盾 构 姿 态 及 推 进 过 程 管 理

盾构推进姿态动态管理初探

作者魏百术罗人宾

摘要:本文以上海地铁M8线III标黄兴绿地站～延吉中路站区间隧道工程的施工实例为基础，通过对施工过程中各种技术参数的收集整理以及个人拙见，归纳总结了盾构掘进过程中的主要控制办法和操作技巧，以供同行参考指正，达到安全操作、高效经济地进行隧道掘进的目的。

关键词:盾构法隧道；掘进姿态；管片纠偏；推力中心；盾尾中心

1.前言

盾构法隧道施工是指将盾构机在地下推进，通过盾构外壳和管片支承四周土体，一边防止土体坍塌，一边进行开挖、推进，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道的一种方法。由于地下施工受水、土压力及地质变化影响较大;且盾构机本身体积庞大，自重也远远超过其它施工机械，使盾构机在隧道掘进过程中的不可预见性太多，故其推进过程中盾构机姿态管理是非常重要,它不但关系到隧道是否能顺利的贯通,而且也关系到盾构机掘进过程中管片拼装质量好坏。本文就上海地铁M8线III标黄兴绿地站～延吉中路站区间隧道工程的施工实例为基础初步探衬盾构机在掘进过程中的管理办法及控制的措施。

2、盾构掘进姿态的控制目的

2.1盾构姿态控制的目的及要求

盾构在土层中掘进要受到土体的阻力，需借用布置在切口环四周的千斤顶推力来克服，但两者的合力位置始终不在一条直线上(见图1)，从而形成一力偶导致盾构偏向。为使其千斤顶合力位置(即推力中心)与外力合力位置组成一个有利于纠偏的力偶,故通过对盾构机不同千斤顶编组的调整使之以设定的路线、以最佳的姿态出洞，同时保证隧道的贯通及正常进洞。一般情况下，盾构轴线偏离设计值不得大于±50mm，并且将施工后地表沉降的最大变形量控制在+10和-30mm之内。

2.2盾构姿态的表示方法：

根据现场测量的盾头、盾尾的实际位置与设计轴线之间的偏差量以双坐标轴的方式进行表示。盾构机的回转角通过测得的盾构机顺、逆时针旋转角度来表示。如下图（图2）所示，表示相对于设计轴线盾头上抬3.5mm，偏左4.0mm，盾尾下降2.8mm，偏右4.3mm，盾构机顺时针旋转17″。

2.3盾构姿态的影响因素

2.3.1推进操作的影响

盾构司机的主体操作是影响盾构姿态的重要因素之一。在操作过程中，盾构司机必须根据下发的技术指令及现场测量的结果，通过合理配置各区域千斤顶的使用数量、推进速度及油压，正确选择刀盘正、反转模式等手段来调整盾构姿态。如操作不当，盾构机中心轴线与设计轴线间将产生更大的或新的姿态偏差。

2.3.2施工范围内的土质变化

在推进施工范围内，由于不同土质的软硬程度及其承载能力有较大差异，会使盾构机产生不均匀位移，同时，在开挖面土层变化处，推进阻力不一致，也将对盾构姿态造成一定的不良影响。

2.3.3推进阻力不均匀分布

影响盾构姿态的推进阻力主要有正面的推进阻力、盾构与外围土体的摩擦力、盾尾与管片间的摩擦力等。在盾构机上、下、左、右四个区域内（见千斤顶分区图3），当土压作用于盾构外周面板的摩擦阻力以及正面的土压、水压分布不均衡，或者因各个区域内盾尾外壳与管片间的间隙相差较大，使各区域内摩擦力不一致时，其摩擦阻力将抵消部分千斤顶的推力，使推力不能均匀作用在反力系统上而影响盾构姿态的控制。如下表1所示（仅作为例证）：

表1 千斤顶区域作用力表

从上表中推力的设定值来看: 应为平推，但由于各个区域内推进阻力（由正面的推进阻力、盾构与外围土体的摩擦力、盾尾与管片间的摩擦力所组成的合力）作用不均匀，在不考虑其他因素作用下，导致实际推力1区大于3区、2区大于4区，使盾构机向下、偏右走蛇行，偏离姿态的设定要求。

2.3.4壁后注浆过程的影响

随着盾构的推进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”，该空隙用浆液通过设在盾尾的压浆管予以充填，当其充填量和注浆压力分布不均时，会使管片发生位移，盾尾间隙分布不均匀，从而间接造成推进过程中盾构姿态的变化。

