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盾构穿越淤泥质地层姿态控制QC

盾构穿越淤泥质地层姿态控制

城市轨道交通工程分公司苏州II-Y-TS-02标项目部QC小组

一、工程简介

苏州地铁2号线延伸线2标盾构工程包括邀湖路站～尹山湖中路站、尹山湖中路站～东方大道站、东方大道站～独墅湖南站三个区间，区间盾构隧道均设计为双线单圆隧道。

区间隧道纵坡呈“V”型，最大坡度25‰，最小坡度3.5‰，与车站相连端的竖曲线半径为3000m，其余为5000m。

地质以④2层粉土夹粉质粘土层和②Y层淤泥质黏土层为主，土体相对软弱，具有一定的触变特性，属于典型的长江下游淤泥质软弱地层。

图1-1盾构始发

二、小组简介

表2-1小组成员简介

小组名称

苏州2号线盾构项目部QC小组

成立时间

2014年1月1日

课题名称

盾构穿越淤泥质地层姿态控制

登记号

序号

姓名

年龄

性别

职务职称

组内职务

组内分工

1

杨琪

41

男

工程师

组长

组织协调

2

刘学

28

男

工程师

副组长

技术指导

3

吴院生

28

男

助理工程师

副组长

技术指导

4

郭春林

26

男

助理工程师

副组长

现场排查

5

高勋

29

男

助理工程师

组员

现场监督

6

金康

24

男

助理工程师

组员

现场监督

7

谭从龙

25

男

助理工程师

组员

方案实施

8

赵亚

24

男

助理工程师

组员

方案实施

9

蒋中华

45

男

高级技工

组员

机械检查

10

杜荣根

24

男

盾构司机

组员

方案实施

11

赵强

37

男

拼装手

组员

方案实施

小组类型

攻关型

活动时间

2014年1月1日~

2014年10月20日

三、选题理由

在盾构隧道施工中，盾构机的姿态控制是至关重要的，它直接关系到隧道的施工质量，所以在进行隧道轴线控制中，除了要做好严格的测量及检验工作，更要对盾构机的姿态控制充分的重视起来，由于盾构施工是由盾构机在深层土体进行暗挖的一种施工工艺，盾构机所处土层的土质情况、隧道轴线的平面及高程的设计情况、盾构掘进参数、管片形式及施工中管片的选型、管片的楔形处理等因素都将直接影响到盾构机的姿态控制，从而对隧道的成型质量产生至关重要的影响。

苏州地铁2号线延伸线2标盾构隧道所处地层属于典型的长江下游淤泥质软弱地层，盾构姿态难以控制，为了保障成型隧道质量，同时节约后期的维护成本。

对此我们深入展开QC活动分析，结合本公司在苏州地铁2号线的施工现状，全面剖析掌握盾构在淤泥质地层中姿态控制细节，提高工程施工的技术水平。

四、现状调查

调查

（一）

苏州地铁于2007年12月正式开工建设，截至目前1号线和2号线主线已开通运营，随着苏州地铁的快速发展，苏州盾构隧道的施工技术规范和验收标准也随着更加严格。

再加上受苏州地区用地条件的限制，大部分地铁均位于地下，而苏州地铁盾构隧道穿越的地层主要为含水饱和的淤泥质软土地层（以粉质粘土、淤泥质粘土为主），地层含水量大，土层压缩性强；淤泥质软土地层这一地质条件使得盾构在掘进中姿态控制难度较大。

调查

（二）

盾构姿态是在盾构法隧道的施工过程中,为满足盾构机掘进的施工需要，由自动测量系统或人工测量系统经过测量或计算所得到的盾构机主机偏离设计轴线的状态,其主要参数有水平偏差,垂直偏差（俯仰角），旋转角等。

水平偏差反映盾构在水平方向上偏离设计轴线的平曲线的情况；垂直偏差（俯仰角）反映盾构在竖直方向上偏离设计轴线的竖曲线的情况；旋转角反映盾构自身的旋转情况。

结合本工程施工情况，小组成员对当前掘进的东独左线五百环～一千环盾构姿态进行比选研究，发现在淤泥质软土地层中影响盾构机姿态的主要因素有：

地质情况、设计情况、始发基座偏差、操作手的水平及经验、管片姿态的测量、管片拼装（盾尾间隙、管片选型）等。

五、设定目标

图5-1目标设定图

六、原因分析

6.1始发过程中始发基座偏差

盾构机在始发阶段是位于始发基座上的，因而始发基座的水平位置、高程等直接决定了盾构始发阶段的盾构姿态，所以在施工准备阶段对盾构始发基座准确定位，保证在始发时盾构机的中心线、高程与盾构钢环中心线、高程一致，并保证始发基座的加固牢靠，防止在盾构组装过程中始发基座的变形。

