程的施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，掘進(jìn)施工速度一定要平穩(wěn)，四周環(huán)境不可給掘進(jìn)施工造成不利影響。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工時(shí)，需嚴(yán)格管控出土量。掘進(jìn)循環(huán)理論出渣量計(jì)算公式如下：

式中：r為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)半徑，m；L為掘進(jìn)行程，取1.5m。

中交天和6430盾構(gòu)機(jī)開挖φ6450mm，根據(jù)上述公式可得Q=58.8m3。因此，該區(qū)間左線理論上每環(huán)出土體積大約為59m3/環(huán)。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工的核心為科學(xué)管控出土量，使地層損失率得到高效的管控。在掘進(jìn)試驗(yàn)段時(shí)，要想使出土量理論計(jì)算得到準(zhǔn)確的檢驗(yàn)，就要積極驗(yàn)證出土量的重量和體積，測定實(shí)際情況后，才能獲得準(zhǔn)確的出土量信息。

3.2 土倉壓力控制

中交天和6430盾構(gòu)機(jī)配置4個(gè)土壓傳感器，將土壓傳感器安裝在螺旋輸送機(jī)、土艙隔板和土艙頂部等位置，比較地面測量數(shù)據(jù)信息，使土艙壓力實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)測發(fā)揮最大的作用。正常施工情況下，通過計(jì)算隧道埋深、土層性質(zhì)和地面超載，詳細(xì)分析地勘報(bào)告，可獲得準(zhǔn)確的土壓力。實(shí)際施工過程中，土壓力的設(shè)定值需根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及時(shí)調(diào)整，滿足地面最小沉降量控制目標(biāo)要求即可。

3.3 推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩的管控

盾構(gòu)機(jī)在招遠(yuǎn)路—外環(huán)輔道區(qū)間掘進(jìn)施工時(shí)，遵循的主要施工原則為勻速緩慢施工，在粉質(zhì)黏土、粉砂、黏質(zhì)粉土等軟弱地質(zhì)條件下，推進(jìn)速度要保持在30～35mm/min，刀盤扭矩要保持在3000kN·m以下，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(cuò)臺率不超設(shè)計(jì)規(guī)范要求[1]。

3.4 掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制

在坡度變化、隧道曲線和操作技術(shù)不當(dāng)?shù)纫蛩氐闹萍s下，推進(jìn)盾構(gòu)有時(shí)會有誤差產(chǎn)生。假如未及時(shí)采取有效措施處理誤差，一段時(shí)間后，隧道襯砌侵限的問題就會隨之發(fā)生，隨著盾尾間隙不斷地變小，管片局面受力就會出現(xiàn)失衡的情況，因此在盾構(gòu)作業(yè)時(shí)，需采取科學(xué)合理的辦法管控掘進(jìn)施工任務(wù)，及時(shí)糾正掘進(jìn)偏差，設(shè)定預(yù)警值。根據(jù)偏差程度不同對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向控制以及掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整進(jìn)行分析、總結(jié)，保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的良好以及成型隧道的質(zhì)量[2]。

