穿越起伏基岩地层的盾构机掘进姿态控制方法研究

马蒙蒙，等：穿越起伏基岩地层的盾构机掘进姿态控制方法研究　ＤＯＩ：１０．１３３７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—８８２５．２０１７．０２．３７　・１５９．　穿越起伏基岩地层的盾构机掘进姿态控制方法研究　马蒙蒙　，刘大刚　，王明年　，霍建勋　（１．西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都６１００３１；２．中国铁路经济规划研究院，北京１０００３８）　摘要：为了研究盾构机掘进姿态的控制方法，以长沙地铁２号线望梅区间隧道为工程依托，　通过对现场盾构机穿越起伏基岩地层时软硬岩高度比和围岩强度比与油缸推力比的统计分析，得出　了盾构区间直线段和曲线段地层由软到硬和由硬到软的合理的油缸推力比。将盾构油缸推力比应用　到工程实际中，得出相应的直线段和曲线段的水平、竖向偏差，且均满足轴线偏差不得超过５０　ｍｍ　的标准要求，从而得出盾构机穿越起伏基岩地层合理掘进姿态的控制方法。　关键词：盾构机掘进；起伏地层；油缸推力；姿态控制；掘进偏差　中图分类号：Ｕ４５５．４３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—８８２５（２０１７）０２—０１５９—０４　０　引言　均采用了中国铁建重工生产的ＺＴＥ６２５０型复合式　土压平衡盾构机（直径６２５０　ｍｍ），刀盘驱动功率　７５０　ｋＷ，扭矩５４００　ｋＮ・ｉｎ。盾构隧道穿越地层主　要有：　（１）杂填土＜１—２—２＞；　（２）强风化板岩＜１２—１—２＞；　（３）中风化板岩＜１２—１—３＞；　（４）微风化板岩＜１２—１—４＞。　地铁区间隧道在盾构掘进过程中，时常会出现　水平或者竖向偏差过大、姿态控制难度大等问　题　Ｊ，尤其是在盾构穿越起伏基岩地层过程中，　姿态难控制问题更加突出。盾构在掘进过程中会由　于开挖面土压力和盾壳外围土压力的不均衡性、地　质条件复杂等因素的影响，而不能保证盾构机的掘　进轴线与设计轴线一致　Ｊ。　如果掘进偏差较小，可以通过调线调坡等方法　解决；偏差较大，则要大范围的整改，甚至要重新　围岩软硬不均、地质分界线起伏不平，各区间　基岩起伏的地层均占较大比例，最高达７８％，盾构　机掘进时要通过不同地层，施工环境复杂，工程安　全风险控制难度大。　望梅区间地质纵断面，见图１。　开挖建设，造成重大经济损失，并延误建设周期。　因此，合理的盾构掘进姿态控制方法就显得尤为　重要。　本文依托长沙地铁２号线西延段梅溪湖东站至　望梅坡站的工程实例，以及实测的盾构机油缸推力、　断面内软岩硬岩高度和围岩强度数据，对盾构掘进　过程中姿态控制的方法进行研究，为盾构穿越类似　起伏基岩地层的姿态施工控制提供参考。　１工程概况　长沙地铁２号线西延线一期工程有四站三区间，　全长约４．５　ｋｍ，其中盾构区间里程范围为：ＹＫ８　＋７２９．８一ＹＫ１２十１２７．３，ＺＫ８＋７２９．５～ＺＫ１２＋１２７．０。　车站采用明挖法施工，区间采用盾构法施工，　收稿日期：２ｏ１６一Ｏ８—１０　作者简介：马蒙蒙（１９８８一），男，安徽宿州人。硕士研究生，主要　从事地下工程方面的研究工作。Ｅ・ｍａｉｌ：Ｍ—ｍｅｎｇ１０７７５１＠　１６３．１３０１１１。　图１望梅区间地质纵断面　２盾构机掘进姿态控制的概念　盾构机掘进姿态控制是指隧道区间在盾构掘进　过程中，盾构沿着设计轴线方向掘进为目标，根据　路荩・ｆ　１６０・　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１７年第２期（总第１９１期）　自动测量系统　示的轴线偏差和偏差趋势，通过调　整油缸推力、改变刀盘旋转方向、控制盾构机滚动　岩高度比和围岩强度比与油缸推力比的关系。设ａ　，　为上部油缸推力值，ｃ　为下部油缸推力值，ｂ　，为左　等方法　，实现盾构掘进偏差在允许偏差为±５０　ｉｌｌｍ范同内。盾构掘进偏差主要有垂直偏差、水平　边油缸推力值，ｄ　为右边油缸推力值，油缸推力，　见图３～图８。　偏差等一。水平偏差主要反映盾构掘进的水平方向　上偏离设计轴线的情况；垂直偏差主要反映盾构掘　进的竖直方向上偏离设计轴线的情况。　３　盾构机掘进姿态影响分析　３．１盾构机掘进姿态影响凶素　盾构在起伏基岩地层掘进过程中，下部硬质地　层掘进速度慢，上部软弱地层掘进速度怏，这就造　成了掘进方向偏差。　一般影响盾构掘进方向偏离线形参数的主要【天Ｉ　素　有千斤顶推力、地质条件、盾构机操作技术水　平　其中，千斤顶推力对盾构掘进姿态的控制起主　要作用，主要体现在盾构机油缸产生的油缸推力埘　盾构掘进姿态的控制。　盾构机有四组油缸，分别是上下Ａ，Ｃ组和左　右Ｄ，Ｂ组，见图２。　图２盾构机油缸分布　穿越上软下硬的非均质地层可以分为｝＿｝１软到硬　穿越地层和南硬到软穿越地层，掘进过程巾义需要　考虑直线段掘进和曲线段掘进。　此，在研究盾构隧道掘进姿态的控制时，需　要分别对直线段和曲线段掘进过程中由软到硬穿越　地层和南硬到软穿越地层的油缸推力控制技术进行　研究　３．２　油缸推力对盾构掘进姿态影响分析　通过对望梅区间ＺＫ１２＋１２７．３００～＋９３２．７６６段　盾构掘进方向偏差时的四组油缸推力进行统汁分析，　得ｌ叶Ｊ各情况下合理的油缸推力值。　由于盾构断面内地层分界线位置不断变化以及　断面内软弱同岩强度不同，可以分析断面内软岩硬　图３直线段由硬到软上下油缸推力　０　２　６　１（）　Ｉ４　ｌ　８　１：　断而内软硬岩高度比与强度比　２　２●　图４直线段由软到硬上下油缸推力　，一０　８图５　曲线段由硬到软上下油缸推力　图６　曲线段由软到硬上下油缸推力　图７　曲线段由硬到软左右油缸推力　ｈ莹一　　６　４，一马蒙蒙，等：穿越起伏基岩地层的盾构机掘进姿态控制方法研究　・１６１・　２．２　２．０　１．８　１．６　１．４　１．２　１．０　０．８　断面内软硬岩高强比与强度比　图８　曲线段由软到硬左右油缸推力　油缸推力比关系，见表１。　表１油缸推力比关系　从图３～图８、表１可以看出：　（１）直线段和曲线段均表现出盾构掘进由软至　硬地层时，油缸推力比值整体大于由硬至软地层。　