盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)地層中推進(jìn)如何控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的研究

1、盾構(gòu)機(jī)在淤泥質(zhì)地層中推進(jìn)應(yīng)如何控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的方法和研究作者：李懂懂引言 隨著城市的快速發(fā)展，我國各大城市都在進(jìn)行建設(shè)地鐵。盾構(gòu)法施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在不同地質(zhì)條件推進(jìn)時盾構(gòu)姿態(tài)的控制是有所差別的。 東方大道站獨(dú)墅湖南站盾構(gòu)區(qū)間左線1772.729m、右線1794.2m?？傞L度為3566.929m。本區(qū)間線路始于東方大道站東端，下穿花涇港河道后線路稍向北偏，下穿獨(dú)墅湖公園、賞湖路、規(guī)劃地塊（一類居住用地）及蘇州運(yùn)河后，線路轉(zhuǎn)向北下穿過規(guī)劃地塊（二類居住用地）后折向啟月街到達(dá)獨(dú)墅湖南站。區(qū)間線路共有兩段曲線，半徑分別為2000m、450m，左右線路中心線間距13.016.5m。區(qū)

2、間隧道縱坡呈“V”字型，最大坡度25，最小坡度3.5。與車站相連端的豎曲線半徑為3000m，其余半徑為5000m。隧道埋深10.819.1m，下穿蘇州運(yùn)河段隧道最小埋深約11.6m。圖2.1 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間平面示意圖序號區(qū)間名稱隧道通過的主要地層為地下水情況隧道埋深1東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間隧道通過的主要底層為：2層粉土夾粉質(zhì)粘土，局部為Y層淤泥質(zhì)粘土、3層粉土、1層粉質(zhì)粘土、1層粉質(zhì)粘土場區(qū)地下水主要為松散淺層孔隙潛水和松散巖類孔隙(微)承壓水。潛水位埋深：0.32.5m；微承壓水主要賦存于2層粉質(zhì)粘土和2層粉土夾粉砂層。其層頂埋深分別為11.622m、27.833.1m；承壓水主

3、要賦存于2粉土層及4粉土夾粉砂層，2層與上部2層相互貫通。4層層頂埋深為5052m。工程場區(qū)分布的1和1層粘性土，呈軟流塑狀，是場區(qū)相對軟弱的土層；沿線場區(qū)分布的Y層淤泥質(zhì)粘土，流塑狀，是場區(qū)內(nèi)主要軟弱地層。工程所在場區(qū)在基坑開挖范圍內(nèi)分布的3層粉土和2粉土夾粉質(zhì)粘土層，為弱透水層、滲透性尚好，在一定水頭壓力差作用下易發(fā)生滲透變形，其表現(xiàn)形式主要為流土或管涌等。1316.5m 圖2.2 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間地質(zhì)斷面示意圖1. 淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中掘進(jìn)時, 由于地層自穩(wěn)性能極差, 為控制盾構(gòu)機(jī)水平和垂直偏差在允許范圍內(nèi), 避免盾構(gòu)機(jī)蛇形量過大造成對地層的過量擾動

4、, 宜將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度控制在3040mmöm in 之間, 刀盤轉(zhuǎn)速控制在1. 5röm in 左右。在該段地層中掘進(jìn)時, 四組千斤頂推力應(yīng)較為均衡, 避免掘進(jìn)過程中千斤頂行程差過大, 否則, 可能會造成推力軸線與管片中心軸線不在同一直線上。在掘進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加注一定量的添加劑,以保持出土順暢, 盡量保持盾構(gòu)機(jī)的連續(xù)掘進(jìn), 同時, 要嚴(yán)格控制同步注漿量, 以保證管片背后間隙被有效填充。盾構(gòu)機(jī)在這種地層中掘進(jìn), 其盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制難度大, 易產(chǎn)生盾構(gòu)機(jī)垂直方向上的過量蛇行, 造成管片錯臺及開裂。在這類地質(zhì)條件下掘進(jìn), 盾構(gòu)機(jī)刀盤受力不均, 掘進(jìn)速度不均衡, 這就要求在

