盾構(gòu)掘進(jìn)中姿態(tài)糾偏與泥餅部位的判斷和處理

趙超

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇無(wú)錫214000）

盾構(gòu)掘進(jìn)中姿態(tài)糾偏與泥餅部位的判斷和處理

趙超

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇無(wú)錫214000）

影響盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的因素多且復(fù)雜，對(duì)姿態(tài)的控制和糾偏是盾構(gòu)施工的技術(shù)難題。盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，結(jié)泥餅的現(xiàn)象也是城市地鐵隧道工程中的另一大難題。從盾構(gòu)掘進(jìn)的方向控制和姿態(tài)調(diào)整闡述盾構(gòu)掘進(jìn)中的姿態(tài)糾偏，從泥餅的成因出發(fā)判斷泥餅的部位，提出應(yīng)對(duì)處理措施。

盾構(gòu)掘進(jìn)；姿態(tài)控制；泥餅

1 盾構(gòu)掘進(jìn)中的姿態(tài)糾偏

在盾構(gòu)施工的過(guò)程中，姿態(tài)控制是最重要的施工環(huán)節(jié)之一。盾構(gòu)姿態(tài)控制要遵循的基本原則是：將隧道設(shè)計(jì)軸線作為控制目標(biāo)，最大程度地控制偏差，保證偏差程度在在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，與此同時(shí)，還要保證在此過(guò)程之中不破壞管片。

盾構(gòu)的推進(jìn)主要依賴于千斤頂?shù)淖饔?。在向前推進(jìn)盾構(gòu)時(shí)，應(yīng)該對(duì)千斤頂進(jìn)行不同區(qū)域的設(shè)置，使得軸線的控制工作得以順利便捷地進(jìn)行。在對(duì)切口水壓的設(shè)置確定無(wú)誤的基礎(chǔ)之上，各個(gè)不同區(qū)域的油壓應(yīng)該被嚴(yán)格控制起來(lái)，與此同時(shí)，千斤頂?shù)男谐桃惨刂坪?，合理地進(jìn)行糾偏工作。最好能提高糾偏頻率，做到勤糾，從而縮減單次糾偏量，盡量能夠做到讓盾構(gòu)在設(shè)計(jì)軸線的方向上推進(jìn)[1]。

2 姿態(tài)糾偏的主要工作內(nèi)容

以隧道的設(shè)計(jì)軸線為標(biāo)準(zhǔn)，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)機(jī)頭的姿態(tài)偏差主要有3種位置關(guān)系，這3種位置關(guān)系也就構(gòu)成了糾偏工作的3種主要工作內(nèi)容。

（1）水平位置。水平偏差值（x），將其規(guī)定為向右偏為正值，向左偏為負(fù)值。

（2）立面位置。高程偏差值（y），將其規(guī)定為坡度向上為正值，向下為負(fù)值。

（3）旋轉(zhuǎn)位置。設(shè)定盾構(gòu)機(jī)的自轉(zhuǎn)角（X），規(guī)定機(jī)身左轉(zhuǎn)則X為負(fù)值，機(jī)身右轉(zhuǎn)則X為正值。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制的具體措施

3.1 方向控制

（1）自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量占主導(dǎo)地位，人工測(cè)量起輔助作用。在現(xiàn)代的隧道施工過(guò)程中，自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于盾構(gòu)姿態(tài)糾偏，其主要功能為自動(dòng)定位和引導(dǎo)、方向控制以及實(shí)時(shí)顯示，還能夠預(yù)測(cè)偏差可能繼續(xù)發(fā)展的具體走向。所以，根據(jù)隧道自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方向進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，使盾構(gòu)的姿態(tài)偏差能夠保持在工程允許的合理范圍之內(nèi)。

但是，自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)也存在缺陷，在施工時(shí)，其后視基準(zhǔn)點(diǎn)要隨之不斷向前移動(dòng)，因此其監(jiān)測(cè)也有微小的誤差。為了彌補(bǔ)自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)缺陷，保證盾構(gòu)的準(zhǔn)確推進(jìn)方向，還必須進(jìn)行人工測(cè)量，頻率為每周2次以上。這樣一來(lái)能夠核準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，二來(lái)可以對(duì)盾構(gòu)機(jī)的位置與姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核。自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)與人工測(cè)量相結(jié)合，確保盾構(gòu)掘進(jìn)方向正確性[2]。

（2）嚴(yán)密監(jiān)測(cè)并控制油缸推力。油缸推力也能在一定程度上影響盾構(gòu)的推進(jìn)方向。在執(zhí)行設(shè)計(jì)好的控制程序的同時(shí)，還可以因地制宜地對(duì)油缸推力進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于上坡的狀態(tài)時(shí)，可適當(dāng)將下部油缸的推力增大；相應(yīng)地，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為下坡時(shí)，就可以稍微將上部油缸的推力增大。而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)狀態(tài)處于曲線段時(shí)，若是向左轉(zhuǎn)，可適當(dāng)增大右側(cè)油缸的推力。相應(yīng)地，若是向右轉(zhuǎn)，則可以可適當(dāng)增大左側(cè)油缸的推力。而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于平坡直線路段時(shí)，則應(yīng)該使所有的油缸推力保持一樣的大小。若盾構(gòu)機(jī)所處的土層軟硬均勻一致，則應(yīng)該使所有的油缸推力保持一樣的大小。若它所處的土層軟硬不均，則應(yīng)該根據(jù)土層的軟硬之分，在硬地層的那一側(cè)的油缸推力應(yīng)該適量加大，在軟地層的那一側(cè)的油缸推力應(yīng)該適量減小。