6.2操作手的操作水平和操作经验

盾构司机的操作水平高低和操作经验的丰富与否直接会影响到盾构姿态的好坏，因为他们直接操纵着盾构机的“方向盘”，他们是第一个能够知道盾构姿态和盾构走势的人，所以这就要求盾构司机时刻要注意盾构姿态走势，发现盾构机有跑偏现象时，及时进行纠偏，遵循“勤纠少纠”的纠偏原则，正确调节盾构推进千斤顶各区油压，直到盾构姿态不再变大时为止，在施工过程中，应严禁避免过大纠偏，这样不仅会造成管片碎裂，还容易造成盾尾刷的永久变形从而失去密封作用导致隧道漏浆、漏水等事故，更严重的还会造成盾尾钢壳变形出现测量误差。

6.3根据管片姿态测量成果调整盾构姿态

本标段盾构穿越长距离淤泥质地层段，且在曲线转弯过程中，此过程中安装超挖滚刀，盾构开挖面大，地层含水量丰富，地基软弱，易造成管片下沉，故需根据前期管片测量成果，对盾构姿态进行适当向轴线上部调整，保证隧道成型后的质量。

6.4管片拼装（盾尾间隙和管片选型）与盾构姿态

盾构机设定有两个虚拟参考点：

前点、后点。

前点在盾构机切口环处、后点在盾构机中盾与尾盾的连接处。

盾构自动测量系统会通过测量计算出盾构前点和后点水平和垂直的偏差。

通过偏差我们可以计算出盾构机轴线的方向。

即为盾构机姿态所示。

前点O1坐标：

X1、Y1、Z1，其中X1是水平偏差、Y1是垂直偏差、Z1是里程，后点O2坐标：

X2、Y2、Z2，其中X2是水平偏差、Y2是垂直偏差、Z2是里程。

上述两坐标均由盾构机测量系统自动测量得出。

水平趋向、垂直趋向是角度值，数值以弧度来表示。

水平趋向α1=（X1-X2）/L（L为前后点的距离，约为4米）。

垂直趋向Ө1=（Y1-Y2）/L（L为前后点的距离，约为4米）。

盾构机轴线为Z轴，管片轴向也分解为水平方向X竖直方向Y，假设4个行程传感器油缸的长度为L1、L2、L3、L4如图6.4-1则:

水平夹角α=（L3-L1）/Lp1p3

竖直夹角θ=（L4-L2）/Lp4p2

知道盾构机与设计轴线的夹角、管片与盾构机的夹角，则可计算出管片与设计轴线夹角。

管片与设计轴线水平夹角α2=α1+α

管片与设计轴线垂直夹角Ө2=Ө1+Ө

管片选型就是要通过选择管片的型号和点位来使管片与设计轴线水平夹角α2、管片与设计轴线垂直夹角Ө2向零靠近，以适应盾构姿态。

图6.4-1盾构姿态坐标示意图

6.5掘进参数

盾构机是一种很笨重的机具，操纵及纠偏是受很多技术参数制约的，怎样合理地把这些参数科学的统一起来，是影响盾构机掘进姿态的关键。

同步注浆可以迅速填充管片脱出盾尾后所形成的建筑空隙，有效控制地面沉降；可以加强防水，防止泥沙涌入盾构机内部，使管片外侧的土体尽快趋于稳定，防止因管片浮动和变形而影响盾构机姿态的控制。

