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淤泥质土地层盾构机滚动角纠正施工技术研究

0 引言
地层的不均匀性、盾构机操作不合理性等多种因素极易引起盾构滚动角的变化，当前关于盾构滚动角调整的研究中，崔明针对盾构穿越闽江出现的滚动角变化，提出在油缸撑底垫钢靴块控制盾构机的滚动；赵毅昕针对盾构机机体出现的严重扭转，介绍了修正的实施方案；贾璐对特殊地质条件下盾构机脱困技术进行了研究；郭瑞提出改变刀盘的旋转方向来调整滚动角的方法。这些研究中有的需盾构开仓作业，操作风险较大，或并不适用于淤泥质土等复杂地层。
本研究设计出了一种适用于淤泥质土等复杂地层纠正盾构机滚动角的方法，推导出了相关公式，整治措施效果明显。
1 工程概况
福州地铁6号线莲花站~滨海新城站从滨海新城站始发，沿规划道庆路向西掘进至莲花站，区间隧道主要农田、鱼塘及水系，线路纵断面呈“V”字坡，全长1190.96m，覆土厚度约7.10m~15.21m，区间主要穿越地层主要为淤泥质土层、富水砂层等不良地质，采用S812旧盾构机进行盾构施工。
在左线区间盾构掘进至80环时，盾构滚动角为-8.2mm/m，通常来说反转刀盘可以调整盾构滚动角，但实际操作中，不论刀盘左转、右转，盾构滚动角均是增大，直至82环时，盾构角已达14.9mm/m，刀盘左转锁死。项目部采取在中盾9点钟方向悬挂2.5T重物等措施后，滚动角依旧增大。
2 原因分析
①盾构采用S812旧盾构机在盾构过程中出现故障，盾构机重心严重偏右，尽管刀盘向右旋转，机身重心产生的扭矩大于刀盘反扭矩及岩层对盾壳握裹扭矩，致使盾构机在前进过程中滚动角持续变大。
②盾构由含泥中细砂层过度到淤泥质土后，淤泥质土流塑性较高，刀盘旋转并不能给盾构机身提供足够的反扭矩；同时，刀盘切削岩体后，盾构与围岩间隙未及时填充，围岩未能给盾构机身提供足够大的握裹摩擦力。
③区间隧道掘进正处在100m试掘进阶段，盾构对该地层还处于摸索试验阶段，盾构掘进各项参数及渣土改良添加剂参数正处于改进中。
3 方案设计理论研究
3.1 方案介绍
因常规反转刀盘、悬挂重物等方案均不能抑制滚动角的大小，本研究拟在油泵撑靴与管片间垫钢板，通过固定在钢板上的千斤顶推动盾壳旋转，力学模型如图1所示，T₁为刀盘施加给盾壳的反扭矩，T₂为土层作用于盾壳上的摩擦阻力扭矩，T₃为钢板上千斤顶作用于油泵后对盾壳产生的扭矩。

满足T₁+T₃≥T₂，即可达到调整滚动角的效果。
3.2 扭矩计算
3.2.1 计算假定
盾构推进过程中假定如下：
①土体为不排水固结及均匀的半无限空间体；
②土体与盾壳间的摩擦力作用面视为均匀分布；
③仅考虑盾构推进过程中的空间效应，不考虑时间效应。
3.2.2 土层摩擦阻力扭矩T₂
当不考虑盾构机自重时，将作用于盾壳面上的垂直土压力p₁和水平土压力p₂分解为垂直于盾壳侧表面上的正压力。盾壳侧表面受力分析如图2所示。

在盾壳侧表面取一微面ds，则ds上由水平土压力、竖向土压力分解的正压力分别为

式中，ϒ为土体重力密度，K为土体侧压力系数，D为盾壳外径，L为盾构机长度。

水平、竖向土压力作用在盾壳侧表面上的摩阻力扭矩分别为

式中，µ₀为盾壳与土体间摩擦系数。
当考虑盾构机重力时，则总摩擦扭矩为

3.2.3 千斤顶作用扭矩T₃
以油缸为受力分析对象，固定在钢板上的千斤顶推力为F₀，F₀克服撑靴与钢板间的摩擦力产生对油泵的环向力f₃₁，即

随着千斤顶作用力不断增大，当钢板与管片间摩擦力f₃₂达到临界状态时，千斤顶作用力达最大，且f₃₂=F₀，则

式中，µ₂为钢板与管片间的摩擦系数，µ₁为钢板与撑靴间的摩擦系数，P₀单组油泵顶推力。

式中，n为千斤顶数量。
3.2.4 千斤顶数量
将式（5）和式（8）带入，T₁+T₃≥T₂即

4 方案实施及其效果
4.1 本方案所需千斤顶数量
盾构机事故发生段岩层为淤泥质土，通过盾构机操作仪表知淤泥质土中刀盘最大扭矩值为400kN.m，即T1=400kN.m；盾壳与土体间的摩擦系数µ₀取0.3；盾构机中轴线到地表距离H=8.9m；本研究使用钢板有轻微锈蚀，其与管片间的摩擦系数µ₂取0.76；钢板撑靴侧涂有机油，其与撑靴间的摩擦系数µ₁取0.36；盾构机岩层力学参数见表1，S812旧盾构机主要性能参数见表2。

单组油缸最大推力F₀=42570/16kN=2660kN，将以上参数带入式（10），得出n≥3.9。
即5根即以上千斤顶分别作用在不同油泵上即可保证盾构机滚动角纠正，远小于总油泵组数16，设计方案可行。
4.2 千斤顶参数及施工工艺
4.2.1 千斤顶设计参数
千斤顶采用Q235型号钢板与M32型号螺栓焊接而成，螺母与钢板接触处满焊，钢板尺寸及螺母焊接位置如图3所示。

4.2.2 施工工艺
千斤顶操作示意图如图4（a）所示，为确保顺利纠正盾构机同时考虑到人工成本，现场采用6台千斤顶同时施工。将千斤顶钢板撑靴侧涂上机油后放在撑靴与管片间，启动盾构机并将油泵推力调至最大，反转刀盘。用风动扳手旋转千斤顶上螺栓，视盾构滚动角的变化调整旋转速度，现场千斤顶操作图如图4（b）。

4.3 监控量测
图5为盾构掘进中的滚动角变化的监测数据，分析可知，在盾构掘进过程至82环时，滚动角达14.9mm/m，盾构机左转锁死，但刀盘右转情况下滚动角依旧增大；在第87环采用在9点钟方向加2.5T重物后，滚度角变化速度变缓，但依旧增大。在第91环采用本方案后，滚动角迅速变小，并于101环时减小至可控范围内，说明本方案能及时、有效纠正盾构扭转角。

5 结论
①盾构机自身劳损及淤泥质土流塑性较高是盾构机滚动角失控的关键原因，后期施工应加强盾构机保养及施工监控量测。
②通过扭矩计算，推导出求解千斤顶数量的公式，证明了采用千斤顶纠正盾构机滚动角方案的可行性。
③利用文中千斤顶的设计参数与施工工艺，通过分析后期监控量测数据可知，方案有效、及时的纠正了盾构机滚动角，使盾构施工顺利进行。

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