盾构掘进中姿态纠偏与泥饼部位的判断和处理

赵超

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡214000）

盾构掘进中姿态纠偏与泥饼部位的判断和处理

赵超

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡214000）

影响盾构掘进姿态的因素多且复杂，对姿态的控制和纠偏是盾构施工的技术难题。盾构在复合地层中掘进时，结泥饼的现象也是城市地铁隧道工程中的另一大难题。从盾构掘进的方向控制和姿态调整阐述盾构掘进中的姿态纠偏，从泥饼的成因出发判断泥饼的部位，提出应对处理措施。

盾构掘进；姿态控制；泥饼

1 盾构掘进中的姿态纠偏

在盾构施工的过程中，姿态控制是最重要的施工环节之一。盾构姿态控制要遵循的基本原则是：将隧道设计轴线作为控制目标，最大程度地控制偏差，保证偏差程度在在设计范围内，与此同时，还要保证在此过程之中不破坏管片。

盾构的推进主要依赖于千斤顶的作用。在向前推进盾构时，应该对千斤顶进行不同区域的设置，使得轴线的控制工作得以顺利便捷地进行。在对切口水压的设置确定无误的基础之上，各个不同区域的油压应该被严格控制起来，与此同时，千斤顶的行程也要控制好，合理地进行纠偏工作。最好能提高纠偏频率，做到勤纠，从而缩减单次纠偏量，尽量能够做到让盾构在设计轴线的方向上推进[1]。

2 姿态纠偏的主要工作内容

以隧道的设计轴线为标准，盾构推进时机头的姿态偏差主要有3种位置关系，这3种位置关系也就构成了纠偏工作的3种主要工作内容。

（1）水平位置。水平偏差值（x），将其规定为向右偏为正值，向左偏为负值。

（2）立面位置。高程偏差值（y），将其规定为坡度向上为正值，向下为负值。

（3）旋转位置。设定盾构机的自转角（X），规定机身左转则X为负值，机身右转则X为正值。

3 盾构掘进姿态控制的具体措施

3.1 方向控制

（1）自动导向测量占主导地位，人工测量起辅助作用。在现代的隧道施工过程中，自动导向测量系统已经广泛地应用于盾构姿态纠偏，其主要功能为自动定位和引导、方向控制以及实时显示，还能够预测偏差可能继续发展的具体走向。所以，根据隧道自动导向测量系统可以及时发现偏差并对盾构机掘进的方向进行实时的姿态调整，使盾构的姿态偏差能够保持在工程允许的合理范围之内。

但是，自动导向测量系统也存在缺陷，在施工时，其后视基准点要随之不断向前移动，因此其监测也有微小的误差。为了弥补自动导向测量系统的技术缺陷，保证盾构的准确推进方向，还必须进行人工测量，频率为每周2次以上。这样一来能够核准自动测量得出的数据，二来可以对盾构机的位置与姿态进行复核。自动导向测量系统与人工测量相结合，确保盾构掘进方向正确性[2]。

（2）严密监测并控制油缸推力。油缸推力也能在一定程度上影响盾构的推进方向。在执行设计好的控制程序的同时，还可以因地制宜地对油缸推力进行调整。

当盾构机处于上坡的状态时，可适当将下部油缸的推力增大；相应地，当盾构机的行进状态转为下坡时，就可以稍微将上部油缸的推力增大。而当盾构机的行进状态处于曲线段时，若是向左转，可适当增大右侧油缸的推力。相应地，若是向右转，则可以可适当增大左侧油缸的推力。而当盾构机处于平坡直线路段时，则应该使所有的油缸推力保持一样的大小。若盾构机所处的土层软硬均匀一致，则应该使所有的油缸推力保持一样的大小。若它所处的土层软硬不均，则应该根据土层的软硬之分，在硬地层的那一侧的油缸推力应该适量加大，在软地层的那一侧的油缸推力应该适量减小。

3.2 姿态纠偏的具体措施

尽管采取了上述措施，尽量保证盾构机掘进方向不与隧道设计轴线产生偏离，但是施工过程比较复杂，有很多原因都会造成偏离，而且偏离程度会逐渐接近允许的偏离范围上限。此时，就要对盾构机掘进的方向偏差进行及时的纠正了。纠正偏差的主要方法还是控制油缸推力。

（1）滚动纠偏。若盾构机的滚动超出了限制范围，那么警报就会自动响起，此时可采取的措施是反转盾构刀盘来纠正滚动偏差。

（2）竖直方向与水平方向纠偏。盾构机可能会发生下俯或上仰的情况，下俯时可采取的措施是增强下侧千斤顶的推力；上仰时可采取的措施是增强上侧千斤顶的推力，以此来纠正偏差。

4 盾构掘进中泥饼部位的判断与处理

我国大城市的人口逐年增多，城市交通压力逐年增大，地面交通已经无法满足城市的交通需求，城市交通规划开始转向地下空间，地铁隧道建设工程越来越多，盾构工法在这些过程中得到了广泛的采用。然而，这一工法在实际的施工中常常面临着结泥饼的技术难题，它严重地影响着掘进的安全性、设备的耐久性和施工组织的合理性。

