浅析土压平衡盾构机施工轴线控制

摘 要：盾构施工轴线控制是盾构施工的重点环节，通过对盾构机轴线偏差因素与操作控制的研究，达到熟练掌握盾构施工轴线控制技巧，为以后的盾构法施工提供强有力的技术保证。文章以中盾控股（CTIG-6140）土压平衡盾构机为例，简单分析盾构施工中的轴线影响因素及控制方法。

关键词：盾构姿态；纠偏；轴线控制

1 工程概况

本工程为西安地铁四号线试验段-3标李家村站～和平门站区间，区间单线总长为2.3km，最大纵坡为28‰，最小曲线半径为1000m，采用盾构法施工。

李～和区间隧道埋深8.3～17m，区间地层自上而下分布为：1-1杂填土；1-2素填土；3-1-1新黄土；3-2-2古土壤；4-1-2老黄土；4-2古土壤；4-4粉质粘土层。

本盾构区间左线采用CTIG-6140土压平衡盾构机进行施工。盾体总长9980mm，盾构机总重约370t，最大开挖直径6170mm，前盾外径6140mm，中盾外径6140mm，尾盾外径6140mm，最大掘进速度92mm/min，最大推力4000吨。

2 盾构轴线偏差的影响因素

盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技术。在实际施工中，由于盾构机在掘进过程中受到开挖面土压力和盾壳土压力的不均衡性、地下土层变化、施工参数的设置、人员的误操作及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致，因此，两者之间的差值直接影响隧道的顺利贯通和质量。控制好盾构的推进轴线，才能保证管片拼装位置的准确，才能使隧道竣工轴线误差控制在允许范围内。根据实际施工情况，现简单分析下轴线偏差的原因。

2.1 始发基座的变形

盾构进出洞过程中基座设置很关键，它会直接影响到盾构机始发姿态的好坏。盾构基座设置主要包括有洞门中心的位置、竖井的大小、还包括设计坡度与平面方向、盾构机的长度、反力架和环的尺寸等。如果其中任一因素发生改变都将会导致盾构基座发生变形，使盾构掘进轴线偏离设计轴线，将直接导致盾构机在初始推进时发生位置偏移。甚至在始发后导致盾构推进轴线与基座轴线产生较大夹角，致使盾构轴线控制失控，盾构走形偏离隧道设计轴线。

2.2 管片拼装及注浆的影响

盾构机在掘进过程中，随着盾构姿态沿轴线的不断调整，盾构千斤顶产生的行程差，要通过合理的使用转弯环（左转弯环或右转弯环）管片来调整，使管片与盾构机盾尾之间保证必要的盾尾间隙量。否则盾尾间隙量小，盾尾受到管片的约束力，极不利于盾构姿态的控制，而且容易造成管片破损。此外，管片拼装的真圆度也影响盾尾间隙量。

同步注浆理论上是填充切削土体与管片壁之间的空隙，但同时要考虑盾构推进过程中的轴线纠偏、跑浆和注浆材料收缩等因素。盾构推进时同步注浆量的多少及浆液压力的大小和环向的分布都可能对轴线控制产生直接的影响。

2.3 施工参数

盾构机在掘进中，所穿越的地层直接影响到盾构机及隧道的整体受力情况，尤其是在不同的地层之间进行掘进中，盾构机的受力情况更加复杂。这样会给掘进中的姿态控制造成了较大的难度，所以在施工中，要对隧道穿越地层的地质情况进行系统地分析，事先确定掘进参数，以保证施工的顺利进行。

2.4 人员操作的误差

在隧道掘进过程中，测量的正确性、准确性及精确性是至关重要的，它直接决定了盾构机的掘进方向，所以在施工中应保证测量的万无一失，并经常进行复测，并对现有测量成果进行及时调整，保证隧道轴线的正确性。盾构机操作手的误操作也是影响姿态的重要因素之一。盾构司机必须根据总工程师下发的技术指令及现场测量的结果，通过合理控制分区油缸，设定推进速度等手段来调整机身姿态。

2.5 施工技术

在掘进中，影响盾构机姿态及隧道轴线控制的因素还很多，主要包括盾构机选型、掘进参数的设定、地下水及地下不明物、隧道自身游离偏移等，都需要在具体施工中根据具体情况进行具体的分析解决。

