中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032
摘要：盾构设备在不同土层掘进技术直接关系隧道施工安全质量。盾构施工中遇到超硬塑黏土结饼，严重影响盾构掘进速度，刀盘扭矩经常超过报警值，出土结块损坏皮带输送统。针对以上情况施工单位采取了欠压推进、减少千斤顶推力、缩短停机时间等措施，同时结合实际情况，对盾构机进行局部工艺改造，配合使用外加剂，使盾构机设备较好地适应超硬塑黏土掘进施工，确保了施工安全质量。
关键词：盾构设备；超硬塑粘土层；掘进技术；
盾构掘进机是一种隧道施工专用工程机械，可在钢结构护盾掩护下完成开挖、排碴、衬砌等掘进任务，从而实现复杂地质条件和多场耦合等地下极端服役环境中的自动化和工厂化隧道作业，在国家基础设施建设、资源开发和国防建设等领域占有举足轻重的地位，被广泛应用于地铁、市政、铁路、公路、水利、矿山等地下工程建设。
一、概述
本项目为无锡地铁1号线，工程范围为一车站两区间。盾构是一种典型的复杂多系统集成装备，工作过程中多个系统协同完成掘进任务。刀盘切削、密封舱压力平衡、测量导向、纠偏推进、管片拼装、渣土排送、同步注浆等多个子系统的协调控制是实现其安全高效运行的关键。由于隧道施工环境恶劣以及机构设计存在的诸多问题，加之掘进子系统之间存在紧密联系，盾构各子系统间的强耦合作用、非完整约束运动和冗余输入等使系统协调控制极其困难，因而掌握整套掘进系统中各部分之间的协调控制技术是圆满完成既定施工任务的关键。此外，作为土压平衡盾构的一项核心技术，土压平衡控制与地表变形及开挖面稳定关系紧密，控制效果直接影响地表沉降和变形大小［1］。实际施工中，因土压控制不当导致土压失衡或突发喷涌，造成房屋倒塌、人员伤亡和隧道被掩埋等重大事故在各国均时有发生。此外，土压力控制受其它掘进子系统共同作用的制约，以及密封舱内介质所处的多个物理场耦合的复杂工作环境的影响。因此，多系统的协同控制是盾构掘进过程中的一项重要技术。
二、盾构设备在超硬塑粘土层掘进技术
1.在超硬塑粘性土层中推进工艺。(1)欠压推进。盾构推进的原理是盾构刀盘切削土体，切削下来的土体进入土仓，再由螺旋机排出。如土仓内压力小于土体压力。产生压力差，刀盘正前方土体将会更容易进入土，而不是粘结在刀盘面板上。区间约75％掘进断面中存在超硬塑粘性土层地层。在区间右线推进时，由于第一次在无锡推进，经验不足，沿用了在推进中使用的保压推进，每一环推进时严格按照理论土压力计算值来保压，导致刀盘扭矩经常超过报警值。推进速度很慢。后在左线推进时吸取了右线的经验，采用了欠压推进，每环土压力设定保持在0．6Bar-0．8Bar(地面无重要建筑物)，效果明显好转。我们将土仓压力降低至理论计算值的40％一80％，然后根据地面沉降监测报表由技术负责人来调整下个班组施工时土压力设定值，如地面沉降过大，则升高土仓压力，反之则保持。(2)推力不宜过大。在推进时，在盾构千斤顶保持大推力作用下。切口前方流塑或软塑土体会被“挤”进土仓，在刀盘转动下更加促进切削。而在地层推进时我们发现，由于土粘性很大，如果推力过大，刀盘与土体接触过于充分，刀盘面板上开口容易被土糊住，在盾构正常推进时推力不宜过大。(3)尽量缩短停机时间。刀盘在转动时，切前方土体不断进入土仓，保持运动状态。如停机时间过长，刀盘和土体保持静止状态，糊在刀盘表面的土体很难进入土仓。
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2.电液控制系统。盾构采用电液控制系统驱动，具有传递功率大、距离长、负载大幅度随机变化的特点，其控制性能直接关系到掘进的安全和工效，在掘进装备中具有十分重要的地位。随机突变大载荷和大范围功率调节要求掘进装备点也控制系统具备优良的动态品质和功率匹配能力［2］。由于盾尾油脂泵、集中润滑泵位置过于接近皮带机末端出土口。导致时有土块及泥浆飞溅入桶中，泵体污染严重。目前已将盾尾油脂泵、集中润滑泵移至驾驶室后方远离出土口。本标段采用盾构机刀盘开口率为27％，经审核通过后再对刀盘进行改造。
