复杂地质条件下泥水平衡盾构掘进姿态控制

复杂地质条件下泥水平衡盾构掘进姿态控制
摘要：根据广州市地质条件复杂的特点，盾构法施工在掘进过程中姿态控制难度大，存在超挖、地面沉降等难点和风险。

为提高盾构掘进质量，分析了轴线偏离的原因，并从地质情况、盾构隧道设计、掘进参数、等几个方面提出了影泥水盾构掘进姿态的主要控制措施。

关键词：复杂地质；泥水盾构；姿态控制
1.前言
工程实践表明，盾构掘进过程中，经常出现偏差过大、姿态控制难度大等问题，特别是在广州这种复杂地层中施工，由于掘进过程中开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、地下土层变化等因素的影响，盾构机的实际掘进轴线无法与理论轴线保持一致［1］。

盾构轴线的偏移不仅对隧道的整体质量造成影响，还会在施工过程中由于纠偏作用产生超挖，从而引起地面沉降、地下管线变形以及对周围已有构筑物开裂等不良影响。

广州市轨道交通三号线北延段龙归站～人和站盾构区间隧道Ⅳ类围岩约占总长度的一半，地层复杂多变，在这种地层中掘进盾构机姿态及地面沉降的控制难度极大。

笔者结合工程实际，提出了在复合地层泥水盾构掘进过程中姿态控制的指导原则和控制措施，以期做到事先预防，事中控制。

2.盾构隧道轴线偏移原因
实际工程中，盾构机在推进过程中为三维状态，盾构机可能会发生方向偏差和滚动偏差，如图1所示，方向偏差可分为水平方向偏差与轴线高程偏差，因此，盾构机在顶进中的方向与轴线控制主要有三个方面：
图1 盾构顶进中的轴线偏差（姿态变化）
（1）平面方位角偏差的控制，盾构机在水平方向与设计轴线产生α1角度的偏差；
（2）轴线高程偏差的控制，盾构机在顶进中竖直方向与设计轴线产生α2角度的偏差；
（3）滚动偏转的控制，盾构机沿其轴线向一侧发生偏转角度α3。

在稳定性好的岩层，盾构掘进机壳体与洞壁之间只有部分摩擦力提供摩擦力
矩。

当摩擦力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时将引起盾构体的滚动。

由于单圆盾构是圆形断面，盾构即使发生滚动偏转，也不会对轴线产生太大的影响。

但如果机体滚角值太大，盾构机不能保持正确的姿态，影响管片的拼装质量，有时也会引起隧道轴线的偏斜。

此时，需要通过反转刀盘来减少滚角值。

盾构机掘进过程中无论是在水平方向还是在垂直高程方向发生姿态变化都会引起超挖土体，造成附加的地层损失，引起地面沉降。

图2为盾构曲线推进示意图以及由于水平偏差造成的超挖示意图，图中的阴影面积即为盾构水平偏差引起的超挖面积。

图2盾构曲线推进及其造成的超挖示意图
3 影响盾构掘进姿态偏差的主要因素及控制措施
3.1 地质因素
盾构机在推进过程会受到如下几个方面力的作用：盾构正面阻力、盾构四周土体与盾构壳体间的摩阻力、盾构自重与下卧土层的摩阻力及大刀盘上的扭矩T1等，如图3所示。

由于受到土质变化、隧道埋深变化和地面建筑等因素影响，使以上这些外力不均匀地作用于盾构从而导致盾构推进时的偏向。

图3作用于盾构机上的外力（矩）
在施工过程中断面内岩层软硬不均，特别是当盾构开挖面位于不同地层时，推力和扭矩变化较大，盾构主机会产生向地层较软一侧偏移的倾向。

当盾构机遇到上软下硬土层时，为防止盾构机“抬头”，要保持下俯姿态；反之，则要保持上仰姿态。

盾构在粘土层掘进时，盾构姿态较易控制；在砂土层时往往容易造成盾构机头下扎。

当开挖面内的地层左、右软硬不均而且又是处在曲线段时，盾构机姿态控制比较困难。

此时，可降低掘进速度，合理调节各分区的千斤顶推力。

当偏离较多时，可以使用设备上的仿形刀与中折装置，即用仿形刀对轴线一侧的土体进行超量挖掘，仿形刀是盾构掘进时纠偏的有力武器，它能够在盾构机刀盘上下左右等各个方向超挖，减轻须纠偏方向的土压，以利于盾构机头向所需要的方向转弯。

