大直徑泥水盾構(gòu)機滾動角糾偏技術(shù)

（中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899）

1 引言

在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機受地質(zhì)條件及盾構(gòu)機自身重力等因素影響，在掘進時易偏離隧道的設(shè)計軸線，不僅使盾構(gòu)機刀盤的磨損加重，也使隧道的整體質(zhì)量受到嚴重影響。因此，研究盾構(gòu)機的糾偏技術(shù)具有重要意義。

本文以杭州市望江路過江隧道工程右線盾構(gòu)機滾動角糾偏方案為例，對大直徑盾構(gòu)機滾動角糾偏進行了研究。

2 工程概況

杭州市望江路過江隧道工程位于西興大橋（三橋）與復(fù)興大橋（四橋）之間，兩岸分別連接上城區(qū)的望江東路和濱江區(qū)的江暉路，是一條溝通錢江兩岸江北主城區(qū)與江南副城區(qū)的城市主干道。隧道起點位于江北沙地路口北側(cè)50m處，里程為YK0+065，然后線路沿望江東路敷設(shè)，在YK0+270附近下穿錢江路，YK0+670附近下穿富春江路，YK0+725附近下穿新塘河，YK1+200附近下穿之江路和江北防洪大堤，穿錢塘江后于YK2+600附近下穿江南防洪大堤，同時避開錢江龍雕塑基礎(chǔ)，隧道在江南沿江暉路敷設(shè)，在YK2+670附近下穿聞濤路，YK2+875附近下穿秋水路，YK3+073附近下穿濱盛路后于丹鳳路南側(cè)20m處的YK3+305接地。隧道工程全長3587m，隧道主體分為江南明挖段、江北明挖段和盾構(gòu)隧道三部分，采用兩臺盾構(gòu)機施工，從江南工作井始發(fā)，向北掘進下穿錢塘江后，到達江北盾構(gòu)工作井拆卸吊出。始發(fā)端施工場區(qū)位于濱江區(qū)江暉路正下方，周邊無重要建（構(gòu)）筑物，洞門加固區(qū)距錢塘江岸250m。具體位置如圖1所示。

圖1 望江路隧道平面圖

2.1 地質(zhì)條件

江北明挖段長935m，主要開挖地層為粉土、粉砂，總體上空間分布較穩(wěn)定，略呈舒緩波狀起伏，整體厚度由北往南厚度漸小，明挖段基坑開挖深度1.14～19m，寬度22.3～43m，江北盾構(gòu)井開挖深度25.7m，基坑寬度38m。

江南明挖段長475m，為現(xiàn)有江暉路，淺部普遍分布有①層填土分布，厚度一般為3m左右，且厚度較穩(wěn)。本路段主要開挖層為主要開挖層為③層粉土、粉砂層和⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。明挖段開挖深度1.1～22.2m，寬度22.7～36m，盾構(gòu)井挖深25.4m，寬度38m。

盾構(gòu)段總長約1837m，主要位于錢塘江水域內(nèi)，盾構(gòu)主要開挖層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土、細砂和圓礫，穿越土層軟硬不均，盾構(gòu)隧道土層自上而下土顆粒呈“由細漸粗”式變化，土層特性差異性較大。隧道覆土厚度變化大，隧道埋深7.17～25.51m。受沖刷和潮汐的影響，河床處于動態(tài)變化中。隧道縱端面圖如圖2所示。

圖2 望江路隧道縱斷面圖

2.2 隧道管片設(shè)置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)隧道采用管片拼裝式單層襯砌，管片外徑11300mm，內(nèi)徑10300mm，厚500mm，環(huán)寬 2000mm，采用8塊“7＋1”分塊形式，管片為雙面楔形通用楔型管片，楔型量為40mm，管片采用強度等級為C50，防水等級為P12的高強防水鋼筋混凝土。管片采用錯縫拼裝，管片縱縫設(shè)置凹凸榫槽，采用斜螺栓連接。

盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部為現(xiàn)澆混凝土，結(jié)構(gòu)板厚350mm，墻厚250mm，施工時通過模板臺車澆筑，盾構(gòu)掘進施工完成后開始施工。隧道內(nèi)部效果如圖3所示。

Charnes、Cooper 和Rhodes于1978年提出了用于評價具有多個決策單元(Decision Making Unites，DMU)相對效率的方法——數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(Data Envelopment Analysis，DEA),其中CCR模型最為基礎(chǔ)和典型。假設(shè)有n 個決策單元，并且每一個決策單元對應(yīng)m種投入和s 種產(chǎn)出，那么對于決策單元DMUj來講，將其第i項投入記作xij，將其第r項產(chǎn)出記作yrj。對于決策單元DMUk來說，設(shè)第i項的投入對應(yīng)的權(quán)重為ik，第r項產(chǎn)出對應(yīng)的權(quán)重為vrk，則其總產(chǎn)出與總投入比值為：