5、掘進(jìn)過程中, 必須時刻觀察測量系統(tǒng)提供的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù), 結(jié)合推進(jìn)千斤頂和鉸接千斤頂?shù)男谐滩钪? 不斷地調(diào)整各分區(qū)千斤頂?shù)耐屏翱偼屏? 以保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的平穩(wěn)。如果不注意調(diào)整推進(jìn)千斤頂?shù)男谐滩? 就會造成管片選型變化大, 甚至造成過小的盾尾間隙使管片不能順利脫出盾尾。因此, 在推進(jìn)過程中不能單一的只注意測量系統(tǒng)所提供的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來指導(dǎo)掘進(jìn), 還應(yīng)兼顧各分區(qū)千斤頂?shù)男谐滩?。在盾?gòu)機(jī)姿態(tài)控制中, 推進(jìn)油缸的行程控制是重點(diǎn)。對于1.5m 寬的管片, 原則上行程控制在1700 1800mm 之間, 行程差控制在0 40mm 內(nèi), 行程過大, 則盾尾刷容易露出, 管片脫離盾尾較多, 變形較大; 行程差

6、過大, 易使盾體與管片之間的夾角增大, 易造成管片的破損、錯臺。2. 對于如何控制盾構(gòu)姿態(tài)，首先盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的一般細(xì)則 一般情況下, 盾構(gòu)機(jī)的方向糾偏應(yīng)控制在±20mm 以內(nèi), 在緩和曲線及圓曲線段, 盾構(gòu)機(jī)的方向糾偏應(yīng)控制在±30mm 以內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制操作原則有兩條:(1) 盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)角值應(yīng)適宜, 盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)角值太大, 盾構(gòu)機(jī)不能保持正確的姿態(tài), 影響管片的拼裝質(zhì)量, 此時, 可以通過反轉(zhuǎn)刀盤來減少滾動角值。(2) 盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向水平向右偏, 則需要提高右側(cè)千斤頂分區(qū)的推力; 反之, 則需要提高左側(cè)千斤頂分區(qū)的推力。如果盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭向下偏, 則需要提高下部千斤頂分區(qū)

7、的推力; 反之亦然。 在淤泥質(zhì)當(dāng)中刀頭水平姿態(tài)應(yīng)控制在±20mm，垂直姿態(tài)應(yīng)控制在+30mm。對于蘇州地鐵2號線延伸線東獨(dú)區(qū)間采用了此種方法對于成型的管片得到了有效的控制如下圖2.3所示：圖2.3 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間管片成型姿態(tài)示意圖圖2.4 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)示意圖因?yàn)樵谶@種土層當(dāng)中刀頭不允許載頭，一旦載頭就很難再抬起來以致造成盾構(gòu)機(jī)刀頭越推進(jìn)越往下載，最后遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)軸線。在淤泥質(zhì)地層當(dāng)中盾構(gòu)機(jī)刀頭自身很重，隨著自身的重量刀頭會慢慢下沉，盾構(gòu)機(jī)出土完畢后會有一定的時間來拼裝管片正是在這段時間里刀頭才會慢慢下沉，如果盾構(gòu)機(jī)在此當(dāng)中停留時間越長盾構(gòu)機(jī)刀頭就

8、會越往下沉，所以我們就要始終控制刀頭在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)軸線的正上方這樣盾構(gòu)機(jī)刀頭下沉后正好接近設(shè)計(jì)軸線，如果盾構(gòu)機(jī)在停留過程中按設(shè)計(jì)軸線停留的話那么盾構(gòu)機(jī)就會往下沉偏離了設(shè)計(jì)軸線，所以盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中不允許在此淤泥層地質(zhì)當(dāng)中停留，在淤泥質(zhì)地層當(dāng)中停留時間越長盾構(gòu)機(jī)刀頭包括整個盾構(gòu)機(jī)都會下沉所以我們要保證盾構(gòu)機(jī)勻速的往前推進(jìn)。對于盾尾我們應(yīng)保證水平姿態(tài)應(yīng)控制在±20mm，垂直姿態(tài)應(yīng)控制在-30mm如上圖2.4所示，我們?yōu)槭裁匆诙芪部刂?30mm的姿態(tài)，主要是因?yàn)樵谶@種地層當(dāng)中隨著盾構(gòu)機(jī)的往前推進(jìn)千斤頂對管片的一個反向作用力在加上地下含水量的增多及易使管片上浮，所以我們要把盾尾姿態(tài)控制在-3

