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盾构法施工过程中土压平衡盾构机姿态控制技术

摘 要:以湾华站 - 登洲站盾构区间施工为案例,从影响盾构姿态控制的因素入手,分析了地铁盾构工程中的盾构姿态控制技术的控制技术要点,使盾构机形成向着隧道设计轴线方向的趋势,使盾构机的切口、铰接、盾尾尽量保持在轴线附近,以轴线为目标,根据导向测量系统所显示的轴线偏差和趋势,把偏差控制在设计的范围内,同时在掘进的过程中进行盾构机姿态的调整,使得管片不破损及其错台最小。
1 工程概况
  在地铁的盾构施工中,盾构机占有不可或缺的位置,而地铁施工的盾构机姿态控制是影响地铁盾构施工的重要因素。为了进一步提升盾构机的使用效率,本文基于具体工程案例,详细探讨了盾构机姿态控制技术。
  本工程为广东省佛山市轨道交通 2 号线一期工程 TJ3标湾华站 - 登洲站盾构区间盾构施工段。盾构区间左、右线均采用盾构法施工作业,盾构机采用中交天和机械设备制造有限公司生产的 Φ6250 mm 土压平衡盾构机,盾构隧道衬砌管片外径 Φ6. 0 m,内径 Φ5. 4 m,宽 1. 5 m,厚 0. 3 m,分为 6块:1 块封顶块 F、2 块邻接块 L1、L2、3 个标准块 B1、B2、B3。
2 影响盾构机姿态控制的因素
  基于盾构法施工作业时,为给盾构掘进创设良好条件,通过盾构机的自动导向系统 VMT 系统、自动( 人工) 测量的方式掌握盾构机主机部分出现的偏差,并做出合理调整,主要跟踪、监控盾构机的切口偏差、盾尾偏差、趋势、滚动角、水平偏差和俯仰角等技术参数。
2. 1 土质因素
  伴随盾构施工的持续推进,若在切口环两侧土质硬度偏差较大,且在针对松软土质推进时出现推力设置不合理的情况,将使盾构机陷入到土体中,出现盾构机“栽头”的情形,若这一现象未得到改进,盾构姿态将明显偏离标准施工轴线。
2. 2 盾构机始发托架与反力架的精准定位
  盾构机掘进施工过程中,始发阶段该设备被置于始发托架上,受始发托架高程、盾构机反力架和始发架固定可靠程度、盾构机始发托架与反力架定位是否准确等因素的影响,对应的始发盾构姿态存在差异,因此,始发阶段要合理调整盾构机初始始发位置,相对于盾构隧道的洞门钢环而言,二者在隧道轴心中心线以及高程上都要保持一致,此外始发托架应足够稳固,不可发生变形。
2. 3 盾构机姿态控制中的管片姿态
  盾构机掘进过程中,管片拼装作业一般在盾构机盾尾区域,应用管片拼装机安装衬砌管片。在管片拼装过程中,拼装机可以实现拼装管片的纵向、径向、横向移动及回转、横摇和俯仰等 6 个自由度的动作,使管片快速精确地完成定位并安装。在施工中,若管片拼装偏离既定隧道线路,以实际情况为准,采取合适的调节措施。若未在第一时间调节会对隧道实际中线带来影响,无法满足工程需求。所以管片安装应足够合理,这是影响盾构机运行的关键因素。
3 盾构姿态控制技术要点
3. 1 不同土质中盾构姿态的安全技术控制
  1) 在电磁减压阀的辅助下,可以灵活调节上下油缸压力,同时在油缸处安装有高精度位移传感器,可准确获悉油缸的行程,在盾构掘进中调节偏移位置,将盾构姿态控制在合理范围内。
  2) 铰链千斤顶具有灵活转动的基本特性,因此,在软土环境中施工时将铰链千斤顶推出,避免盾构向该侧发生明显偏移。
