超大直径盾构掘进姿态控制

吕志佳

（中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

引言

以某盾构工程为例，该工程地处的区域内，含有较多的卵石和地下水，并且卵石的直径较大，在盾构施工中，如果未能有效控制掘进姿态，受到卵石的影响会使掘进方向出现偏差。施工企业应重视掘进姿态的控制，针对施工中遇到的问题，采用有效的方法加强姿态的控制，提升盾构施工质量。

一、工程概况

该工程作为城市地下交通枢纽工程，会与城市地下既有交通网络连接，由于施工区域上方存在大量的建筑，并且在对盾构区域地质结构进行勘测时，发现地质结构中含有较多的卵石，卵石的最大直径为500 毫米，常见的卵石直径在200-400 毫米范围内。整个盾构区域的施工距离超过1800 米，但是盾构区域内含有大量的卵石，同时地下水较为丰富，使盾构区域的卵石渗透系数为每天25 米，在掘进时产生的最大坡度超过千分之27。针对盾构区域内含有大量的卵石以及地下水，在施工的准备阶段，施工企业根据岩土工程勘察参数，设计出适应砂卵石地层的刀盘设备，用于掘进施工的同时，还能减少受到地质环境的影响，导致掘进姿态发生变化。

二、研究内容

（一）地面注浆

姿态控制研究内容分为四项，一是加固技术，加固技术应用在始发段、洞门以及地表；二是控制技术，控制技术应用在反力架、托架以及始发姿态控制；三是封堵技术，封堵技术应用在渣土改良和洞门；四是加固技术，应用在始发段、洞门以及地表加固。

该工程的始发地段，由于含有较多的地下水，整个施工过程受到地下水的影响，会使始发段的颗粒物含量不断降低，导致大直径的卵石集中在始发段，不利于盾构掘进施工正常进行。此外在进行施工时，会在始发段出现沉降或者塌陷等情况，严重影响施工质量。针对始发段施工中出现的问题，在始发段施工区域的20 米范围内，会地面注浆技术，用于加固地表、洞门等，并配合使用钻孔注浆技术，提升始发段周围地质结构的稳定性，有助于控制掘进姿态。

在地面注浆加固施工期间，使用的设备为履带式钻机，采用垂直钻孔注浆方法，对地面端头进行加固施工。在始发段的左右两端，设有100 平方米的土体作为加固区域，在加固区域内使用直径为48 的袖阀管，每个管的间距为2 米，将管布置成梅花型，利用管向始发段的土体进行注浆施工。在埋设管道前，施工企业会确定管线的位置，通过钻孔施工获取管线布置区域土体的参数，用于制定盾构危险源报告的参考依据，根据实际情况对管线布置做出调整。

在进行注浆时，会配比水泥浆液，水泥浆液比控制为0.8:1，或者为1:1，将注浆压力控制在0.3-0.5MPa 范围内。上述参数均会根据实际施工条件进行调整以此满足施工需求。

（二）洞门管棚加固

在洞门位置设立大管棚，采用加固技术增强洞门的稳定性，主要依赖直径为108 毫米的管棚，将管棚上方设置为弧度为120 度的拱形，在两侧使用直径6 毫米的无缝钢管，采用分节安装的方式，将管棚分节位置的长度设定为15 米。此外在洞门的端头位置，使用28 个管棚，使用丝扣连接管棚，提升管棚的整体性。在管棚的尾部区域，要求在距离地面的20 公分位置，作为停止注浆的区域，采用后退式分段注浆方法，注浆时如果距离洞径外侧较近，将外偏角设定为1 度，可以使钢管在设置的区域内，避免进入到掘进空间，影响掘进姿态的控制。

（三）定位拼装

定位拼装主要与负环第一环有关，在始发段根据结构的尺寸，一般会使用7 个负环用于支撑始发段的盾构设备，每个负环的控制距离为1.8米，采用错缝拼装方法，会提升拼装定位的精度。以0 负环定位拼装为例，按照正常顺序进行拼装，会在始发段出建立封闭管口，使用固定管片，在0 环与1 环之间使用L 形钢板固定管片。在固定管片时，要求工作人员在管片的外侧。提升管片的密封性，采用压翻盾尾刷，用于控制管片与负环间的空隙，同时使用方木楔块支撑管片与负环。

三、机架加固姿态控制

（一）托架和反力架加固

在托架定位过程中，由于托架是始发段钢结构的基础，采用轴线放样方法，精准定位托架的位置，确定托架的位置，在井下完成焊接操作和安装。根据隧道的位置，将钢轨的中心与隧道的中心重合，在相同的竖直空间。在盾体的前方，将盾构设备的高度提升20 毫米，在后端设备高度与设计高度相同，产生的倾角，使用钢板进行支撑加固，支撑加固中使用焊接方法，防止盾构设备出现位移。在安装中配合使用测量放样方法，使基线吊入的位置，与井下保持相同的位置，在相同的位置，将托架与反力架产生的夹角误差，控制在正负千分之2 以内。