9、0mm。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)走后管片會有一定程度的上浮量這正好和姿態(tài)的-30mm向抵消最終能使成型的管片正好在我們的設(shè)計(jì)軸線范圍內(nèi)。在這種地層中我們還應(yīng)當(dāng)保證地面的沉降量，如果沉降得不到有效控制的話對地面的影響是很大的。沉降要想得到有效控制我們必須從盾構(gòu)推進(jìn)過程中手解決，當(dāng)管片脫出盾尾就必須進(jìn)行同步注漿，在注漿同時也會對管片引起巨大的上浮量，再加上這種地層當(dāng)中豐富的地下水也會帶來管片的上浮，對于這種疊加產(chǎn)生大的管片上浮量我們只有通過控制盾構(gòu)機(jī)的盾尾姿態(tài)及同步注漿的部位來實(shí)現(xiàn)，同步注漿我們應(yīng)該先管片上部、再左右側(cè)注漿。管片下部我們不應(yīng)該去注漿，如果下部在繼續(xù)注漿的話，隨之帶來的管片上浮。最后造成管片脫出盾尾

10、，甚至拉裂管片。3、姿態(tài)的控制還應(yīng)從控制測量做起（1）洞內(nèi)平面控制測量 洞內(nèi)施工控制導(dǎo)線一般采用支導(dǎo)線的形式向里傳遞。但是支導(dǎo)線沒有檢核條件，很容易出錯，所以最好采用雙支導(dǎo)線的形式向前傳遞。然后在雙支導(dǎo)線的前面連接起來，構(gòu)成附合導(dǎo)線的形式，以便平定測量精度。洞內(nèi)施工控制導(dǎo)線一般采用在管片最大跨度附近安裝牽制對中托架，測量起來非常方便，且可以提高對中精度，還不影響洞內(nèi)運(yùn)輸。強(qiáng)制對中托架尺寸形狀要控制好，以便可以直接安裝在管片的螺栓上面，不需要電鉆打眼安裝。如下圖2.5所示：圖2.5 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間托架示意圖由于盾構(gòu)施工一般都是雙線隧道錯開50環(huán)左右掘進(jìn)，如果錯開環(huán)數(shù)很大，后面掘進(jìn)的盾構(gòu)

11、機(jī)由于推力很大，會對前面另一個洞的導(dǎo)線點(diǎn)產(chǎn)生影響。特別是在左右線間距較小巖層很軟時，影響很大，很容易導(dǎo)致測量出大錯。還有就是如果在曲線隧道里，管片上的導(dǎo)線點(diǎn)間的邊角關(guān)系經(jīng)常受盾構(gòu)機(jī)的推力和地質(zhì)條件的影響，所以要經(jīng)常復(fù)測。4、地下控制網(wǎng)布設(shè)（1）地下控制導(dǎo)線隨盾構(gòu)推進(jìn)而延伸,所以在隧道貫通以前，井下導(dǎo)線只能以支導(dǎo)線的形式向前延伸。布設(shè)井下導(dǎo)線點(diǎn)時，應(yīng)盡量延長導(dǎo)線邊的長度，同時盡量采用等邊直伸，減少長短邊相接，可以有效提高觀測精度。（2）控制點(diǎn)應(yīng)避開強(qiáng)光源、熱源、淋水等地方，控制點(diǎn)間視線距隧道壁應(yīng)大于0.5米，地下導(dǎo)線邊長宜控制在200米以內(nèi),平均150m，直線最短100m，曲線最短60m。（3）

12、端頭井附近的導(dǎo)線點(diǎn)采用水泥墩做的強(qiáng)制歸心標(biāo)，隧道內(nèi)的控制點(diǎn)布設(shè)在隧道側(cè)墻，采用強(qiáng)制對中支架。（4）為避免受旁折光的影響，隧道內(nèi)的相鄰控制點(diǎn)應(yīng)采用沿隧道兩側(cè)壁對向布設(shè)。（5）隧道內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)可選在管片兩側(cè)底部，管片上鉆設(shè)膨脹螺栓，一般設(shè)置在隧道底部，每200米左右布設(shè)一個水準(zhǔn)點(diǎn)。5、地下控制測量技術(shù)要求（1）地下平面控制測量采用精密導(dǎo)線的技術(shù)要求進(jìn)行測量，水準(zhǔn)測量采用二等水準(zhǔn)的技術(shù)要求進(jìn)行。（2）直線隧道每掘進(jìn)200m或曲線隧道每掘進(jìn)100米時，應(yīng)布設(shè)地下平面控制點(diǎn)，每次延伸控制導(dǎo)線點(diǎn)前，先對前三點(diǎn)進(jìn)行檢測，確保準(zhǔn)確延伸控制導(dǎo)線點(diǎn)。（3）地下控制點(diǎn)定向成果較差應(yīng)小于30*d/D（mm），其中d為控制

