硬质岩层小半径曲线段掘进盾构机姿态控制技术研究

硬质岩层小半径曲线段掘进盾构机姿态控制技术研究

余明君

(1.安徽省公路桥梁工程有限公司，合肥 230601)

摘 要 本文以合肥地铁3号线南延线2标段站前路站-仙霞路站区间小半径曲线段盾构施工为研究背景，在盾构机选型、关键参数设置、小半径盾构机姿态控制与纠偏技术研究等方面进行了深入的工程案例分析和数值理论研究，盾构掘进过程中其水平方向的推进千斤顶行程差在小半径曲线段和缓和曲线段变化差异尤为明显，曲线段半径越小，差值越大；盾构机掘进过程中刀盘扭矩随着刀盘转速的增大而减小。

关键词 硬质岩层；小半径曲线；盾构；姿态控制。

引言

目前，盾构法应用于硬质岩层小半径曲线段的城市地轨道交通工程面临着诸多难题，包括盾构机的适应性选择、盾构掘进的姿态控制以及周边结构物沉降控制是目前国内外盾构施工领域亟待解决的技术问题[1-2]。

在硬质岩层小半径曲线段施工过程中盾构机姿态的控制主要通过调整掘进参数和进行纠偏措施[3]。在城市轨道交通盾构隧道施工中,不可避免地遇到硬质岩石复合地层,盾构施工面临着刀具磨损严重、盾构姿态难以控制、掘进效率低下等难题。盾构机顺利穿越复杂地层的关键在于如何合理的调整盾构各项参数[4]；周志辉[5]研究了高强度花岗岩复合土压平衡盾构机的滚刀磨损特性和刀推力对破岩的影响，并提出了相应的对策；王世民等[6]通过济南地铁R1线工程实例，研究了盾构施工中上软下硬岩层围岩的主应力释放速率，指出随着硬岩比例的增加，围岩的主应力释放速率呈线性增加，而埋深对主应力释放速率影响不大；李克金等[7]以济南轨道交通R1线王府庄站至大杨庄站段为研究对象，分析了复合地层条件下盾构机滚刀的侵彻度与围岩强度的关系，指出岩石强度越大，滚刀的冲击力越大；文佳等[8]以南京轨道交通工程为例，研究了刀盘转速、扭矩、推力等驱动参数与复合地层强度的关系，并采用多元线性模型预测驱动速度。朱伟等[9]通过工程实例研究分析了总推力与刀盘扭矩的关系，并将研究成果应用于深圳地铁13号线盾构隧道现场开挖参数预测。

综上所述，对复合地层盾构施工已开展了较多的研究，虽然设计计算理论进展不大，但在扰动影响范围、施工参数的控制以及注浆或掘进参数预测等方面取得了较大的进展。本文依托合肥市地铁3号线南延线2标段工程站前路站~仙霞路站区间的实际情况，总结出适应硬质岩层小半径曲线盾构推进的最优掘进参数和姿态控制措施，希望能够为类似工况下小半径曲线盾构施工提供宝贵经验。

1 工程概况及施工参数控制

1.1工程概况

站前路站-仙霞路站区间隧道外径6.2m，线路呈“V”字形坡，隧道埋深10.62-23.82m，区间右线长1173.209m，左线长1198.693m，线间距12.0-19.5m，最小曲线半径350m，最大坡度22‰，采用盾构法施工，由仙霞路站小里程端始发，站前路站大里程端接收。盾构始发、接收端头采用袖阀管地面注浆加固。本区间采用1台土压平衡式盾构机，左线盾构从仙霞路站小里程（南）端始发，在站前路站大里程（西）端盾构井吊出，盾构转场至仙霞路站小里程（南）端，右线盾构从仙霞路站小里程（南）端始发，在站前路站大里程（西）端盾构井吊出。

图1 盾构小半径位置图

小半径段选取里程HZ右DK6+469.886（246环）至HZ右DK6+409.482（316环），全长60m，隧道埋深度18.3-18.6m，下坡7‰。区间右线隧道平面线型为R=350m的圆曲线。区间隧道穿越的地层主要为中风化砂岩层，局部穿越全风化砂岩以及强风化砂岩层。

