盾構(gòu)姿態(tài)及推進(jìn)過程管理

盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)動態(tài)管理初探作者魏百術(shù)羅人賓摘要:本文以上海地鐵M8線III標(biāo)黃興綠地站～延吉中路站區(qū)間隧道工程的施工實(shí)例為基礎(chǔ)，通過對施工過程中各種技術(shù)參數(shù)的收集整理以及個(gè)人拙見，歸納總結(jié)了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的主要控制辦法和操作技巧，以供同行參考指正，達(dá)到安全操作、高效經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行隧道掘進(jìn)的目的。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)法隧道；掘進(jìn)姿態(tài)；管片糾偏；推力中心；盾尾中心前言盾構(gòu)法隧道施工是指將盾構(gòu)機(jī)在地下推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周土體，一邊防止土體坍塌，一邊進(jìn)行開挖、推進(jìn)，并在盾尾進(jìn)行襯砌作業(yè)從而修建隧道的一種方法。由于地下施工受水、土壓力及地質(zhì)變化影響較大;且盾構(gòu)機(jī)本身體積龐大，自重也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它施工機(jī)械，使盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中的不可預(yù)見性太多，故其推進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)管理是非常重要,它不但關(guān)系到隧道是否能順利的貫通,而且也關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中管片拼裝質(zhì)量好壞。本文就上海地鐵M8線III標(biāo)黃興綠地站～延吉中路站區(qū)間隧道工程的施工實(shí)例為基礎(chǔ)初步探襯盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的管理辦法及控制的措施。2、盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的控制目的2.1盾構(gòu)姿態(tài)控制的目的及要求盾構(gòu)在土層中掘進(jìn)要受到土體的阻力，需借用布置在切口環(huán)四周的千斤頂推力來克服，但兩者的合力位置始終不在一條直線上(見圖1)，從而形成一力偶導(dǎo)致盾構(gòu)偏向。為使其千斤頂合力位置(即推力中心)與外力合力位置組成一個(gè)有利于糾偏的力偶,故通過對盾構(gòu)機(jī)不同千斤頂編組的調(diào)整使之以設(shè)定的路線、以最佳的姿態(tài)出洞，同時(shí)保證隧道的貫通及正常進(jìn)洞。一般情況下，盾構(gòu)軸線偏離設(shè)計(jì)值不得大于±50mm，并且將施工后地表沉降的最大變形量控制在+10和-30mm之內(nèi)。2.2盾構(gòu)姿態(tài)的表示方法：根據(jù)現(xiàn)場測量的盾頭、盾尾的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)軸線之間的偏差量以雙坐標(biāo)軸的方式進(jìn)行表示。盾構(gòu)機(jī)的回轉(zhuǎn)角通過測得的盾構(gòu)機(jī)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度來表示。如下圖（圖2）所示，表示相對于設(shè)計(jì)軸線盾頭上抬3.5mm，偏左4.0mm，盾尾下降2.8mm，偏右4.3mm，盾構(gòu)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)17″。