长距离大坡度盾构掘进姿态控制研究

卢克刚 杨林辉 张颖超

1.中国建筑一局（集团）有限公司 陕西 西安 710000

2.中建一局集团第一建筑有限公司 陕西 西安 710000

盾构机掘进姿态控制一直是盾构机施工中的重要环节，也是盾构机施工的基本原则之一。在具体的施工过程中，一般都是以隧道的设计为主要依据和目标，而且为了控制偏差在一个合理的范围之内，保证掘进过程处于一个良好的状态，就更需要不断地调整盾构的姿态。

1 盾构掘进姿态的影响因素与控制内容浅析

1.1 影响因素

目前，影响隧道掘进姿态的因素主要有以下几个方面。一是土压的设定值：因为施工中土壤的压力设定值是根据其覆土厚度、土壤内部的摩擦角度和容量等一系列的内容来确定的，所以在纠偏的过程中，压力设定值比较大，这也有利于土体对于机头的反作用。二是地质条件的变化：因为不同区域的地质条件不同，控制难度也不同，如盾构处在软土地层时，控制难度更大。这主要是由于软土地层含水量更高、孔隙更大、可压缩性高，这些都会使得地层自身的稳定性相对较差，产生一系列的冲突碰撞问题。另外，在盾构两侧软硬不一的地层中，掘进时纵向和横向的稳定性都相对较差。三是空隙的位置以及时间，在特定的隧道施工过程中，如果形成吨位空隙，那么就需要对它进行灌浆处理，同时确保浆液能够填满吨位的空隙。四是转弯管片中的使用。因为整个盾构处于曲线状态，所以要适当使用这种转弯管片，来调整周围环境的转角位置，从而对盾构的整体姿态进行更好的控制。另外，需要特别注意的是，当施工中途停顿，或者遇到土质变化，都有可能导致盾构机下沉，这就会影响到施工的连续性，需要及时解决。

1.2 控制内容

在不停地向前推进时，需要依靠千斤顶在前进过程中，为便于控制轴线，需要将千斤顶分成不同的区域，以便于管理。在保证切口土压正确性的同时，还要严格控制不同区域内的油压，合理控制千斤顶冲程纠偏，保证盾构推进呈线性。同时，根据盾构掘进机头部与设计轴线之间的偏差，将其归结为水平位、竖直位和转动位。在水平方向上，确定水平方向上的水平偏移值；在立面位置上，确定水平方向上的高程偏移值；在旋转方向上，确定盾构机身的自转角。一般来说，在直线段施工是最理想的，也是隧道设计中心和盾构之间管道中线的结合。不过在实际施工中，三条线路难免会有一些偏差。当2～3条线处于基本重合状态时，管片安装K块可交替放置在圆形对称的位置上，但为保证最终精度，应避免出现在隧道的下部，若盾构的轴线与隧道的轴线重合，则需尽量对管片拼装进行矫正，使管片的轴线与盾构的轴线保持一致，对于管片轴线与隧道轴线重合的情况，需要在合理范围内控制盾尾间隙，确保管片与设计的轴线一致，并通过调整油缸的行程来调整盾构姿态[1]。

2 盾构掘进姿态控制方式分析

2.1 控制盾构掘进方向

采用隧道自动导引测量与人工测量相结合的方法，实现姿态控制与检测；因为隧道的自动导向检测系统拥有着导向的功能、自动定位以及挖掘控制等一系列的功能，所以它能够实时地显示当前的位置、隧道设计轴线偏差等一系列的内容，还能对未来的发展趋势做出合理的预测。这样，当通过该系统来调节通风机进而控制方向时，就可以保证它的数值维持在一个合理偏差范围内。而且，因为自动导向在测量之后，它的基准点需要根据施工的情况不断地调整和向前移动。所以，为了保证盾构掘进的方向是明确的，在实际的施工过程中，每隔半个月就要进行一次人工测量。一是要对自动导引系统进行精确测量，二是要对终端机的位置、姿态进行确认。

2.2 控制油缸推力决定方向

按照事先制定的控制程序，结合当时盾构掘进的具体地理位置和周围土质条件，采取一系列行之有效的措施，确定盾构掘进方向。举例来说，当盾构机处于上坡阶段时，可加大其下油缸的推力，当盾构机处于下坡阶段时，可加大盾构上部油缸的推力，通过及时调整掘进的方向和力度，可确保盾构机的掘进处于合理的状态范围内[2]。需要特别注意的是，在土壤厚度一致的情况下，要保证所有液压缸的推力在同一垂直方向上。当盾构机工作在软硬不齐的土层上时，应根据具体土层的分布情况，不断加大或调整推力。