  3) 利用超挖刀切割硬质土体,此时盾构机切口环在该处将存在一个较小的空隙; 同时在另一侧千斤顶的推动下,将会倾向于土体较硬的一侧,可提升盾构机掘进平衡性,消除土体软硬不均的影响,避免跑偏现象。
3. 2 盾构过程中出土量的控制技术
  严格将推进速度控制在合理范围内,在穿越建( 构) 筑物前必须做好测量工作,明确穿越里程,同时提前 20 环合理优化掘进参数,在盾构过程中推进速度需稳定在 2 cm/min。考虑到整体质量要求,推进时速度需相对稳定,确保周边环境不受到影响。严格控制出土量,盾构机掘进过程中,每环出土量可通过: V = π × D2 /4 × L 计算而得,D 为管片的外径直径,L 为盾构机管片的长度,V 为每环出土的理论体积。
  本工程中理论上每环出土体积为:V = π × 6 2 × 1. 5 /4 =42. 39 m3 /环。严格控制出土量也是盾构施工的关键要点,是保证控制地层损失率的最直接的手段。在试验段的掘进过程中,对出土量的体积和重量的验证是检验出土量理论计算的有效手段,出土量的实际数据必须通过实际情况进行验证测定,施工过程中通过收集的数据对出土量的控制数据进行优化调整。在盾构姿态调节过程中,需合理控制纠偏次数,否则也会对土体带来明显的扰动影响,甚至出现隧道土体沉降或是隧道变形超标的问题。
3. 3 土仓压力控制技术
  本工程部分区域施工环境尤为复杂,盾构隧道穿越佛山市城区东平水道时,该区域主要以强风化泥质砂岩为主,经勘测得知隧道顶部最小埋深约为 7 m。盾构隧道施工过程中,待盾构快要到达河床底部时,应考虑管片超前量等因素,经计算后得到盾构过河段各管片对应的埋深情况,综合对比地质勘察报告,求得水土压力; 在计算当前环的土压时需充分考虑盾构机长度,合理调节土仓压力。最终求得该段的土仓压力为 235. 97 ~ 304. 4 kPa,基于工程经验,最终确定为210 ~ 260 kPa。
  通过对前期盾构掘进施工实际出土量分析,实际出土量约为 56 m3 /环,相比于设计出土量 42. 39 m3 /环而言,得知在东平水道河床底部,盾构机掘进过程中出土松散系数约为1. 2。每班配备技术员,通过对渣土斗存方量的测量,求得每环的实际出土量,基于此方式确保出土量统计准确性。灵活改变螺旋机转速,可随之优化出土量,在调节时需积极与盾构机司机、技术员沟通,全方位考虑总推力、掘进速度等参数,确定最低要求,即掘进刀盘扭矩不超过 2500 kN·m,主轴承温度不超过 40℃,且总推力不超过 20 000 kN,在上述基础上,尽可能控制出土量。
3. 4 盾构机推进速度、刀盘转速与扭矩的管控
  盾构机掘进通过东平水道段的过程中,遵循匀速缓慢的基本原则,要求盾构机的推进速度在 25 ~ 40 mm/min,尽可能在短时间内盾构机穿过东平水道。盾构机穿越东平水道的过程中,刀盘转动速度不超过 1. 8 r/min,且刀盘扭矩不超过2 500 kN·m,若刀盘扭矩突然加大,第一时间上报盾构机操作手。
3. 5 盾构机掘进姿态控制
  为确保盾构机隧道掘进的施工质量,在盾构机始发掘进前将姿态向轴线靠拢,正式施工时严格控制盾构纠偏量,隧道线路方向不可纠偏过急、过大,造成环与环之间产生过大错台,要求每环最多纠偏不超过 3 mm,注重对自动控制点的复测,将盾构姿态纠偏量稳定在合理范围内。在遇到上硬下软的地层推进,由于刀盘上部的土体比较硬,下部土体比较软,开挖时上部受阻力较大且不易挖掘,下部阻力小且易挖掘,容易导致刀盘开挖整体向下移动,长期积累,造成盾构机无法抬头,即“载头”现象。在盾构机进入上硬下软地层前,提前做出反应,保持向上抬头姿态进入上硬下软的地层,当盾构机有前端被压低的趋势时,继续加大抬头的趋势,在极端的情况下,可以打开仿形刀在上方局部进行超挖,避免盾构机低头。合理调节盾尾间隙,如果盾构机的盾尾间隙不好,及时调整盾尾间隙,待管片上方间隙调整出来后再控制盾构机抬头。在极端情况下,可以凿掉上方管片背面的保护层混凝土调整盾尾间隙,从而更好地调整盾构机的姿态。
