浅谈盾构掘进姿态的影响因素及纠偏

浅谈盾构掘进姿态的影响因素及纠偏
发表时间：2018-10-26T10:11:23.677Z 来源：《防护工程》2018年第17期作者：毛永松[导读] 随着国家经济发展，地铁、隧道等地下工程项目数量增多，其中盾构成为施工中的重要设备之一
广东重工建设监理有限公司广东广州 510000 摘要：随着国家经济发展，地铁、隧道等地下工程项目数量增多，其中盾构成为施工中的重要设备之一。

盾构在运行过程中，控制掘进姿态是提高施工质量的前提，本文分析了影响盾构掘进姿态的相关因素，详细阐述了掘进姿态的控制措施和纠偏方法，以供参考。

关键词：盾构；掘进姿态；影响因素；控制措施；纠偏方法盾构施工期间，以开挖面的设计轴线为准，作为掘进姿态的控制依据，辅助利用自动测量系统，能及时显示出轴线偏差大小。

结合管片安装情况，对掘进姿态进行纠正，能将掘进偏差控制在允许范围内。

实践证实，控制盾构掘进姿态，是保证工程质量的必要措施，以下结合工作经验进行探讨。

1．盾构掘进姿态的影响因素 1.1 地质条件
面对复杂的地质条件和障碍物，盾构掘进时的阻力有明显差异。

以软土层为例，控制盾构的姿态有难度，因为软土层的含水量大，在高压缩性、大孔隙比的影响下，盾构掘进过程中容易出现磕头现象。

在连续性的粘土地层中，盾构的刀盘受力均匀；而在两侧软硬不同的地层中，盾构在水平方向或垂直方向上，就会出现蛇形现象。

1.2 机械操作
盾构在不同的地层条件下掘进，需要不断调整液压缸的压力值，以保证和周围阻力保持平衡状态。

但是，当前的油压调整技术，不能满足瞬间操作要求，推进系统需要的推力，和机械操作设定的压力，两者存在动平衡问题，会影响掘进方向发生偏离。

此外，刀盘上的刀具磨损严重，就会减小开挖面的直径，缩小了盾体的调整空间，难以控制掘进姿态。

1.3 特殊地段
一是曲线段。

盾构在小半径曲线段中运行，需要频繁纠偏，推进千斤顶对管片产生反作用力，增大了轴线的垂直向外分力，继而导致安装完成的管片侧向位移；一旦盾构急转，就会损害成型的管片。

二是隧道上浮段。

软弱地层含水量大，由于地下水浮力大、地层支撑力小，会导致盾构翘尾前行，影响姿态控制。

1.4 注浆工艺
当盾尾形成空隙，此时需要同步注浆，促使浆液均匀填充到空隙，为周围岩体提供足够的支撑力。

考虑到目前的注浆材料在使用时，由于早期强度低、注浆压力和数量不均匀，管片安装完成后，只能依靠自重力挤开浆液，会导致管片轴线、盾构掘进轴线发生偏移或仰俯。

例如，注浆位置如果在盾尾左侧，或者注浆压力左侧大于右侧，就会导致管片位置向右偏移。

1.5 管片因素
一方面，盾构在掘进期间，和管片基本保持同心，只有管片和盾构的前进方向处于垂直状态，才能保证盾构按照设定方向推进。

管片安装完成后，如果管片的整圆度、平整度差，就会影响盾构的掘进姿态。

另一方面，使用转弯管片时，需要对相邻管环的转角进行调整，促使盾构轴线和设计轴线保持一致。

一旦转角调整不当，盾构的掘进姿态就会受影响。

2．盾构掘进姿态的控制措施 2.1 控制盾体趋势
盾构在掘进过程中，要想控制盾体趋势，可以从两个方面入手：一是监测盾构姿态。

采用自动导向测量系统（VMT），以自动绞接油缸系统为例，具有自动引导和定位、掘进控制、参数显示等功能，可以掌握盾构位置和设计轴线之间的偏差，以及未来偏差的发展趋势。

该系统的应用，可以用来调整盾构的前进方向，将运行偏差控制在允许范围内。

随着施工前进，该系统的后视基准点不断移动，要求定期进行人工测量，用来校核系统测量数据的准确性，复核盾构的位置和姿态。

二是预测盾构的掘进趋势。

对于盾构司机而言，应该提高操作技能、丰富操作经验，通过分析环渣样，准确判断地层变化，从而及时调整掘进参数。

此外，盾构推进依靠的是顶推油缸对管片产生的顶推力（F合），计算方法如下： F合=F-（F1+F2+F3+F4）（公式1）式中F代表油缸推力，F1代表后配套拖车拉力，F2代表盾体在地层中的摩擦力，F3代表顶推油缸在管片上的作用分力，F4代表开挖仓内压力。