图2地质断面图

仙霞路站～站前路站衬砌环采用通用楔形管片，楔形量45mm，衬砌环直径：外径为6m，内径∅5.4m，衬砌厚度：300mm，衬砌环宽：平面曲线半径R≤400mm曲线段环宽1200mm，其余段环宽1.5m。管片分块示意图如下图所示。

图3管片分块示意图

2主要施工参数控制

主要通过隧道地层条件，选择适合的盾构机掘进模式。本区间段选择土压平衡掘进模式，在保证土仓压力的前提下，通过不断调整推力控制推进速度，出渣量由螺旋输送机转速来调节。

2.1掘进参数

土压平衡掘进模式中土舱压力的保持首先需选定土舱压力，掘进过程中通过调整推进力实现推进速度控制、通过调整螺旋输送机转速实现出渣量控制。具体方法如下：

（1）土舱压力值P的选定

本区间右线隧道主要穿越全断面(7)3中风化砂岩层，盾构在掘进过程中理论土压力计算可采用公式：P=K0·R·H，式中：K0--土的侧压力系数，0.27；R--土的容重，25.97KN/m³；H--刀盘中心距地表埋深。即理论土压力取值范围为1.2-1.8bar。

（2）推进速度控制

通过控制掘进速度来匹配螺旋机的转速，在掘进的同时还要考虑到同步注浆，确保盾构管片和地层之间的间隙能够均匀地填充进去，通过调整掘进速度来改变油缸的推力。本区间推进速度一般控制在25-30mm/min左右。

（3）刀盘转速控制

刀盘转速一般为0～3.7rpm，无级、可调。刀盘转速当掘进速度确定后，主要受贯入度影响，道具贯入度Pe=掘进速度V/刀盘转速N，即刀盘转速N=掘进速度V/刀具贯入度Pe。

刀具贯入度的大小直接影响刀具的磨损程度，合理控制贯入度可防止刀具磨损。因此，通过不断调整刀具贯入度大小，最终本区间小半径曲线段设定刀具贯入度在15-25mm/r，刀盘转速为1.2rpm～1.3rpm。

（4）刀盘扭矩控制

土压平衡盾构机刀盘扭矩主要受刀盘与土体之间的摩擦阻力扭矩、刀盘切削土体时的地层抗力扭矩影响，通过类似地层施工经验，刀盘扭矩控制在1500-2000KN·m。

（5）总推力控制

土压平衡式盾构机总推力主要分为：盾构外壳与土体之间的摩擦力的推力、盾构机前方水土压力的推力、管片与盾尾密封的摩擦力的推力和后配套设备牵引阻力的推力四种[10]，根据以往的施工经验，本区间盾构机总推力控制范围为1000t至1400t之间。

（6）出渣量的控制

每环掘进出渣量以试掘进段取得的参数作为参考值，并结合地面监测数据进行控制。出渣量控制可通过推进速度与螺旋输送机转速来实现。

（7）出渣量理论计算：V＝π×(D/2)2×L×K＝47-52m3

式中：D--刀盘直径，取值6480mm；L--管片长度，取值1.2m；K--松散系数，K取值1.2-1.3。

2.2姿态控制措施

（1）饺接系统机构

土压盾构机有主动铰接和被动铰接两种模式，主动铰接位于前盾和中盾之间，被动铰接位于中盾和盾尾之间。本区间采用的是带有主动铰接功能的土压平衡盾构机。

为实现盾构机小半径曲线掘进线路更好的拟合设计轴线，本区间右线盾构机饺接调整统计表如表所示。

表1站-仙右线盾构机饺接调整统计表

如表所示，本区间右线(246-316环)共进行18次铰接伸缩调整，其中水平铰接行程差变化范围在（-33mm至-41mm）且均为负值，通过统计的数据分析可以得出盾构机实际姿态偏左，通过调整铰接左侧行程来大于右侧，以此来满足设计轴线要求。

（2）千斤顶编组和分区油压控制

本区间采用的土压盾构机共有16组推进油缸，分为4个区，每个区油缸可独立控制推进油压。通过调整不同区域推油缸的压力，可以实现盾构机的姿态调节和控制，在曲线段中预先调整盾构机的姿态，以配合盾构机的轴线，从而避免在曲线段中超限。

