土壓/TBM雙模盾構栽頭糾偏方案探討

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南，鄭州 450016）

土壓/TBM 雙模盾構具備土壓、TBM 兩種設備的功能特點。從配置上來講，土壓模式下有：刀盤、主驅動、盾體、管片拼裝機、螺旋輸送機；TBM 模式下有：主機皮帶機、溜渣槽、除塵風機、豆礫石等主要部件，主機較常規設備重約50t。從功能上來講，在TBM 模式下主驅具有高轉速、低扭矩的特點，土壓模式下主驅具有低轉速、大扭矩的功能特點；設備功能強度，地質適應性好。本文通過分析土壓/TBM 雙模盾構在福州地鐵某區間出現的盾構栽頭及采取的應對措施；為雙模盾構在國內其他地區推廣應用提供姿態控制方面的技術參考。

1 地質情況及設備介紹

福州地鐵4 號線某區間從大里程至小里程穿越的地質大致可分為3 個段落：軟土（粉質黏土、砂層、淤泥）824.5m、凝灰熔巖1 280.8m、軟土及殘積土80m。區間隧道兩段為軟土段，覆土較淺，隧道需下穿市政道路、居民房等，地面沉降控制高，適合選用土壓平衡盾構；硬巖段下穿山體，主要為微風化熔結凝灰巖，飽和單軸抗壓強度113～193.8MPa，對設備破巖能力要求高，適合采用TBM 硬巖掘進機。根據本區間的地質、環境條件及既往的工程經驗，采用任何單一掘進模式的掘進機難以較好適應整個區間不同地質的施工要求，為此我司技術團隊結合以往隧道掘進裝備的設計和使用經驗，在福建首創在軟硬軟地層使用土壓/TBM 雙模掘進機，用于提高盾構的地質適應性、設備掘進效率，加快施工工期進度。

2 雙模盾構栽頭原因分析

土壓/TBM 雙模掘進機在大里程段以土壓模式始發，軟土段由淤泥地層進入粉質黏土地層掘進至78 環時，尾盾出現上浮現象。項目部采取“勤糾偏、小糾偏”的原則，采取盾構切口向下的方式確保尾盾擬合設計軸線。設備掘進至310環時，隧道底所處的下部地層突變為粉細砂層，如圖1、圖2 所示。

圖1 第310環地質圖

圖2 粉細砂渣樣

通過對粉細砂渣樣與粉質黏土的物理特性進行分析，了解粉細砂的地基承載力遠小于粉質黏土，且具有液化的特性如表1 所示。

表1 粉細砂與粉質黏土主要物理特特性

因粉細砂的地基承載力較小且具有液化特性，雙模盾構在進入該不良底層時呈現向下趨勢，即切口-107mm，切口-20mm，尾盾26mm。為避免雙模盾構姿態不可控，操作司機采取加大上下推進油缸的行程差等措施來防止盾構姿態進一步向下；但因操作司機經驗有限，加上未能準確掌控雙模盾構的性能特點，雙模盾構向下栽頭趨勢未能有效遏制。截止至348 環，土壓/TBM 雙模盾構切口姿態已偏離設計軸線700mm，如圖3、圖4 所示。

圖3 雙模盾構上下分區壓力差

圖4 336～345環雙模盾構姿態變化折線圖

3 糾偏方案分析

土壓/TBM 雙模盾構在掘進至第304 環遇地層突變出現栽頭現象至第348 環切口垂直姿態偏離設計軸向700mm，期間項目部多次組織召開盾構姿態預警會，采取在前盾底部注厚漿、底部推進油缸壓力加大、底部推進油缸數量增加等措施，促使雙模盾構姿態盡快恢復正常。從項目部采取的糾偏措施來看，基本上應用了所有糾偏措施，卻不見效果。是否因為雙模盾構中心靠前造成糾偏困難或者推進油缸糾偏力不能滿足要求。經過對現場掘進數據分析，了解到項目現場有以下現象。