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制。①在監(jiān)測盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)，使用的主要方法為人工測量和自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)相結(jié)合的辦法，該系統(tǒng)主要包括顯示器、掘進(jìn)程序軟件、自動(dòng)定位和導(dǎo)向等設(shè)備，其在盾構(gòu)機(jī)主控室中全天24h動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)的具體位置和隧道設(shè)計(jì)軸線今后的發(fā)展趨勢，以此為依據(jù)科學(xué)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)方向，使其誤差一直處于設(shè)計(jì)值的范圍之內(nèi)。每周安排專人實(shí)地測量2次，使掘進(jìn)方向始終處于正確的軌道上。②采取分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)的方法，使用油缸管控盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工方向，以分段軸線來管理導(dǎo)向系統(tǒng)和控制計(jì)劃所反映出的姿態(tài)信息。以中交天和6430盾構(gòu)機(jī)為例，推進(jìn)油缸按上、下、左、右分成4個(gè)組共計(jì)22臺千斤頂，每一臺的額定推力為200t，在粉質(zhì)黏土層中施工，其推力范圍為1600～1800t。在掘進(jìn)上坡段的過程中，適當(dāng)增加盾構(gòu)機(jī)下端油缸的推力；在掘進(jìn)下坡段的過程中，適當(dāng)增加上部油缸推力；在掘進(jìn)左轉(zhuǎn)彎曲線段的過程中，適當(dāng)增加右側(cè)油缸推力；在掘進(jìn)右轉(zhuǎn)彎曲線段的過程中，適當(dāng)增加左側(cè)油缸推力。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整與糾偏。①在軟土地層中掘進(jìn)時(shí)，常遇下軟上硬地層，此時(shí)刀盤下部土體非常松軟，刀盤上部土體比較堅(jiān)硬，掘進(jìn)施工時(shí)，上部阻力非常大，給掘進(jìn)施工造成了巨大的困難。下部阻力非常小，使得刀盤掘進(jìn)施工出現(xiàn)整體下移的情況，長時(shí)間后，盾構(gòu)機(jī)抬頭就會受到巨大的影響，這就是常見的“栽頭”問題。掘進(jìn)過程中可使盾構(gòu)機(jī)保持向上抬頭的姿態(tài)，盾構(gòu)機(jī)前端出現(xiàn)被壓低的情況后，需要加大抬頭的趨勢，當(dāng)達(dá)到一定程度以后，打開仿形刀，對上部實(shí)施超挖處理，有效減少盾構(gòu)機(jī)低頭的情況。除此之外，積極采取措施科學(xué)調(diào)整盾尾間隙，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙不達(dá)標(biāo)時(shí)，及時(shí)對其進(jìn)行調(diào)整，管片上方間隙調(diào)整好以后，方可對盾構(gòu)機(jī)抬頭問題進(jìn)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(hù)層鑿除掉，對盾尾間隙實(shí)施調(diào)整，使盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)始終保持最佳狀態(tài)[3]。②刀盤正反轉(zhuǎn)糾偏。在盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果刀盤正反轉(zhuǎn)出現(xiàn)不均勻的情況，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)就會受到嚴(yán)重的影響，刀盤就會順著一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)旋轉(zhuǎn)偏差逐漸增加，一段時(shí)間以后，管片的拼裝質(zhì)量就會出現(xiàn)偏差。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，需高度重視刀盤的正反轉(zhuǎn)時(shí)間，盡可能使二者保持一致，防止刀盤出現(xiàn)長時(shí)間的單向轉(zhuǎn)動(dòng)情況。正反轉(zhuǎn)刀盤的對應(yīng)扭矩基本一致，將盾構(gòu)主體滾動(dòng)偏差控制在最小的范圍之內(nèi)，使管片順時(shí)針和逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)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(jìn)時(shí)，將設(shè)計(jì)線上遠(yuǎn)方一點(diǎn)與盾構(gòu)所在位置點(diǎn)連成直線，以此直線為基礎(chǔ)，科學(xué)管理線形。曲線推進(jìn)施工時(shí)，曲線要和遠(yuǎn)方點(diǎn)與盾構(gòu)位置點(diǎn)連成的直線保持相切的狀態(tài)。④同步注漿質(zhì)量。對于管片的拼裝直徑而言，在實(shí)際施工的過程中，掘進(jìn)直徑要比設(shè)計(jì)值大一些，如果出現(xiàn)襯砌超出盾尾的情況，土體與管片之間就會出現(xiàn)空隙。如果后續(xù)的漿液凝結(jié)狀態(tài)不好或同步注漿量不足時(shí)，管片與四周土體無法實(shí)現(xiàn)緊密連接，扭轉(zhuǎn)摩阻力就會隨之下降，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)不能及時(shí)阻擋主機(jī)滾動(dòng)，主機(jī)會隨即出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況，在掘進(jìn)施工的作用下，管片自身的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象也會非常明顯。因此，施工人員要高度重視注漿施工質(zhì)量，在保證施工質(zhì)量的情況下，使?jié){液在較短的時(shí)間之內(nèi)凝結(jié)，科學(xué)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(fā)揮最大的作用，杜絕盾構(gòu)滾動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，使管片環(huán)的穩(wěn)定性得以保證。

4 結(jié)束語

綜上所述，地鐵盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的施工環(huán)境和地質(zhì)條件比較復(fù)雜，掘進(jìn)過程中姿態(tài)偏差及管片錯(cuò)臺時(shí)有發(fā)生，文章主要探討了在軟土地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制要點(diǎn)，從而使盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，研究表明，在地鐵盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過程中，施工人員要高度重視施工機(jī)械設(shè)備的性能和施工現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)調(diào)節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)，提升盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性，確保整個(gè)盾構(gòu)施工工程得以順利完工。