盾构机姿态大趋势超限纠偏技术

覃卫诚

摘  要  盾构机盾体因浆液包裹在脱困掘进中引发姿态超限，通过采取在盾尾增加辅助千斤顶、地面进行钢板桩施工等方法完成姿态纠偏。本文主要对盾构机姿态超限原因进行分析及纠偏过程遭遇地质突变的处理措施及后续管片缺陷处理措施等进行总结，供后续施工进行借鉴，避免类似情况再发生。

关键词  浆液包裹  盾构机姿态辅助千斤顶钢板桩纠偏  姿态复测

1工程概况

广州市轨道交通十一号线某区间右线盾构机在掘进第71环时开始受困，第75环姿态超限，切口里程为YDK1+688.91，地面为双向四车道，切口环拱顶埋深约16.9m，该位置地层从上自下为杂填土<1>2.4m、淤泥质土<2-1b>2.8m、淤泥质粉细砂<2-2>5.1m、淤泥质中粗砂<2-3>3.8m、中粗砂<3-2>0.2m、粉土<5f-2>1.1m、全风化泥质粉砂岩<6>1.2m、强风化泥质粉砂岩<7-3>0.3m，隧道位于强风化泥质粉砂岩<7-3>、中风化泥质粉砂岩<8-3>。

               

                    图1  盾构掘进地质图

2盾构机姿态超限经过

10月8日夜班第71环掘进完成，因双轨梁故障未完成拼装，机修进行维修，停机期间在第61~65环进行二次注浆，浆液为双液浆。10月9日夜班维修完成进行第71环拼装。10月10日白班恢复掘进第72环，当即发现推力大无掘进速度，逐步把推力加到3200T仍无速度，铰接压力达到400bar。根据停机前后的参数对比，初步分析造成盾构机受困是因为盾体被二次注浆浆液包裹。当即采取在盾尾安装振动电机、向盾壳钻孔注液压油，尝试脱困但效果不佳，脱困至74环时姿态进一步恶化。

11月12日—23日通过实施开仓检刀具、清理泥饼等一系列措施，12月7日晚在通过研判后，在盾尾底部增加6组辅助千斤顶进行复推，总推力达到4000T时，速度约10mm/min，但姿态却难以控制。12月8日掘进至76环时，盾构机垂直趋势、水平趋势恶化，垂直趋势达到55.89mm/m，水平趋势达到-20.72mm/m。此时姿态已严重超限，垂直姿态：141/-89；水平姿态：-92/9。

3盾构机姿态超限原因分析

3.1注浆施工不当导致盾构机盾体被浆液包裹

右线盾构在掘进至71环时，进行盾尾二次双液注浆，注浆压力、注浆量控制不当，导致部分浆液击穿止浆板窜至土仓内；注浆完成准备恢复掘进时，恰巧遇到双轨梁故障维修1天，浆液凝固，将盾体包裹，刀盘结泥饼，盾构机恢复掘进后，推力达到3200T，无速度。

3.2盾构机脱困措施分区油压控制不合理

在判断盾体被浆液包裹后，采取在盾尾增加辅助油缸及振动电机同步振动的措施进行脱困。振动电机的主要作用是安装在盾尾盾壳上，对盾尾盾壳进行振动，尝试使包裹住盾体的浆液固结体在振动频率的作用下逐渐脱离盾壳，但因盾体包裹面积大，振动部位空间有限，振动后浆液固结体仍未完全脱离盾壳体，推力依旧很大。

为增加推力使得盾构机向前推进，在盾尾增加六组油缸辅助推进，每组100T，最大推力可增加至600T，总推力达到4000T，扭矩1000~1200KNm，掘进速度由2~5mm /min，增加至8~10mm/min，由于油缸安装空间受限，导致下方集中受力，垂直姿态飙升。

 3.3地质突起岩面增加脱困难度

   通过地质图及补勘发现，盾构机姿态超限位置岩面突起，形成类似于上软下硬地层，加上千斤顶安装位置不合理，在加力推进过程中，盾构机头部在力及岩面作用下垂直姿态急剧变化，趋势难以控制。