2.3 调整掘进角度

在具体的隧道施工过程中，由于多种外部因素的影响，在机载实际掘进时，往往会与预期的隧道设计轨道有一定的偏差，如果偏差值控制在合理的范围内，则可以正常施工，如果不能控制好，则要及时调整其确定的方向，以纠正偏差，避免出现更大的错误。如果是横向的话，盾构机会在翻滚时发出警报，如果是横向的话，只需要加大钻机的推力，就能进行纠偏。

3 盾构机姿态控制分析

3.1 曲线段出洞盾构姿态控制

以洞口正中为起点，以加固区外缘与隧道轴心的交点为终点，在计算过程中，在确保盾构和管片质量不超过标准的情况下，采用直线前进，而不是曲线前进。

利用超级掘进机调节盾构推进倾向性在盾构推进过程中，利用超级掘进机对小曲率半径内的土壤进行强化，从而实现对盾构的纠倾。在施工过程中，可依据现场施工的实际情况，对超挖刀片的延伸长度进行延长或缩短，并对刀片的旋转速度进行调节。

3.2 小曲率半径段推进姿态的控制

在盾构机的运行中，必然会有从直线段到曲线段的工作，这就很容易导致管片提前于盾构机转向，从而导致了隧道内侧的盾尾间隔很小，如果对此视而不见，那么就会出现小曲率半径以内的管片紧贴着盾构外壳的问题，严重的话还会导致盾尾与管片受到挤压，从而导致管片变形、破碎的现象。在实际操作中，可以采用两种方式来防止这种现象的产生，一种是利用计算的方式，初步确定曲线段轴线前进时的左、右千斤顶的长度差，并按照报告的实际情况对其进行调整[3]。二是对盾构进行预处理，例如当盾构机从直道转向弯道时，就可以在直道转向R300弯道时，在直道转向+20，从而避免在弯道转向时出现较大的偏移。

3.3 纵坡度推进姿态控制

对于盾构机的纵向斜率，其控制方式主要有变斜率和稳斜率两种。变斜率方法是指在每个循环的推进过程中，通过设置不同的推进斜率，使其达到预定的纵向斜率。而稳定斜率则是在每个圆圈上都有一条纵向斜率的斜率，以满足斜率的要求。

4 特定条件下盾构机的姿态控制分析

4.1 穿越上硬下软地层时的姿态控制

这种上硬下软的地质特征，就是上半段的土壤比较坚硬，切割时的阻力比较大，而下半段的土壤比较柔软，切割时的阻力比较小，很容易产生上升的弯距，造成盾构的抬头，再往前走，盾构姿态就会像“毛毛虫”一样，很容易划破上部管片的外弧，甚至会造成底部的土壤大量流失，从而造成盾构的沉陷。因此，当遇到盾构有抬高的情况，通常采取以下步骤：第一，使用千斤顶进行编组，临时停止下部千斤顶的使用；第二，减小下半部千斤顶的油压，或者增大上半部油压；三是采用泡沫剂或者局部气压等方法，降低地下水的渗透和流动，保证下部土体的稳定性。

4.2 穿越上软下硬地层时的姿态控制

在盾构穿越上软下硬地层时，盾构坡度很难提高、隧道轴线很难控制等。对此：一是对超挖刀和盾构铰接功能进行合理地运用，来实现纠偏的目的；二是对掘进的速度进行控制，以确保刀盘能够对前面的硬土进行充分的切割；三是采用泡沫剂或局部气压法来减少地下水的渗透和流动，从而保持上部土体的稳定性。

5 长距离大坡度盾构掘进中存在的问题

5.1 水平运输

盾构机在全断面硬岩掘进时，每辆渣土车的运土量达到50吨，当电瓶车全部载满出隧道时，由于斜坡较陡，电瓶车负荷较大，电瓶车很容易出现“溜车”现象。加之隧道内高温，铁轨表面光滑，更增加了电瓶车打滑的风险。为避免溜车，可将每趟电瓶车编列由5辆渣土车降低到3辆，这样由之前两趟车掘进一环变成三趟车掘进一环，再加上隧道长度变长，对施工进度造成了很大的影响[4]。

5.2 隧道内部温度较高

随着隧道长度的增加，通风系统的通风阻力也随之增大。此外，在坚硬岩层地区，盾构机掘进时，由于刀盘破岩所产生的巨大热能，夏天隧道内部温度可以达到40℃，而在盾构机内部温度则会更高，从而影响工人的工作效率，并容易出现头晕、中暑等症状。

5.3 掘进过程中容易出现喷涌，且开仓换面难度较高

在长距离的下坡、全断面硬岩隧道中，同时注浆的大部分同时流入到土槽中，造成隧道与基坑之间形成空隙，使隧道内的地下水沿空隙流入到土槽中，造成了隧道施工过程中的喷涌现象，造成隧道施工难度的增高。此外，由于大量来水，造成土仓中出现积水，使得工人难以进入仓库检查工具，需要先处理积水，从而影响掘进时间。

