盾构机在淤泥质地层中推进如何控制盾构机姿态的研究讲义.docx

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盾构机在淤泥质地层中推进如何控制盾构机姿态的研究讲义

盾构机在淤泥质地层中推进应如何控制好盾构机姿态的方法和研究

作者：

李懂懂

引言

随着城市的快速发展，我国各大城市都在进行建设地铁。

盾构法施工技术得到了广泛的应用。

当盾构机在不同地质条件推进时盾构姿态的控制是有所差别的。

东方大道站～独墅湖南站盾构区间左线1772.729m、右线1794.2m。

总长度为3566.929m。

本区间线路始于东方大道站东端，下穿花泾港河道后线路稍向北偏，下穿独墅湖公园、赏湖路、规划地块（一类居住用地）及苏州运河后，线路转向北下穿过规划地块（二类居住用地）后折向启月街到达独墅湖南站。

区间线路共有两段曲线，半径分别为2000m、450m，左右线路中心线间距13.0～16.5m。

区间隧道纵坡呈“V”字型，最大坡度25‰，最小坡度3.5‰。

与车站相连端的竖曲线半径为3000m，其余半径为5000m。

隧道埋深10.8～19.1m，下穿苏州运河段隧道最小埋深约11.6m。

图2.1东方大道站～独墅湖南站区间平面示意图

序号

区间名称

隧道通过的主要地层为

地下水情况

隧道埋深

1

东方大道站

～

独墅湖南站

区间

隧道通过的主要底层为：

④2层粉土夹粉质粘土，局部为②Y层淤泥质粘土、③3层粉土、④1层粉质粘土、⑤1层粉质粘土

场区地下水主要为松散浅层孔隙潜水和松散岩类孔隙（微）承压水。

潜水位埋深：

0.3～2.5m；

微承压水主要赋存于③2层粉质粘土和⑤2层粉土夹粉砂层。

其层顶埋深分别为11.6～22m、27.8～33.1m；

承压水主要赋存于⑦2粉土层及⑦4粉土夹粉砂层，⑦2层与上部⑤2层相互贯通。

⑦4层层顶埋深为50～52m。

工程场区分布的④1和⑤1层粘性土，呈软～流塑状，是场区相对软弱的土层；沿线场区分布的②Y层淤泥质粘土，流塑状，是场区内主要软弱地层。

工程所在场区在基坑开挖范围内分布的③3层粉土和④2粉土夹粉质粘土层，为弱透水层、渗透性尚好，在一定水头压力差作用下易发生渗透变形，其表现形式主要为流土或管涌等。

13

～16.5m

图2.2东方大道站～独墅湖南站区间地质断面示意图

1.淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制

盾构机在软弱土层中掘进时,由于地层自稳性能极差,为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内,避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动,宜将盾构机掘进速度控制在30～40mmömin之间,刀盘转速控制在1.5römin左右。

在该段地层中掘进时,四组千斤顶推力应较为均衡,避免掘进过程中千斤顶行程差过大,否则,可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。

在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂,以保持出土顺畅,尽量保持盾构机的连续掘进,同时,要严格控制同步注浆量,以保证管片背后间隙被有效填充。

盾构机在这种地层中掘进,其盾构机的姿态控制难度大,易产生盾构机垂直方向上的过量蛇行,造成管片错台及开裂。

在这类地质条件下掘进,盾构机刀盘受力不均,掘进速度不均衡,这就要求在掘进过程中,必须时刻观察测量系统提供的盾构机姿态数据,结合推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值,不断地调整各分区千斤顶的推力及总推力,以保持盾构机姿态的平稳。

如果不注意调整推进千斤顶的行程差,就会造成管片选型变化大,甚至造成过小的盾尾间隙使管片不能顺利脱出盾尾。

因此,在推进过程中不能单一的只注意测量系统所提供的盾构机姿态来指导掘进,还应兼顾各分区千斤顶的行程差。

在盾构机姿态控制中,推进油缸的行程控制是重点。

对于1.5m宽的管片,原则上行程控制在1700～1800mm之间,行程差控制在0～40mm内,行程过大,则盾尾刷容易露出,管片脱离盾尾较多,变形较大;行程差过大,易使盾体与管片之间的夹角增大,易造成管片的破损、错台。

2.对于如何控制盾构姿态，

首先盾构机姿态控制的一般细则一般情况下,盾构机的方向纠偏应控制在±20mm以内,在缓和曲线及圆曲线段,盾构机的方向纠偏应控制在±30mm以内，盾构机姿态控制操作原则有两条:

（1）盾构机回转角值应适宜,盾构机回转角值太大,盾构机不能保持正确的姿态,影响管片的拼装质量,此时,可以通过反转刀盘来减少滚动角值。

（2）盾构机的前进方向水平向右偏,则需要提高右侧千斤顶分区的推力;反之,则需要提高左侧千斤顶分区的推力。

如果盾构机机头向下偏,则需要提高下部千斤顶分区的推力;反之亦然。

在淤泥质当中刀头水平姿态应控制在±20mm，垂直姿态应控制在+30mm。

对于苏州地铁2号线延伸线东~独区间采用了此种方法对于成型的管片得到了有效的控制如下图2.3所示：

图2.3东方大道站～独墅湖南站区间管片成型姿态示意图

图2.4东方大道站～独墅湖南站区间盾构机姿态示意图

因为在这种土层当中刀头不允许载头，一旦载头就很难再抬起来以致造成盾构机刀头越推进越往下载，最后远远偏离盾构机设计轴线。

在淤泥质地层当中盾构机刀头自身很重，随着自身的重量刀头会慢慢下沉，盾构机出土完毕后会有一定的时间来拼装管片正是在这段时间里刀头才会慢慢下沉，如果盾构机在此当中停留时间越长盾构机刀头就会越往下沉，所以我们就要始终控制刀头在盾构机设计轴线的正上方这样盾构机刀头下沉后正好接近设计轴线，如果盾构机在停留过程中按设计轴线停留的话那么盾构机就会往下沉偏离了设计轴线，所以盾构机推进过程中不允许在此淤泥层地质当中停留，在淤泥质地层当中停留时间越长盾构机刀头包括整个盾构机都会下沉所以我们要保证盾构机匀速的往前推进。

对于盾尾我们应保证水平姿态应控制在±20mm，垂直姿态应控制在-30mm如上图2.4所示，我们为什么要在盾尾控制-30mm的姿态，主要是因为在这种地层当中随着盾构机的往前推进千斤顶对管片的一个反向作用力在加上地下含水量的增多及易使管片上浮，所以我们要把盾尾姿态控制在-30mm。

当盾构机走后管片会有一定程度的上浮量这正好和姿态的-30mm向抵消最终能使成型的管片正好在我们的设计轴线范围内。

在这种地层中我们还应当保证地面的沉降量，如果沉降得不到有效控制的话对地面的影响是很大的。

沉降要想得到有效控制我们必须从盾构推进过程中手解决，当管片脱出盾尾就必须进行同步注浆，在注浆同时也会对管片引起巨大的上浮量，再加上这种地层当中丰富的地下水也会带来管片的上浮，对于这种叠加产生大的管片上浮量我们只有通过控制盾构机的盾尾姿态及同步注浆的部位来实现，同步注浆我们应该先管片上部、再左右侧注浆。

管片下部我们不应该去注浆，如果下部在继续注浆的话，随之带来的管片上浮。

最后造成管片脱出盾尾，甚至拉裂管片。

3、姿态的控制还应从控制测量做起

（1）洞内平面控制测量洞内施工控制导线一般采用支导线的形式向里传递。

但是支导线没有检核条件，很容易出错，所以最好采用双支导线的形式向前传递。

然后在双支导线的前面连接起来，构成附合导线的形式，以便平定测量精度。

洞内施工控制导线一般采用在管片最大跨度附近安装牵制对中托架，测量起来非常方便，且可以提高对中精度，还不影响洞内运输。

强制对中托架尺寸形状要控制好，以便可以直接安装在管片的螺栓上面，不需要电钻打眼安装。

如下图2.5所示：

图2.5东方大道站～独墅湖南站区间托架示意图

由于盾构施工一般都是双线隧道错开50环左右掘进，如果错开环数很大，后面掘进的盾构机由于推力很大，会对前面另一个洞的导线点产生影响。

特别是在左右线间距较小岩层很软时，影响很大，很容易导致测量出大错。

还有就是如果在曲线隧道里，管片上的导线点间的边角关系经常受盾构机的推力和地质条件的影响，所以要经常复测。

4、地下控制网布设

（1）地下控制导线随盾构推进而延伸,所以在隧道贯通以前，井下导线只能以支导线的形式向前延伸。

布设井下导线点时，应尽量延长导线边的长度，同时尽量采用等边直伸，减少长短边相接，可以有效提高观测精度。

（2）控制点应避开强光源、热源、淋水等地方，控制点间视线距隧道壁应大于0.5米，地下导线边长宜控制在200米以内,平均150m，直线最短100m，曲线最短60m。