 

                           图2 突起岩面示意图     

3.4刀盘结泥饼、土仓内浆液固结不利于脱困

盾构机在71~74环尝试脱困的过程中，分析土仓底部及刀盘面板被浆液固结，导致推力扭矩均增大，掌子面渣土不能完全进入仓内，随着刀盘转动，在刀盘外侧挤压，温度升高，加剧了刀盘泥饼生成。同时由于螺旋机口被浆液堵住，底部掉落的渣土无法正常排除，导致刀盘底部渣土越积越多，刀盘底部无间隙，增加了姿态下压的困难，纠偏难度增加。

3.5刀盘维修改造中未配置超挖刀，增加后期纠偏难度

盾构机维修出厂时未配置超挖刀。根据本标段地质特点，初装刀为滚刀。主要刀具类型有双刃滚刀、单刃滚刀、正面刮刀、边缘刮刀、磨损监测点。其中中心双联镶合金粒滚刀4把、单刃镶合金粒滚刀31把、正面刮刀64把、边缘刮刀24把。

区间右线线路最小转弯半径为450m，最大坡度29‰，其线路约2/3为直线缓坡段，结合区间地层主要为<7-3>强风化泥质粉砂岩及<8-3>中风化泥质粉砂岩及上一个区间的掘进情况，认为在450m转弯半径及大部分直线段的线路中用到超挖刀的几率比较小，因此在盾构机刀盘维修改造中未安装超挖刀，增加贝壳刀保径，这对盾构机姿态纠偏需要刀盘开挖空间来说比较被动，增加了纠偏难度。

4盾构机姿态超限处理过程及措施

4.1地面管线调查

由于盾构机受困位置上方地面道路交通繁忙，盾构机在脱困掘进时速度慢，刀盘转动可能会对地层扰动进而影响到地面沉降。为确保地面交通安全，对盾构机上方影响范围内的道路车道进行围蔽。同时通过管线调查发现，现场存在一条燃气管横穿行车道路，管径约240mm，埋深1.2m，材质为PE管，中压管。为确保燃气管线安全，经与产权单位确认后对起进行标识及保护。

4.2地质补勘确定地层

为能更准确的掌握纠偏地层情况，对盾构机刀盘两侧各1米范围进行钻孔补勘，钻孔深度至刀盘底1米。通过补勘确认该处地层为在隧洞范围内基本为<7-3>强风化泥质粉砂岩、<8-3>中风化泥质粉砂岩，对比地质图，突起的岩面更高，这进一步确认了盾构机姿态突变的原因，凸起的岩面极不利与盾构机姿态纠偏。

4.3开仓清理泥饼检修泡沫管路

   通过开仓发现，刀盘底部存在大量浆液固结体，螺旋机出土口被浆液封堵仅剩余约1/3出渣口。通过进仓，把刀盘底部固结浆液及螺旋机口全部清理干净，同时对泡沫管路全部疏通至最佳状态，保证了盾构机在纠偏是状态达到最佳。

  4.4更换刀具

   盾构机姿态趋势恶化，若要使得盾构机姿态偏离轴线过大，则需保证盾构机刀盘由足够的开挖间隙进行纠偏。本区间右线盾构机最大开挖半径为6280mm，为使盾构机刀盘能提供更大的开挖间隙扩大开挖半径，采取刀具更换方案如下：（1）37#刀更换U型块（总垫高1cm），轨迹由6223mm变为6242mm；（2）38#滚刀（原17寸）更换为19寸贝壳刀；（3）39#刀垫钢板0.7cm，原已更换1cm高U型块，加钢板后总垫高量为1.7cm，实际扩大半径1.59cm，轨迹直径由6280mm变为6312mm。（4）原设计边缘滚刀与边缘刮刀高差为3.5cm，垫高后的滚刀与边缘刮刀刀高差的50%以上，为了防止高差过大损坏39号滚刀，故需对边缘刮刀进行加焊耐磨钢板，加高3cm。外边缘刮刀共8把，是均匀分布在刀盘外延，能加固的只有5把，其他3把在刀盘7-8点位，位置不够无法加焊。

