浅谈盾构法隧道施工盾构姿态控制和管片拼装

摘要：本文针对昆明地铁土压平衡盾构机进行盾构法隧道施工时盾构姿态的控制和管片拼装技术进行了阐述，仅供大家参考

关键字：盾构法;隧道;管片拼装;盾构姿态

中图分类号：U455.43文献标识码：A

1 前言

盾构机是一种很笨重的机具，盾构姿态控制是受很多技术参数制约的，怎样合理地把这些参数科学的统一起来，是影响盾构机姿态的关键，下面就影响盾构姿态的一些因素及注意事项通过具体情况进行阐述。

1.1工程背景

昆明轨道交通3号线西标段石咀站施工区段范围包括两个区间，分别为：石咀站～小渔村站区间和小渔村站～马街站区间。隧道起讫里程范围为：石咀站～小渔村站区间ZDK4+875.0（YDK4+875.0）～ZDK5+843.2（YDK5+843.2），长968.2m；小渔村站～马街站区间隧道起讫里程范围为：ZDK6+022.60（YDK6+022.60）～ZDK6+769.45（YDK6+769.45），长746.85m；里程YDK6+365.0处设置一座联络通道。隧道顶埋深在8.2~10.5m；如图1-1所示：

图1-1 区间及相邻车站总平面图

1.2区间管片设计

盾构区间衬砌环均为双面楔形通用环，楔形量为37.2mm，为双面楔；衬砌环由1块封顶块（F）、2块邻接块（L1、L2）、3块标准块（B1、B2、B3）组成。

管片纵向接头为16处，按22.5°等角度布置。

管片外径6200mm，内径5500mm，厚度350mm，环宽1.2m；衬砌环可按需要旋转，并按错缝进行拼装。如图1-2所示。

封顶块拼装时先搭接700mm径向推上，再纵向插入。

衬砌环环缝采用16根M30螺栓连接，纵缝采用12根M30螺栓连接。

图1-2衬砌环构造图

1.3工程地质

①地形地貌：本区间位于昆明市主城区西边的滇池盆地冲湖积边缘地貌，地形起伏较小，地势相对平坦开阔，线路由小里程至大里程海拔高程在1893~1899m之间，自然横坡1~3°，微向滇池方向倾斜。

②地层岩性：沿线工程影响范围表层为素填土，上部为第四系（Q4al+l）淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、粉砂、泥炭质土，中下部为第四系(Q3al+l) 粘土、粉质粘土、泥炭质土、粉土、粉砂、中砂等，覆盖层总厚度大于50m, 各层土呈多层交错尖灭状沉积, 地层埋深及厚度变化较大, 物理力学性质不均匀。

（1）石咀站～小渔村站区间

区间范围上覆地层主要为第四系全新统人工填筑土（Q4ml）, 全新统冲湖积相（Q4al+l）粘土, 全新统冲湖积相（Q4al+l）淤泥质粘土、有机质土、泥炭质土、粘土、粉质粘土、粉土、粉砂，上更新统冲湖积（Q3al+l）粘土、粉质粘土、泥炭质土、圆砾、碎石。

隧道洞身穿越地层有：有机质土、泥炭质土、泥炭、粘土、粉质粘土、粉土、块石、粉砂、圆砾、灰岩，其中以有机质土、粘土、粉质粘土为主。

（2）小渔村站～马街站区间

上覆盖地层有： 粘土、粉质粘土、粉土、粉质粘土、粉质粘土，其中以粘土、粉质粘土为主。

隧道洞身穿越地层主要有：粘土、粉质粘土、粉质粘土、粉质粘土、泥炭质土、粉砂，其中以粘土、粉质粘土、粉质粘土为主。

1.4区间不良地质

（1）砂土液化：区间内20m深度内分布有多层饱和粉土及饱和砂土主要有粉土、粉砂，粉土在地震时可能产生液化现象，液化等级为轻微。

（2）岩溶：石咀站～小渔村站区间部分场地内有基岩发育的岩溶，岩溶中等发育，岩溶发育深度在隧道开挖范围内或接近隧道结构底板，对本工程影响较大。

（3）软土：软土地层广泛分布于区间隧道开挖范围的地质单元体，呈透镜状分布，具有孔隙比大，含水量高，压缩性大，承载力低等特征，工程性能差，对盾构施工不利。

2盾构机姿态控制和影响参数

2.1推力对掘进的影响

（1）如果推进过程中出现一侧推力比另一侧推力大，但推进油缸的行程显示却是推力小的一侧变化快，这种现象多出现在小半径施工，增加推力，使得压差变大，以满足转弯的需要，用降低掘进速度的办法来保证掘进的连续性，同时也避免刀盘被卡死，在昆明轨道交通3号线，推力一般控制6500KN~12000KN之间。

⑵管片拼装的好坏会影响推进油缸的有效推力，所以要充分挖掘盾构机的有效推力，要避免不必要的推力损失，这也解释了为什么有时加大推力而速度依然无法获得提升。

2.2铰接对掘进的影响

在纠偏过程中一侧的铰接拉得太长是件很头痛的事情，收铰接会加大不利的趋势，严重时这环的纠偏可能前功尽弃，一定要做到收铰接时间不可太长，压力不要太高，尽量把趋势从正值纠到负值（或负值到正值），并使之过2个趋势点再收铰接，这样就会把姿态调到了有利的一侧，这时收铰接才会对姿态纠偏起到事半功倍的效果。

