盾构姿态控制与管片拼装技术(1)

盾构姿态控制与管片拼装技术盾构姿态控制与管片拼装相互影响，相互制约的两个过程。

盾构姿态控制与管片拼装应以隧道设计轴线控制为目标，同时两者相互协调，保证管片拼装质量，避免管片产生破损。

盾构的姿态控制是盾构施工中的一个重要环节。

盾构姿态控制的基本原则：以隧道设计轴线为目标，偏差控制在设计范围内，同时在掘进过程进行盾构姿态调整确保不破坏管片。

盾构推进过程中，依靠千斤顶不断向前推进，为便于轴线控制，将千斤顶设置分成不同区域。

在切口水压正确设定的前提下，应严格控制各区域油压，同时控制千斤顶的行程，合理纠偏，做到勤纠，减小单次纠偏量，实现盾构沿设计轴线方向推进。

设计轴线控制范围：平面控制： 100mm，高程控制：-100mm。

本工程采用通用楔形管片作为隧道衬砌。

其不同的旋转位置，将产生不同的上、下、左、右超前量，通过不同位置管片的拼装，实现对隧道轴线的拟合。

因此拼装前管片的选型至关重要。

选择正确的管片旋转角度，能保证拼装工作的顺利进行提高拼装质量，保证构筑隧道符合设计轴线。

另外，盾构推进施工中，成环管片作为盾构推进后座，对盾构推进起到一种导向作用。

为此，在盾构推进尤其是曲线推进时，应通过严格的计算和量测来确定管片的超前量。

同时应用盾构本身PPS系统综合系统，合理选取管片旋转位置，以达到管片相应的超前量，使管片环面始终垂直于设计轴线。

1.盾构姿态控制与管片拼装的基本原则1.1直线段施工直线段施工最理想的状态是隧道设计中线与盾构轴线管片中线重合。

但实际施工情况，三条线之间存在偏差。

下面分几种基本情况进行讨论：（1）三条线基本重合：理论上，管片拼装时K块可以交替放在圆心对称的位置。

但是，为了保证拼装精度，应避免K出现隧道下部。

最好 K块交替放°与270°位置。

K块在右侧，左右油缸行程差25mm，K块在左侧，左右油缸行程差－25mm。

（2）盾构轴线与隧道轴线重合假设管片端面与隧道设计轴线的垂直面存在夹角θ，最不利的情况是两平面在水平面上的投影夹角为θ(顺时针为正)。

此时管片一侧超前Dθ，为保持盾构姿态不变，油缸行程差为Dθ。

通过下环管片拼装，纠正管片轴线，并尽量与盾构轴线一致。

因此，应经常测量管片端面情况。

（3）管片轴线与隧道设计轴线重合(这种情况不好判断)1）假设管片拼装后，盾构机轴线与隧道设计轴线存在夹角为θ，这时在盾尾间隙允许的情况下，一般应保证管片与设计轴线一致，同样通过调整油缸行程调整盾构姿态。

（4)管片中心与盾构中心的有偏差由于盾构机的平行移动．管片与盾构机的关系如图1所示。

图1 盾构与管片轴线偏差示意图假设管片与盾构不失圆，管片与盾尾的上下左右间隙值δt 、δb 、δr 、δl可在现场测得，管片中心(O g )与盾构机盾构平行移动示意图中心(O d )的偏差 δv 、δh ，如图1所示。

则可用以下公式计算：2h 2v min 40δδδ+-=因δmin >0，故尽管盾尾前部与尾端存在间隙，但如δv 2＋δh 2>1600时，管片与盾构机的尾部就有可能相接触。

实际情况管片拼装后为椭圆形，如图2所示。

如果椭圆度为4%，管片水平方向直径至少增加22mm 。

相应一侧盾尾间隙减小11mm 。

此时最小盾尾间隙为：2h 2v min 29δδδ+-=。

图2 管片失圆示意图如果上述情况发生在管片拼装前，管片K块设在间隙大的一侧，使管片中心向盾构中心移动；如果上述情况发生在管片拼装后，如果盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线一侧，盾构最好沿原来的方向掘进，然后通过下一环管片进行调整，或调整盾构轴线远离隧道设计轴线。

如果盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线两侧，调整盾构姿态，使盾构中心向管片中心移动。

（5)三条轴线不重合而且轴线水平移动通常施工过程中，经常产生上述复杂情况，此时盾构姿态调整应综合考虑掘进方向，同时避免损坏管片，管片选型应考虑隧道设计轴线并与盾构姿态相适应。

逐步调整盾构掘进方向。

盾构机长度盾构机长度图3盾构机位置预测方法A．盾构姿态调整：（1）偏移量计算：管片拼装后，盾构推进2m，对应的角度变化为θ，则对应计划线性的偏移量的计算由图3所示，δ按下式计算：()/2)Lsin()cos1(R)2/sin(L67.112p1p2t0h0121θθδθδδδδδδδδ∆=-⋅=⋅+=⋅-=+=式中：δ1——盾构沿设计方向前进引起的变位量；δ2——方向修正的变位量；δh0——刀盘初始偏差量；δt0——盾尾初始偏差量；δp——盾构旋转引起的偏差量；△L——盾构掘进长度；L ——盾构长度；L 1——管片拼装结束油缸撑靴之前的盾构长度； L 2——管片拼装结束油缸撑靴之后的盾构长度； R ——盾构选择角度；θ——计划盾构轴线变化角度（最大为（δh0－δt0）/L ）。

