浅谈大直径泥水盾构滚动角纠正施工技术

李顺旭，王奇超

（中铁隧道局集团有限公司设备分公司，广东 广州 511458）

盾构是集机、液、电、光、信息技术为一体的大型专用设备，目前被广泛用于地铁、公路、铁路、引水工程、电力隧道、城市管网等地下空间的建设。泥水盾构的工作原理是以膨润土泥浆在开挖面形成一层难透水的泥膜，使泥浆压力有效地作用在开挖面上，平衡来自掌子面水土压力。泥水盾构通常用于适用于穿江越海、高水压等复杂地质隧道。

盾构在掘进时，根据导向系统中方位角、俯仰角、滚动角等参数来控制盾构姿态。方位角和俯仰角是一个反应盾构实际掘进方向和隧道理论中心线的参数，通过调整分组油缸的压力，使盾构的掘进方向趋向隧道的理论中心线；滚动角是一个反应盾构自转的参数，通过改变刀盘转向调整盾构自转角度，保证盾构在推进过程中的正确受力状态。

在盾构掘进时，往往由于人员操作不当或恶劣的地质条件等因素，使盾构滚动角增大，对设备的状态、掘进姿态的控制、管片安装的质量都造成一定的影响，存在一定的施工风险。本文以超大直径泥水盾构施工为例，介绍盾构滚动角的纠正过程、方法，为以后盾构施工者提供借鉴。

1 工程概况

该项目为过海隧道工程，隧道全长6 680m，设计为双向六车道，时速为60km/h。海域段采用2 台15m 级超大直径泥水平衡盾构平行施工，掘进长度3 047.5m，管片外径为14.5m，内径为13.3m，环宽2m，主要通过地层为淤泥、淤泥质土、淤泥混砂、中粗砂以及三段基岩突起。

2 设备概况

该盾构采用常压刀盘，开挖直径为15.03m，刀盘重约540t；主机总长约15m、整机长度小于130m，主机重量约2 800t、整机重量约4 100t，刀盘转速为0～2.25rpm，最大推进速度为50mm/min、最大推力为22 220t。具备常压换刀、刀具在线监测系统、主驱动伸缩摆动等功能；每根推进油缸都配置有浮动支撑油缸，可减轻推进油缸在掘进过程中因转弯受到的侧向力。

3 盾构滚动角纠正施工

3.1 问题描述

该盾构于2019年6～8月掘进期间，滚动角（正值）逐步增大，8月8日滚动角已增加到3.9°。为防止滚动角持续增大，造成盾尾密封失效，掘进姿态控制困难，流体软管弯折破裂，管片错台、破裂等风险，项目技术人员联合盾构设计人员共同研究滚动角增大的原因及解决方法。

3.2 原因分析

根据动量守恒定律知：在盾构掘进过程中，主驱动给刀盘提高切削掌子面的扭矩，同时该扭矩须通过地层与盾体的摩擦力矩来平衡，即当刀盘选择正转时，会给盾体产生一个反转的扭矩，反之则依然。

该盾构滚动角为正值增大，即盾体顺时针旋转了一定的角度，为使盾体逆时针回转，需要给盾体提供反转的扭矩，根据动量守恒定律，在掘进时旋转刀盘正转即可。但是经过几十环的掘进，滚动角非但没有减小反而增大的越快。针对这一现象，技术人员及专家分析原因为：该段掘进地层为淤泥质土、淤泥混砂等，土体软弱自稳性差、流塑性强、刀盘易开挖，在掘进过程中不足以产生能使大重量主机可旋转的扭矩。

3.3 施工过程

根据原因分析，需要在掘进过程中增加刀盘的切削扭矩，给盾体提供更高的反转扭矩，主要通过以下方法逐步实现滚动角减小。

3.3.1 增加配置及优化掘进参数

1）增加配重 在掘进过程中，使拼装机配重块（15t）旋转至掘进方向9 点钟位置，可产生735kNm 的扭矩。

2）优化掘进参数 提高气垫仓液位增加泥水仓压力，提高推进速度、降低刀盘转速来增大贯入度，使刀盘扭矩提升了2 倍，见表1。

表1 掘进参数对比表

3）效果 滚动角增大得到了抑制，没有再增加。

3.3.2 推进油缸浮动支撑处安装垫块

在优化掘进参数的基础上，在浮动支撑下部调节油缸的右油缸位置处安装垫块，目的是将推进油缸向右倾斜0.32°，在盾构推进时，分解的侧向力给盾体产生反转的力矩，具体位置如图1所示。

1）该方法在盾构推进时可提供盾体的反转扭矩为：取盾构推力F=80000kN，可提供的反转侧向力为80000×sin0.32°=446kN，反转扭矩为446×6.95=3099kNm。

a）垫块安装位置

图1 浮动支撑安装垫块

2）具体实施方法：①准备承载能力要求在10t 以上吊带和吊装葫芦；②将生锈的浮动支撑左右调节油缸打磨清理；③将浮动支撑顺时针方向拖拉30mm，让出支撑垫块的安装空间，如图1 所示，图1a 中15mm 和25mm 位置可以作为浮动支撑拖拉到位的参考尺寸；④支撑垫块安装完成后，以优化后的掘进参数恢复推进，每推进400mm 分组回收一次推进油缸，防止推进油缸因受侧向力过大，造成油缸缸体、密封及管片损坏。

3）使用效果：该方法掘进13 环，滚动角由在422 环时的3.9°降为435 环时3.2°，效果十分明显。

为防止滚动角纠正过快对盾尾密封造成损坏、贯入度增大刀具和刀盘的磨损，可根据滚动角的减小情况逐步降低推进速度、提高刀盘转速至正常掘进参数；同时逐渐拆除浮动油缸处支撑垫块，防止对油缸造成损坏。

4 结语

大直径泥水盾构近几年广泛用于城市地下空间的建设，已成为未来盾构发展的一种趋势。大直径盾构的施工不同于常规级盾构，具有一定的难度，这就需要拥有一支经验丰富、专业高效工作团队，从业人员能够根据地质环境、水土条件合理制定施工方案、掘进参数，有效规避施工风险；通过熟练掌握的设备原理及功能，可有效提高设备掘进效率，降低使用故障率，保证盾构安全、高效施工。