（3）端头井附近的导线点采用水泥墩做的强制归心标，隧道内的控制点布设在隧道侧墙，采用强制对中支架。

（4）为避免受旁折光的影响，隧道内的相邻控制点应采用沿隧道两侧壁对向布设。

（5）隧道内水准点可选在管片两侧底部，管片上钻设膨胀螺栓，一般设置在隧道底部，每200米左右布设一个水准点。

5、地下控制测量技术要求

（1）地下平面控制测量采用精密导线的技术要求进行测量，水准测量采用二等水准的技术要求进行。

（2）直线隧道每掘进200m或曲线隧道每掘进100米时，应布设地下平面控制点，每次延伸控制导线点前，先对前三点进行检测，确保准确延伸控制导线点。

（3）地下控制点定向成果较差应小于30*d/D（mm），其中d为控制导线长度，D为贯通距离。

满足要求时，应取逐次平均值作为控制点的最终成果指导隧道掘进，超限时，应重新进行定向测量。

（4）隧道长度超过1500米时，应在适当位置加测陀螺方位角或通过钻孔投测坐标点等方法提高控制导线精度，同时应考虑将导线布设成双支导线，组成地下闭合导线。

（5）水准测量应在隧道贯通前进行不少于三次，并应与高程传递测量同步进行，重复测量的高程点间的高程较差应小于5mm，满足要求时，应取逐次平均值作为控制点的最终成果指导隧道掘进。

6、洞内高程控制测量洞内由于轨道上钢枕太多，轨道下的泥水经常盖到钢枕上来了，所以我们应在钢轨上部打一膨胀螺丝作为高程控制点一般一百米做一个控制点且在管片左右侧各做一个，用红油漆做明显标记，用水准仪配因钢尺测量往返测量达到二等水准的精度。

向洞内传递高程一般采用悬挂钢尺的方法，一定要注意加温度和尺长改正，才能保证导入井下的水准点的精度。

7、高程联系测量的技术要求

（1）测量过程严格按照城市二等水准测量要求施测。

（2）钢尺要使用经严格检定过的长钢尺，钢尺下端悬挂重物应与钢尺检定时的重物等重；对钢尺进行温度、尺长等各项参数改正。

（3）作业前，对水准仪整平气泡及i角进行校检，二等水准测量，i角应小于或等于20″。

（4）地面近井水准点应从附近二等水准点引测到车站或井口附近稳固的地方，每次联系测量时，必须先与附近二等水准点联测。

（5）井下水准基点的布设，应选在受施工影响小且便于引测的地方；地下水准点不得少于两个，且两点间的水平距离不宜小于20米。

（6）地下水准测量时，必须以两个水准点组成一个附合线路，进行高程相互检核。

传递高程如下图2.6所示。

图2.6东方大道站～独墅湖南站区间高程传递示意图

8、平面联系测量

地铁施工规定，在任何贯通面上，地下测量控制网的贯通中误差，横向不超过±５０mm，竖向不超过±２５mm。

联系测量主要有一井定向（联系三角形定向）、两井定向、铅垂仪陀螺经纬仪联合定向、导线定向四中方式，其中我们施工单位一般都没有陀螺经纬仪，所以很少采用铅垂仪陀螺经纬仪联合定向。

用导线定向精度最好且最方便，但是用导线定向受始发井的长度和深度制约，一般也很少用。

所以一般都采用两井定向，这样有利于提高井下定向的精度。

这在我们苏州地铁2号线东独盾构始发井的多次联系测量中得到证实。

联系测量向洞内投点时把点间距尽量拉大些，在始发井底板，最少投两个点，保证始发井端至少有两个控制点。

且尽量保证每次联系测量投点时都投在这两个点上。

以便取多次联系测量的加权平均值作为最终的始发控制点坐标。

两井定向联系测量示意图如下图2.7。

图2.7东方大道站～独墅湖南站区间两井定向示意图

9、盾构机在推进过程中难免不会出现偏差过大，我们给的设计值由于隧道施工现场不是那么如意在此过程当中难免会遇到各种阻碍控制盾构机姿态的因素，从而使我们的盾构机姿态偏离我们计划的设计值，一旦发生偏离我们就要