盾構姿態(tài)及推進過程管理

盾構推進姿態(tài)動態(tài)管理初探作者魏百術羅人賓摘要:本文以上海地鐵M8線III標黃興綠地站～延吉中路站區(qū)間隧道工程的施工實例為基礎，通過對施工過程中各種技術參數(shù)的收集整理以及個人拙見，歸納總結了盾構掘進過程中的主要控制辦法和操作技巧，以供同行參考指正，達到安全操作、高效經(jīng)濟地進行隧道掘進的目的。關鍵詞:盾構法隧道；掘進姿態(tài)；管片糾偏；推力中心；盾尾中心前言盾構法隧道施工是指將盾構機在地下推進，通過盾構外殼和管片支承四周土體，一邊防止土體坍塌，一邊進行開挖、推進，并在盾尾進行襯砌作業(yè)從而修建隧道的一種方法。由于地下施工受水、土壓力及地質變化影響較大;且盾構機本身體積龐大，自重也遠遠超過其它施工機械，使盾構機在隧道掘進過程中的不可預見性太多，故其推進過程中盾構機姿態(tài)管理是非常重要,它不但關系到隧道是否能順利的貫通,而且也關系到盾構機掘進過程中管片拼裝質量好壞。本文就上海地鐵M8線III標黃興綠地站～延吉中路站區(qū)間隧道工程的施工實例為基礎初步探襯盾構機在掘進過程中的管理辦法及控制的措施。2、盾構掘進姿態(tài)的控制目的2.1盾構姿態(tài)控制的目的及要求盾構在土層中掘進要受到土體的阻力，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)，從而形成一力偶導致盾構偏向。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有利于糾偏的力偶,故通過對盾構機不同千斤頂編組的調整使之以設定的路線、以最佳的姿態(tài)出洞，同時保證隧道的貫通及正常進洞。一般情況下，盾構軸線偏離設計值不得大于±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。2.2盾構姿態(tài)的表示方法：根據(jù)現(xiàn)場測量的盾頭、盾尾的實際位置與設計軸線之間的偏差量以雙坐標軸的方式進行表示。盾構機的回轉角通過測得的盾構機順、逆時針旋轉角度來表示。如下圖（圖2）所示，表示相對于設計軸線盾頭上抬3.5mm，偏左4.0mm，盾尾下降2.8mm，偏右4.3mm，盾構機順時針旋轉17″。2.3盾構姿態(tài)的影響因素2.3.1推進操作的影響盾構司機的主體操作是影響盾構姿態(tài)的重要因素之一。在操作過程中，盾構司機必須根據(jù)下發(fā)的技術指令及現(xiàn)場測量的結果，通過合理配置各區(qū)域千斤頂?shù)氖褂脭?shù)量、推進速度及油壓，正確選擇刀盤正、反轉模式等手段來調整盾構姿態(tài)。如操作不當，盾構機中心軸線與設計軸線間將產(chǎn)生更大的或新的姿態(tài)偏差。2.3.2施工范圍內的土質變化在推進施工范圍內，由于不同土質的軟硬程度及其承載能力有較大差異，會使盾構機產(chǎn)生不均勻位移，同時，在開挖面土層變化處，推進阻力不一致，也將對盾構姿態(tài)造成一定的不良影響。2.3.3推進阻力不均勻分布影響盾構姿態(tài)的推進阻力主要有正面的推進阻力、盾構與外圍土體的摩擦力、盾尾與管片間的摩擦力等。在盾構機上、下、左、右四個區(qū)域內（見千斤頂分區(qū)圖3），當土壓作用于盾構外周面板的摩擦阻力以及正面的土壓、水壓分布不均衡，或者因各個區(qū)域內盾尾外殼與管片間的間隙相差較大，使各區(qū)域內摩擦力不一致時，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)設定推力（KN）100100100100推進阻力（KN）10101515實際推力（KN）90908585從上表中推力的設定值來看:應為平推，但由于各個區(qū)域內推進阻力（由正面的推進阻力、盾構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，導致實際推力1區(qū)大于3區(qū)、2區(qū)大于4區(qū)，使盾構機向下、偏右走蛇行，偏離姿態(tài)的設定要求。2.3.4壁后注漿過程的影響隨著盾構的推進，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在盾尾的壓漿管予以充填，當其充填量和注漿壓力分布不均時，會使管片發(fā)生位移，盾尾間隙分布不均勻，從而間接造成推進過程中盾構姿態(tài)的變化。1.3.5.推進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，誤導操作人員進行不合理操作，使盾構姿態(tài)得不到正?？刂?。2.3.6發(fā)射架、反力架的組裝質量發(fā)射架組裝時，須精確計算并實際測定出發(fā)射架的安置高程及平面位置，確認無誤后將其與井壁四周用型鋼撐緊焊牢。若其標高和軸向位置不符合設計要求，將直接促使盾構機在初始推進時發(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，也將對盾構姿態(tài)造成同樣的負面影響。2.3.7管片拼裝質量管片拼裝時環(huán)、縱縫不平齊或法面傾斜，使盾構機各區(qū)域內千斤頂推力作用方向不一致，盾構機受力不均，從而導致盾構姿態(tài)發(fā)生變化。另一方面還將導致管片因不均勻受力而碎裂，影響拼裝質量。