2.3盾構(gòu)姿態(tài)的影響因素2.3.1推進(jìn)操作的影響盾構(gòu)司機(jī)的主體操作是影響盾構(gòu)姿態(tài)的重要因素之一。在操作過程中，盾構(gòu)司機(jī)必須根據(jù)下發(fā)的技術(shù)指令及現(xiàn)場測量的結(jié)果，通過合理配置各區(qū)域千斤頂?shù)氖褂脭?shù)量、推進(jìn)速度及油壓，正確選擇刀盤正、反轉(zhuǎn)模式等手段來調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。如操作不當(dāng)，盾構(gòu)機(jī)中心軸線與設(shè)計(jì)軸線間將產(chǎn)生更大的或新的姿態(tài)偏差。2.3.2施工范圍內(nèi)的土質(zhì)變化在推進(jìn)施工范圍內(nèi)，由于不同土質(zhì)的軟硬程度及其承載能力有較大差異，會使盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生不均勻位移，同時(shí)，在開挖面土層變化處，推進(jìn)阻力不一致，也將對盾構(gòu)姿態(tài)造成一定的不良影響。2.3.3推進(jìn)阻力不均勻分布影響盾構(gòu)姿態(tài)的推進(jìn)阻力主要有正面的推進(jìn)阻力、盾構(gòu)與外圍土體的摩擦力、盾尾與管片間的摩擦力等。在盾構(gòu)機(jī)上、下、左、右四個(gè)區(qū)域內(nèi)（見千斤頂分區(qū)圖3），當(dāng)土壓作用于盾構(gòu)外周面板的摩擦阻力以及正面的土壓、水壓分布不均衡，或者因各個(gè)區(qū)域內(nèi)盾尾外殼與管片間的間隙相差較大，使各區(qū)域內(nèi)摩擦力不一致時(shí)，其摩擦阻力將抵消部分千斤頂?shù)耐屏?，使推力不能均勻作用在反力系統(tǒng)上而影響盾構(gòu)姿態(tài)的控制。如下表1所示（僅作為例證）：表1千斤頂區(qū)域作用力表作用區(qū)域1區(qū)2區(qū)3區(qū)4區(qū)設(shè)定推力（KN）100100100100推進(jìn)阻力（KN）10101515實(shí)際推力（KN）90908585從上表中推力的設(shè)定值來看:應(yīng)為平推，但由于各個(gè)區(qū)域內(nèi)推進(jìn)阻力（由正面的推進(jìn)阻力、盾構(gòu)與外圍土體的摩擦力、盾尾與管片間的摩擦力所組成的合力）作用不均勻，在不考慮其他因素作用下，導(dǎo)致實(shí)際推力1區(qū)大于3區(qū)、2區(qū)大于4區(qū)，使盾構(gòu)機(jī)向下、偏右走蛇行，偏離姿態(tài)的設(shè)定要求。2.3.4壁后注漿過程的影響隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)“建筑空隙”，該空隙用漿液通過設(shè)在盾尾的壓漿管予以充填，當(dāng)其充填量和注漿壓力分布不均時(shí)，會使管片發(fā)生位移，盾尾間隙分布不均勻，從而間接造成推進(jìn)過程中盾構(gòu)姿態(tài)的變化。1.3.5.推進(jìn)測量誤差的影響由于儀器本身、外界環(huán)境或人為因素引起的測量誤差將影響測量數(shù)據(jù)的正確性，誤導(dǎo)操作人員進(jìn)行不合理操作，使盾構(gòu)姿態(tài)得不到正?？刂?。2.3.6發(fā)射架、反力架的組裝質(zhì)量發(fā)射架組裝時(shí)，須精確計(jì)算并實(shí)際測定出發(fā)射架的安置高程及平面位置，確認(rèn)無誤后將其與井壁四周用型鋼撐緊焊牢。若其標(biāo)高和軸向位置不符合設(shè)計(jì)要求，將直接促使盾構(gòu)機(jī)在初始推進(jìn)時(shí)發(fā)生上、下傾斜和左、右位置的偏移。反力架的垂直度及平面位置的控制，也將對盾構(gòu)姿態(tài)造成同樣的負(fù)面影響。