3.2 隧道与盾构机设计
隧道线形设计、管片构造等都对盾构机设计、管片选型、盾构掘进控制有着不同程度的影响，在复合地层的小曲线掘进中尤为突出。

盾构主机的质量分布可形象地描述为“头重脚轻”，只依赖掘进推力与工作面的摩擦力不足以维持盾构的姿态，因此往往盾构自身具有“低头”的倾向。

在施工中往往需要加大盾构下部推进力，以维持盾构的平稳前行。

要求盾构的超挖量必须得到保障，这就必须加强边缘刀具的配置，并经常检查更换，否则，很容易出现盾构盾体被岩层或砂砾层卡死的情况。

盾构机铰接设计必须满足小曲线掘进的需求。

管片宽度、楔形量设计必须满足小曲线掘进需求。

复合地层盾构管片脱离盾尾后，经常会发生上浮现象，上浮不仅与地下水丰富有关，与注浆质量、ΔF 和盾构姿态均有很大关系。

过大的上浮量会造成角增大、管片错台等，从而影响盾构掘进姿态。

对于上浮的控制，除了加强掘进参数管理、提高注浆质量外，必要时还需要适当地整体降低盾构轴线。

3.3 相关参数影响
盾构掘进参数是控制盾构姿态的关键，相关参数的影响如下。

1) 千斤顶编组压力F，盾构推进是靠千斤顶的掘力实现的，方向控制主要由掘进千斤顶的编组压力差来实现，以下将千斤顶编组压力差用ΔF上下或ΔF 左右表示。

2) 千斤顶管理行程L ，盾构每环向前掘进的实际行程，左右和上下千斤顶行程差分别用ΔL上下或ΔL左右表示。

3) 掘进速度v，掘进速度过快时，盾构姿态调整不易控制。

因此，当盾构姿态发生较大偏差时，在盾构掘进趋势尚未恢复正常前，掘进速度一般应控制在10mm 内，以免出现纠偏过快的情况。

4) 土仓压力σ，复合地层的土仓压力设定根据地质情况而定，土仓压力大小对姿态调整影响较小，但是当盾构姿态调整非常困难时，适当调整土仓压力会改善纠偏难度。

例如，盾构总推力F 很小的情况下，难以达到需要的ΔF上下或ΔF左右以纠偏，但是可以通过增加土仓压力来提高总压力，进而提高ΔF 值。

5) 铰接压力对于采用被动铰接的盾构而言，纠偏过程中铰接压力往往会增
大，甚至偶尔会出现铰接被卡住的情况。

6) 超挖刀或者仿形刀应用当盾构掘进趋势与设计轴线偏差较大时，势必要开启超挖刀或仿形刀进行超挖作业，才能达到纠偏目的。

7) 注浆复合地层中，注浆不饱满往往会导致管片脱出盾尾后上浮或者突然下沉，影响盾尾内的管片姿态；调整注浆点位也可以对成型隧道的轴线略作调整。

3.4 其它
施工人员的操作误差、导向系统的误差、盾构推进的速度以及施工连续性也会对盾构机的姿态产生影响。

盾构施工中途停止时，一旦遇上比较松软的土质会造成盾构机下沉，因而影响盾构掘进姿态。

4 结语
1) 复合地层盾构姿态控制，是一个动态过程，关键是寻求不同地质条件下最优的盾构掘进趋势，其指导原则应该是：以地质条件为基础，以设计为导向，以精细化掘进控制为手段。

2) 应根据设计线路，提前对不同线形下的管片排版进行精细设计，并让现场操作人员能够清晰地了解管片选型的基本原理。

3) 纠偏过程中，尽量减少蛇形掘进，切忌快速掘进，应平稳地、慢速掘进，以便及时调整纠偏方式。

纠偏要缓慢，考虑盾构姿态的滞后性。

4) 在盾构趋势调整时，需要考虑到由此产生的超挖量增加、铰接开启角度增大、铰接压力增大、管片选型难度增大等一系列问题的处理措施。

5) 调整各推进油缸的油压并通过调节油缸行程来控制盾构姿态；合理调节各组导向油缸的差值，并通过导向油缸的压力差来稳定盾构姿态。

6) 盾构趋势发生突变时，可以通过盾体径向注浆对盾构姿态进行调整。

参考文献：
［1］周奇才，吴玮．地质条件与盾构姿态控制的关系研究［J］．建筑机械化，2006( 9) : 37-39.
［2］尤显明，杨书江．短距离硬岩及上软下硬地层盾构法施工技术［J］．城市轨道交通研究，2007( 5) : 32-34．
［3］竺维彬，鞠世健．复合地层中的盾构施工技术［M］．北京：中国科学技术出版社，2006.
[4] 中华人民共和国国家标准．GB 50446-2008 盾构法隧道施工与验收规范[S]．北京: 中国建筑工业出版社，2008
作者简介：廖新贵（1982-），男，工程师，一级建造师，硕士研究生。