5.4 成型姿态难以控制，成型管片质量不佳

在进行长距离下坡掘进时，同步注浆的浆液在很大一部分流向了土仓，这就会导致开挖面与管片之间的空隙产生。当盾尾脱出管片后，管片的姿态就会降低。后期施工中，大量的地下水充满了开挖面与管片的空隙，这会导致管片后期上浮，并且还会造成管片错台以及渗漏水[5]。

6 长距离大坡度盾构掘进优化措施

6.1 双头车牵引

为了确保施工进度，能够让前期两趟车掘进一环，可采用双头车牵引。在始发端头站台上增设道岔，掘进过程中由一辆电瓶车将渣土车以及材料等转运到隧道内部进行掘进。再由一辆电瓶车在井口进行倒土以及准备材料等工作。当完成准备工作后，电瓶车头与后列分离，通过道岔进入隧道。在隧道中，电瓶车编组五个渣土斗，在装满渣土后，进入隧道的电瓶车头连接起来，两个车头同时开动，将满载渣土车带出隧道[6]。在进入洞门后，两辆电瓶车头就会分开，前面车头和停在井口的编列重新连接起来，后面车头将满载渣土斗拉至站头，进行倒土和下材料的工作，前面车头将井口编列开进隧道，继续掘进，如此反复。在保证盾构掘进顺利进行的前提下，有效地避免了大倾角、大倾角的隧道出现滑车的危险。

6.2 及时完成止水环施工

隧道的成型姿态和质量，后方来水大，以及掘进时的喷涌，都与同步注浆的浆液损失不能填满掘进面和管片之间的空隙有关。由于隧道是向下倾斜的，同步注浆的损失是不可避免的，所以，每掘进10-20环，就必须在后面的管片上设置一个止水环，将后面的水流完全堵死。由于注浆量很大，为提高速度，水泥浆使用同时注浆的水泵，在管片注浆点由下而上，均匀地进行注浆，压力为0.5MPa，一次注浆50立方左右，以确保止水环的稳定。止水环的设置，填补了管片与掘进表面之间的空隙，将后面的裂隙水阻隔在外，从而避免管片的浮空，确保成型隧道的质量与姿态；同时，还能有效地避免在挖掘过程中出现喷涌现象，并在挖掘完毕后，能够顺畅地进入挖掘井内检验工具，确保挖掘工作的高效进行。

6.3 隧道降温

井口处设置大功率通风设施，并在洞中部增设二次通风设施，保证进出盾构机的风速以及风量，并在夏天向洞内输送冰块，以降低施工环境的整体温度，预防中暑。在掘进参数控制方面，应加大对渣土的处理力度，采用向土仓注水、用膨润土等方法来降低土仓内部的温度。

7 盾构姿态控制过程中的纠偏方法

在盾构隧道的施工中，会出现各种问题，这些问题的影响因素比较多，而且要采取的控制方式也比较多，因此，就要求技术人员要时刻注意在施工过程中的实际状况，时刻对盾构的姿态进行观测，在出现偏差的时候，可以选择适当的隧道管片，并采取合理的方式对其进行纠偏。在盾构掘进中，常见的纠偏方式有：千斤顶组合、分区油压控制、超挖刀、绞接千斤顶等。

7.1 千斤顶编组纠偏方法

千斤顶编组主要是通过对正确选择千斤顶，使千斤顶合力位置和外力合力位置形成一个有利于纠偏的力偶，从而对高程位置和平面位置进行调整。

7.2 超挖刀纠偏方法

在不能通过调节千斤顶区段压力及排布方式实现的情况下，一般利用超级挖刃，通过改变前缘阻力的共同作用位置，获得一个理想的正向力偶，实现对盾构轴心的控制，尤其是对加硬区的推进效果更好。

7.3 铰接千斤顶纠偏方法

绞接千斤顶是一种被安装在盾构推进千斤顶前面，用来改变刀盘切割方向的千斤顶，操作者可以通过对左绞（右绞、上绞、下绞）量的大小进行控制，来实现对盾构的纠斜量。利用绞接式防倾器进行防倾，不仅能起到很好的防倾作用，而且还能起到很好的作用，但因其对周边土壤的干扰较大，不利于地表的沉陷控制。

8 结语

综上所述，轨道隧道施工过程中，盾构掘进姿态的控制已经成为影响乃至决定工程质量的关键因素。因此，盾构机必须时刻保持在可预见的范围之内。同时，为了提高操纵性，还必须考虑各种可能影响操纵性的因素。并结合客观实际，有针对性、有计划地调整姿态，完善方向控制，从而保证盾构机的控制技术更加理想，加快隧道的正常施工与运行。所以，盾构推进时，必须始终依靠千斤顶不断调整方向，加大力道，并严格控制各区域的油压，以便对千斤顶的冲程进行合理的控制，进而达到合理纠偏的目的。