4.1 泥饼部位的判断

（1）泥饼的概念。所谓泥饼，就是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土舱内重新聚集而成的半固结和固结状的块状体。泥饼的问题早在半个世纪以前就被日本的盾构专家提出来了，各国专家也一直都在探索解决的方法。我国自从上海打浦路隧道开始修建后，也一直在积极地寻求解决途径。泥饼会增加盾构机刀盘和刀具的负荷，它的存在常常会影响掘进参数，施工效率会因此而大大降低。

（2）泥饼的部位判断。在隧道穿过的复合地层中，岩层大多都是强风化的泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩，这些种类的岩层一般都含有丰富的粘土矿物颗粒，它们经过刀具的切削和刀盘的冲击，岩块会碎裂，最终变成碎屑或粉末状的粘土颗粒，这就是泥饼形成的基本材料。在隧道的施工过程中，技术人员曾对形成了泥饼的环段进行检测分析，对砂土进行采样实验，采用冲水称重和简单的筛分法作为实验方法。实验结果为：泥饼的形成与粘土粒、碎屑的含量有关，当它们在泥岩和泥质粉砂岩中的含量＜20%时，泥饼形成的可能性很小，当含量＜25%时，再加上施工技术和设备等因素的多重影响，形成的可能性就会更大了。由此可见，泥岩和泥质粉砂岩中粘土粒和碎屑多的部位，更容易结泥饼。

盾构刀盘和刀具设计和制造不合理，也会导致盾构机在推进的过程中产生泥饼。影响泥饼形成的主要因素有：刀盘中心区开口率，刀盘内的搅拌棒及幅条型式和数量。一般认为，33%的刀盘中心区开口率是保证少结泥饼的开口率下限值。如果刀具的布置不合理，那么削下来的砂土就不均匀，滚刀也会产生磨损，这些都会对掘进和排土效率产生影响，进而产生泥饼。工程实践中表明，泥饼形成的高发区在刀盘中心区，因为中心区的开孔率比较小，线速度比较低，如果设置了滚刀，泥饼就更容易形成了。此外若刀盘支撑幅条钢结构呈箱式向密封仓开口，也很容易形成泥饼[3]。

4.2 泥饼的处理

（1）在设计和制造盾构机时，选择开口率适当的到刀盘中心区。为了将土舱内泥土粘附情况及时反映出来，可以在土舱内设置一个土压力传感器，对泥饼的产生进行监测和预防；还可以在刀盘内侧设置搅拌棒，与刀盘一起搅拌转动，使土体流动得速率更快，降低泥饼产生的可能性。

（2）粘性土地层砂土的土体改良。由泥饼产生的部位可知，泥岩和泥质粉砂岩中粘土粒和碎屑的含量会影响泥饼的产生，因此为了降低泥饼产生的可能性，可以对粘性土地层砂土的土体进行改良。在施工中调查分析土体粘性和含砂粒比例，适当时可以添加适量的土体改良剂，即泡沫，降低土体粘着力，实现土体的改良。

（3）盾构掘进参数的设定。盾构施工时，在粘性土地层中的土压平衡的情况下，土压的设定值是以理论上的土压值作为基础的，然后进行适当降低，在施工中可以根据实际情况做出轻微调整。不过，在实际施工中对盾构穿越地层的特性进行观测和分析是十分必要的，在盾构推进中，要实时掌握施工速度、盾构掘进性能、泥土温度等等，并观察这些因素对泥饼形成的影响，尽量控制好盾构推进的速度，最大程度地降低泥饼产生的可能性。

（4）土压力传感器的设置。对于土压力传感器的设置，应当在土舱内的不同高度有所不同。测出土体的表观密度，在传感器感觉到有泥饼产生之前，采用漏斗法测量土样的黏度，一旦测量到黏度＞12时，就应该及时地往土层中注入泡沫剂和膨润土，对砂土进行改良。

（5）快速均衡施工。在施工中，要保持盾构施工的连续、快速和稳定，如果有长时间的停机状况，那么土舱内土压就会越来越高，流动性受到影响，刀盘及刀具板更容易形成泥饼；而且盾构掘进的速度过慢，掘完一环就需要花费3 h以上，时间太久，泥饼形成的可能性也会很大[4]。

（6）定期开舱、清舱。在盾构过程中进行定期的开舱检查，这类似于人需要定期去做体检，起的是一种早发现早解决的功能，而不是等到病情显现之后再来补救，这时就延误了最佳的解决时机。定期的开舱检查能够及时地掌握地层的地质状况，以及刀具的磨损状况，可以预防泥饼的产生。一旦检查出刀盘处有粘着的颗粒或已经形成的泥饼，一定要对其进行彻底的清理。

［1］彭涌涛.盾构掘进姿态控制技术研究[J].森林工程，2013，（6）：106-110.

［2］郭正刚.基于机器学习的盾构姿态调整决策方法研究[D].大连理工大学，2013.

［3］严辉.盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施[J].现代隧道技术，2007，（4）：24-27+35.

［4］竺维彬，鞠世健.盾构施工泥饼(次生岩块)的成因及对策[J].地下工程与隧道，2003，（2）：25-29+48.

〔编辑利文〕

U455.43

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.40