超大直徑盾構掘進姿態控制

呂志佳

（中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

引言

以某盾構工程為例，該工程地處的區域內，含有較多的卵石和地下水，并且卵石的直徑較大，在盾構施工中，如果未能有效控制掘進姿態，受到卵石的影響會使掘進方向出現偏差。施工企業應重視掘進姿態的控制，針對施工中遇到的問題，采用有效的方法加強姿態的控制，提升盾構施工質量。

一、工程概況

該工程作為城市地下交通樞紐工程，會與城市地下既有交通網絡連接，由于施工區域上方存在大量的建筑，并且在對盾構區域地質結構進行勘測時，發現地質結構中含有較多的卵石，卵石的最大直徑為500 毫米，常見的卵石直徑在200-400 毫米范圍內。整個盾構區域的施工距離超過1800 米，但是盾構區域內含有大量的卵石，同時地下水較為豐富，使盾構區域的卵石滲透系數為每天25 米，在掘進時產生的最大坡度超過千分之27。針對盾構區域內含有大量的卵石以及地下水，在施工的準備階段，施工企業根據巖土工程勘察參數，設計出適應砂卵石地層的刀盤設備，用于掘進施工的同時，還能減少受到地質環境的影響，導致掘進姿態發生變化。

二、研究內容

（一）地面注漿

姿態控制研究內容分為四項，一是加固技術，加固技術應用在始發段、洞門以及地表；二是控制技術，控制技術應用在反力架、托架以及始發姿態控制；三是封堵技術，封堵技術應用在渣土改良和洞門；四是加固技術，應用在始發段、洞門以及地表加固。

該工程的始發地段，由于含有較多的地下水，整個施工過程受到地下水的影響，會使始發段的顆粒物含量不斷降低，導致大直徑的卵石集中在始發段，不利于盾構掘進施工正常進行。此外在進行施工時，會在始發段出現沉降或者塌陷等情況，嚴重影響施工質量。針對始發段施工中出現的問題，在始發段施工區域的20 米范圍內，會地面注漿技術，用于加固地表、洞門等，并配合使用鉆孔注漿技術，提升始發段周圍地質結構的穩定性，有助于控制掘進姿態。

在地面注漿加固施工期間，使用的設備為履帶式鉆機，采用垂直鉆孔注漿方法，對地面端頭進行加固施工。在始發段的左右兩端，設有100 平方米的土體作為加固區域，在加固區域內使用直徑為48 的袖閥管，每個管的間距為2 米，將管布置成梅花型，利用管向始發段的土體進行注漿施工。在埋設管道前，施工企業會確定管線的位置，通過鉆孔施工獲取管線布置區域土體的參數，用于制定盾構危險源報告的參考依據，根據實際情況對管線布置做出調整。

在進行注漿時，會配比水泥漿液，水泥漿液比控制為0.8:1，或者為1:1，將注漿壓力控制在0.3-0.5MPa 范圍內。上述參數均會根據實際施工條件進行調整以此滿足施工需求。

（二）洞門管棚加固

在洞門位置設立大管棚，采用加固技術增強洞門的穩定性，主要依賴直徑為108 毫米的管棚，將管棚上方設置為弧度為120 度的拱形，在兩側使用直徑6 毫米的無縫鋼管，采用分節安裝的方式，將管棚分節位置的長度設定為15 米。此外在洞門的端頭位置，使用28 個管棚，使用絲扣連接管棚，提升管棚的整體性。在管棚的尾部區域，要求在距離地面的20 公分位置，作為停止注漿的區域，采用后退式分段注漿方法，注漿時如果距離洞徑外側較近，將外偏角設定為1 度，可以使鋼管在設置的區域內，避免進入到掘進空間，影響掘進姿態的控制。

（三）定位拼裝

定位拼裝主要與負環第一環有關，在始發段根據結構的尺寸，一般會使用7 個負環用于支撐始發段的盾構設備，每個負環的控制距離為1.8米，采用錯縫拼裝方法，會提升拼裝定位的精度。以0 負環定位拼裝為例，按照正常順序進行拼裝，會在始發段出建立封閉管口，使用固定管片，在0 環與1 環之間使用L 形鋼板固定管片。在固定管片時，要求工作人員在管片的外側。提升管片的密封性，采用壓翻盾尾刷，用于控制管片與負環間的空隙，同時使用方木楔塊支撐管片與負環。

三、機架加固姿態控制

（一）托架和反力架加固

在托架定位過程中，由于托架是始發段鋼結構的基礎，采用軸線放樣方法，精準定位托架的位置，確定托架的位置，在井下完成焊接操作和安裝。根據隧道的位置，將鋼軌的中心與隧道的中心重合，在相同的豎直空間。在盾體的前方，將盾構設備的高度提升20 毫米，在后端設備高度與設計高度相同，產生的傾角，使用鋼板進行支撐加固，支撐加固中使用焊接方法，防止盾構設備出現位移。在安裝中配合使用測量放樣方法，使基線吊入的位置，與井下保持相同的位置，在相同的位置，將托架與反力架產生的夾角誤差，控制在正負千分之2 以內。