在反力架加固过程中，应在加固位置埋设钢板。埋设钢板后应进行验收，完成验收后才能进行混凝土浇筑施工。在加固中进行焊接操作，要求焊接质量必须符合使用标准，并且在中板梁上安装支撑反力架的设备，如侧面抗浮设备和底部抗浮设备。反力架的基础位置，使用地锚进行加固处理，地锚的数量与反力架的长度有关。

（二）防载头下沉控制

使用刀盘进行掘进施工时，在刀盘与地质结构接触期间，刀盘缺乏支撑结构，会在掘进中发生磕头的情况。一般在刀盘的底部，会设有导轨，导轨与刀盘的掘进距离相同。将刀盘和导轨设置为相同的角度，并且将高度控制在相同的竖直方向，即可防止刀盘出现下沉的情况。

在始发段加强掘进姿态的控制，应以载头下沉控制为主，在载头控制期间，将载头的高度提升20 毫米，保持抬头的状态，会使盾构始终保持该状态前进。在始发段掘进期间，会出现较多的细颗粒物质，使整个盾构区域的稳定性发生变化，并且受到盾构设备的影响，掘进设备的载头会出现下沉情况。在载头位置安装防磕头设备，会避免出现磕头情况。

由于盾构区域内含有较多的卵石，卵石对盾构区域的稳定性产生较大的影响，需要在盾构区域内进行注浆施工，提升地质结构的稳定性。完成上述施工过程后，应在洞门位置进行封堵作业。封堵作业期间，按照脱离盾位的设置要求，在其它负环位置进行二次注浆施工，进一步提升盾构区间的稳定性。

（三）掘进封堵注浆

在掘进封堵注浆过程中，应首先完成掘进渣土改良。根据盾构区域掘进参数要求，一是设定每分钟30-40 毫米的掘进速度，二是掘进推理设定在2000-3500kN 范围内，三是土压在0.8-1.4bar 范围内；五是刀盘转速为1.0-1.5rpm 范围，六是刀盘扭矩为3000-5000kNm。此外将每个负环的注浆量，控制在10-12 立方米范围内，在注浆时压力控制在2-4bar范围内。在进行注浆操作期间，应严格控制注浆压力，并对整个注浆过程进行严密的监控，结合获取的注浆参数，对每个负环的注浆压力进行调整，其中调整姿态偏量为每环5 毫米，地层损失率控制在1%以内，在穿过地层时，注浆压量应为每米2.5 立方米。

基于上述要求，施工企业按照少量多次的原则，将浆液的水灰比设定为0.9:1.0，将注浆量控制在0.5-1.5 立方米范围内，压力控制在0.2-0.3Mpa 范围内。

由于该盾构区域内含有较多的卵石，会使用大量的同步注浆材料，同步注浆材料配比和性能指标如下，水泥量在100-220 公斤范围内，粉煤灰量在241-381 公斤范围内，膨润土量在50-60 公斤范围内，砂量在710-800 公斤范围内，水量在460-600 公斤范围内，外加剂量根据试验参数进行调整。

在进行掘进姿态控制期间，要求在始发段内使用渣土改良技术，改良技术中，应在推进施工区域内，将泡沫剂的添加量控制在3.5%，发泡率控制在11-16%范围内，并且注入率应在19-22%范围内。在对膨润土进行改良过程中，盾构区域内含有较多的砂卵石，砂卵石的润滑度较差，需要增加膨润土的量，在每个负环膨润土的量应达到50%，提升盾构区域土体的通透性，从而获得良好的膨润效果。此时使用盾构设备进行掘进时，不仅会控制掘进姿态，还能使掘进的扭矩和转速保持在稳定状态，提升掘进施工的效率。

在掘进中会出现千瓦的情况，施工企业应降低刀盘的扭矩，并且在始发段清理盾构区域内产生的渣土，完成欠压磨桩操作后，会使盾构区域内土体更加稳定。此外调整膨润土和泡沫剂的使用量，将掘进参数设定在稳定区间，即可控制掘进姿态。

结语

综上所述，在超大直径盾构施工中，以该工程为例，根据工程施工区域内土体的情况，采用多种方法加强掘进姿态的控制，通过控制掘进姿态，一方面会减少对地表建筑的扰动，另一方面会提升掘进效率，在规定的时间内完成施工。