（２）盾构掘进通过直线段时，盾构由软弱地层　进入硬质地层情况下油缸上下推力比更大。这是由　于盾构掘进过程中，由软弱地层进入硬质地层时，　上下油缸推力变大，且为了控制掘进姿态，其变化　较大。　（３）盾构掘进通过曲线段时，盾构由软弱地层　进人硬质地层情况下油缸上下推力比更大，与直线　段相比差距较小。这是由于盾构通过曲线段时，左　右油缸推力变化引起上下油缸变幅减小。　４盾构机掘进姿态控制效果分析　采用上述不同地层对应的油缸推力比，对长沙　市地下配套交通一期工程望梅区间盾构掘进姿态进　行控制，分析统计盾构掘进过程中方向偏差，见　图９～图１２。　由图９～图１２可以看出：　（１）盾构机在穿越直线段时，上硬下软地层与　上软下硬地层掘进方向偏差变化量不同。相对于上　软下硬地层，盾构穿越上硬下软地层时的掘进方向　偏差较小。上硬下软地层掘进方向偏差接近２０　ｍｍ，　而上软下硬地层掘进方向偏差接近２５　ｍｍ。　（２）盾构机在穿越曲线段时，上硬下软地层与　上软下硬地层掘进方向偏差变化量大致相同，接近　３０　ｍｍ。而在上软下硬的地层中掘进方向偏差的变　化频率较大。　（３）盾构机穿越上软下硬或上硬下软非均匀地　层时，直线段和曲线段掘进方向偏差变化量不同。　相对于曲线段，直线段盾构掘进方向偏差较小。直　线段掘进方向偏差接近２０　ｍｍ，而曲线段掘进方向　偏差接近３０　ｍｍ，均满足轴线偏差不得超过±５０　ｍｍ　的标准要求。　吕　吕　堡　图９直线段由硬到软地层掘进方向偏差　ｕｖ　眦／　堡　ｊ　３　２　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　—０一水平偏ｊ　３　２　Ｏ　０　Ｏ　０２　Ｏ　Ｏ　Ｏ　’　。ｊ。　；ｆ　１。　。３。　３５。３ｌ　图１０直线段由软到硬地层掘进方向偏差　：　■　图ｌｌ　曲线段由硬到软地层掘进方向偏差　ｒ—ｏ一水平偏　献　号　图１２　曲线段由软到硬地层掘进方向偏差　５结论　（１）对盾构机穿越起伏地层曲线段、直线段时　的油缸推力比进行统计分析可知，当盾构机处于上　软下硬的土层中时，根据土层的分布情况以及所处　区段情况，要适当增加硬地层一侧推进油缸的推力，　减小软地层一侧油缸的推力来确保盾构掘进偏差在　合理的范围内。　（２）盾构由硬质地层进入软弱地层：直线段上　２　０　０　・１６２・　路基工程　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１７年第２期（总第１９１期）　下油缸比应该控制在１．２倍左右，曲线段则控制在　１．４倍左右。　Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ），２００７（１４）　２４２．　（３）盾构由软弱地层进入硬质地层：直线段和　曲线段上下油缸比均控制在１．７５倍左右。　（４）盾构机在穿越起伏基岩地层时，掘进方向　［４］任福松，金建俊．地铁施工中的盾构机姿态控制研究［Ｊ］．交通标准　化，２００９（１７）：１３４—１３７．　ＲＥＮ　ＦＳ．ＪＩＮ¨．Ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｔｔｉｔｕｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｓｕｂｗａｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，２００９（１７）：１３４—１３７．　［５］周奇才，吴玮．地质条件与盾构姿态控制的关系研究［Ｊ］．建筑机械　化，２００６（９）：３７—３９．　水平偏差较垂直方向偏差易于控制，因为地层的软　硬差异在垂直方向大于水平方向，且盾构自重对垂　直方向的掘进控制也有一定的影响。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［１］王晖，竺维彬，李大勇．复合地层中盾构掘进的姿态控制［Ｊ］．施工　技术，２０１１，４０（１９）：６７—６９，９７．　ＷＡＮＧ　Ｈ，ＺＨＵ　ＷＢ，ＬＩ　ＤＹ．Ｐｏｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｉｎ　ＺＨＯＵ　Ｑ　Ｃ．ｗｕ　Ｗ．Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｉｔｏｎ　ａｎｄ　ａｔｔｉｔｕｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２００６（９）：３７　—３９．　［６］郑晓燕，严淦．盾构在湖底砂层中掘进姿态控制及易出现问题应对措施　［Ｊ］．价值工程，２０１０，２９（１）：１９１．　ＺＨＥＮＧ　Ｘ　Ｙ，ＹＡＮ　Ｇ．Ｔｕｎｎｅｌ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｎｄ　ｏｆ　ｂｏｔｔｏｍ　ｌａｋｅ　ａｎｄ　２９（１）：１９１．　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］．Ｖａｌｕｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒａｔａ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１ｌ，４０（１９）：６７—６９，　９７．　［７］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，２００３，２３（１）：７５—７８．　ＬＩ　ＨＰ．ＸＩＡ　ＭＹ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｄｉｅｃｔｒｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　［２］　贾科．极硬岩层条件下盾构推进参数的优化［Ｊ］．路基工程，２０１０　（３）：１６４—１６６．　