在实际施工中，F1、F2、F4保持一定，F3就会影响盾构的掘进姿态。

如果盾构姿态和管片轴线不一致，其轴线的夹角就会变大；F3数值越大，盾构偏离情况越明显，难以利用油压差来调整运行姿态。

因此，技术人员通过分析F3的大小，可以预测盾构的运行姿态，避免偏差过大难以控制。

2.2 控制俯仰角值
掘进坡度和盾构机俯仰角之间具有密切关联，例如设计坡度为25‰，俯仰角α一般设置为1°。

而在实际施工中，还要考虑到盾构自重因素，为了避免盾构磕头，会适当增加俯仰角，以保证顺利掘进。

此外，现场环境不断变化，面对软土地层，盾构的掘进姿态容易改变，也容易及时纠偏；但在抗压强度高的单一地层中，一旦俯仰角值控制不当，纠偏难度较大。

2.3 控制掘进方向
对盾构的掘进方向进行控制，主要依靠设定的控制程序，并结合现场环境，如果盾构处于上坡段，则增大下部油缸的推力；如果处于下坡段，则增大上部油缸的推力；如果位于左转曲线段，则增大右侧油缸的推力；如果位于右转曲线段，则增大左侧油缸的推力。

位于均匀土质中，保证各个油缸的推力大小一致；位于软硬不均的土质中，则增大较硬地层一侧的油缸推力，减小较软地层一侧的油缸推力。

油缸推力的增大和减小，可根据盾构上下左右四个分区的控制点，每加一点，本区油缸压力增加1bar，其余分区的油缸压力则会减少1bar，由此可以得到经验公式如下：
P=n+1 （公式2）
式中P代表油缸压力调整值，n代表需要调整的次数。

简单来说，在盾构水平姿态不断变化的条件下，第1次调整的P为2bar，第2次调整P为3bar，依此类推。

针对油缸点数进行大幅度调整，目标是在姿态变化初期，控制偏差继续增大，避免形成趋势、增加调整难度。

值得注意的是，如果在调整中油缸点数差达到极限值，但偏差没有完全纠正，此时应停止掘进，采用强制性措施进行纠偏。

此外，如果常规纠偏措施无法回归正常，可利用拼装点位和转弯环自身楔形量进行调整，或者利用绞接油缸系统进行纠正。

3．盾构掘进过程中的纠偏方法
盾构在掘进过程中，如果运行姿态已经发生改变，通过调整不同分区的油压差，可以避免偏差增大，促使运行线路恢复到预设轴线上。

具体来说，纠偏方法分为三个步骤：
（1））增大油压差，观察盾构掘进姿态的变化，如果偏差缩小，说明纠偏有效果，通过俯仰角控制垂直方向，通过方位角控制水平方向。

要想抬高盾构机头，观察俯仰角变化，若角度减小且速率变小，说明油压差调整完成。

此时应保持或加大油压差，直至俯仰角不再变小并开始增大。

如果盾构姿态偏差已经成型，要想回调数值，应预留出盾体长度3倍以上的空间，才能满足回调要求。

（2）盾构姿态向回调整时，往往是一个快速的过程，回调期间盾构姿态会继续增大，尤其盾尾变化明显。

当尾部回调完成，才能对头部进行回调，将调整距离控制在盾体长度的2-3倍。

若调整距离过小，此时盾尾就会损坏已经安装完成的管片，导致错台或渗水，影响工程质量。

（3）盾构姿态数值开始见效，要及时缩小油压差，此时盾尾缓慢回调，必要时采用反油压差，将头部、尾部的姿态差控制在2cm以内。

此外，回调速度要放缓，避免因调整过急引起质量问题。

结合实践经验，回调过程中要保证俯仰角或方位角不变，以盾构姿态数值为准，对油压差进行微小调整，促使盾构的运行趋势逐渐恢复至设计轴线上。

结语：
盾构是地铁、隧道等工程施工中的重要机械设备，不仅能提高开挖效率，还能减轻人员劳动量。

分析可知，影响盾构掘进姿态的原因，包括地质条件、机械操作、特殊地段、注浆工艺、管片因素等。

要想控制盾构的掘进姿态，可以从盾体趋势、俯仰角值、掘进方向三个方面入手；文中详细介绍了纠偏方法，希望为类似工程提供经验借鉴，促进施工顺利进行。

参考文献：
[1] 彭涌涛.盾构掘进姿态控制技术研究[J].森林工程,2013,(6):106-110.
[2] 周磊.复合地层中盾构掘进的姿态控制[J].区域治理,2017,(9):124,126.。