2.3.7管片拼裝質(zhì)量管片拼裝時(shí)環(huán)、縱縫不平齊或法面傾斜，使盾構(gòu)機(jī)各區(qū)域內(nèi)千斤頂推力作用方向不一致，盾構(gòu)機(jī)受力不均，從而導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生變化。另一方面還將導(dǎo)致管片因不均勻受力而碎裂，影響拼裝質(zhì)量。2.3.8盾構(gòu)機(jī)自身的運(yùn)動特性盾構(gòu)機(jī)體積大、自重大，在軟弱土層中受重力影響嚴(yán)重，易下沉，并且刀盤正、反轉(zhuǎn)切削土體時(shí)，土體將給予盾構(gòu)機(jī)一個(gè)反向的摩擦阻力，使盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。3.盾構(gòu)姿態(tài)動態(tài)管理措施3.1盾構(gòu)進(jìn)出洞姿態(tài)的管理3.1.1盾構(gòu)出洞姿態(tài)的控制①.由于反力架和始發(fā)臺為盾構(gòu)始發(fā)時(shí)提供初始的推力以及初始的空間姿態(tài)，在安裝反力架和始發(fā)臺時(shí)，盾構(gòu)中心坡度與隧道設(shè)計(jì)軸線坡度應(yīng)保持一致，考慮隧道后期沉降因素，盾構(gòu)中心軸線比設(shè)計(jì)軸線抬高10～20mm,反力架左右偏差控制在±10mm，高程偏差控制在±5mm之內(nèi)，始發(fā)臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角<±2‰，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線豎直趨勢偏差<2‰，水平趨勢偏差<±3‰。②.根據(jù)地層結(jié)構(gòu)自身必須滿足整體抗壓(剪)及穩(wěn)定性等要求，端頭井出洞段通常要經(jīng)過三維加固處理，但盾構(gòu)在加固區(qū)容易產(chǎn)生“抬頭”和“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，我們可以通過以下方式進(jìn)行調(diào)整：a、改變四個(gè)區(qū)域千斤頂使用數(shù)量（如圖4所示）從圖4可以看出，在姿態(tài)修正前，2區(qū)使用的是7、8、9三個(gè)千斤頂，3區(qū)使用的是11、13、15三個(gè)，四區(qū)使用的是17、18、19三個(gè)（圖中陰影部分），而當(dāng)發(fā)現(xiàn)姿態(tài)偏差后，減少了2區(qū)7、8、9三個(gè)千斤頂?shù)氖褂茫苟軜?gòu)機(jī)左右形成了較大的推力差。這樣，通過改變2、4區(qū)域千斤頂?shù)南鄬κ褂脭?shù)量就能使盾構(gòu)機(jī)向左產(chǎn)生位移，達(dá)到糾偏的目的。b、改變各區(qū)域千斤頂?shù)耐七M(jìn)油壓從圖5中可以看出，在姿態(tài)修正過程中，并未改變千斤頂?shù)膮^(qū)域及個(gè)數(shù)配置，只是相應(yīng)的改變了2、4區(qū)域的油壓，使盾構(gòu)左右形成較大壓力差，且4區(qū)壓力遠(yuǎn)大于2區(qū)，從而達(dá)到使盾構(gòu)向左行走的目的。③.盾構(gòu)機(jī)出加固區(qū)由于土層差異及自身重量容易產(chǎn)生‘磕頭’現(xiàn)象，通常對盾構(gòu)姿態(tài)造成嚴(yán)重影響，一般是通過調(diào)節(jié)上下(即1、3)兩區(qū)域千斤頂?shù)挠蛪翰?視具體情況而定，一般控制在60bar左右)來控制。④.后盾反力架的彎曲變形也會嚴(yán)重的影響盾構(gòu)的姿態(tài)，掘進(jìn)過程中必須派專人監(jiān)視后盾的變形情況。3.1.2盾構(gòu)進(jìn)洞姿態(tài)的控制盾構(gòu)進(jìn)洞是指盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)線路，自區(qū)間隧道貫通前30環(huán)掘進(jìn)至區(qū)間隧道貫通后，從預(yù)先施工完畢的洞口處進(jìn)入車站的過程。