【正文】 盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝技術盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝相互影響，相互制約的兩個過程。盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝應以隧道設計軸線控制為目標，同時兩者相互協(xié)調(diào)，保證管片拼裝質(zhì)量，避免管片產(chǎn)生破損。盾構(gòu)的姿態(tài)控制是盾構(gòu)施工中的一個重要環(huán)節(jié)。盾構(gòu)姿態(tài)控制的基本原則：以隧道設計軸線為目標，偏差控制在設計范圍內(nèi)，同時在掘進過程進行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整確保不破壞管片。盾構(gòu)推進過程中，依靠千斤頂不斷向前推進，為便于軸線控制，將千斤頂設置分成不同區(qū)域。在切口水壓正確設定的前提下，應嚴格控制各區(qū)域油壓，同時控制千斤頂?shù)男谐蹋侠砑m偏，做到勤糾，減小單次糾偏量，實現(xiàn)盾構(gòu)沿設計軸線方向推進。設計軸線控制范圍：平面控制： 100mm，高程控制：100mm。本工程采用通用楔形管片作為隧道襯砌。其不同的旋轉(zhuǎn)位置，將產(chǎn)生不同的上、下、左、右超前量，通過不同位置管片的拼裝，實現(xiàn)對隧道軸線的擬合。因此拼裝前管片的選型至關重要。選擇正確的管片旋轉(zhuǎn)角度，能保證拼裝工作的順利進行提高拼裝質(zhì)量，保證構(gòu)筑隧道符合設計軸線。另外，盾構(gòu)推進施工中，成環(huán)管片作為盾構(gòu)推進后座，對盾構(gòu)推進起到一種導向作用。為此，在盾構(gòu)推進尤其是曲線推進時，應通過嚴格的計算和量測來確定管片的超前量。同時應用盾構(gòu)本身PPS系統(tǒng)綜合系統(tǒng)，合理選取管片旋轉(zhuǎn)位置，以達到管片相應的超前量，使管片環(huán)面始終垂直于設計軸線。1. 盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝的基本原則 直線段施工直線段施工最理想的狀態(tài)是隧道設計中線與盾構(gòu)軸線管片中線重合。但實際施工情況，三條線之間存在偏差。下面分幾種基本情況進行討論：（1）三條線基本重合：理論上，管片拼裝時K塊可以交替放在圓心對稱的位置。但是，為了保證拼裝精度，應避免K出現(xiàn)隧道下部。最好 K塊交替放176。與270176。位置。K塊在右側(cè)，左右油缸行程差25mm，K塊在左側(cè)，左右油缸行程差－25mm。（2）盾構(gòu)軸線與隧道軸線重合假設管片端面與隧道設計軸線的垂直面存在夾角θ，最不利的情況是兩平面在水平面上的投影夾角為θ(順時針為正)。此時管片一側(cè)超前Dθ，為保持盾構(gòu)姿態(tài)不變，油缸行程差為D0θ。通過下環(huán)管片拼裝，糾正管片軸線，并盡量與盾構(gòu)軸線一致。因此，應經(jīng)常測量管片端面情況。（3）管片軸線與隧道設計軸線重合(這種情況不好判斷)1）假設管片拼裝后，盾構(gòu)機軸線與隧道設計軸線存在夾角為θ，這時在盾尾間隙允許的情況下，一般應保證管片與設計軸線一致，同樣通過調(diào)整油缸行程調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)。（4)管片中心與盾構(gòu)中心的有偏差由于盾構(gòu)機的平行移動．管片與盾構(gòu)機的關系如圖1所示。圖1 盾構(gòu)與管片軸線偏差示意圖假設管片與盾構(gòu)不失圓，管片與盾尾的上下左右間隙值δt、δb、δr、δl可在現(xiàn)場測得，管片中心(Og)與盾構(gòu)機盾構(gòu)平行移動示意圖中心(Od)的偏差 δv、δh，如圖1所示。則可用以下公式計算：因δmin0，故盡管盾尾前部與尾端存在間隙，但如δv2＋δh21600時，管片與盾構(gòu)機的尾部就有可能相接觸。實際情況管片拼裝后為橢圓形，如圖2所示。如果橢圓度為4%，管片水平方向直徑至少增加22mm。相應一側(cè)盾尾間隙減小11mm。此時最小盾尾間隙為：。圖2 管片失圓示意圖如果上述情況發(fā)生在管片拼裝前，管片K塊設在間隙大的一側(cè)，使管片中心向盾構(gòu)中心移動；如果上述情況發(fā)生在管片拼裝后，如果盾構(gòu)軸線與管片軸線位于隧道設計軸線一側(cè)，盾構(gòu)最好沿原來的方向掘進，然后通過下一環(huán)管片進行調(diào)整，或調(diào)整盾構(gòu)軸線遠離隧道設計軸線。如果盾構(gòu)軸線與管片軸線位于隧道設計軸線兩側(cè)，調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，使盾構(gòu)中心向管片中心移動。