3 盾构轴线偏差的控制措施

3.1 控制内容

盾构掘进过程中，根据盾构机相对于设计轴线的偏差描述为以下几种盾构姿态。

（1）水平姿态：水平偏差值，右偏为正，左偏为负。（2）垂直姿态：高程偏差值，沿坡度向上为正，向下为负。（3）盾构侧滚：左转为负，右转为正。

3.2 控制要点及部位

盾构机的姿态控制要点简言之就是，通过调整推进千斤顶的各个区的推进油压的差值，并结合铰接千斤顶的调整，使盾构机形成向着轴线方向的趋势，使盾构机三个关键节点（切口、铰接、盾尾）尽量保持在轴线附近。

3.2.1 盾构机切口部位的控制。盾构机切口位置的控制可以通过调节四组推进千斤顶来实现。四组千斤顶分为四个区域：A区（右侧）、B区（下部）、C区（左侧）、D区（上部）。在均匀地质条件时，A区与C区油缸推力与速度基本相同时，盾构机切口面保持直向前。在左转弯曲线段时应增加A区油缸推力和速度，反之盾构机切口会产生向右转的趋势。

由于盾构机切口顶部与底部所在底层受力有差异，所以在直推时，B区与D区推进压力差应当应根据实际推进时的土质具体情况和试推进情况来确定。在上坡段，适当加大盾构机B区油缸推力和速度；在下坡时候应适当加大D区油缸推力和速度。综上在直线平坡段掘进时应尽量使所有油缸推力保持一致。

在进行转弯或变坡段顶进的过程中，应提前对切口偏移位置进行预测算，并在推进的过程中适当调整各区推进千斤顶的推进压力差，以保证盾构机切口在推进的过程中始终保持在施工轴线的允许偏差范围内，一般情况下，我们会将允许偏差范围向曲线的中心方向作适度的偏移，以保证盾构机能够较好的控制在施工轴线附近。

总之，在进行盾构机切口位置的调整过程中，应始终使盾构机保持在靠近轴线的推进趋势中，即使在盾构机姿态不好的情况下，亦应将盾构机的切口位置控制在施工轴线附近，切忌使盾构机切口位置大幅度超出允许范围进行推进，会对盾构机的姿态及隧道质量造成影响。

3.2.2 盾构机铰接部位的控制。铰接装置是为了顺利进行曲线施工的一种辅助手段，铰接的结构形式分为主动铰接和被动铰接。铰接装置可以通过液压油缸动作，在上下、左右方向上调整盾构本体弯曲角度。

主动铰接一般在盾构机偏离轴线较大或处于小半径曲线的掘进中，才有必要打开铰接，但铰接的打开度需要提前计算打开角度，然后按计算值将铰接打开到所设定的角度后，将铰接锁定，然后再进行推进。被动铰接在较大的变坡以及小半径隧道的掘进中轴线控制优势比较明显，因为其具有较高的机动性，比较适应施工工况，能够有效的保证管片的成环质量及隧道的整体质量。

3.2.3 盾构机盾尾位置的控制。由于盾构机在土体内是处于悬浮状态，而成型的隧道则处于相对稳定的状态，盾构机的盾尾直接与成型隧道的末端接触，后几环管片的位置状态直接限制了盾尾的位置状态，盾构机的盾尾位置是不能通过操作推进千斤顶来进行调解的，它的位置状态多数取决于盾尾内拼装管片的位置状态，所以调整好管片的姿态对盾尾的位置控制及整个隧道的整体质量都起着至关重要的作用，只要把管片拼装的位置控制在设计范围内，则盾尾的位置也必然能够满足后续掘进的设计要求。

4 结束语

文章以西安地铁四号线试验段-3标盾构工程为背景，分析了引起盾构轴线偏离的主要因素及一些控制措施。盾构机姿态及隧道轴线控制，是多个工序及工种的综合控制过程，其中涉及的范围比较广泛，首先技术部门确定但前推进方案及施工轴线，然后由盾构司机通过对盾构机姿态的控制来实现施工轴线，所以，一条质量优良的隧道的成型是需要多个工序的协调配合才能实现的，在具体的施工过程中，还需要根据具体的施工情况作出相应的调整。

参考文献

[1]陈馈，等.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]吴巧玲.盾构构造及应用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]周立波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

作者简介：周鑫，工程师，大学本科，土木工程方向。