盾構(gòu)進(jìn)洞前的姿態(tài)控制是極端重要的，姿態(tài)測量是復(fù)核盾構(gòu)所處的方位、評估盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)的姿態(tài)和擬定盾構(gòu)進(jìn)洞段的施工軸線、推進(jìn)速度的控制值和施工方案的重要依據(jù)，使盾構(gòu)在此階段的施工始終按預(yù)定的方案進(jìn)行，以良好的姿態(tài)進(jìn)洞，準(zhǔn)確就位在盾構(gòu)接收基座上。在盾構(gòu)進(jìn)洞期間，應(yīng)重點(diǎn)解決的是盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)管理等以下幾個(gè)技術(shù)問題:在盾構(gòu)進(jìn)洞前要系統(tǒng)地對洞內(nèi)的控制點(diǎn)進(jìn)行一次全面精確的復(fù)測，確保盾構(gòu)進(jìn)洞位置準(zhǔn)確。盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)其大刀盤平面偏差允許值：平面<±50mm，高程<±50mm，盾構(gòu)坡度較設(shè)計(jì)坡度略大0.2%(即略抬頭)。進(jìn)洞期間需嚴(yán)格控制盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，一般情況應(yīng)在進(jìn)洞前逐漸減少盾構(gòu)的推力，降低刀盤的轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度，適當(dāng)減小土倉內(nèi)的土壓力，并嚴(yán)格觀察進(jìn)洞洞口的情況，在貫通前的最后3環(huán)，要求掘進(jìn)速度小于20mm/min。由于管片出盾尾時(shí)都要受到很大的彎曲應(yīng)力，所以進(jìn)洞時(shí)應(yīng)盡量使盾構(gòu)機(jī)保持頭高尾低的姿態(tài)，與端頭井接收架的高程相當(dāng)，使管片受到的彎曲應(yīng)力盡量小。3.2盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的姿態(tài)管理3.2.1合理選用千斤頂編組盾構(gòu)掘進(jìn)是在千斤頂推力作用下完成的，合理選擇盾構(gòu)千斤頂?shù)氖褂脜^(qū)域、個(gè)數(shù)及推力，對于保證盾構(gòu)機(jī)沿規(guī)定的計(jì)劃線路進(jìn)行推進(jìn)是至關(guān)重要的。其推進(jìn)方向是由采用多大的油壓、施加在哪些位置來決定的，故推進(jìn)過程中必須事先考慮曲線、坡度、蛇行修正等因素來決定千斤頂區(qū)域的推力、個(gè)數(shù)及富裕量,法國FCB盾構(gòu)機(jī)共有22個(gè)千斤頂，按上、下、左、右(即1、2、3、4)四個(gè)區(qū)域分布，推進(jìn)千斤頂?shù)挠捅脼樽兞勘茫?dāng)盾構(gòu)需要調(diào)整方向時(shí)，可調(diào)節(jié)每組千斤頂?shù)墓ぷ饔蛪?，借此糾正或控制盾構(gòu)前進(jìn)方向和坡度。盾構(gòu)糾偏是一個(gè)緩慢的過程，切忌一次糾偏過大，避免突糾，并加強(qiáng)糾偏測量工作。在用千斤頂編組施工時(shí)應(yīng)注意：千斤頂?shù)闹粩?shù)應(yīng)盡量多,以減少對已完成隧道管片的施工應(yīng)力。管片縱縫處的騎縫千斤頂一定要用，以保證在環(huán)管片的環(huán)面平整。糾偏數(shù)值不得超過操作規(guī)程的規(guī)定值。