3.2 姿態(tài)糾偏的具體措施

盡管采取了上述措施，盡量保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向不與隧道設(shè)計(jì)軸線產(chǎn)生偏離，但是施工過(guò)程比較復(fù)雜，有很多原因都會(huì)造成偏離，而且偏離程度會(huì)逐漸接近允許的偏離范圍上限。此時(shí)，就要對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的方向偏差進(jìn)行及時(shí)的糾正了。糾正偏差的主要方法還是控制油缸推力。

（1）滾動(dòng)糾偏。若盾構(gòu)機(jī)的滾動(dòng)超出了限制范圍，那么警報(bào)就會(huì)自動(dòng)響起，此時(shí)可采取的措施是反轉(zhuǎn)盾構(gòu)刀盤(pán)來(lái)糾正滾動(dòng)偏差。

（2）豎直方向與水平方向糾偏。盾構(gòu)機(jī)可能會(huì)發(fā)生下俯或上仰的情況，下俯時(shí)可采取的措施是增強(qiáng)下側(cè)千斤頂?shù)耐屏?；上仰時(shí)可采取的措施是增強(qiáng)上側(cè)千斤頂?shù)耐屏?，以此?lái)糾正偏差。

4 盾構(gòu)掘進(jìn)中泥餅部位的判斷與處理

我國(guó)大城市的人口逐年增多，城市交通壓力逐年增大，地面交通已經(jīng)無(wú)法滿足城市的交通需求，城市交通規(guī)劃開(kāi)始轉(zhuǎn)向地下空間，地鐵隧道建設(shè)工程越來(lái)越多，盾構(gòu)工法在這些過(guò)程中得到了廣泛的采用。然而，這一工法在實(shí)際的施工中常常面臨著結(jié)泥餅的技術(shù)難題，它嚴(yán)重地影響著掘進(jìn)的安全性、設(shè)備的耐久性和施工組織的合理性。

4.1 泥餅部位的判斷

（1）泥餅的概念。所謂泥餅，就是盾構(gòu)刀盤(pán)切削下來(lái)的細(xì)小砂土顆粒、碎屑在土艙內(nèi)重新聚集而成的半固結(jié)和固結(jié)狀的塊狀體。泥餅的問(wèn)題早在半個(gè)世紀(jì)以前就被日本的盾構(gòu)專(zhuān)家提出來(lái)了，各國(guó)專(zhuān)家也一直都在探索解決的方法。我國(guó)自從上海打浦路隧道開(kāi)始修建后，也一直在積極地尋求解決途徑。泥餅會(huì)增加盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)和刀具的負(fù)荷，它的存在常常會(huì)影響掘進(jìn)參數(shù)，施工效率會(huì)因此而大大降低。

（2）泥餅的部位判斷。在隧道穿過(guò)的復(fù)合地層中，巖層大多都是強(qiáng)風(fēng)化的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，這些種類(lèi)的巖層一般都含有豐富的粘土礦物顆粒，它們經(jīng)過(guò)刀具的切削和刀盤(pán)的沖擊，巖塊會(huì)碎裂，最終變成碎屑或粉末狀的粘土顆粒，這就是泥餅形成的基本材料。在隧道的施工過(guò)程中，技術(shù)人員曾對(duì)形成了泥餅的環(huán)段進(jìn)行檢測(cè)分析，對(duì)砂土進(jìn)行采樣實(shí)驗(yàn)，采用沖水稱(chēng)重和簡(jiǎn)單的篩分法作為實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：泥餅的形成與粘土粒、碎屑的含量有關(guān)，當(dāng)它們?cè)谀鄮r和泥質(zhì)粉砂巖中的含量＜20%時(shí)，泥餅形成的可能性很小，當(dāng)含量＜25%時(shí)，再加上施工技術(shù)和設(shè)備等因素的多重影響，形成的可能性就會(huì)更大了。由此可見(jiàn)，泥巖和泥質(zhì)粉砂巖中粘土粒和碎屑多的部位，更容易結(jié)泥餅。