1.3.5.推进测量误差的影响

由于仪器本身、外界环境或人为因素引起的测量误差将影响测量数据的正确性，误导操作人员进行不合理操作，使盾构姿态得不到正常控制。

2.3.6发射架、反力架的组装质量

发射架组装时，须精确计算并实际测定出发射架的安置高程及平面位置，确认无误后将其与井壁四周用型钢撑紧焊牢。若其标高和轴向位置不符合设计要求，将直接促使盾构机在初始推进时发生上、下倾斜和左、右位置的偏移。反力架的垂直度及平面位置的控制，也将对盾构姿态造成同样的负面影响。

2.3.7管片拼装质量

管片拼装时环、纵缝不平齐或法面倾斜，使盾构机各区域内千斤顶推力作用方向不一致，盾构机受力不均，从而导致盾构姿态发生变化。另一方面还将导致管片因不均匀受力而碎裂，影响拼装质量。

2.3.8盾构机自身的运动特性

盾构机体积大、自重大，在软弱土层中受重力影响严重，易下沉，并且刀盘正、反转切削土体时，土体将给予盾构机一个反向的摩擦阻力，使盾构机产生自转的现象。3.盾构姿态动态管理措施

3.1盾构进出洞姿态的管理

3.1.1盾构出洞姿态的控制

①. 由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，盾构中心坡度与隧道设计轴线坡度应保持一致，考虑隧道后期沉降因素，盾构中心轴线比设计轴线抬高10～20mm, 反力架左右偏差控制在±10mm，高程偏差控制在±5mm之内，始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰，水平趋势偏差<±3‰。

②.根据地层结构自身必须满足整体抗压(剪)及稳定性等要求，端头井出洞段通常要经过三维加固处理，但盾构在加固区容易产生“抬头”和“自转”现象，我们可以通过以下方式进行调整：

a、改变四个区域千斤顶使用数量（如图4所示）

从图4可以看出，在姿态修正前， 2区使用的是7、8、9三个千斤顶，3区使用的是11、13、15三个，四区使用的是17、18、19三个（图中阴影部分），而当发现姿态偏差后，减少了2区7、8、9三个千斤顶的使用，使盾构机左右形成了较大的推力

差。这样，通过改变2、4区域千斤顶的相对使用数量就能使盾构机向左产生位移，达到纠偏的目的。

b、改变各区域千斤顶的推进油压

从图5中可以看出，在姿态修正过程中，并未改变千斤顶的区域及个数配置，只是相应的改变了2、4区域的油压，使盾构左右形成较大压力差，且4区压力远大于2区，从而达到使盾构向左行走的目的。

③.盾构机出加固区由于土层差异及自身重量容易产生‘磕头’现象，通常对盾构姿态造成严重影响，一般是通过调节上下(即1、3)两区域千斤顶的油压差(视具体情况而定，一般控制在60bar左右)来控制。

④.后盾反力架的弯曲变形也会严重的影响盾构的姿态，掘进过程中必须派专人监视后盾的变形情况。

3.1.2盾构进洞姿态的控制

盾构进洞是指盾构沿设计线路，自区间隧道贯通前30环掘进至区间隧道贯通后，从预先施工完毕的洞口处进入车站的过程。盾构进洞前的姿态控制是极端重要的，姿态测

量是复核盾构所处的方位、评估盾构进洞时的姿态和拟定盾构进洞段的施工轴线、推进速度的控制值和施工方案的重要依据，使盾构在此阶段的施工始终按预定的方案进行，以良好的姿态进洞，准确就位在盾构接收基座上。在盾构进洞期间，应重点解决的是盾构姿态和掘进管理等以下几个技术问题:

①在盾构进洞前要系统地对洞内的控制点进行一次全面精确的复测，确保盾构进

洞位置准确。盾构进洞时其大刀盘平面偏差允许值：平面<±50mm，高程<±50mm，盾构坡度较设计坡度略大0.2%(即略抬头)。

②进洞期间需严格控制盾构的掘进参数，一般情况应在进洞前逐渐减少盾构的推

力，降低刀盘的转速和推进速度，适当减小土仓内的土压力，并严格观察进洞洞口的情况，在贯通前的最后3环，要求掘进速度小于20mm/min。

③由于管片出盾尾时都要受到很大的弯曲应力，所以进洞时应尽量使盾构机保持

头高尾低的姿态，与端头井接收架的高程相当，使管片受到的弯曲应力尽量小。

3.2盾构机正常掘进的姿态管理

3.2.1合理选用千斤顶编组

盾构掘进是在千斤顶推力作用下完成的，合理选择盾构千斤顶的使用区域、个数及推力，对于保证盾构机沿规定的计划线路进行推进是至关重要的。其推进方向是由采用多大的油压、施加在哪些位置来决定的，故推进过程中必须事先考虑曲线、坡度、蛇行修正等因素来决定千斤顶区域的推力、个数及富裕量, 法国FCB盾构机共有22个千斤顶，按上、下、左、右(即1、2、3、4)四个区域分布，推进千斤顶的油泵为变量泵，当盾构需要调整方向时，可调节每组千斤顶的工作油压，借此纠正或控制盾构前进方向和坡度。