2.3速度对掘进的影响

⑴如果掌子面裂隙水丰富，或是在通过含水丰富地层时，要全速前进，在出土量有保证的前提下，尽可能提高掘进速度，这样做的好处是快速通过含水层，避免过多的水涌出。

⑵在掘进过程中脱顶现象是时有发生的事情，可通过增大速度的方法把脱顶的油缸伸出来，以达到所有推进油缸都顶在管片上，一次不行，可多次重复此方法，一定会见效的。这种情况多出现速度不是很快，扭距忽大忽小的硬岩状况中。速度不宜过快也不宜过慢，更不要走走停停，可以在扭距大的情况下减小速度达到减小扭距的办法，不要停机等扭距降下来在掘进。

（3）昆明轨道交通3号线地质复杂，主要以粘土、粉砂为主，不同里程段有灰岩、溶洞等不良地质。如与掌子面围岩不均时，ZDK5+080~ ZDK5+120段，隧道底部出现50~100cm厚的岩层，这时对掘进的速度有了更高的要求，首先通过判断刀盘扭矩的大小来控制掘进速度，这种围岩由于分部不均，因此会产生土仓压力不均，顶部土仓压力变小，扭矩忽大忽小，盾构姿态难以控制，这种情况，我们可采用增加刀盘转速，减小贯入度和降低掘进速度来保证盾构姿态平稳向前。

2.4刀盘转速及扭距对掘进的影响

刀盘的转速要满足的条件便是与掌子面的充分切削，基本操作原则是黏土层用低转速，硬岩用高转速，同时注意推力的调整，以提高或降低刀盘对土体的惯入度。扭距不可太大，超过200bar不但应该提高泡沫剂等的用量，也要通过降低掘进速度的措施，来保证刀具不被严重磨损。

3盾构纠偏

3.1 管片点位的选择的要求及对纠偏的影响

本项目用通用环，管片点位的选择首先要考虑是否同缝，因为当相邻几环管片出现同缝时，受力和防水要求都会受到一定的影响，因此，为了现场方便控制，可先将每环16个点位列出，再将下一环可拼装的环的点位列出，这样现场土木技术值班将很容易选出每环的点位，提高了选型效率和合理性。通用环16个点位里只有6个点位可以选择，这样，同缝问题很容易解决。

另外，根据盾构机的走向，即满足的关键点为管片的轴线要与盾构机的轴线重合，在考虑纠偏调整的时候应考虑几点注意事项，首先要根据推进油缸的行程分析，L1块要拼装在行程最短的一侧，其次要看盾构机的姿态，例如盾构机向右，而右侧的行程又最大，那就得要看第三个考虑的因素--铰接，这个因素也是最容易让人忽略的一个，如果右侧铰接最小，那么拼装时所要优先考虑的是拼装在行程最短处的两侧，使得管片有向右的趋势，减小管片与盾构机轴线之间的夹角，如果左侧的铰接最小，那么拼在行程最短处也是可以的，因为盾构机已经有向左的趋势了。

当盾构机转弯方向与姿态方向相反时，如果趋势过大，超过±8，从施工过程来看，急纠的危害是巨大的，如果从开始就调大推力压差，产生的结果是后点还是向外侧偏移，掘进过程中发现初始阶段大概推进400mm的时候，把压差调得适当，即保证的状态为维持前后点，使得后点有向内侧移动的趋势，然后再调大压差，就会容易使前点向外侧移动，顺利完成纠偏，同时这样也避免了过多的超挖。

3.2盾构机的纠偏

实践发现，如果水平纠偏，最好先把垂直姿态稳住，再水平纠偏，也就是说要一个方向纠完，再纠另一方向，而实际的情况多是水平、垂直同时出现的，同时纠偏效果不是很好，有的时候，会出现推进压差不够的情况，另外最容易出现的问题就是脱顶，如果一侧脱顶严重的话，将有可能把管片拉开，这对防水及下一环的拼装都会产生不利的影响。

3.2.1盾构机纠偏的方法

⑴小摆头、大摆尾。这种情况的要求下，盾构机的姿态变化轨迹是以前点后侧为基准点，后点进行扇型展开，这种情况下对掘进速度是有一定影响的，同时对下一环的掘进也将产生不利的影响，如果盾尾处的间隙很小，当掘进时受力不均等因素存在就会对管片产生扭动，不仅仅降低了推进油缸的有效推力，同时还会加大管片间的内力使得管片损坏或管片严重错台。

⑵大摆头、小摆尾。这种情况就是,前点变化明显,使得一侧的土严重超挖,并使土的内聚力增加,另一侧出现很大空隙,而这个空隙暂时是无法添充的,当盾构机停止掘进时,由于一侧的内力释放,就会使得前点向另一侧偏移,这就是为什么再次掘进时姿态会出现偏移的原因。

这两种纠偏方式都各有其优缺点,在掘进过程中似具体情况灵活运用,利用其它参数的使用找到二者平衡点，但要保证的是尽量使盾构机减少对土体的扰动。 4结语

以上对盾构施工中困难状况的分析，来避免增加不必要的操纵难度，提高盾构掘进速度及掘进质量，为类似情况的发生对技术工作者提供借鉴及思考。