對于推進(jìn)時(shí)所需的推力會因周圍地質(zhì)條件、盾構(gòu)選型、超挖量、蛇行修正、隧道曲率半徑、坡度等情況而有所不同，可以在考慮不對管片產(chǎn)生不良影響的基礎(chǔ)上施加適當(dāng)?shù)耐屏Α?.2.2合理控制盾構(gòu)“蛇行”及縱坡軸線3.2.2.1盾構(gòu)“蛇行”軸線控制由于盾構(gòu)在地下行進(jìn)走蛇行曲線，為了保證推進(jìn)曲線與設(shè)計(jì)曲線的一致性，主要依靠地下導(dǎo)線的精確性，其次為了保證盾構(gòu)掘進(jìn)有良好的姿態(tài)，“蛇行”曲線需要不斷修正以接近設(shè)計(jì)曲線。一般情況下引起盾構(gòu)推動軸線偏差的原因?yàn)?a.盾構(gòu)前進(jìn)遇到的阻力不均衡。b.盾構(gòu)制作安裝誤差。c.管片的拼裝質(zhì)量較差。d.測量精度不高。在推進(jìn)施工中必須精心作業(yè)，對每一環(huán)都必須提交切口、盾尾高程及平面偏差實(shí)測結(jié)果，并由此計(jì)算出盾構(gòu)姿態(tài)及成環(huán)隧道中心與設(shè)計(jì)軸線的偏差，將測量的成果繪制成隧道施工軸線與設(shè)計(jì)軸線偏差圖,發(fā)現(xiàn)有偏離軸線的趨勢，就應(yīng)及時(shí)、連續(xù)、緩慢的糾偏。每推進(jìn)100環(huán)，請監(jiān)測隊(duì)伍用高精度經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行三角網(wǎng)貫通測量校核。并用激光測量儀、陀螺儀進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)自動跟蹤測量控制。3.2.2.2盾構(gòu)的縱坡(即豎曲線)控制盾構(gòu)縱坡控制的目的,即調(diào)整盾構(gòu)高程?？刂瓶v坡的方法有：a.變坡法。在每一環(huán)推進(jìn)中，用不同的盾構(gòu)推進(jìn)坡度進(jìn)行施工，最終達(dá)到預(yù)先指定的縱坡。可根據(jù)管片與盾構(gòu)相對位置(以盾構(gòu)不卡管片為原則),采用先抬后壓或先壓后抬的措施(見圖6)。b.穩(wěn)坡法。盾構(gòu)縱坡采用穩(wěn)坡法(見圖7)控制較為有利,即在一環(huán)或一班使用同一坡度,在與其它方法難度相當(dāng)?shù)臈l件下，它對地表的擾動小、沉降小。注意在確定坡度時(shí),還得事先觀察盾構(gòu)與管片上、下、左、右的間隙，可采用合理的壓漿位置,在設(shè)計(jì)坡度范圍內(nèi)采用抬坡或壓坡方式,切忌在一環(huán)或一個(gè)工班推進(jìn)中，多次進(jìn)行縱坡調(diào)整，使推進(jìn)軸線產(chǎn)生蛇行。例如黃興綠地站~延吉中路區(qū)間下行線隧道呈整體下坡趨勢，我們在進(jìn)出洞以及穿越走馬塘橋淺河床時(shí)采用穩(wěn)坡法進(jìn)行隧道掘進(jìn)，以最小范圍地減少加固區(qū)及河床覆土的松動。3.2.2.3盾構(gòu)平面軸線控制一般用左右千斤頂?shù)男谐滩顏砜刂贫軜?gòu)平面位置的運(yùn)動軌道,行程差是指推進(jìn)環(huán)與前一環(huán)原有行程差的變化值,與縱坡控制一樣,平面軸線過量、過濫的糾偏會增加地層的擾動和地面沉降。設(shè)定行程差參數(shù)是以測量的盾構(gòu)軸線與設(shè)計(jì)軸線的相對位置為依據(jù)的,當(dāng)盾構(gòu)首尾位于軸線同一側(cè),發(fā)現(xiàn)切口偏離軸線的數(shù)值小于盾尾(見圖8)，說明盾構(gòu)運(yùn)動軌跡有漸進(jìn)設(shè)計(jì)軸線趨勢,此時(shí)可保持原有姿態(tài)推進(jìn),反之應(yīng)立即糾偏。注意每次糾偏量控制在20mm以內(nèi),以防造成對地層的較大擾動。3.2.3正確選用刀盤正、反轉(zhuǎn)模式盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)動偏差多通過改變刀盤的旋轉(zhuǎn)方向，施加反向的旋轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行修正。