現象1：設備掘進過程中雙模盾構盾尾間隙頂部30mm，底部123mm，左右均為40mm。

現象2：每環底部推進油缸比上部推進油缸多推進10mm。

現象3：在（346/347/348）三環前半環掘進有糾偏效果，但是后半環狀態繼續變差。盾構間隙變化如圖5 所示。

圖5 280～348環尾盾間隙變化情況

首先，從以上的3 個現象可以理清兩個疑問。現象1 中的盾尾間隙變化可以反映出尾盾目前處于豎向彈性變形。尾盾頂部間隙為0（尾刷保護環高度約為35mm） 因此該變形為尾盾豎向受拉造成。從圖6 的盾構糾偏力傳遞路徑示意圖中可以看出，底部推進油缸壓力差在糾偏狀態下有很大一部分轉移至尾盾的下拉。底部推進力能造成尾盾豎向彈性形變，說明推進油缸有足夠富裕的壓力來“抬頭”，完全可以克服前端自重問題。盾構掘進是通過后部推力和掌子面土壓來平衡自重，因此，即使在砂層地層掘進，只要保持合適的土壓即可規避盾構栽頭的情況。

圖6 盾構糾偏力傳遞路徑示意圖

其次，現象2 和現象3 充分說明當前糾偏措施有效。現象1 說明掘進過程中已經有足夠的糾偏力在糾偏，現象2 反饋出底部油缸的超前伸出說明糾偏起到一定的效果。現象3 屬于盾尾間隙過小限制了尾盾的下拉，影響盾構抬頭。每環剛開始推進時，上部有一定的間隙（管片選型）。糾偏時切口上抬，尾盾下移，上部較小間隙很快消失，一旦間隙消失，尾盾無下移空間，糾偏效果也隨之消失。

4 雙模盾構糾偏建議

通過近期掘進情況及掘進方案分析，明確要減小盾構栽頭趨勢，就要解決就糾偏過程中的空間、糾偏力提供等問題，具體措施及建議如下。

1）選擇合理的土壓力，結合地層埋深計算和掘進情況建議土壓力設定在2.3bar 左右為宜。土壓過高會造成推進負擔，消減糾偏推力。土壓過低不能很好平衡盾構自重，造成盾構栽頭，也會影響糾偏。掘進過程中開啟超挖刀，保持上半部分超挖，為前盾上抬提供空間。

2）鎖定主動鉸接行程。推進前期調整好鉸接角度，保持上下行程差在60～90mm。配合水平轉彎，左右行程差可保持在40mm。糾偏過程中不要隨意收放鉸接，以免改變設備原有受力狀態，導致糾偏措施失效。

3）繼續保持上部油缸屏蔽，由中下部油缸提供推進，形成較好的糾偏力矩確保上部油缸無推進力。

4）加強管片選型。確保尾盾頂部間隙。如果連續上超造成油缸行程差過大，可通過下部加墊型鋼工裝等方式來調整。同時管片間可適當墊一定厚度的軟木。底部加墊工裝一定要可靠，設置防滑裝置，避免彈出傷人。

5）糾偏過程中嚴格控制刀盤轉速和推進速度。刀盤轉速控制在0.5r/min，推進速度控制在20mm/min 以內。

6）糾偏推進時將管片拼裝機移動到最后部，并提升一塊標準管片作為配重，有利于設備抬頭。

通過對雙模盾構的自身特性分析，并堅持應用以上糾偏方案，該區間的雙模盾構姿態逐步恢復正常。

5 結語

本文通過分析土壓/TBM 雙模盾構在福州地鐵4 號線某區間掘進過程中遇地層突變出現盾構主機向下偏離設計軸線的現象；并根據土壓/TBM 雙模盾構的結構布置及功能的特點，對雙模盾構在特殊地層糾偏方法的探討，掌握雙模盾構的糾偏方案，為該設備在廣州、深圳等國內一線地區推廣應用提供技術參考，給我國盾構施工建設帶來一定的促進作用。