（5)三條軸線不重合而且軸線水平移動通常施工過程中，經(jīng)常產(chǎn)生上述復雜情況，此時盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整應綜合考慮掘進方向，同時避免損壞管片，管片選型應考慮隧道設計軸線并與盾構(gòu)姿態(tài)相適應。逐步調(diào)整盾構(gòu)掘進方向。圖3盾構(gòu)機位置預測方法A．盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整：（1）偏移量計算：管片拼裝后，盾構(gòu)推進2m，對應的角度變化為θ，則對應計劃線性的偏移量的計算由圖3所示，δ按下式計算：式中：δ1——盾構(gòu)沿設計方向前進引起的變位量；δ2——方向修正的變位量；δh0——刀盤初始偏差量；δt0——盾尾初始偏差量；δp——盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)引起的偏差量；△L——盾構(gòu)掘進長度；L——盾構(gòu)長度；L1——管片拼裝結(jié)束油缸撐靴之前的盾構(gòu)長度；L2——管片拼裝結(jié)束油缸撐靴之后的盾構(gòu)長度；R——盾構(gòu)選擇角度；θ——計劃盾構(gòu)軸線變化角度（最大為（δh0－δt0）/L）。（2）油缸行程差計算盾構(gòu)推進ΔLm，對應的角度變化為θ，油缸行程差計算如圖4所示。計算公式如下：由上式得：式中：△S終——掘進ΔL時油缸行程差；S1終——掘進ΔL時油缸行程；S2終——掘進ΔL時油缸行程；D0——油缸間距；θ——計劃轉(zhuǎn)動角度；ΔS初——初始油缸行程(=S1初 S2初)圖4 油缸行程差計算簡圖B．管片拼裝：管片拼裝的基本原則是適應盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，選擇合理管片拼裝位置，使管片中心線旋轉(zhuǎn)。有關管片超前量的計算見曲線段施工。 曲線段施工曲線段盾構(gòu)施工的基本原則是盾構(gòu)軸線與管片軸線始終沿曲線割線方向，如圖5所示。隧道軸線從直線變化到圓曲線時，盾構(gòu)從圓直點開始掘進L，首先偏轉(zhuǎn)θ/2，然后管片軸線偏轉(zhuǎn)θ/2，之后在圓曲線上，由于盾構(gòu)掘進始終超前管片拼裝，盾構(gòu)掘進一個循環(huán)(管片寬度L＝2m)，盾構(gòu)軸線與管片軸線偏轉(zhuǎn)角度θ從0變化到θ（θ＝2/R）。因此，曲線段掘進，管片與盾尾需要一個最小的盾尾間隙。隧道軸線從圓曲線變化到直線，盾構(gòu)從圓直點開始掘進L，首先偏轉(zhuǎn)θ/2，然后管片軸線偏轉(zhuǎn)θ/2。圖5 盾構(gòu)曲線段掘進示意圖 最小盾尾間隙的計算（1）曲線施工和蛇形修正時必須的最小盾尾間隙（最小曲線半徑800m），如圖6所示。圖6 曲線施工和方向矯正時間隙 R——隧道曲線半徑；D0——管片外徑；L——盾尾長度。（2）盾構(gòu)掘進過程中盾尾間隙的變化假設盾構(gòu)始終沿設計軸線的割線前進，油缸撐靴位置始終位于設計軸線上。盾構(gòu)機掘進2m，盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)的角度2/R，如圖7所示。此時盾尾與管片中線距離變化為： 管片拼裝超前量計算本工程最小曲線半徑800m，管片擬合曲線需要的理論超前量計算如圖7所示。圖7管片外弧面楔形量計算簡圖。 盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝控制標準根據(jù)武漢長江隧道工程設計軸線控制標準、盾構(gòu)機設計參數(shù)（盾構(gòu)機長度、盾尾間隙等）制定盾構(gòu)姿態(tài)控制與管片拼裝標準。表1 管片拼裝質(zhì)量控制標準水平偏差（mm）豎向偏差（mm）橢圓度管片與盾構(gòu)中心偏差（mm）最小盾尾間隙（mm）管片環(huán)面不平整度（mm）管片接縫（mm）管片錯臺（mm）直線段曲線段縱縫環(huán)縫縱縫環(huán)縫1001004‰（5‰）155105211510表2 盾構(gòu)姿態(tài)控制標準水平偏差（mm）豎向偏差（mm）橢圓度滾動上下傾斜左右傾斜每環(huán)的最大糾偏量（mm）1001000～1‰2％2％2％102. 盾構(gòu)姿態(tài)控制技術 盾構(gòu)掘進方向控制方法（1）采用PPS隧道自動導向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測該系統(tǒng)配置了導向、自動定位、掘進程序軟件和顯示器等，能夠全天候在盾構(gòu)機主控室動態(tài)顯示盾構(gòu)機當前位置與隧道設計軸線的偏差以及趨勢。據(jù)此調(diào)整控制盾構(gòu)機掘進方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)。