4.5盾尾管片增垫弧形钢板

在73~75环的纠偏过程中，因增加辅助油缸分区不合理，导致盾构机姿态急剧变化，机头上扬，而盾尾管片已固定，使得盾构机盾尾间隙集中在顶部为150mm，底部间隙基本为0（如图23），增加了纠偏难度。一是盾构机在纠偏掘进过程中很容易挤压底部管片造成破损，二是顶部间隙为150mm，顶部千斤顶油缸只有一半撑在管片上、压住止水条，在受力不均下，顶部管片极易破损，改变油缸力传递方向。

    

图3 盾尾间隙示意图                        图4 盾尾间隙

为使油缸撑靴力均匀作用在顶部管片上，扩大受力面积，减小管片破损，加工弧形钢板，垫在管片与千斤顶撑靴之间，增加受力面积，钢板与管片的接触采用软性衬垫进行保护。

4.6增加辅助油缸编组

通过地质补勘确认刀盘底部存在突起的岩面后，调整辅助千斤顶位置，并重新进行分区。根据目前盾构机的姿态及趋势，通过受力分析，本次增加辅助千斤顶主要安装在腰部及以上，单根油缸伸长量60cm，可提供200T推力，5根油缸最大可提供1000T推力，其中9点位、2点位油缸作为备用，在掘进时作为辅助调节方向的措施；10点位、11点位、12点位油缸则作为增加顶部推力，使盾构机顶部推力大于底部推力，通过推力差来使盾构机姿态往下走。因油缸在掘进过程虽盾构机前进不断伸长，采用30cm行程油缸与100cm油缸交替使用。

4.7地面钢板桩施工

浆液固结与盾体周围，使得盾构机可活动空间小，增加纠偏难度。为解决这个问题，采用地面施工钢板桩进行振动，使盾体周边浆液固结体振松、脱落。在盾体上方地面布设4个桩孔如图所示，4#孔布置在盾尾上，但由于靠近燃气管，避免震动影响到燃气管安全，施工主要以1#、2#、3#孔振动为主。施工时采用钢板桩机振动沉入φ600mm的钢套管穿过砂层并进入<7-3>强风化泥质粉砂岩用于隔水，然后采用履带钻机钻孔至盾尾壳体；最后沿钻孔振动下沉钢板桩至盾体位置，当碰到盾壳后需将钢板桩提起2cm左右，防止钢板桩压迫盾体振动对盾壳产生影响。

钻孔间循环进行振动（1#~4#），每推进100mm时，钢板桩循环振动一次。盾尾中部的钢板桩可以利用自重接触盾体后，开启振动模式，振动频率3~5次即可，待盾尾完全脱离钢板桩位置后再依次拔出钢板桩。

通过掘进对比发现，在纠偏掘进过程中，钢板桩震动与未震动时掘进速度比较明显，未震动时速度在3~5mm/min，震动后纠偏掘进速度能达到8~10mm/min。

4.8纠偏管理

4.8.1控制原则

1、盾构从第76~78环刚开始脱困，在顶部增加辅助千斤顶可将趋势稳住不再增大。

    2、从78环至88环，每掘进一环，前点向下调整30mm，后点向上调整30mm，从88环至90环，每掘进一环，前点保持原趋势，后点向下调整30mm。从90环开始保持俯仰角。