盾构纠偏是一个缓慢的过程，切忌一次纠偏过大，避免突纠，并加强纠偏测量工作。在用千斤顶编组施工时应注意：

a.千斤顶的只数应尽量多,以减少对已完成隧道管片的施工应力。

b.管片纵缝处的骑缝千斤顶一定要用，以保证在环管片的环面平整。

c.纠偏数值不得超过操作规程的规定值。

对于推进时所需的推力会因周围地质条件、盾构选型、超挖量、蛇行修正、隧道曲率半径、坡度等情况而有所不同，可以在考虑不对管片产生不良影响的基础上施加适当的推力。

3.2.2 合理控制盾构“蛇行”及纵坡轴线

3.2.2.1盾构“蛇行”轴线控制

由于盾构在地下行进走蛇行曲线，为了保证推进曲线与设计曲线的一致性，主要依靠地下导线的精确性，其次为了保证盾构掘进有良好的姿态，“蛇行”曲线需要不断修正以接近设计曲线。一般情况下引起盾构推动轴线偏差的原因为:

a.盾构前进遇到的阻力不均衡。

b.盾构制作安装误差。

c.管片的拼装质量较差。

d.测量精度不高。

在推进施工中必须精心作业，对每一环都必须提交切口、盾尾高程及平面偏差实测结果，并由此计算出盾构姿态及成环隧道中心与设计轴线的偏差，将测量的成果绘制成隧道施工轴线与设计轴线偏差图, 发现有偏离轴线的趋势，就应及时、连续、缓慢的纠偏。每推进100环，请监测队伍用高精度经纬仪和水准仪进行三角网贯通测量校核。并用激光测量仪、陀螺仪进行盾构姿态自动跟踪测量控制。

3.2.2.2 盾构的纵坡(即竖曲线)控制

盾构纵坡控制的目的, 即调整盾构高程。控制纵坡的方法有：

a.变坡法。在每一环推进中，用不同的盾构推进坡度进行施工，最终达到预先指定的纵坡。可根据管片与盾构相对位置(以盾构不卡管片为原则), 采用先抬后压或先压后抬的措施(见图6)。

b.稳坡法。盾构纵坡采用稳坡法(见图7)控制较为有利, 即在一环或一班使用同一坡度, 在与其它方法难度相当的条件下，它对地表的扰动小、沉降小。注意在确定坡度时, 还得事先观察盾构与管片上、下、左、右的间隙，可采用合理的压浆位置, 在设计坡度范围内采用抬坡或压坡方式, 切忌在一环或一个工班推进中，多次进行纵坡调整，使推进轴线产生蛇行。例如黄兴绿地站~延吉中路区间下行线隧道呈整体下坡趋势，我们在进出洞以及穿越走马塘桥浅河床时采用稳坡法进行隧道掘进，以最小范围地减少加固区及河床覆土的松动。

3.2.2.3 盾构平面轴线控制

一般用左右千斤顶的行程差来控制盾构平面位置的运动轨道, 行程差是指推进环与前一环原有行程差的变化值, 与纵坡控制一样, 平面轴线过量、过滥的纠偏会增加地层的扰动和地面沉降。设定行程差参数是以测量的盾构轴线与设计轴线的相对位置为依据的, 当盾构首尾位于轴线同一侧, 发现切口偏离轴线的数值小于盾尾(见图8)，说明盾构运动轨迹有渐进设计轴线趋势, 此时可保持原有姿态推进, 反之应立即纠偏。注意每次纠偏量控制在20mm以内, 以防造成对地层的较大扰动。

3.2.3正确选用刀盘正、反转模式

盾构机的转动偏差多通过改变刀盘的旋转方向，施加反向的旋转力矩进行修正。在上海地铁M8线三标黄兴绿地站～延吉中路站隧道区间中使用的法国FCB土压平衡式盾构机上，有一显示旋转的数字视屏，一般情况下（读数小于1.0时），采用正转模式，当读数超过1.0时则选用反转模式(以上仅为本台机械的使用经验值，实际操作过程中，必须根据旋转角的测量数据在一定调整范围内正确选用)。