在反力架加固過程中，應在加固位置埋設鋼板。埋設鋼板后應進行驗收，完成驗收后才能進行混凝土澆筑施工。在加固中進行焊接操作，要求焊接質量必須符合使用標準，并且在中板梁上安裝支撐反力架的設備，如側面抗浮設備和底部抗浮設備。反力架的基礎位置，使用地錨進行加固處理，地錨的數量與反力架的長度有關。

（二）防載頭下沉控制

使用刀盤進行掘進施工時，在刀盤與地質結構接觸期間，刀盤缺乏支撐結構，會在掘進中發生磕頭的情況。一般在刀盤的底部，會設有導軌，導軌與刀盤的掘進距離相同。將刀盤和導軌設置為相同的角度，并且將高度控制在相同的豎直方向，即可防止刀盤出現下沉的情況。

在始發段加強掘進姿態的控制，應以載頭下沉控制為主，在載頭控制期間，將載頭的高度提升20 毫米，保持抬頭的狀態，會使盾構始終保持該狀態前進。在始發段掘進期間，會出現較多的細顆粒物質，使整個盾構區域的穩定性發生變化，并且受到盾構設備的影響，掘進設備的載頭會出現下沉情況。在載頭位置安裝防磕頭設備，會避免出現磕頭情況。

由于盾構區域內含有較多的卵石，卵石對盾構區域的穩定性產生較大的影響，需要在盾構區域內進行注漿施工，提升地質結構的穩定性。完成上述施工過程后，應在洞門位置進行封堵作業。封堵作業期間，按照脫離盾位的設置要求，在其它負環位置進行二次注漿施工，進一步提升盾構區間的穩定性。

（三）掘進封堵注漿

在掘進封堵注漿過程中，應首先完成掘進渣土改良。根據盾構區域掘進參數要求，一是設定每分鐘30-40 毫米的掘進速度，二是掘進推理設定在2000-3500kN 范圍內，三是土壓在0.8-1.4bar 范圍內；五是刀盤轉速為1.0-1.5rpm 范圍，六是刀盤扭矩為3000-5000kNm。此外將每個負環的注漿量，控制在10-12 立方米范圍內，在注漿時壓力控制在2-4bar范圍內。在進行注漿操作期間，應嚴格控制注漿壓力，并對整個注漿過程進行嚴密的監控，結合獲取的注漿參數，對每個負環的注漿壓力進行調整，其中調整姿態偏量為每環5 毫米，地層損失率控制在1%以內，在穿過地層時，注漿壓量應為每米2.5 立方米。

基于上述要求，施工企業按照少量多次的原則，將漿液的水灰比設定為0.9:1.0，將注漿量控制在0.5-1.5 立方米范圍內，壓力控制在0.2-0.3Mpa 范圍內。

由于該盾構區域內含有較多的卵石，會使用大量的同步注漿材料，同步注漿材料配比和性能指標如下，水泥量在100-220 公斤范圍內，粉煤灰量在241-381 公斤范圍內，膨潤土量在50-60 公斤范圍內，砂量在710-800 公斤范圍內，水量在460-600 公斤范圍內，外加劑量根據試驗參數進行調整。

在進行掘進姿態控制期間，要求在始發段內使用渣土改良技術，改良技術中，應在推進施工區域內，將泡沫劑的添加量控制在3.5%，發泡率控制在11-16%范圍內，并且注入率應在19-22%范圍內。在對膨潤土進行改良過程中，盾構區域內含有較多的砂卵石，砂卵石的潤滑度較差，需要增加膨潤土的量，在每個負環膨潤土的量應達到50%，提升盾構區域土體的通透性，從而獲得良好的膨潤效果。此時使用盾構設備進行掘進時，不僅會控制掘進姿態，還能使掘進的扭矩和轉速保持在穩定狀態，提升掘進施工的效率。

在掘進中會出現千瓦的情況，施工企業應降低刀盤的扭矩，并且在始發段清理盾構區域內產生的渣土，完成欠壓磨樁操作后，會使盾構區域內土體更加穩定。此外調整膨潤土和泡沫劑的使用量，將掘進參數設定在穩定區間，即可控制掘進姿態。

結語

綜上所述，在超大直徑盾構施工中，以該工程為例，根據工程施工區域內土體的情況，采用多種方法加強掘進姿態的控制，通過控制掘進姿態，一方面會減少對地表建筑的擾動，另一方面會提升掘進效率，在規定的時間內完成施工。