ＪＩＡ　Ｋ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｅａｄ　ｈａｒｄ　ｒｏｃｋ　ｏｆｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ，２００３，２３（１）：７５—７８．　［８］孙延伟，刘杰．盾构机掘进姿态精确控制技术［Ｊ］．广东建材，２００８　（７）：２２８—２３０．　［Ｊ］．Ｓｕｂｇｒａｄｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０（３）：１６４—１６６　［３］　阳东升．盾构隧道施工中盾构机姿态控制［Ｊ］．科技信息（学术研究），　２００７（１４）：２４２．　ＳＵＮ　Ｙｗ，ＬＩＵ　Ｊ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ［Ｊ］．　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉｌｓ，２００８（７）：２２８—２３０．ａ　ＹＡＮＧ　Ｄ　Ｓ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＴＢＭ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｐｏｓｔｕｒｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｕｐｓ　ａｎｄ　Ｄｏｗｎｓ　Ｂｅｄｒｏｃｋ　Ｓｔｒａｔｕｍ　ＭＡ　Ｍｅｎｇｍｅｎｇ　，ＬＩＵ　Ｄａｇａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｍｉｎｇｎｉａｎ　，ＨＵＯ　Ｊｉａｎｘｕｎ　（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｙ　ｏｆｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎｄ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｐｏｓｔｕｒｅ，ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｏｉｌ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｔｈｒｕｓｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＴＢＭ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｓｔｒａｔｕｍ　ｉｎ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｃｕｒｖｅｄ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｓｏｆｔ　ｔｏ　ｈａｒｄ　ａｎｄ　ｆｒｏｍ　ｈａｒｄ　ｔｏ　ｓｏｆｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ａｎｄ　ｈａｒｄ　ｒｏｃｋ　ｈｅｉｇｈｔ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｏｉｌ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｔｈｒｕｓｔ　ｒａｔｉｏ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｉｔｅ　ＴＢＭ　ｐａｓｓｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｕｐｓ　ａｎｄ　ｄｏｗｎｓ　ｂｅｄｒｏｃｋ　ｓｔｒａｔｕｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗａｎｇｍｅｉ　Ｒｕｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｍｅｔｒｏ．Ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｎｄ　ｖｅ￣ｉｃａｌ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｃｕｒｖｅｄ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｏｉｌ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｔｈｒｕｓｔ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｘｉｓ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｅｘｃｅｅｄ　５０ｍｍ，　ｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｐｏｓｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＴＢＭ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｕｐｓ　ａｎｄ　ｄｏｗｎｓ　ｂｅｄｒｏｃｋ　ｓｔｒａｔｕｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＴＢＭ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｕｐｓ　ａｎｄ　ｄｏｗｎｓ　ｓｔｒａｔｕｍ；ｏｉｌ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｔｈｒｕｓｔ；ｐｏｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