浅谈盾构掘进的影响因素及处理技术

张成栋

内容提要 通过广深港铁路客运专线狮子洋隧道的施工,着重介绍了控制盾构机的主要部分,重点介绍盾构姿态控制,盾尾密封控制,管片拼装控制和泥水环流控制等方面。并介绍在盾构掘进过程中，如何对影响掘进的各方面因素进行良好的控制，才能保证正常的盾构施工。

关键字 泥水盾构 盾构姿态 管片拼装 同步注浆

1 概 述

1.1 工程概述

广深港铁路客运专线狮子洋隧道采用气垫式泥水加压平衡盾构机进行左右线掘进。隧道开挖直径为11.2M。该工程是我国铁路第一条水下隧道和国内最长,水压力最高的水下隧道,采用盾构机两两相向施工,地中对接等各种先进技术。工程规模大,设计标准高,涉及工法多,经济和技术意义重大。

1.2 机器概述

泥水平衡盾构其主要特征是在盾构的前部刀盘后侧设置底部连通的隔板，它与刀盘之间形成土仓,与盾构机主体形成气仓。将加压的泥水送入土仓，当土仓充满加压的泥水后，通过加压作用到气仓保持压力稳定以谋求开挖面的平衡稳定。通过油缸行程控制,使机器向前运动。通过泥水运输,清除仓里渣土。再通过控制拼装机械,拼装管片。完成隧道掘进工作。

2 对施工进度影响的因素及处理技术

2.1 轴线控制及盾构纠偏

2.1.1 对盾构轴线的控制

盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技术。在实际施工中，由于盾构机在掘进过程中受到开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、地下土层变化及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致，因此，两者之间的差值直接影响隧道的顺利贯通和质量。控制好盾构的推进轴线，才能保证管片拼装在位置的准确，才能使隧道竣工轴线误差控制在允许范围内。

对盾构轴线的控制就是通过测量系统随时掌握正在掘进中的盾构机的位置和姿态，并通过计算机将盾构机的位置和姿态与隧道的设计轴线相比较，找偏差数值和原因。综合盾构推进的实际距离、盾构推进速率、油压值、纵坡、出土量、油缸行程差等信息，对数据进行及时的分析，通过对盾构机的22组油缸分成的4个区域的油压进行调整, 以控制盾构推进轴线偏离值不发生超过设计允许的轴线偏离范围。从最佳角度移动最贴近设计轴线的位置。纠偏量和纠偏指令还要根据测量数据进行正确分析后做出。

图1 盾构机轴线示意图

2.1.2 对盾构纠偏量的控制

盾构内径与管片外径两者之者有一定施工间隙，盾构纠偏只能在此范围内调整，过量纠偏会使盾壳卡住管片，导致管片被挤坏或增加下一环管片拼装的困难。

盾构纠偏应及时、连续，不要过量纠偏。过大纠偏会使盾构轴线与隧道轴线产生较大的夹角，影响盾尾密封效果产生盾尾漏浆。发生漏浆则无法保证空隙填充，过量纠偏增加盾构对土体的扰动，这些因素都将增大地面变形。

控制盾构机推进方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，它与盾构机姿态变化量间的关系非常离散，需要靠盾构机司机的经验来掌握。当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力进行纠偏；当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力进行纠偏；同样，当出现左右偏差时，可相应加大左右侧的千斤顶的推力进行纠偏。 正确地使用千斤顶是使盾构沿设计轴线方向准确向前推进最有效的措施，所以每环推进时应根据间隙测量数据和PPS实时测量数据，分析盾构趋势，决定纠偏方案、纠偏量，调节千斤顶的推力，不能过量纠偏。

2.1.3 对盾构旋转量的控制

盾构推进及管片拼装施工时，为了减少由于盾构自转所产生的施工困难，对后续施工,及管片拼装工作带来影响,应控制盾构旋转量。

在施工中防止过量的旋转量常采用处理措施一般分为两种。一是尽量减少刀盘单个方向的旋转时间。盾构机的旋转偏差一般可通过改变刀盘的旋转方向，施加反向的旋转力矩进行修正。根据旋转角的测量数据在一定调整范围内正确选用。二是通过改变管片拼装左、右交叉的先后次序对旋转量进行控制。

2.2 对盾尾油脂注入和同步注浆的控制

2.2.1 盾尾油脂

盾尾密封件安装在盾构主体尾盾处，其目的是为了防止土砂、壁后注入料的进入。为了充分发挥其密封性能，刷子间注人了粘性油脂。由三道盾尾刷和盾尾钢板挡板构成三个腔室。为此，盾构机在各段尾刷之间设置了10处注人润滑脂的装置,以保证油脂腔压力。

