軟弱地層中盾構掘進姿態控制

廖云洋

（中鐵二局第五工程有限公司，成都610031）

1 引言

盾構姿態主要指的是盾構的水平、垂直軸線與設計軸線的擬合情況，以及盾構機體的相對旋轉情況。

盾構姿態在實際施工顯示為盾構的俯仰角、橫擺角、回轉角，其中俯仰角是盾構機軸線與水平面的夾角；橫擺角指盾構軸線與線路方向在水平面上夾角；回轉角指盾構繞自軸線旋轉的角度[1]。盾構機姿態示意圖如圖 1 所示[2]。

圖1 盾構機姿態示意圖

盾構姿態控制是一個動態的過程。盾構掘進過程中可能出現的異常姿態，將影響管片拼裝質量，導致管片錯臺錯縫或碎裂，造成成型隧道滲漏；過大的回轉角導致設備無法正常運行或隧道管片旋轉；磕頭或昂頭將導致地層損失過大，引起地表超標沉降。

2 軟弱地層地質條件

本文所述工程盾構掘進地層主要為④-1 淤泥質粉質黏土層，呈軟塑～流塑狀態，高等～中等壓縮性，系蘇州沿河地段典型地質，具體物理特性如表1 所示。

表1 地層地質特性表

④-1 淤泥質粉質黏土層具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、靈敏度高和易觸變、流變的地質特性，標貫擊數值僅3 次。

根據施工經驗，該地層中盾構掘進姿態易出現過軸線方向垂直偏差、盾構機磕頭翹尾下沉（或昂頭墜尾上飄）、盾體回轉過大等現象。

3 盾構掘進姿態

3.1 盾構俯仰角異常

3.1.1 磕頭現象（負值俯仰角）

在隧道右線掘進10～40 環時出現磕頭現象，盾構機頭部下沉量逐步增大至-130mm，而盾構機尾部快速抬升至125mm，使得盾構機出現磕頭趨勢，盾構機趨勢最大達28mm/m 趨勢變化如圖2 所示。

圖2 10～40 環盾構姿態趨勢圖

當盾構推至60 環時盾構機頭部高程有所上升，但盾構機趨勢依然達到了14mm/m（前后垂直姿態分別為-53mm 和69mm），在盾構掘進60～145 環過程中，盾構趨勢不穩定，波動較大，但依然保持“磕頭”趨勢，145 環時盾構趨勢再次達到了28mm/m（前后垂直姿態分別為-160mm 和92mm），趨勢變化如圖3 所示。

圖3 60～145 環盾構趨勢圖

在盾體磕頭過程中，測量盾尾間隙未見異常（采用的是φ6340 型盾構機，管片采用外徑φ6200mm，盾尾長3.9m），但通過盾構機磕頭趨勢分析，盾尾末端與管片下部已緊貼卡死，導致管片下部脫出盾尾后即錯臺、部分破損，最大錯臺量達40mm，并且成型隧道滲漏點增多。

3.1.2 昂頭現象（正值俯仰角）

在隧道左線盾構掘進185～215 環過程中，盾構機中心高程逐步上升至+74mm，此時盾構機趨勢達到19mm/m（前后垂直姿態分別為148mm 和20mm），通過監測發現管片姿態出現了上浮現象，管片垂直高程最大偏差達到了+100mm，成型隧道滲漏點增多。

無論是盾構機磕頭或昂頭現象，均導致掘進過程中的地層損失加大，造成了地表超標沉降。

3.2 盾構滾動角異常

在隧道左線盾構掘進530～600 環過程中，刀盤扭矩僅850kN·m，盾體滾動角持續增加，最大達到了-8.9°，后部管片也在有一定量的旋轉，造成車架及人行走道偏轉傾斜，過程中反向轉刀盤后滾動角仍無明顯回轉，僅是使得增速減緩。