3、通过分析姿态已不能满足轴线要求，在到达垂直姿态偏差极限前仍按原DTA线路进行纠偏，在盾构机垂直姿态达到拐点后采用调坡后的新DTA数据掘进。

4、根据接触网限界4420mm和轨道基础700mm限界的要求，进行盾构机姿态及管片姿态峰值控制。

5、根据目前姿态状态，上下、左右油缸油压差控制在80~100bar，顶部油压大于底部油压，右侧油压大于左侧油压根据姿态调整幅度控制油压差。

4.8.2  30公分一研判

每掘进30公分进行研判。通过每30公分的研判，反复总结、分析纠偏成果与目标期望值差，及时调整下一步措施，才能确保姿态纠偏慢慢向目标值靠近。通过近60次的分析与研判，4月19日，在掘进完成第95环时，盾构机姿态回归到正常姿态，即垂直：34/47；垂直趋势：-3mm/m；水平：-50/-71；水平趋势10mm/m              

4.10存在问题

1、铰接拉断

盾构机为被动铰接，在盾构机掘进过程中，铰接拉结盾尾前进，因此在盾构机脱困过程中，盾尾受困推力大，铰接受力大。其中11点位铰接、12点位铰接及2点位铰接均被拉断。采取的措施是把拉断的铰接拆下，替换成刚性连接的插销。插销为两端开孔，厚度60mm，长度等长于铰接长度。更换完成后在较大的拉力下保证其他铰接不被拉坏。在盾构机脱困完成并纠偏姿态可控后，即可浆刚性连接板拆下，换上新铰接油缸。

2、管片破损、错台

此次盾构机纠偏垂直姿态、水平姿态趋势均较大，按照正常纠偏量进行纠偏，根据模拟的盾构机姿态，盾构纠偏完成，盾构机垂直姿态前点预计达到600，严重超出设计轴线，为尽可能减小轴线偏差，在纠偏过程中需要人为的制造管片错台，使管片尽量下压，因此纠偏过程管片错台较大，最大错台为65mm，同时伴随着管片破损。

3、成型隧道轴线偏差

根据第三方对0~100环管片进行人工姿态复测数据，对比初步调坡后的线路参数，横向偏差最大值为-270mm，竖向偏差最大值为+268mm，管环姿态与设计值偏差超过100mm的共22环。

4.11后期处理

因隧道尚未贯通，按原提请变更线路方案，根据管片服役状态等级处理以及限界、轨道、接触网进行常规设计反资。轨道采用短轨枕整体道床方案，对不满足要求的管片进行局部整改，确保满足隧道验收要求。

5 总结

本次盾构机纠偏从出现盾构机受困到纠偏完成历时6个月。为防止和有效控制此类事故发生，在本次姿态超限事故后，总结教训，吸取经验，在后续施工中应注意以下几点：

1、强调盾构精细化管理，提升管理人员对盾构机参数异常的敏感性，切忌盲目判断，须综合考虑各种因素，绝不能只为了解决眼前的困难而衍生出其他问题。当姿态出现预警时，必须组织参建各方分析原因，确保原因明确措施到位后才能实施；当出现姿态超限时，应停止掘进，通过准确及时的人工测量判断轴线超限情况，结合前期掘进参数情况、管片选型情况，邀请专家组分析姿态异常的原因，以指导后续施工。

2、加强施工过程的管理。参建各方须提升管片质量管理理念，明白运营验收标准不可降低，做好施工技术交底，确保现场针对每一种工况能够应对自如。当出现问题时，必须要找到问题根源，制定有针对性措施后才能进行下一步施工。

3、加强盾构机的设备保养，避免盾构机的不正常停机。主要是对设备的日常维护，对设备故障进行统计，故障率较高的部位重点检修；对于易损坏配件，现场要有库存，以便再设备出现故障时能快速更换配件。同时应与盾构机厂家签订服务协议，定期到场对设备检查或提供技术服务。

4、做好盾构机停机管理。当盾构机不可避免出现停机时，应做好停机的措施，可在盾体径向孔注入膨润土液体，防止盾壳固结；同时向仓内注入膨润土搅拌，防止停止时间长仓内结泥饼。

5、加强同步注浆、二次注浆管理。二次注浆不能靠近盾尾太近，一般要离开盾尾4环以上，防止浆液把盾尾固结或击穿止浆板窜入仓内。靠近盾尾的二次注浆完成，把盾构机往前推进10~20公分，防止盾尾被包裹。

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