  1) 千斤顶编组与分区油压综合控制。
 ( 1) 合理调节各分区油压。以盾构姿态为基准,若为直线正常掘进状态,此时需要全选千斤顶,尽可能提升后背管环受力均匀性,从而确保管片拼接质量; 通过分区油压可实现对盾构姿态的调整。选中所有掘进千斤顶( 共计 24 个) ,分析所得的测量结果,准确掌握 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的油压,严格控制好调整范围,即在 0 ~ 34. 3 MPa。
 ( 2) 千斤顶编组。此方式可应用于各类盾构掘进施工场景中,是现阶段盾构姿态调整应用极为广泛的方法。实际操作中,需注重如下几大要点:
  ①千斤顶总量有 24 台,单台设备的最大推力 150 t,所有千斤顶构成的总吨位为 3 600 t; 若遇到砂土层施工环境,推力以 1 000 ~ 1 200 t 为宜,从而确定千斤顶编组数量,即不可低于 8 个。
  ②注重跟踪与计测工作,由于跟踪负荷相对较小,因此主要被用于编组之外,可满足环面平齐的要求。
  ③掘进千斤顶全选,仅凭分区油压盾构纠偏的方式显然不具备可行性,因此,在针对曲线段展开掘进与纠偏工作中,需在该方式的基础上辅以千斤顶编组的方式。选定合适数量的千斤顶,以盾构纠偏需求为基本参考,合理调节各区油压,尽可能提升纠偏力矩,以满足盾构弯道掘进姿态调整需求,并确保纠偏效果。
  2) 盾构姿态旋转控制的主要方法。
 ( 1) 刀盘正反转控制。盾构机运行过程中,若刀盘正反转出现不均匀现象,则会对盾构机姿态带来影响,使其朝相同方向持续滚动,随之出现盾构姿态旋转偏差过大的问题,在长时间影响下,无法确保管片拼装质量。盾构掘进过程中,需严格控制刀盘正反转时间,二者需尽可能相同,避免刀盘单向转动时间过长的现象;此外,正反转对应的刀盘扭矩应该尽可能相同,以免盾构主体出现滚动偏差,也有助于提升管片顺逆时针扭转的均匀性。
 ( 2) 同步注浆质量控制。相比于管片拼装直径,实际施工中的开挖直径明显大于该值,若衬砌脱出盾尾,在此影响下管片与土体之间将产生缝隙,当后续环节同步注浆用量不足或是浆液凝结状况欠佳时,管片将难以与周边土体达到紧密接触状态,扭转摩阻力随之减小,在刀盘转动过程中不具备阻挡主机滚动的能力,使得主机发生扭转,且受掘进施工的影响,管片自身也存在明显的扭转现象。对此,需严格控制同步注浆质量,在不影响施工质量的前提下,尽可能提升浆液凝结速度,控制同步注浆量,确保管片衬砌能够与土体紧密贴合,形成足够的抗扭转摩阻力,有效避免盾构滚动现象,提升管片环的稳定性。
4 结束语
  地铁盾构掘进施工地质情况和施工环境复杂,盾构机掘进过程中姿态的控制尤为关键,是影响盾构隧道施工质量的重要因素。工程人员应兼顾地质环境、设备性能等多方面因素,合理调节盾构姿态,有序推进施工作业,确保盾构施工的稳定性。
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