3.3 盾構掘進姿態控制

3.3.1 俯仰角控制

1）盾構掘進控制

該區間掘進所采用的盾構機共16 組推進油缸，額定推力42 000kN，推進油缸劃分為 A、B、C、D 4 個操控區，各區油壓可單獨操控，通過設置各區推進油壓改變盾構姿態糾偏力矩而調整盾構姿態。盾構糾偏扭矩示意圖如圖4 所示。

圖4 盾構糾偏扭矩示意圖

式中，M 為盾構糾偏扭矩；RIS為千斤頂油缸到機體軸線的距離；Fd為下區千斤頂總推力；Fu為上區千斤頂總推力。

在掘進過程中調整上下區域推進油缸油壓增加糾偏扭矩。根據圖2 和圖3 顯示，在盾構俯仰角初顯異常是未及時糾偏，導致俯仰角持續增加，后期通過調整糾偏扭矩來糾正俯仰角略顯困難，主要原因是地層軟弱，增大糾偏扭矩的同時造成推進速度增加，不利于盾構姿態調整。

在姿態糾偏過程中，切忌將單區油缸壓力調整過低或相對區域油壓調整過高，過大調整會因管片與盾構姿態本身的不重合（或偏差較大）而增加管片斜向分力，導致管片位移，加劇盾構姿態突變。

姿態調整要遵循盾構機姿態“緩糾慢糾”“保頭護尾”“以盾尾為控制點”的控制原則；糾偏過程中要確保上下油缸行程差應與管片姿態對應、管片超前量應與隧道曲線相對應。

2）輔助措施

針對盾構機在本區間的軟弱地層中出現的俯仰角異常問題，輔以以下技術措施，有利于快速調整盾構姿態：（1）改變同步注漿部位?！翱念^翹尾”現象（負值俯仰角）選擇在停用下部2 根注漿管，僅采用上部2 根注漿管注漿，注漿壓力能在一定作用上克服尾部管片上浮，抵消下部推進油缸的斜向上的分離，起到調整姿態的作用；“昂頭墜尾”現象（正值俯仰角）反之。（2）盾體預留孔加注膨潤土。采用納基膨潤土，膨潤土制漿配比為：水∶土=5∶2，膨潤土漿液稠度為100s，注入壓力控制在低于掘進土倉壓力約20kPa；采用二次注漿設備。注入部位的選擇：“磕頭翹尾”現象（負值俯仰角）采取在前盾預留垂直注漿孔注入；“昂頭墜尾”現象（正值俯仰角）采取在中盾（后部）預留垂直注漿孔注入。通過上述措施，盾構俯仰角異常的情況得到控制。

3.3.2 盾體回轉角控制

呈軟塑～流塑狀的④-1 灰色粉質黏土層內摩擦角僅為15.5°，盡管刀盤切削扭矩較?。?50～950kN·m），掘進過程中發現當回轉角在以±3°內可通過正反轉刀盤實現回轉角糾偏；當回轉角超過±3°，盾體摩擦力矩無法克服刀盤切削土體產生的扭矩，導致回轉角持續增大，正反轉刀盤已無法實現回轉角糾偏。

1）回轉角±3°以內：每掘進 300～500mm 刀盤反轉一次，以達到平衡摩阻力矩的作用；

2）回轉角超過±3°：調整兩腰的油缸斜度，本區間掘進過程中調整了左（13、12、11）右（3、4、5）各 3 組油缸，調斜油缸后在撐靴底部加焊楔形塊（見圖5）。

圖5 油缸斜度傳力楔形墊

4 結語

通過采取一系列措施，有效控制盾構俯仰角、回轉角異常，有利于提高掘進效率及成型隧道質量控制：（1）在姿態變化異常初期應及時糾偏，分區油壓差別不宜過大，避免造成盾尾管片卡死，加劇姿態變化趨勢；（2）當姿態變化過大時可采取盾體外注入膨潤土的方式進行糾偏；（3）通過調整部分推進油缸傾斜度，以控制盾體過度旋轉。