13、導(dǎo)線長度，D為貫通距離。滿足要求時，應(yīng)取逐次平均值作為控制點(diǎn)的最終成果指導(dǎo)隧道掘進(jìn)，超限時，應(yīng)重新進(jìn)行定向測量。（4）隧道長度超過1500米時，應(yīng)在適當(dāng)位置加測陀螺方位角或通過鉆孔投測坐標(biāo)點(diǎn)等方法提高控制導(dǎo)線精度，同時應(yīng)考慮將導(dǎo)線布設(shè)成雙支導(dǎo)線，組成地下閉合導(dǎo)線。（5）水準(zhǔn)測量應(yīng)在隧道貫通前進(jìn)行不少于三次，并應(yīng)與高程傳遞測量同步進(jìn)行，重復(fù)測量的高程點(diǎn)間的高程較差應(yīng)小于5mm，滿足要求時，應(yīng)取逐次平均值作為控制點(diǎn)的最終成果指導(dǎo)隧道掘進(jìn)。6、洞內(nèi)高程控制測量 洞內(nèi)由于軌道上鋼枕太多，軌道下的泥水經(jīng)常蓋到鋼枕上來了，所以我們應(yīng)在鋼軌上部打一膨脹螺絲作為高程控制點(diǎn)一般一百米做一個控制點(diǎn)且在管片左右側(cè)各

14、做一個，用紅油漆做明顯標(biāo)記，用水準(zhǔn)儀配因鋼尺測量往返測量達(dá)到二等水準(zhǔn)的精度。向洞內(nèi)傳遞高程一般采用懸掛鋼尺的方法，一定要注意加溫度和尺長改正，才能保證導(dǎo)入井下的水準(zhǔn)點(diǎn)的精度。7、高程聯(lián)系測量的技術(shù)要求（1）測量過程嚴(yán)格按照城市二等水準(zhǔn)測量要求施測。（2）鋼尺要使用經(jīng)嚴(yán)格檢定過的長鋼尺，鋼尺下端懸掛重物應(yīng)與鋼尺檢定時的重物等重；對鋼尺進(jìn)行溫度、尺長等各項(xiàng)參數(shù)改正。（3）作業(yè)前，對水準(zhǔn)儀整平氣泡及i角進(jìn)行校檢，二等水準(zhǔn)測量，i角應(yīng)小于或等于20。（4）地面近井水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)從附近二等水準(zhǔn)點(diǎn)引測到車站或井口附近穩(wěn)固的地方，每次聯(lián)系測量時，必須先與附近二等水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測。（5）井下水準(zhǔn)基點(diǎn)的布設(shè)，應(yīng)選在受施工影

15、響小且便于引測的地方；地下水準(zhǔn)點(diǎn)不得少于兩個，且兩點(diǎn)間的水平距離不宜小于20米。（6）地下水準(zhǔn)測量時，必須以兩個水準(zhǔn)點(diǎn)組成一個附合線路，進(jìn)行高程相互檢核。傳遞高程如下圖2.6所示。圖2.6 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間高程傳遞示意圖8、平面聯(lián)系測量 地鐵施工規(guī)定，在任何貫通面上，地下測量控制網(wǎng)的貫通中誤差，橫向不超過±mm，豎向不超過±mm。聯(lián)系測量主要有一井定向（聯(lián)系三角形定向）、兩井定向、鉛垂儀陀螺經(jīng)緯儀聯(lián)合定向、導(dǎo)線定向四中方式，其中我們施工單位一般都沒有陀螺經(jīng)緯儀，所以很少采用鉛垂儀陀螺經(jīng)緯儀聯(lián)合定向。用導(dǎo)線定向精度最好且最方便，但是用導(dǎo)線定向受始發(fā)井的長度和深度制約，