2.3.8盾構機自身的運動特性盾構機體積大、自重大，在軟弱土層中受重力影響嚴重，易下沉，并且刀盤正、反轉切削土體時，土體將給予盾構機一個反向的摩擦阻力，使盾構機產(chǎn)生自轉的現(xiàn)象。3.盾構姿態(tài)動態(tài)管理措施3.1盾構進出洞姿態(tài)的管理3.1.1盾構出洞姿態(tài)的控制①.由于反力架和始發(fā)臺為盾構始發(fā)時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，盾構中心坡度與隧道設計軸線坡度應保持一致，考慮隧道后期沉降因素，盾構中心軸線比設計軸線抬高10～20mm,反力架左右偏差控制在±10mm，高程偏差控制在±5mm之內，始發(fā)臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角<±2‰，盾構姿態(tài)與設計軸線豎直趨勢偏差<2‰，水平趨勢偏差<±3‰。②.根據(jù)地層結構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，但盾構在加固區(qū)容易產(chǎn)生“抬頭”和“自轉”現(xiàn)象，我們可以通過以下方式進行調整：a、改變四個區(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、9三個千斤頂，3區(qū)使用的是11、13、15三個，四區(qū)使用的是17、18、19三個（圖中陰影部分），而當發(fā)現(xiàn)姿態(tài)偏差后，減少了2區(qū)7、8、9三個千斤頂?shù)氖褂?，使盾構機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)量就能使盾構機向左產(chǎn)生位移，達到糾偏的目的。b、改變各區(qū)域千斤頂?shù)耐七M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)域及個數(shù)配置，只是相應的改變了2、4區(qū)域的油壓，使盾構左右形成較大壓力差，且4區(qū)壓力遠大于2區(qū)，從而達到使盾構向左行走的目的。③.盾構機出加固區(qū)由于土層差異及自身重量容易產(chǎn)生‘磕頭’現(xiàn)象，通常對盾構姿態(tài)造成嚴重影響，一般是通過調節(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重的影響盾構的姿態(tài)，掘進過程中必須派專人監(jiān)視后盾的變形情況。3.1.2盾構進洞姿態(tài)的控制盾構進洞是指盾構沿設計線路，自區(qū)間隧道貫通前30環(huán)掘進至區(qū)間隧道貫通后，從預先施工完畢的洞口處進入車站的過程。盾構進洞前的姿態(tài)控制是極端重要的，姿態(tài)測量是復核盾構所處的方位、評估盾構進洞時的姿態(tài)和擬定盾構進洞段的施工軸線、推進速度的控制值和施工方案的重要依據(jù)，使盾構在此階段的施工始終按預定的方案進行，以良好的姿態(tài)進洞，準確就位在盾構接收基座上。在盾構進洞期間，應重點解決的是盾構姿態(tài)和掘進管理等以下幾個技術問題:在盾構進洞前要系統(tǒng)地對洞內的控制點進行一次全面精確的復測，確保盾構進洞位置準確。盾構進洞時其大刀盤平面偏差允許值：平面<±50mm，高程<±50mm，盾構坡度較設計坡度略大0.2%(即略抬頭)。進洞期間需嚴格控制盾構的掘進參數(shù)，一般情況應在進洞前逐漸減少盾構的推力，降低刀盤的轉速和推進速度，適當減小土倉內的土壓力，并嚴格觀察進洞洞口的情況，在貫通前的最后3環(huán)，要求掘進速度小于20mm/min。由于管片出盾尾時都要受到很大的彎曲應力，所以進洞時應盡量使盾構機保持頭高尾低的姿態(tài)，與端頭井接收架的高程相當，使管片受到的彎曲應力盡量小。3.2盾構機正常掘進的姿態(tài)管理3.2.1合理選用千斤頂編組盾構掘進是在千斤頂推力作用下完成的，合理選擇盾構千斤頂?shù)氖褂脜^(qū)域、個數(shù)及推力，對于保證盾構機沿規(guī)定的計劃線路進行推進是至關重要的。其推進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、個數(shù)及富裕量,法國FCB盾構機共有22個千斤頂，按上、下、左、右(即1、2、3、4)四個區(qū)域分布，推進千斤頂?shù)挠捅脼樽兞勘?，當盾構需要調整方向時，可調節(jié)每組千斤頂?shù)墓ぷ饔蛪?，借此糾正或控制盾構前進方向和坡度。盾構糾偏是一個緩慢的過程，切忌一次糾偏過大，避免突糾，并加強糾偏測量工作。在用千斤頂編組施工時應注意：千斤頂?shù)闹粩?shù)應盡量多,以減少對已完成隧道管片的施工應力。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。對于推進時所需的推力會因周圍地質條件、盾構選型、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)生不良影響的基礎上施加適當?shù)耐屏Α?.2.2合理控制盾構“蛇行”及縱坡軸線3.2.2.1盾構“蛇行”軸線控制由于盾構在地下行進走蛇行曲線，為了保證推進曲線與設計曲線的一致性，主要依靠地下導線的精確性，其次為了保證盾構掘進有良好的姿態(tài)，“蛇行”曲線需要不斷修正以接近設計曲線。