    图2 盾尾油脂密封腔和油脂的10条注入管路分布示意图

具体过程为油脂注入各管路上的压力传感器把压力信号反馈到控制室，控制室经过信号处理后控制油脂泵的开启(低于设定压力时油脂泵自动开启)，然后依次检测各管路的压力来控制各管路气动球阀的开启、关闭(低于设定压力时气动球阀开启，高于设定压力时气动球阀关闭)，从而控制注脂过程。当油脂腔的油脂过少、每条油脂管路的注脂时间太长时，会造成油脂腔局部压力相差太大。为了避免这种现象，每条管路的一次最长注脂时间可以根据实际情况设定，即每条油脂管路注脂时即使油脂压力达不到设定值，但一次注脂时间达到了设定值，也可在油脂管路间相互切换，但注脂过程不会停止，只有管路压力全部达到设定值时整个注脂过程才停止(油脂泵自动关闭)。

2.2.2 同步注浆

同步注浆起着控制地层变形，减少隧道沉降，加强衬砌防水性能、改善衬砌受力状态（保持管片衬砌拼装后的早期稳定）的作用。所以必须与掘进同步进行注浆，填充管片外周与地层之间的空隙。

注浆时，随时观察注浆状况，控制好注浆压力并记录注浆压力和注浆量。当注浆作业发生故障时，应立即通知停止盾构掘进施工，及时排除故障。注浆结束应在一定压力下关闭浆液分配系统，同时打开回路管停止压浆。注浆管路内压力降至零后拆下管路并清洗干净。注浆质量控制以达到保护工程环境效果为目的，一般采用注浆压力、注浆数量进行双重控制。注浆压力不应过大出现浆液溢出地面或造成地表隆起，也不应过小而降低注浆作用。

2.3 管片拼装

管片拼装是盾构法施工的一个重要工序，整个工序需要拼装手，管片吊装人员，油缸收缩人员，管片螺栓安装人员配合完成。

管片拼装前应该确保盾构推进油缸顶块与前1环管片环面必须有足够的空间可使封顶K块插入成环。清除上1环环面和盾尾内杂物，检查上1环环面防水密封条是否完好，如有损坏应及时修补。按有关盾构设备操作要求，全面检查拼装机的动力及液压设备是否正常，举重臂是否灵活、安全可靠。

在掘进完成后，根据管片与盾尾间隙，结合盾构纵坡和盾构机在水平、高程的偏离值，决定本环拼装时的K块位置和纠偏量。来实现盾构隧道的调向和纠偏，使隧道实际线路满足平曲线及竖曲线的要求。通过选用正确型号的管片和选择正确的拼装点位，将隧道实际施工线路控制在设计线路的允许范围内。狮子洋隧道采用的是双楔标准环,楔形量为24cm，按曲线半径R=900m进行设计；每一环管片8块组成，F+2L+5B。

图3管片分布F+2L+5B及双楔标准环示意图

2.3.1 盾构姿态对管片的影响

管片选型必须要适应盾构姿态。 所谓“盾构姿态”是指盾构机的空间方位和走向。管片是在盾尾内拼装，所以不可避免地受到盾构机姿态的。在实际掘进过程中，盾构机因为地质不均、推力不均等原因，盾构机的姿态经常会偏离隧道设计线路，当盾构机偏离设计线路进行纠偏时，要特别注意管片型号的选择，避免因盾尾间隙过小而造成管片破损等事故。

2.3.2 盾尾间隙对管片的影响

盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。该盾构机的盾尾内径为11.1m，管片外径为10.8m，因此，在直线段施工时，标准盾尾间隙为30mm。盾尾间隙是管片选择的依据之一。如果间隙过小，则盾构机在推进过程中盾尾会与管片发生干扰。轻则增加盾构机向前掘进的阻力，降低掘进速度，重则盾尾将管片损坏，造成隧道渗漏水或地表沉降。

管片与盾尾通过盾尾钢丝刷密封，当盾尾间隙过小时，盾尾拖动时管片与盾尾钢丝刷密封会发生干扰。因此，在拼装管片之前，必须对上一环管片的上、下、左、右四个位置盾尾间隙进行测量。如发现有一方向上的盾尾间隙过小时，就用转弯环对盾尾间隙进行调整。调整的基本原则是，哪边的盾尾间隙过小，就选择拼装反方向的转弯环。

拼装1环左转弯环之后，左边盾尾间隙将减小，右边盾尾间隙将增大。同时，通过不同的拼装点位，还可以调节上、下方向的盾尾间隙。如果此时盾构机在进行直线段的掘进，则必须注意在拼装完1环左转弯环后，选择适当的时机，再拼装1环右转弯环将之调整回来，否则左边盾尾间隙将越来越小，直至盾尾与管片发生干扰。当盾构机处于曲线段，则应根据线路的特点综合考虑。