3.2.4提高管片拼装质量

在盾构施工过程中，管片与盾构机的相对关系常常不能保持理想状态，管片的环面与盾构推进方向存在夹角，因而管片在推进过程中易产生破裂现象，影响盾构的正常推进。故管片拼装过程中应保证和提高衬砌环的拼装精度，使管片与盾构机相对关系一致，尽量避免因管片法面的较大倾斜及环、纵缝的较大错位而使盾尾间隙上下、左右产生较大偏差使盾构千斤顶在各区域内实际作用的推力不均匀，影响盾构姿态的正常调整。一般情况下，其环面不平整度应＜3mm，相邻环高差≤4mm，环、纵缝张开＜

2mm。

3.2.5采用合理纠偏方式

3.2.5.1采用石棉橡胶板进行贴片纠偏

盾构推进过程是个不断动态纠偏的过程，对管片纠偏则是个静态纠偏的过程，隧道转弯或纠正轴线时，除了安装不同方向的楔形管片外，同时在管片背对千斤顶环缝凹处分段粘贴不同厚度的石棉橡胶板进行纠偏, 石棉橡胶板的压缩率为12％，分段粘贴好的石棉橡胶板经推进过程中千斤顶压缩后，会成为一平整楔形环面, 以达到转弯和纠偏的目的(该项工作对管片法面及环纵缝的纠偏尤其重要)。

管片姿态可通过分段粘贴不同厚度的石棉橡胶板来纠正, 若法面前倾（或隧道上坡时），则可采取如图9所视的贴片方式进行，贴片厚度要求呈阶梯形分布，以免因楔形量突变而使管片集中受力，造成破坏(例如在拱底块上贴3mm厚，标准块上贴2mm厚，邻接块上贴1mm厚。法面后仰（或隧道下坡）时，可在封顶块、邻接块及标准块（适量弧度范围内）上贴片，贴片厚度同上分布。向右纠偏时贴片方式如上图10所示，向左时相反，贴片厚度同样要求呈阶梯形分布。

3.2.5.2用注浆孔位合理纠偏

该方法可以减少周围土体的松动，增强管片的稳定性和达到修正隧道蛇行的目的，但不足之处是如果注浆量、注浆压力及其孔位分布不能根据施工需要得到良好控制，反而会使管片产生较大的反向位移，导致盾尾间隙偏差量增大，影响到姿态的调整。例如在上海地铁M8线三标黄～延区间中使用的法国FCB土压平衡式盾构机其注浆孔有六个，从左下角起按顺时针顺序排列。注浆过程中，根据需要确定每个注浆孔的浆液注入量，一般情况下，若管片轴向位置发生下沉，盾构下部间隙减小或没有间隙，为防止管片的破坏，则应加大1、6号孔的注入量，3、4号孔可尽量少注或不注，使管片适量上浮，如图8所示。反之亦反。

★盾构纠偏注意事项

a.在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快。

b.根据开挖面地层情况及时调整推进参数调整推进方向，避免引起更大的偏差。

c.蛇行的修正应以长距离缓慢修正为宜，如修正过急，蛇行反而更明显。

3.2.6.提高盾构推进姿态的测量精度

在隧道施工过程中,为控制好隧道轴线，必须及时的掌握盾构机的方向和位置，逐环测量计算盾构姿态、管片纠偏及盾尾间隙，严格对盾构机进行姿态控制。根据测量盾构机的纵、横向偏差和转动偏差等参数，及时调整盾构机的各项推进参数和推进方向，使盾构机沿着正确、设计的隧道轴线进行掘进。

伴随着科技的发展，土压系列平衡盾构大多配备了自动测量系统，例如高精度的陀螺测量仪。该系统通过自动跟踪检测和数据图象处理后,能随时显示出盾构机掘进过程中的方位角、俯仰角、回转角及盾构动态姿态,使盾构施工实行自动监控化、信息化。

结语：作为一种有效的城市隧道施工方法，盾构法施工在很多大中型城市得到了迅速的推广，除一些特殊的场合以外，各种型式的盾构法隧道都具有很多共同点，本文主要基于这些共同之处，阐述通常盾构隧道施工过程中的一些盾构姿态的管理办法, 虽然施工方法应该适应各工程地质的需要，但大都很难做到包罗万象，因此，在盾构施工时，有必要结合一些具体试验和辅助措施，以达到灵活运用的目的。

参考文献:

【1】尹旅超，李玉珍等，《日本盾构隧道新技术》

【2】刘建航,侯学渊,《盾构法隧道》

【3】沈珠江,《理论土力学》