隨著盾構(gòu)推進導向系統(tǒng)后視基準點需要前移，必須通過人工測量來進行精確定位，為保證推進方向的準確可靠性，擬每周進行兩次人工測量，以校核自動導向系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)并復核盾構(gòu)機的位置、姿態(tài)，確保盾構(gòu)掘進方向的正確。（2）采用分區(qū)操作盾構(gòu)機推進油缸控制盾構(gòu)掘進方向根據(jù)線路條件所做的分段軸線擬合控制計劃、導向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)信息，結(jié)合隧道地層情況，通過分區(qū)操作盾構(gòu)機的推進油缸來控制掘進方向。在上坡段掘進時，適當加大盾構(gòu)機下部油缸的推力；在下坡段掘進時則適當加大上部油缸的推力；在左轉(zhuǎn)彎曲線段掘進時，則適當加大右側(cè)油缸推力；在右轉(zhuǎn)彎曲線掘進時，則適當加大左側(cè)油缸的推力；在直線平坡段掘進時，則應盡量使所有油缸的推力保持一致。在均勻的地質(zhì)條件時，保持所有油缸推力一致；在軟硬不均的地層中掘進時，則應根據(jù)不同地層在斷面的具體分布情況，遵循硬地層一側(cè)推進油缸的推力適當加大，軟地層一側(cè)油缸的推力適當減小的原則來操作。 盾構(gòu)掘進姿態(tài)調(diào)整與糾偏在實際施工中，由于地質(zhì)突變等原因盾構(gòu)機推進方向可能會偏離設計軸線并達到管理警戒值；在穩(wěn)定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產(chǎn)生盾體滾動偏差；在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產(chǎn)生較大的偏差。因此應及時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)、糾正偏差。參照上述方法分區(qū)操作推進油缸來調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，糾正偏差，將盾構(gòu)機的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍內(nèi)。（1）滾動糾偏當滾動超限時，盾構(gòu)機會自動報警，此時應采用盾構(gòu)刀盤反轉(zhuǎn)的方法糾正滾動偏差。允許滾動偏差≤，盾構(gòu)機報警，提示操縱者必須切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進行反轉(zhuǎn)糾偏。（2）豎直方向糾偏與水平方向糾偏控制盾構(gòu)機方向的主要因素是千斤頂?shù)膯蝹?cè)推力，當盾構(gòu)機出現(xiàn)下俯時，可加大下側(cè)千斤頂?shù)耐屏?，當盾?gòu)機出現(xiàn)上仰時，可加大上側(cè)千斤頂?shù)耐屏磉M行糾偏。盾構(gòu)糾偏的基本原則是盾構(gòu)與設計軸線水平與豎向偏差控制在75mm（設計容許偏差100mm）以內(nèi)為目標，避免糾偏過猛，保證管片拼裝所需的最小盾尾間隙（初步定10mm）。（3）盾構(gòu)上下傾斜與水平傾斜盾構(gòu)掘進過程中可能存在盾構(gòu)機軸線與隧道設計軸線方向的偏差，為了保持盾構(gòu)良好姿態(tài)，避免管片的受力不均，盾構(gòu)上下傾斜與水平傾斜應控制在2%以內(nèi)。避免因管片襯砌環(huán)的中心和盾構(gòu)機的中心有偏移，使管片局部受力過大引起管片破損。 方向控制及糾偏注意事項（1）在切換刀盤轉(zhuǎn)動方向時，應保留適當?shù)臅r間間隔，推進油缸油壓的調(diào)整不宜過快、過大，切換速度過快可能造成管片受力狀態(tài)突變，而使管片損壞。（2）根據(jù)掌子面地層情況應及時調(diào)整掘進參數(shù)，調(diào)整掘進方向時應設置警戒值與限制值。達到警戒值時就應該實行糾偏程序。（3）蛇行的修正應以長距離慢慢修正為原則，如修正得過急，蛇行反而更加明顯。在直線推進的情況下，應選取盾構(gòu)當前所在位置點與設計線上遠方的一點作一直線，然后再以這條線為新的基準進行線形管理。在曲線推進的情況下，應使用使盾構(gòu)當前所在位置點與遠方點的連線同設計曲線相切。（4）正確進行管片選型，確保拼裝質(zhì)量與精度。（5）嚴格控制糾偏力度，防止盾構(gòu)機發(fā)生卡殼現(xiàn)象。（6）盾構(gòu)始發(fā)到達時方向控制極其重要，應按照始發(fā)、到達掘進的有關技術要求，做好測量定位工作。 管片拼裝技術 管片型式本工程施工中，采用錯縫拼裝通用楔形管片。拼裝方式采用錯縫拼裝。即通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整管片位置，滿足隧道設計軸線要求(曲線)，同時使隧道縱向連接縫不在同一直線上。錯縫拼裝具有圓環(huán)管片