2.4 泥水系统

泥水平衡盾构使用泥水的目的是用泥水来达到开挖面稳定，在防止塌方的同时，将切削下来的土和岩石经粉碎机粉碎并被搅拌后送人排浆泵，经排浆泵和排浆中继泵送往地面泥水处理系统进行处理。随着盾构推进距离的加大，排泥中继泵也不断增多。送往地面的泥浆经沉淀池沉淀、清洁器和漩流器的两级处理送人调整槽，加入膨润土和相关化学原料后，经送泥泵再次进入盾构泥水舱内。期间经过的流量计和密度计对输送的泥浆状态进行监视，并将所测数据在主控制室进行统一监控。另在盾构泥水舱内装有切口水压计，对切口水压进行监测。

图4 泥水循环部分示意图

2.4.1泥水循环系统

泥水平衡盾构使用泥水的目的是用泥水来达到开挖面稳定，在防止塌方的同时，将切削下来的土和岩石通过环流运往地面。通过控制进出浆流量的流量差,和气仓内的压力大小,来达到冲刷掌子面和清理土仓底部渣土的目的。

2.4.2泥水处理系统

泥水处理系统由沉淀池、旋流器、清洁器、泥浆槽、调整槽、粘土溶解槽、清水槽等组成。由盾构排出的泥浆首先进入沉淀池沉淀，一部分进入旋流器和清洁器除沙，然后进入泥浆槽，再由泥浆槽进入调整槽；在调整槽内，再加入由清水槽注入的清水和粘土溶解槽注入的膨润土和CMC；最后由送浆管送入盾构泥水舱。

2.5 盾构的保养与维修

盾构是盾构法施工的关键设备，若发生故障，轻则造成停工停产，重则造成工程质量事故和人身事故，因此，必须强制执行保养维修制度。

盾构在每班作业前后或是机械停机时应进行保养。并对检查中发现的问题及时处置。保养人员对盾构运转状况进行外观目测和仪表数据观测，检查盾构及后配套设备的运转情况，观测主控室的运转参数，对各部位的螺栓、螺母松动检查并拧紧。对异常声音、发热检查；对液压油、润滑油、润滑脂、水、空气的异常泄漏检查。对各润滑部位供油、供脂情况检查并补充。对油位检查及补充；电源电压及掘进参数检查确认。对电气开关、按钮、指示灯、仪表、传感器检查并处置。对液压、电气、泥浆、水、空气等管线检查确认并处置。对安全阀设定压力检查并确认。对滤清器污染状况检查确认并处置。

2.6 隧道施工运输

隧道施工运输主要包括：碴土、管片以及各种机具设备、材料的运输。运输作业必须安全、迅速和方便。

2.6.1 水平运输

隧道内水平运输使用电瓶车牵引，选用双轨运输。

水平运输应该保证两台电瓶车都能正常使用。平板车上管片、碴斗等要放稳，不准超限。当平板车装运钢管、轨道、钢筋等长大件时，必须绑扎牢靠。

2.6.2 垂直运输

垂直运输一般采用龙门吊起重机。

垂直运输机械的操作人员必须能直视到地面及井底的吊放点。操作人员按指令作业，上下吊运保持吊物平稳。吊装的索具应定期检查，发现异常及时调换，龙门吊应由经过培训、考核合格的起重操作工操作。

2.7 辅助设施

盾构法施工是一项综合性的施工工艺，要使盾构掘进施工顺利进行，必须确定各种辅助设施满足盾构施工正常使用。

主要辅助设施包括：材料堆放场和仓库，保证材料和配件的供应。联络通讯设施，保证和外界的沟通。施工通风技术设施，保证施工人员的基本工作要求。浆液站，满足施工需要的浆液供应。泥水站，设置相应的泥水分离和处理设备，保证盾构施工的要求。

3 结语

影响盾构掘进的因素有很多。这里只是对其中几点进行了肤浅的分析和说明。真正要提高施工进度，需要对盾构机要进行良好的操作管理，要对各工序进行细致的安排，让各个工序完美的衔接，对机械出现的问题进行快速、正确的维修保养，对人员进行合理的调度安排，才能保证盾构机安全、高效、平稳的推进。

参考文献

[1]程欢 .11．22m泥水平衡盾构控制技术[J].上海:维普资讯,2003

[2]赵金汉.盾构法隧道施工中的线形管理 [J].合肥: 施工技术研究与应用,2003

[3]王林民.盾构隧道管片拼装技术[M].云南:山西建筑,2007

[4]刘二召.盾尾密封油脂注入系统浅析[M].河南:隧道建设,2003