（2）油缸行程差计算盾构推进ΔLm ，对应的角度变化为θ，油缸行程差计算如图4所示。

计算公式如下：θθ2RL22D -R S 2D R S S 0201=∆==+∆-初由上式得：初终S 2D S S S 021∆+=-=∆θ式中：△S 终——掘进ΔL 时油缸行程差； S 1终——掘进ΔL 时油缸行程； S 2终——掘进ΔL 时油缸行程； D 0——油缸间距；θ——计划转动角度；ΔS 初——初始油缸行程(=S 1初- S 2初)B 使管片1.2 曲线段施工曲线段盾构施工的基本原则是盾构轴线与管片轴线始终沿曲线割线方向，如图5所示。

隧道轴线从直线变化到圆曲线时，盾构从圆直点开始掘进L ，首先偏转θ/2，然后管片轴线偏转θ/2，之后在圆曲线上，由于盾构掘进始终超前管片拼装，盾构掘进一个循环(管片宽度L ＝2m)，盾构轴线与管片轴线偏转角度θ从0变化到θ（θ＝2/R ）。

因此，曲线段掘进，管片与盾尾需要一个最小的盾尾间隙。

隧道轴线从圆曲线变化到直线，盾构从圆直点开始掘进L ，首先偏转θ/2，然后管片轴线偏转θ/2。

1.2.1 最小盾尾间隙的计算 （1）曲线施工和蛇形修正时必须的最小盾尾间隙（最小曲线半径800m ），如图6所示。

图6 曲线施工和方向矫正时间隙5mm 005m .0)5.5800(44)/2D R (4l 2/)cos 1)(2/D R (x 2020==-=-≈--=βR ——隧道曲线半径；D 0——管片外径； L ——盾尾长度。

（2）盾构掘进过程中盾尾间隙的变化假设盾构始终沿设计轴线的割线前进，油缸撑靴位置始终位于设计轴线上。

盾构机掘进2m ，盾构机旋转的角度2/R ，如图7所示。

此时盾尾与管片中线距离变化为：5mm 005m .0)24(8002)2L (8002s ==-⨯=-⨯=∆ 图5 盾构曲线段掘进示意图θθθLθ1.2.2 管片拼装超前量计算本工程最小曲线半径800m ，管片拟合曲线需要的理论超前量计算如图7所示。

图7管片外弧面楔形量计算简图5mm .270275m .0800211R L D L ==⨯=⋅=∆。

1.2.3 盾构姿态控制与管片拼装控制标准根据武汉长江隧道工程设计轴线控制标准、盾构机设计参数（盾构机长度、盾尾间隙等）制定盾构姿态控制与管片拼装标准。

表1 管片拼装质量控制标准表2 盾构姿态控制标准2. 盾构姿态控制技术2.1 盾构掘进方向控制方法（1）采用PPS 隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测 该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。

据此调整控制盾构机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。

随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位，为保证推进方向的准确可靠性，拟每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。

（2）采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。

在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。

在均匀的地质条件时，保持所有油缸推力一致；在软硬不均的地层中掘进时，则应根据不同地层在断面的具体分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力适当加大，软地层一侧油缸的推力适当减小的原则来操作。

2.2盾构掘进姿态调整与纠偏在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并达到管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差。

因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。

参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。

（1）滚动纠偏当滚动超限时，盾构机会自动报警，此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

允许滚动偏差≤1.5º，当超过1.5º时，盾构机报警，提示操纵者必须切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。

（2）竖直方向纠偏与水平方向纠偏控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。

盾构纠偏的基本原则是盾构与设计轴线水平与竖向偏差控制在75mm（设计容许偏差100mm）以内为目标，避免纠偏过猛，保证管片拼装所需的最小盾尾间隙（初步定10mm），每环的最大纠偏量不大与9.0mm。

（3）盾构上下倾斜与水平倾斜盾构掘进过程中可能存在盾构机轴线与隧道设计轴线方向的偏差，为了保持盾构良好姿态，避免管片的受力不均，盾构上下倾斜与水平倾斜应控制在2%以内。

避免因管片衬砌环的中心和盾构机的中心有偏移，使管片局部受力过大引起管片破损。

2.3方向控制及纠偏注意事项（1）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，推进油缸油压的调整不宜过快、过大，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。

（2）根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。

达到警戒值时就应该实行纠偏程序。

（3）蛇行的修正应以长距离慢慢修正为原则，如修正得过急，蛇行反而更加明显。

在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。

在曲线推进的情况下，应使用使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

（4）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度。

（5）严格控制纠偏力度，防止盾构机发生卡壳现象。