淺談大直徑泥水盾構滾動角糾正施工技術

李順旭，王奇超

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，廣東 廣州 511458）

盾構是集機、液、電、光、信息技術為一體的大型專用設備，目前被廣泛用于地鐵、公路、鐵路、引水工程、電力隧道、城市管網等地下空間的建設。泥水盾構的工作原理是以膨潤土泥漿在開挖面形成一層難透水的泥膜，使泥漿壓力有效地作用在開挖面上，平衡來自掌子面水土壓力。泥水盾構通常用于適用于穿江越海、高水壓等復雜地質隧道。

盾構在掘進時，根據導向系統中方位角、俯仰角、滾動角等參數來控制盾構姿態。方位角和俯仰角是一個反應盾構實際掘進方向和隧道理論中心線的參數，通過調整分組油缸的壓力，使盾構的掘進方向趨向隧道的理論中心線；滾動角是一個反應盾構自轉的參數，通過改變刀盤轉向調整盾構自轉角度，保證盾構在推進過程中的正確受力狀態。

在盾構掘進時，往往由于人員操作不當或惡劣的地質條件等因素，使盾構滾動角增大，對設備的狀態、掘進姿態的控制、管片安裝的質量都造成一定的影響，存在一定的施工風險。本文以超大直徑泥水盾構施工為例，介紹盾構滾動角的糾正過程、方法，為以后盾構施工者提供借鑒。

1 工程概況

該項目為過海隧道工程，隧道全長6 680m，設計為雙向六車道，時速為60km/h。海域段采用2 臺15m 級超大直徑泥水平衡盾構平行施工，掘進長度3 047.5m，管片外徑為14.5m，內徑為13.3m，環寬2m，主要通過地層為淤泥、淤泥質土、淤泥混砂、中粗砂以及三段基巖突起。

2 設備概況

該盾構采用常壓刀盤，開挖直徑為15.03m，刀盤重約540t；主機總長約15m、整機長度小于130m，主機重量約2 800t、整機重量約4 100t，刀盤轉速為0～2.25rpm，最大推進速度為50mm/min、最大推力為22 220t。具備常壓換刀、刀具在線監測系統、主驅動伸縮擺動等功能；每根推進油缸都配置有浮動支撐油缸，可減輕推進油缸在掘進過程中因轉彎受到的側向力。

3 盾構滾動角糾正施工

3.1 問題描述

該盾構于2019年6～8月掘進期間，滾動角（正值）逐步增大，8月8日滾動角已增加到3.9°。為防止滾動角持續增大，造成盾尾密封失效，掘進姿態控制困難，流體軟管彎折破裂，管片錯臺、破裂等風險，項目技術人員聯合盾構設計人員共同研究滾動角增大的原因及解決方法。

3.2 原因分析

根據動量守恒定律知：在盾構掘進過程中，主驅動給刀盤提高切削掌子面的扭矩，同時該扭矩須通過地層與盾體的摩擦力矩來平衡，即當刀盤選擇正轉時，會給盾體產生一個反轉的扭矩，反之則依然。

該盾構滾動角為正值增大，即盾體順時針旋轉了一定的角度，為使盾體逆時針回轉，需要給盾體提供反轉的扭矩，根據動量守恒定律，在掘進時旋轉刀盤正轉即可。但是經過幾十環的掘進，滾動角非但沒有減小反而增大的越快。針對這一現象，技術人員及專家分析原因為：該段掘進地層為淤泥質土、淤泥混砂等，土體軟弱自穩性差、流塑性強、刀盤易開挖，在掘進過程中不足以產生能使大重量主機可旋轉的扭矩。

3.3 施工過程

根據原因分析，需要在掘進過程中增加刀盤的切削扭矩，給盾體提供更高的反轉扭矩，主要通過以下方法逐步實現滾動角減小。

3.3.1 增加配置及優化掘進參數

1）增加配重 在掘進過程中，使拼裝機配重塊（15t）旋轉至掘進方向9 點鐘位置，可產生735kNm 的扭矩。

2）優化掘進參數 提高氣墊倉液位增加泥水倉壓力，提高推進速度、降低刀盤轉速來增大貫入度，使刀盤扭矩提升了2 倍，見表1。

表1 掘進參數對比表

3）效果 滾動角增大得到了抑制，沒有再增加。

3.3.2 推進油缸浮動支撐處安裝墊塊

在優化掘進參數的基礎上，在浮動支撐下部調節油缸的右油缸位置處安裝墊塊，目的是將推進油缸向右傾斜0.32°，在盾構推進時，分解的側向力給盾體產生反轉的力矩，具體位置如圖1所示。

1）該方法在盾構推進時可提供盾體的反轉扭矩為：取盾構推力F=80000kN，可提供的反轉側向力為80000×sin0.32°=446kN，反轉扭矩為446×6.95=3099kNm。

a）墊塊安裝位置

圖1 浮動支撐安裝墊塊

2）具體實施方法：①準備承載能力要求在10t 以上吊帶和吊裝葫蘆；②將生銹的浮動支撐左右調節油缸打磨清理；③將浮動支撐順時針方向拖拉30mm，讓出支撐墊塊的安裝空間，如圖1 所示，圖1a 中15mm 和25mm 位置可以作為浮動支撐拖拉到位的參考尺寸；④支撐墊塊安裝完成后，以優化后的掘進參數恢復推進，每推進400mm 分組回收一次推進油缸，防止推進油缸因受側向力過大，造成油缸缸體、密封及管片損壞。

3）使用效果：該方法掘進13 環，滾動角由在422 環時的3.9°降為435 環時3.2°，效果十分明顯。

為防止滾動角糾正過快對盾尾密封造成損壞、貫入度增大刀具和刀盤的磨損，可根據滾動角的減小情況逐步降低推進速度、提高刀盤轉速至正常掘進參數；同時逐漸拆除浮動油缸處支撐墊塊，防止對油缸造成損壞。

4 結語

大直徑泥水盾構近幾年廣泛用于城市地下空間的建設，已成為未來盾構發展的一種趨勢。大直徑盾構的施工不同于常規級盾構，具有一定的難度，這就需要擁有一支經驗豐富、專業高效工作團隊，從業人員能夠根據地質環境、水土條件合理制定施工方案、掘進參數，有效規避施工風險；通過熟練掌握的設備原理及功能，可有效提高設備掘進效率，降低使用故障率，保證盾構安全、高效施工。