一般情況下引起盾構推動軸線偏差的原因為:a.盾構前進遇到的阻力不均衡。b.盾構制作安裝誤差。c.管片的拼裝質量較差。d.測量精度不高。在推進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測結果，并由此計算出盾構姿態(tài)及成環(huán)隧道中心與設計軸線的偏差，將測量的成果繪制成隧道施工軸線與設計軸線偏差圖,發(fā)現(xiàn)有偏離軸線的趨勢，就應及時、連續(xù)、緩慢的糾偏。每推進100環(huán)，請監(jiān)測隊伍用高精度經(jīng)緯儀和水準儀進行三角網(wǎng)貫通測量校核。并用激光測量儀、陀螺儀進行盾構姿態(tài)自動跟蹤測量控制。3.2.2.2盾構的縱坡(即豎曲線)控制盾構縱坡控制的目的,即調整盾構高程?？刂瓶v坡的方法有：a.變坡法。在每一環(huán)推進中，用不同的盾構推進坡度進行施工，最終達到預先指定的縱坡?？筛鶕?jù)管片與盾構相對位置(以盾構不卡管片為原則),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?shù)臈l件下，它對地表的擾動小、沉降小。注意在確定坡度時,還得事先觀察盾構與管片上、下、左、右的間隙，可采用合理的壓漿位置,在設計坡度范圍內采用抬坡或壓坡方式,切忌在一環(huán)或一個工班推進中，多次進行縱坡調整，使推進軸線產(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，我們在進出洞以及穿越走馬塘橋淺河床時采用穩(wěn)坡法進行隧道掘進，以最小范圍地減少加固區(qū)及河床覆土的松動。3.2.2.3盾構平面軸線控制一般用左右千斤頂?shù)男谐滩顏砜刂贫軜嬈矫嫖恢玫倪\動軌道,行程差是指推進環(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。設定行程差參數(shù)是以測量的盾構軸線與設計軸線的相對位置為依據(jù)的,當盾構首尾位于軸線同一側,發(fā)現(xiàn)切口偏離軸線的數(shù)值小于盾尾(見圖8)，說明盾構運動軌跡有漸進設計軸線趨勢,此時可保持原有姿態(tài)推進,反之應立即糾偏。注意每次糾偏量控制在20mm以內,以防造成對地層的較大擾動。3.2.3正確選用刀盤正、反轉模式盾構機的轉動偏差多通過改變刀盤的旋轉方向，施加反向的旋轉力矩進行修正。在上海地鐵M8線三標黃興綠地站～延吉中路站隧道區(qū)間中使用的法國FCB土壓平衡式盾構機上，有一顯示旋轉的數(shù)字視屏，一般情況下（讀數(shù)小于1.0時），采用正轉模式，當讀數(shù)超過1.0時則選用反轉模式(以上僅為本臺機械的使用經(jīng)驗值，實際操作過程中，必須根據(jù)旋轉角的測量數(shù)據(jù)在一定調整范圍內正確選用)。3.2.4提高管片拼裝質量在盾構施工過程中，管片與盾構機的相對關系常常不能保持理想狀態(tài)，管片的環(huán)面與盾構推進方向存在夾角，因而管片在推進過程中易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，影響盾構的正常推進。故管片拼裝過程中應保證和提高襯砌環(huán)的拼裝精度，使管片與盾構機相對關系一致，盡量避免因管片法面的較大傾斜及環(huán)、縱縫的較大錯位而使盾尾間隙上下、左右產(chǎn)生較大偏差使盾構千斤頂在各區(qū)域內實際作用的推力不均勻，影響盾構姿態(tài)的正常調整。一般情況下，其環(huán)面不平整度應＜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采用石棉橡膠板進行貼片糾偏盾構推進過程是個不斷動態(tài)糾偏的過程，對管片糾偏則是個靜態(tài)糾偏的過程，隧道轉彎或糾正軸線時，除了安裝不同方向的楔形管片外，同時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)推進過程中千斤頂壓縮后，會成為一平整楔形環(huán)面,以達到轉彎和糾偏的目的(該項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），則可采取如圖9所視的貼片方式進行，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，標準塊上貼2mm厚，鄰接塊上貼1mm厚。法面后仰（或隧道下坡）時，可在封頂塊、鄰接塊及標準塊（適量弧度范圍內）上貼片，貼片厚度同上分布。向右糾偏時貼片方式如上圖10所示，向左時相反，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，增強管片的穩(wěn)定性和達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，導致盾尾間隙偏差量增大，影響到姿態(tài)的調整。例如在上海地鐵M8線三標黃～延區(qū)間中使用的法國FCB土壓平衡式盾構機其注漿孔有六個，從左下角起按順時針順序排列。注漿過程中，根據(jù)需要確定每個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，盾構下部間隙減小或沒有間隙，為防止管片的破壞，