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