16、一般也很少用。所以一般都采用兩井定向，這樣有利于提高井下定向的精度。這在我們蘇州地鐵2號線東獨(dú)盾構(gòu)始發(fā)井的多次聯(lián)系測量中得到證實(shí)。聯(lián)系測量向洞內(nèi)投點(diǎn)時把點(diǎn)間距盡量拉大些，在始發(fā)井底板，最少投兩個點(diǎn)，保證始發(fā)井端至少有兩個控制點(diǎn)。且盡量保證每次聯(lián)系測量投點(diǎn)時都投在這兩個點(diǎn)上。以便取多次聯(lián)系測量的加權(quán)平均值作為最終的始發(fā)控制點(diǎn)坐標(biāo)。兩井定向聯(lián)系測量示意圖如下圖2.7。圖2.7 東方大道站獨(dú)墅湖南站區(qū)間兩井定向示意圖9、盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中難免不會出現(xiàn)偏差過大，我們給的設(shè)計(jì)值由于隧道施工現(xiàn)場不是那么如意在此過程當(dāng)中難免會遇到各種阻礙控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的因素，從而使我們的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏離我們計(jì)劃的設(shè)計(jì)值，一旦

17、發(fā)生偏離我們就要采取措施進(jìn)行糾偏。進(jìn)行糾偏時必須有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行，糾偏措施如下:(1)在掘進(jìn)過程中隨時注意盾構(gòu)機(jī)回轉(zhuǎn)角的變化, 及時根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的回轉(zhuǎn)角值調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)動方向。(2)應(yīng)根據(jù)各段地質(zhì)情況對各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。(3)在糾偏過程中, 掘進(jìn)速度要放慢, 并且要注意避免糾偏時由于單側(cè)千斤頂受力過大對管片造成的破損。(4)盡量選擇合理的管片類型, 避免人為因素對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)造成過大的影響, 嚴(yán)格管片拼裝質(zhì)量, 避免因此而引起的對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整。(5)在糾偏時, 要密切注意盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)、管片的選型及盾尾的間隙等, 盾尾與管片四周的間隙要均勻。(6)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)偏離設(shè)計(jì)軸線較大時, 不得猛糾猛調(diào),

18、 避免往相反方向糾偏過大。(7)糾偏要遵循緩調(diào)微調(diào)的原則防止管片和盾尾卡死。 (8)如果管片是帶楔形塊的話，可以再后續(xù)掘進(jìn)中不急于讓盾構(gòu)機(jī)抬頭，只是逐漸減緩栽頭的趨勢，類似于速度和加速度的關(guān)系，只需降低加速度或?qū)⒓铀俣茸優(yōu)樨?fù)值，但此時速度仍為正值，隨著加速度的減小最終速度逐漸減小最終歸零，不知道這種比喻能否清楚。然后通過楔形塊輔助糾偏。 (9)推進(jìn)千斤頂?shù)耐屏狭Ψ较蚝投軜?gòu)機(jī)姿態(tài)和軸線方向不可形成大的夾角。否則會造成推進(jìn)受阻、盾尾變形、管片局部應(yīng)力過大破損、軸線蛇形等問題。(10)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)偏移到一定程度后刀盤偏差將穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，盾尾快速向刀盤方向靠近，其表現(xiàn)形式為刀盤偏差有小幅度變化，而且刀盤偏差與盾尾偏差的絕對值逐漸減小趨近于設(shè)計(jì)值，此時即為在各種糾偏措施的共同作用下，盾構(gòu)機(jī)主體的趨勢已經(jīng)得到改善，且盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)逐漸與設(shè)計(jì)軸線趨于平行狀態(tài)。(11)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)主體姿態(tài)的趨勢變化與設(shè)計(jì)軸線趨于平行時，則用于糾偏一測油缸的有效推力逐漸增加，推力的損失也相應(yīng)的大幅度減少。這樣將會很大程度上有利于盾構(gòu)機(jī)主機(jī)向更有利的方向去發(fā)展，其主要表現(xiàn)形式是盾尾偏差小幅度變化，刀頭偏差向設(shè)計(jì)軸線快速靠攏。盾構(gòu)機(jī)的刀頭偏差與盾尾偏差之差的絕對值將逐漸增大。一般當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀頭處中心軸