李順旭，王奇超

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，廣東 廣州 511458）

盾構(gòu)是集機(jī)、液、電、光、信息技術(shù)為一體的大型專用設(shè)備，目前被廣泛用于地鐵、公路、鐵路、引水工程、電力隧道、城市管網(wǎng)等地下空間的建設(shè)。泥水盾構(gòu)的工作原理是以膨潤土泥漿在開挖面形成一層難透水的泥膜，使泥漿壓力有效地作用在開挖面上，平衡來自掌子面水土壓力。泥水盾構(gòu)通常用于適用于穿江越海、高水壓等復(fù)雜地質(zhì)隧道。

盾構(gòu)在掘進(jìn)時，根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)中方位角、俯仰角、滾動角等參數(shù)來控制盾構(gòu)姿態(tài)。方位角和俯仰角是一個反應(yīng)盾構(gòu)實際掘進(jìn)方向和隧道理論中心線的參數(shù)，通過調(diào)整分組油缸的壓力，使盾構(gòu)的掘進(jìn)方向趨向隧道的理論中心線；滾動角是一個反應(yīng)盾構(gòu)自轉(zhuǎn)的參數(shù)，通過改變刀盤轉(zhuǎn)向調(diào)整盾構(gòu)自轉(zhuǎn)角度，保證盾構(gòu)在推進(jìn)過程中的正確受力狀態(tài)。

在盾構(gòu)掘進(jìn)時，往往由于人員操作不當(dāng)或惡劣的地質(zhì)條件等因素，使盾構(gòu)滾動角增大，對設(shè)備的狀態(tài)、掘進(jìn)姿態(tài)的控制、管片安裝的質(zhì)量都造成一定的影響，存在一定的施工風(fēng)險。本文以超大直徑泥水盾構(gòu)施工為例，介紹盾構(gòu)滾動角的糾正過程、方法，為以后盾構(gòu)施工者提供借鑒。

1 工程概況

該項目為過海隧道工程，隧道全長6 680m，設(shè)計為雙向六車道，時速為60km/h。海域段采用2 臺15m 級超大直徑泥水平衡盾構(gòu)平行施工，掘進(jìn)長度3 047.5m，管片外徑為14.5m，內(nèi)徑為13.3m，環(huán)寬2m，主要通過地層為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、中粗砂以及三段基巖突起。

2 設(shè)備概況

該盾構(gòu)采用常壓刀盤，開挖直徑為15.03m，刀盤重約540t；主機(jī)總長約15m、整機(jī)長度小于130m，主機(jī)重量約2 800t、整機(jī)重量約4 100t，刀盤轉(zhuǎn)速為0～2.25rpm，最大推進(jìn)速度為50mm/min、最大推力為22 220t。具備常壓換刀、刀具在線監(jiān)測系統(tǒng)、主驅(qū)動伸縮擺動等功能；每根推進(jìn)油缸都配置有浮動支撐油缸，可減輕推進(jìn)油缸在掘進(jìn)過程中因轉(zhuǎn)彎受到的側(cè)向力。

3 盾構(gòu)滾動角糾正施工

3.1 問題描述

該盾構(gòu)于2019年6～8月掘進(jìn)期間，滾動角（正值）逐步增大，8月8日滾動角已增加到3.9°。為防止?jié)L動角持續(xù)增大，造成盾尾密封失效，掘進(jìn)姿態(tài)控制困難，流體軟管彎折破裂，管片錯臺、破裂等風(fēng)險，項目技術(shù)人員聯(lián)合盾構(gòu)設(shè)計人員共同研究滾動角增大的原因及解決方法。

3.2 原因分析

根據(jù)動量守恒定律知：在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，主驅(qū)動給刀盤提高切削掌子面的扭矩，同時該扭矩須通過地層與盾體的摩擦力矩來平衡，即當(dāng)?shù)侗P選擇正轉(zhuǎn)時，會給盾體產(chǎn)生一個反轉(zhuǎn)的扭矩，反之則依然。