盾構(gòu)刀盤(pán)和刀具設(shè)計(jì)和制造不合理，也會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)的過(guò)程中產(chǎn)生泥餅。影響泥餅形成的主要因素有：刀盤(pán)中心區(qū)開(kāi)口率，刀盤(pán)內(nèi)的攪拌棒及幅條型式和數(shù)量。一般認(rèn)為，33%的刀盤(pán)中心區(qū)開(kāi)口率是保證少結(jié)泥餅的開(kāi)口率下限值。如果刀具的布置不合理，那么削下來(lái)的砂土就不均勻，滾刀也會(huì)產(chǎn)生磨損，這些都會(huì)對(duì)掘進(jìn)和排土效率產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生泥餅。工程實(shí)踐中表明，泥餅形成的高發(fā)區(qū)在刀盤(pán)中心區(qū)，因?yàn)橹行膮^(qū)的開(kāi)孔率比較小，線速度比較低，如果設(shè)置了滾刀，泥餅就更容易形成了。此外若刀盤(pán)支撐幅條鋼結(jié)構(gòu)呈箱式向密封倉(cāng)開(kāi)口，也很容易形成泥餅[3]。

4.2 泥餅的處理

（1）在設(shè)計(jì)和制造盾構(gòu)機(jī)時(shí)，選擇開(kāi)口率適當(dāng)?shù)牡降侗P(pán)中心區(qū)。為了將土艙內(nèi)泥土粘附情況及時(shí)反映出來(lái)，可以在土艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)土壓力傳感器，對(duì)泥餅的產(chǎn)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)防；還可以在刀盤(pán)內(nèi)側(cè)設(shè)置攪拌棒，與刀盤(pán)一起攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)，使土體流動(dòng)得速率更快，降低泥餅產(chǎn)生的可能性。

（2）粘性土地層砂土的土體改良。由泥餅產(chǎn)生的部位可知，泥巖和泥質(zhì)粉砂巖中粘土粒和碎屑的含量會(huì)影響泥餅的產(chǎn)生，因此為了降低泥餅產(chǎn)生的可能性，可以對(duì)粘性土地層砂土的土體進(jìn)行改良。在施工中調(diào)查分析土體粘性和含砂粒比例，適當(dāng)時(shí)可以添加適量的土體改良劑，即泡沫，降低土體粘著力，實(shí)現(xiàn)土體的改良。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定。盾構(gòu)施工時(shí)，在粘性土地層中的土壓平衡的情況下，土壓的設(shè)定值是以理論上的土壓值作為基礎(chǔ)的，然后進(jìn)行適當(dāng)降低，在施工中可以根據(jù)實(shí)際情況做出輕微調(diào)整。不過(guò)，在實(shí)際施工中對(duì)盾構(gòu)穿越地層的特性進(jìn)行觀測(cè)和分析是十分必要的，在盾構(gòu)推進(jìn)中，要實(shí)時(shí)掌握施工速度、盾構(gòu)掘進(jìn)性能、泥土溫度等等，并觀察這些因素對(duì)泥餅形成的影響，盡量控制好盾構(gòu)推進(jìn)的速度，最大程度地降低泥餅產(chǎn)生的可能性。

（4）土壓力傳感器的設(shè)置。對(duì)于土壓力傳感器的設(shè)置，應(yīng)當(dāng)在土艙內(nèi)的不同高度有所不同。測(cè)出土體的表觀密度，在傳感器感覺(jué)到有泥餅產(chǎn)生之前，采用漏斗法測(cè)量土樣的黏度，一旦測(cè)量到黏度＞12時(shí)，就應(yīng)該及時(shí)地往土層中注入泡沫劑和膨潤(rùn)土，對(duì)砂土進(jìn)行改良。

（5）快速均衡施工。在施工中，要保持盾構(gòu)施工的連續(xù)、快速和穩(wěn)定，如果有長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)狀況，那么土艙內(nèi)土壓就會(huì)越來(lái)越高，流動(dòng)性受到影響，刀盤(pán)及刀具板更容易形成泥餅；而且盾構(gòu)掘進(jìn)的速度過(guò)慢，掘完一環(huán)就需要花費(fèi)3 h以上，時(shí)間太久，泥餅形成的可能性也會(huì)很大[4]。

（6）定期開(kāi)艙、清艙。在盾構(gòu)過(guò)程中進(jìn)行定期的開(kāi)艙檢查，這類(lèi)似于人需要定期去做體檢，起的是一種早發(fā)現(xiàn)早解決的功能，而不是等到病情顯現(xiàn)之后再來(lái)補(bǔ)救，這時(shí)就延誤了最佳的解決時(shí)機(jī)。定期的開(kāi)艙檢查能夠及時(shí)地掌握地層的地質(zhì)狀況，以及刀具的磨損狀況，可以預(yù)防泥餅的產(chǎn)生。一旦檢查出刀盤(pán)處有粘著的顆?；蛞呀?jīng)形成的泥餅，一定要對(duì)其進(jìn)行徹底的清理。

［1］彭涌濤.盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)研究[J].森林工程，2013，（6）：106-110.

［2］郭正剛.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整決策方法研究[D].大連理工大學(xué)，2013.

［3］嚴(yán)輝.盾構(gòu)隧道施工中刀盤(pán)泥餅的形成機(jī)理和防治措施[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，（4）：24-27+35.

［4］竺維彬，鞠世健.盾構(gòu)施工泥餅(次生巖塊)的成因及對(duì)策[J].地下工程與隧道，2003，（2）：25-29+48.

〔編輯利文〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.40