盾构隧道施工中盾构机的姿态控制

王彪

摘要：建筑高质量的隧道，满足隧道使用需要是采用盾构法施工的质量目标，盾构法施工盾构姿态控制是盾构法施工重点环节，以京津城际延伸线解放路隧道为例，通过结合实际施工情况，分析盾构施工过程中不同地质条件下姿态控制技术，并提出一些盾构机的纠偏措施。

关键词：盾构施工  姿态控制  纠偏

1盾构姿态偏差原因

盾构机姿态偏差主要是方向偏差和滚动偏差。方向偏差是指盾构机在水平和垂直方向偏离了线路的方向，滚动偏差则指盾构机的机身沿其轴线发生了旋转。由于隧道通过的岩层软硬不均、岩层界线变化较大且盾构在掘进过程中还需要适应线路在平面方向和垂直方向的变化，盾构掘进参数的设置不可能随时都能完全适应掌子面的岩层情况，因此盾构机极易发生方向偏差。另外，由于盾构机在掘进过程中是依靠刀盘的旋转来挤压和切削土体来工作的，因此盾构机身有向刀盘旋转方向相反的滚动趋势，如果这种滚动趋势得不到有效的控制，盾构就会发生滚动，即发生滚动偏差。方向偏差和滚动偏差都会对盾构的掘进带来不利的影响，因此有必要对其进行控制和纠正。

1.1方向偏差

盾构机产生方向偏差主要原因：

（1）盾构推进过程中部同部位的推进千斤顶参数设置不能与实际需要相吻合，致使推进千斤顶在不同部位的推进量不一致而产生姿态偏差。

（2）开挖掌子面的土层软硬不均，刀盘在洞室不同部位的阻力不一致，致使刀盘向阻力较小的方向移动而产生姿态偏差。

（3）刀盘自重的影响，使盾构机有向下低头的趋势。

1.2滚动偏差

产生滚动偏差的主要原因是盾构壳体与洞壁之间的摩擦力矩不能平衡刀盘旋转的扭矩。这种情况在盾构通过稳定性较好的地段尤为明显，因为此时盾构壳体与洞壁之间只有中下部才产生摩擦力，同时其摩擦系数也相对较小。盾构产生过大的滚动不仅会影响管片的拼装，也会引起隧道轴线的偏斜。

2盾构机姿态控制的一般细则

在掘进过程中，盾构机操作人员根据激光自动导向系统在电脑屏幕上显示的数据，通过合理选择各分区千斤顶及刀盘转向等来调整盾构机的姿态。

盾构机姿态控制操作原则有两条：

（1）机体滚角值应适宜，盾构机滚角值太大，盾构机不能保持正确的姿态，影响管片的拼装质量，此时，可以通过反转刀盘来减少滚角值。

（2）盾构机的前进方向水平向右偏，则需要提高右侧千斤顶分区的推力;反之，则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏，则需要提高下部千斤顶分区的推力;反之亦然。

一般情况下，盾构机的方向纠偏应控制在±20mm以内，在缓和曲线及圆曲线段，盾构机的方向纠偏应控制在±30mm以内。尽量保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行，否则，可能会因为姿态不好而造成盾尾间隙过小和管片错台裂缝。

当开挖面土体较均匀时，盾构机姿态控制比较容易，一般情况下方向偏角控制在±5mm以内。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，可以降低掘进速度，合理调节各分区的千斤顶的推力，有必要时可考虑使用超挖刀进行超挖。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。

掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程偏差不能相差太大，一般控制在±20mm以内。在曲线段掘进时，一般情况下根据曲线半径的不同让盾构机向曲线内侧偏移一定量，偏移量一般取10～30mm。在盾构机姿态控制中，推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m宽的管片，原则上行程控制在1700～1800mm之间，行程差控制在0～40mm内，行程过大，则盾尾刷容易露出，管片脱离盾尾较多，变形较大;行程差过大，易使盾体与管片之间的夹角增大，易造成管片的破损、错台。