3.外加剂的使用。土压盾构渣土改良根据地质情况一般选用泡沫和膨润土泥浆，由于塑性指数大、土体坚硬。膨润土泥浆的效果同水．仅仅起到润滑作用，并不能击碎大块土体，更会产生“磨刀石”效应，极易磨损刀盘上的先行刀、刮刀。对土体进入土仓无作用。在区间推进中，项目部主要采用添加剂(泡沫剂)对开挖土体进行改良，使用泡沫剂的优点：(1)降低刀盘扭矩。提高掘进速度，加注泡沫剂能减少刀盘与土体的摩擦。降低扭矩，并减少刀盘上粘土的粘着。有利于排土出土，降低刀盘所需的驱动功率。(2)击碎大块土体。在刀盘前方注入泡沫剂与水的混合液，混合液渗透进大块土体中。在进行发泡的过程中混合液体积增大，将土体击碎，小块土体更容易进入土仓从而顺利排出。(3)保证挖掘过程的压力，防止压力变化。泡沫剂的持续加注能防止地下隧道内压力的变化，提高隧道开挖面的稳定性．同时也可防止水从土壤疏松的地方渗入。改善渣土的流动性。保持开挖面的稳定。在粘土层中，土体较干。摩擦力大。透水性高，流动性差，不能很好地传递压力。在开挖中注入泡沫并充分搅拌，可以改变土层的成分，以保证土的流动性和减少土的透水性，使开挖面保持稳定。(4)提高排土效率。由于泡沫有表面吸附作用，在与土体接触后会把土体悬浮起来，可以很容易地通过土渣运输系统运出工作区域，大大提高了排渣和运渣的效率。通过泡沫剂的使用。大大降低了刀盘的扭矩，达到稳定开挖面土体、改良土体塑流性能、降低刀盘扭矩、提高掘进和出土效率的目的。
4.盾构推进参数的改进与优化。在推进过程中，我们通过盾构推进参数的改进与施工工序优化，盾构推进速度明显加快，节约了大量成本。地表沉降、管片错台、管片渗漏等工程质量问题都得到很大的改善。不仅确保施工顺利进行。满足业主各项施工节点要求．同时质量上满足设计图中所规定的技术要求。项目部施工管理效率明显提高。项目总工程师与盾构司机将已经取得的盾构在较大粘性土层中掘进施工技术，多次指导运用于无锡地铁其他标段盾构掘进与进出洞施工。当盾构机处于直线平坡段时，则保持盾构机所有油缸的推力大小一样。当土层均匀一致时，则保持所有油缸的推力大小一样; 当盾构机处于软硬不均的土层中时，根据土层的分布情况，按照硬地层一侧推进油缸的推力适当增加，软地层一侧油缸的推力适当减小的原则来进行。做好管片选型, 避免盾尾将管片和止水条损坏, 地层中瓦斯从破损处泄露入隧道［3］。工班要配备熟练的管片拼装手, 严格控制管片拼装错缝、错台, 避免管片碎裂现象, 保证管片拼装和同步注浆质量, 有效地防止瓦斯从盾尾和管片接缝泄露。
盾构施工是集机械制造、土木工程、信息工程为一体的综合性的系统技术。因此，我们还需要进行不懈的开发、研究和积累，以形成我国独立的机械制造、隧道设计、施工管理技术。隧道盾构施工技术具有施工速度快、安全、成型质量好等优点，成为现代城市向地下发展的重要施工方法。
参考文献：
［1］毕小伟．盾构机位姿测量系统的关键技术研究［D］．上海:上海交通大学，2015．
［2］李惠平，夏明耀．盾构姿态自动控制技术的应用与发展［J］．地下空间，2015，32( 1) : 62 － 65．
［3］谭忠盛，洪开荣，万姜林，等． 软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂损技术［J］．中国工程科学，2016，45( 12) : 112 － 116．
［4］胡国良，龚国芳，杨华勇．基于压力流量复合控制的盾构推进液压系统［Ｊ］．机械工程学，2016，45( 12) : 102 － 106．
论文作者:袁任海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/10
标签：盾构论文; 管片论文; 土层论文; 推力论文; 压力论文; 隧道论文; 泡沫论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;