圖3 望江路隧道內(nèi)部效果圖

隧道標準段主線橫斷面寬8.25m，為單向兩車道，車道寬3.5m+3.75m；匝道橫斷面寬6.75m，為單車道+應(yīng)急車道，車道寬3.5m+3.25m。

3 滾動角偏轉(zhuǎn)情況分析

3.1 偏轉(zhuǎn)情況介紹

右線盾構(gòu)機在推進至236環(huán)時，滾動角開始變?yōu)?1mm/m，即盾體逆時針偏轉(zhuǎn)。從237環(huán)到272環(huán)滾動角偏轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，273環(huán)到319環(huán)趨勢陡然變大，到 330環(huán)滾動角已經(jīng)增大到-59mm/m，滾動角偏轉(zhuǎn)趨勢如圖4所示。

圖4 滾動角偏轉(zhuǎn)趨勢

330環(huán)時盾體傾斜感強烈，且肉眼可見掘進方向右側(cè)連接蓋板已經(jīng)翹起約4cm，如圖5所示。

3.2 原因分析

3.2.1 盾體重心位置

盾體重心位置偏左會導(dǎo)致盾體在移動過程中，產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢。滾動角在-54mm/m時，盾構(gòu)機盾體的相對位置如圖6所示。

根據(jù)海瑞克的測算當滾動角為0mm/m，重心會偏左3mm，產(chǎn)生左偏扭矩大約 39kN·m。當滾動角為-54mm/m，重心會右偏3mm，此時盾體自身產(chǎn)生的扭矩會幫助盾體順時針旋轉(zhuǎn)。所以基本排除盾體重心位置有誤。

圖5 盾體嚴重偏轉(zhuǎn)

圖6 盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)平面圖

圖7 右線橫斷面圖

3.2.2 地層原因

236環(huán)到330環(huán)此段地質(zhì)上層主要為⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂，層間夾較多粉土和粉砂，該層自上而下性質(zhì)漸好，局部呈粉質(zhì)黏土夾粉砂狀。該層物理性質(zhì)差，高壓縮性。下層主要為⑨3粉砂，頂部局部黏性土含量稍高，呈含黏性土粉砂狀。該層物理性質(zhì)一般～較好，中等壓縮性。圖7所示為右線橫斷面圖及地層情況。

地質(zhì)上硬下軟，且隨著盾構(gòu)掘進加深，⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂在掌子面所占比重加大，其所占比重與滾動角變化趨勢接近相同，在整個滾動角趨勢驟然變大的過程中也是⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂所占比重逐漸增大的過程，可以推測滾動角的無法正常調(diào)整與地質(zhì)的變化有著莫大的關(guān)聯(lián)，也說明此種地層很大程度無法維持盾體正常狀態(tài)，對盾構(gòu)掘進時整個姿態(tài)的影響較大。

掘進過程中發(fā)現(xiàn)9號油缸在整個推進過程中都是向下傾斜的，即下方的定位油缸沒有起到定位作用，檢查后發(fā)現(xiàn)下方的定位油缸失效。但只有一組油缸出現(xiàn)此狀況，因此盾體所受到的影響不夠直接，較為次要。

4 糾偏處理措施及結(jié)果

4.1 輔助工裝進行糾偏

當滾動角增大到-25mm/m時，設(shè)計工裝進行糾偏，如圖8所示。工裝主要通過螺栓連接在管片上，側(cè)面焊接托架固定千斤頂，千斤頂頂住焊接在盾體上的條形鋼板，當推進時對千斤頂進行順時針加壓，運用外力對盾體進行糾偏。

圖8 輔助工裝3D示意圖

在糾偏過程中使用20t千斤頂，并沒有效果，推測是千斤頂力度不夠，所以增加至4個工裝，但是滾動角還是逐漸增大，因此，該措施只能暫時緩解滾動角的偏轉(zhuǎn)情況，不能保證工程順利進行。

4.2 定位油缸糾偏

定位油缸是分布在推進油缸上下兩側(cè)，對油缸進行居中調(diào)整，確保推進油缸在收起時能重新居中，控制推進精度，如圖9所示。

為使盾體順時針偏轉(zhuǎn)，以達到糾偏效果，把一側(cè)的定位油缸泄壓，另一側(cè)的油缸塞入2cm的鋼板塊，如圖10所示，即整個22組油缸的定位油缸全部順時針用力。上面定位油缸進行泄壓，下部墊鋼板，增加油缸行程。

每環(huán)掘進結(jié)束拼裝完成后重復(fù)定位油缸的泄壓和塞入鋼板的操作，雖然過程繁瑣，但是效果非常明顯，基本每環(huán)結(jié)束都可以使?jié)L動角減小-3mm/m，此措施有效地解決了滾動角糾偏的問題。

5 結(jié)語

本文針對大直徑泥水盾構(gòu)機滾動角糾偏技術(shù)的研究，通過對工程概況的詳細介紹，以及對滾動角偏大的原因分析，首次提出了使用工裝對滾動角進行糾偏的技術(shù)，進而又改進定位油缸發(fā)明更加行之有效的糾偏方法，穩(wěn)定了盾構(gòu)姿態(tài)，保證了機械的正常使用，從而確保了工程的順利進行。

圖9 定位油缸

圖10 定位油缸墊鋼板