3不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制技术

3.1淤泥质土层中盾构机姿态控制方法

淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在软弱土层中掘进时，由于地层自稳性能极差，为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内，避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动，宜将盾构机掘进速度控制在20～30mm/min之间，刀盘转速控制在1.4rpm左右。在该段地层中掘进时，四组千斤顶推力应较为均衡，避免掘进过程中千斤顶行程差过大，否则，可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂，以保持出土顺畅，尽量保持盾构机的连续掘进，同时，要严格控制同步注浆量，以保证管片背后间隙被有效填充。

3.2砂层中盾构机姿态控制方法

砂层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在全断面富水砂层中掘进，由于含水砂层的自稳性极差，含水量大，极易出现盾构机“磕头”现象，同时，在含水砂层中盾构机也易出现上浮现象。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现“磕头”现象，在推进过程中盾构机应保持向上抬头的趋势，如果发现有“磕头”趋势，应立即调节上下部压力，维持盾构机向上的趋势。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现上浮现象，在盾构机掘进时应减小刀盘转速，减小对周围砂层的扰动。

3.3为了防止以上出现的情况，采取一些措施

（1）在保证盾构正常掘进的前提下，通过电磁减压阀，调节上下区油缸压力，同时通过油缸的装的位移传感器观察各区油缸显示，减小盾构掘进过程中向一侧偏移的趋势，达到控制盾构姿态的目的。

（2）在利用铰接千斤顶转动特点，在掘进过程中浆软土侧的铰接千斤顶推出，克制盾构向此侧偏的趋势

（3）在利用盾构机刀盘的超挖刀，先行切割开挖面土体，使盾构机开口环部位在此侧产生较小的空隙，在盾构机另一侧千斤顶的推力作用下产生土体硬一侧行走的趋势，从而可以减小盾构机在掘进过程中由于土体软硬不均而引起的一侧跑偏的现象。

（4）以上软下硬地层为例，在这类地质条件下掘进，盾构机刀盘受力不均，掘进速度不均衡，这就要求在掘进过程中，必须时刻观察测量系统提供的盾构机姿态数据，结合推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值，不断地调整各分区千斤顶的推力及总推力，以保持盾构机姿态的平稳。如果不注意调整推进千斤顶的行程差，就会造成管片选型变化大，甚至造成过小的盾尾间隙使管片不能顺利脱出盾尾。因此，在推进过程中不能单一的只注意测量系统所提供的盾构机姿态来指导掘进，还应兼顾各分区千斤顶的行程差。

（5）盾構机在该类地层中掘进，其轴线姿态能较好地控制， 在掘进时保持各分区千斤顶推力均匀， 总推力和掘进速度均匀， 即可保持盾构机较好的姿态。

4盾构机的纠偏措施

盾构机在掘进过程中总会偏离设计轴线，进行纠偏时必须有计划有步骤地进行。纠偏措施如下：

（1）在掘进过程中随时注意滚角的变化，及时根据盾构机的滚角值调整刀盘的转动方向。

（2）应根据各段地质情况对各项掘进参数进行调整。

（3）在纠偏过程中，掘进速度要放慢，并且要注意避免纠偏时由于单侧千斤顶受力过大对管片造成的破损。

（4）尽量选择合理的管片类型，避免认为因素对盾构机姿态造成过大的影响，严格管片拼装质量， 避免因此而引起的对盾构机姿态的调整。

（5）在纠偏时，要密切注意盾构机的姿态、管片的选型及盾尾的间隙等，盾尾与管片四周的间隙要均匀。

（6）当盾构机偏离设计轴线较大时，不得猛纠猛调，避免往相反方向纠偏过大。

5结语：

对于盾构施工而言，掘进过程就是一个长期纠偏的过程，要通过实际的掘进施工不断地积累施工经验，并在施工过程中做记录，探索出各种问题对盾构机姿态的影响程度，并把比较严重的问题作为施工中的重点问题进行研究解决，为今后的掘进施工提供支持。

参考文献：

1.关宝树 隧道施工要点 2002.09

2.刘建航 侯学渊 盾构法隧道 中国铁道出版社 1991