在上海地鐵M8線三標(biāo)黃興綠地站～延吉中路站隧道區(qū)間中使用的法國FCB土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)上，有一顯示旋轉(zhuǎn)的數(shù)字視屏，一般情況下（讀數(shù)小于1.0時(shí)），采用正轉(zhuǎn)模式，當(dāng)讀數(shù)超過1.0時(shí)則選用反轉(zhuǎn)模式(以上僅為本臺機(jī)械的使用經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際操作過程中，必須根據(jù)旋轉(zhuǎn)角的測量數(shù)據(jù)在一定調(diào)整范圍內(nèi)正確選用)。3.2.4提高管片拼裝質(zhì)量在盾構(gòu)施工過程中，管片與盾構(gòu)機(jī)的相對關(guān)系常常不能保持理想狀態(tài)，管片的環(huán)面與盾構(gòu)推進(jìn)方向存在夾角，因而管片在推進(jìn)過程中易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，影響盾構(gòu)的正常推進(jìn)。故管片拼裝過程中應(yīng)保證和提高襯砌環(huán)的拼裝精度，使管片與盾構(gòu)機(jī)相對關(guān)系一致，盡量避免因管片法面的較大傾斜及環(huán)、縱縫的較大錯(cuò)位而使盾尾間隙上下、左右產(chǎn)生較大偏差使盾構(gòu)千斤頂在各區(qū)域內(nèi)實(shí)際作用的推力不均勻，影響盾構(gòu)姿態(tài)的正常調(diào)整。一般情況下，其環(huán)面不平整度應(yīng)＜3mm，相鄰環(huán)高差≤4mm，環(huán)、縱縫張開＜2mm。3.2.5采用合理糾偏方式3.2.5.1采用石棉橡膠板進(jìn)行貼片糾偏盾構(gòu)推進(jìn)過程是個(gè)不斷動態(tài)糾偏的過程，對管片糾偏則是個(gè)靜態(tài)糾偏的過程，隧道轉(zhuǎn)彎或糾正軸線時(shí)，除了安裝不同方向的楔形管片外，同時(shí)在管片背對千斤頂環(huán)縫凹處分段粘貼不同厚度的石棉橡膠板進(jìn)行糾偏,石棉橡膠板的壓縮率為12％，分段粘貼好的石棉橡膠板經(jīng)推進(jìn)過程中千斤頂壓縮后，會成為一平整楔形環(huán)面,以達(dá)到轉(zhuǎn)彎和糾偏的目的(該項(xiàng)工作對管片法面及環(huán)縱縫的糾偏尤其重要)。管片姿態(tài)可通過分段粘貼不同厚度的石棉橡膠板來糾正,若法面前傾（或隧道上坡時(shí)），則可采取如圖9所視的貼片方式進(jìn)行，貼片厚度要求呈階梯形分布，以免因楔形量突變而使管片集中受力，造成破壞(例如在拱底塊上貼3mm厚，標(biāo)準(zhǔn)塊上貼2mm厚，鄰接塊上貼1mm厚。法面后仰（或隧道下坡）時(shí)，可在封頂塊、鄰接塊及標(biāo)準(zhǔn)塊（適量弧度范圍內(nèi)）上貼片，貼片厚度同上分布。向右糾偏時(shí)貼片方式如上圖10所示，向左時(shí)相反，貼片厚度同樣要求呈階梯形分布。3.2.5.2用注漿孔位合理糾偏該方法可以減少周圍土體的松動，增強(qiáng)管片的穩(wěn)定性和達(dá)到修正隧道蛇行的目的，但不足之處是如果注漿量、注漿壓力及其孔位分布不能根據(jù)施工需要得到良好控制，反而會使管片產(chǎn)生較大的反向位移，導(dǎo)致盾尾間隙偏差量增大，影響到姿態(tài)的調(diào)整。例如在上海地鐵M8線三標(biāo)黃～延區(qū)間中使用的法國FCB土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)其注漿孔有六個(gè)，從左下角起按順時(shí)針順序排列。注漿過程中，根據(jù)需要確定每個(gè)注漿孔的漿液注入量，一般情況下，若管片軸向位置發(fā)生下沉，盾構(gòu)下部間隙減小或沒有間隙，為防止管片的破壞，