对本区间缓和曲线段(206-245环)和小半径曲线段(246-316环)盾构机的“推进千斤顶水平行程差值(左-右)、饺接千斤顶行程水平差值(左-右)的实际控制参数和盾构机姿态数据进行数据统计分析，得到缓和曲线段和小半径曲线段盾构机饺接设置状态图。

图4 千斤顶水平行程差值、饺接千斤顶行程水平差值与环数关系

从图4中关于小半径曲线段数据趋势可知，缓和曲线段铰接千斤顶的行程差变化范围为（+20至+40mm），小半径曲线段铰接千斤顶的行程差变化范围为（+20至+80mm）；盾构水平方向推进千斤顶行程差在小半径曲线段和缓和曲线段变化差异明显，其中缓和曲线段千斤顶水平行程差值变化范围为（-20至+20mm），小半径曲线段千斤顶水平行程差值变化范围为（-50mm至+80mm）。因此可以推断随着盾构掘进从缓和曲线段至小半径曲线段，其曲线半径逐渐减小，千斤顶水平行程差值变化范围增大，最大增大至61.5%。

3.盾构关键掘进参数相互关系分析

通过对本区间小半径曲线段的掘进参数进行分析，对部分参数之间进行相关性探讨，并对散点图进行数值拟合，确定各参数间存在的定量关系。

（1）刀盘转速与刀盘扭矩的关系

对本区间段（246-316环）掘进参数进行分析，其刀盘扭矩与刀盘转速如图5所示，刀盘转速变化范围在1.2r/min-1.5r/min之间，刀盘扭矩变化范围在1750KN·m到1985KN·m之间。刀盘扭矩与刀盘转速变化关系图如图5所示，除个别奇点外，刀盘扭矩和刀盘转速的关系基本符合反比例函数关系。

图5 刀盘扭矩和刀盘转速的关系

（2）刀盘扭矩与盾构推力的关系

根据盾构掘进数据作出刀盘扭矩与盾构推力之间的散点图。如图6所示，随着推力的增大，刀盘扭矩变化的规律相关性较弱，但随着盾构推力的不断增加，刀盘扭矩呈一定的上升状态。主要原因为掘进速度v与贯入度h呈一定的正比例线性关系，因此推断出刀盘扭矩和盾构推力之间的关系并不固定，更多的是受地质因素影响较大。

（3）掘进环数、掘进速度与盾构推力和刀盘扭矩之间的关系

如图7、图8所示。在本区间小半径曲线段内，随着掘进环数的增大，盾构推力呈阶梯型增长趋势，大约每10环增涨一次，变化范围在1.2×104KN至1.42×104KN之间，刀盘扭矩的变化范围在1800KN·m到2050KN·m之间，刀盘扭矩随着盾构推力的增大呈上下波动，但整体趋势是不断减小的；掘进速度随盾构推力和刀盘扭矩的变化关系与掘进环数相类似。

结论

本文以合肥市轨道交通3号线南延线2标站-仙区间右线掘进为背景，在铰接系统、姿态控制和纠偏技术等方面进行研究，并对刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度等关键参数进行分析，得到以下结论：

（1）适用于小半径曲线段盾构掘进各项参数控制范围如下：盾构推力1000-1400t；掘进速度25-30mm/min；刀盘转速1.2-1.5r/min；贯入度20-30mm/r；注浆量6m3左右。

（2）通过对刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度等关键参数进行分析得到，刀盘扭矩随着刀盘转速的增大而减小；随着盾构推力的增大，其刀盘扭矩总体呈下降趋势。

（3）在本区间缓和曲线段(206-245环)和小半径曲线段(246-316环)盾构机的“推进千斤顶水平行程差值(左-右)、饺接千斤顶行程水平差值(左-右)的实际控制参数和盾构机姿态数据进行数据统计分析可知，盾构水平方向饺接千斤顶的行程差在小半径曲线段和缓和曲线段变化差异不明显；但是，盾构水平方向推进千斤顶行程差在小半径曲线段和缓和曲线段变化差异明显，线路平曲线半径越小，差值越大，在小半径曲线段水平方向推进千斤顶的行程差值比缓和曲线段增加61.5%。

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