該盾構(gòu)滾動角為正值增大，即盾體順時針旋轉(zhuǎn)了一定的角度，為使盾體逆時針回轉(zhuǎn)，需要給盾體提供反轉(zhuǎn)的扭矩，根據(jù)動量守恒定律，在掘進(jìn)時旋轉(zhuǎn)刀盤正轉(zhuǎn)即可。但是經(jīng)過幾十環(huán)的掘進(jìn)，滾動角非但沒有減小反而增大的越快。針對這一現(xiàn)象，技術(shù)人員及專家分析原因為：該段掘進(jìn)地層為淤泥質(zhì)土、淤泥混砂等，土體軟弱自穩(wěn)性差、流塑性強(qiáng)、刀盤易開挖，在掘進(jìn)過程中不足以產(chǎn)生能使大重量主機(jī)可旋轉(zhuǎn)的扭矩。

3.3 施工過程

根據(jù)原因分析，需要在掘進(jìn)過程中增加刀盤的切削扭矩，給盾體提供更高的反轉(zhuǎn)扭矩，主要通過以下方法逐步實現(xiàn)滾動角減小。

3.3.1 增加配置及優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)

1）增加配重 在掘進(jìn)過程中，使拼裝機(jī)配重塊（15t）旋轉(zhuǎn)至掘進(jìn)方向9 點鐘位置，可產(chǎn)生735kNm 的扭矩。

2）優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù) 提高氣墊倉液位增加泥水倉壓力，提高推進(jìn)速度、降低刀盤轉(zhuǎn)速來增大貫入度，使刀盤扭矩提升了2 倍，見表1。

表1 掘進(jìn)參數(shù)對比表

3）效果 滾動角增大得到了抑制，沒有再增加。

3.3.2 推進(jìn)油缸浮動支撐處安裝墊塊

在優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，在浮動支撐下部調(diào)節(jié)油缸的右油缸位置處安裝墊塊，目的是將推進(jìn)油缸向右傾斜0.32°，在盾構(gòu)推進(jìn)時，分解的側(cè)向力給盾體產(chǎn)生反轉(zhuǎn)的力矩，具體位置如圖1所示。

1）該方法在盾構(gòu)推進(jìn)時可提供盾體的反轉(zhuǎn)扭矩為：取盾構(gòu)推力F=80000kN，可提供的反轉(zhuǎn)側(cè)向力為80000×sin0.32°=446kN，反轉(zhuǎn)扭矩為446×6.95=3099kNm。

a）墊塊安裝位置

圖1 浮動支撐安裝墊塊

2）具體實施方法：①準(zhǔn)備承載能力要求在10t 以上吊帶和吊裝葫蘆；②將生銹的浮動支撐左右調(diào)節(jié)油缸打磨清理；③將浮動支撐順時針方向拖拉30mm，讓出支撐墊塊的安裝空間，如圖1 所示，圖1a 中15mm 和25mm 位置可以作為浮動支撐拖拉到位的參考尺寸；④支撐墊塊安裝完成后，以優(yōu)化后的掘進(jìn)參數(shù)恢復(fù)推進(jìn)，每推進(jìn)400mm 分組回收一次推進(jìn)油缸，防止推進(jìn)油缸因受側(cè)向力過大，造成油缸缸體、密封及管片損壞。

3）使用效果：該方法掘進(jìn)13 環(huán)，滾動角由在422 環(huán)時的3.9°降為435 環(huán)時3.2°，效果十分明顯。

為防止?jié)L動角糾正過快對盾尾密封造成損壞、貫入度增大刀具和刀盤的磨損，可根據(jù)滾動角的減小情況逐步降低推進(jìn)速度、提高刀盤轉(zhuǎn)速至正常掘進(jìn)參數(shù)；同時逐漸拆除浮動油缸處支撐墊塊，防止對油缸造成損壞。

4 結(jié)語

大直徑泥水盾構(gòu)近幾年廣泛用于城市地下空間的建設(shè)，已成為未來盾構(gòu)發(fā)展的一種趨勢。大直徑盾構(gòu)的施工不同于常規(guī)級盾構(gòu)，具有一定的難度，這就需要擁有一支經(jīng)驗豐富、專業(yè)高效工作團(tuán)隊，從業(yè)人員能夠根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、水土條件合理制定施工方案、掘進(jìn)參數(shù)，有效規(guī)避施工風(fēng)險；通過熟練掌握的設(shè)備原理及功能，可有效提高設(shè)備掘進(jìn)效率，降低使用故障率，保證盾構(gòu)安全、高效施工。