也可以利用同步注浆产生的作用力来调整管片姿态，从而达到控制盾构姿态的目的。

要因确认：

表6.5-1要因确认计划表

序号

末端原因

确认方法

确认标准

负责人

完成日期

1

始发过程中始发基座偏差

现场复测

始发基座的水平位置、高程等符合设计要求

高勋

2014年1月1日

2

操作手的操作水平和操作经验

人员培训考核，现场提问

是否具备岗位能力

刘学

吴院生

2014年4月1日～

4月5日

3

管片姿态测量成果

现场复测验证

测量成果是否准确

高勋

2014年4月30日～

4

管片拼装（盾尾间隙和管片选型）

现场旁站验证,查看管片拼装记录表

盾尾间隙是否偏差过大，管片选型是否合理

吴院生

谭从龙

赵亚

2014年4月5日～

5月20日

5

掘进参数

现场旁站验证

所选参数、同步注浆方式是否能够保证盾构机的姿态良好

谭从龙

赵亚

2014年4月5日～

5月20日

确认一：

始发过程中始发基座偏差

2014年1月1日东独左线始发和2014年3月3日东独右线始发时测量组均对始发基座进行测量复核，水平位置、高程等符合设计要求。

结论：

始发基座偏差非要因

确认二：

人员培训不到位

图6.5-1人员培训考核

图6.5-1要因确认流程图

结论：

操作手的操作水平和操作经验非要因

确认三：

管片姿态测量成果

2014年4月30日～5月20日多次组织对之前所测得管片姿态进行复核验证，均未发现问题，说明测量人员在盾构掘进过程中所提供的管片姿态真实准确。

结论：

管片姿态测量成果非要因

确认四：

管片拼装

派专人对管片拼装过程中的管片盾尾间隙、法面、管片选型和拼装点位进行统计分析发现当盾尾间隙、法面发生较大变化或管片选型、拼装点位发生变化时，盾构机姿态均会出现较大变化，甚至难以有效控制。

结论：

管片拼装要因

确认五：

掘进参数

盾构机推进过程中对推力、铰接、推速、刀盘转速、扭矩、纠偏量、同步注浆量等进行收集整理并和前期盾构推进所采用的参数进行比较发现当纠偏量和同步注浆量等参数发生变化时，盾构姿态均会发生相应变化。

结论：

掘进参数要因

七、制定对策

表8-1对策实施表

序号

要因

对策

目标

措施

负责人

1

管片拼装

规范管片拼装和选型、勤测盾尾间隙和管片超前量

为盾构姿态的掌控提供良好的依托

1、安排专人对现场管片选型、拼装点位、盾尾间隙及管片超前量进行旁站，并形成记录。

2、拼装时要及时复紧螺栓，根据盾尾间隙适当的调整管片选型和拼装点位。

吴院生

谭从龙

2

掘进参数选择

对不同时期的掘进参数进行比选，选出最优参数来进行盾构机姿态控制

保证盾构姿态在设计轴线±30mm以内

1、安排值班人员对掘进过程中的相关掘进参数进行收集，并与之前的参数进行比较，选出适合淤泥质软土地层掘进的最优参数。

2、对掘进中纠偏量进行严格控制（纠偏量不得大于6mm每环）.

3、对同步注浆量和不同的注浆点位进行统计比对，并形成记录，掌握不同注浆方式对管片姿态的影响

吴院生谭从龙赵亚

八、对策实施

实施一：

管片拼装

1、管片拼装方法

1）管片选型以满足隧洞线型为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值，确保有足够的盾尾间隙，以防盾尾直接接触管片而导致盾构姿态恶化。

2）本工程采用通用管片，管片选型时使k块位于隧道上半断面，安装从隧洞底部开始，然后依次安装相邻块，最后安装封顶块。

这样可以减小纵缝张开量。

有利于管片封顶快的安装。

3）封顶块安装前，对止水条进行润滑处理，安装时先径向插入50cm，调整位置后缓慢纵向顶推。

4）管片块安装到位后，及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力大于稳定管片所需力，然后方可移开管片安装机。

5）在管片环脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行二次紧固。

2、管片与盾构机位置关系（盾尾间隙）控制

由于盾构机的平行移动．管片与盾构机的关系如图8.1-1所示。

图8.1-1盾构与管片轴线偏差示意图

假设管片与盾构不失圆，管片与盾尾的上下左右间隙值δt、δb、δr、δl可在现场测得，管片中心（Og）与盾构机盾构平行移动示意图中心（Od）的偏差δv、δh，如图1所示。

则可用以下公式计算：

因δmin>0，故尽管盾尾前部与尾端存在间隙，但如δv2＋δh2>1600时，管片与盾构机的尾部就有可能相接触。

实际情况管片拼装后为椭圆形，如图8.2-2所示。

如果椭圆度为4%，管片水平方向直径至少增加22mm。

相应一侧盾尾间隙减小11mm。

此时最小盾尾间隙为：

。

图8.1-2管片失圆示意图

如果上述情况发生在管片拼装前，管片K块设在间隙大的一侧，使管片中心向盾构中心移动；如果上述情况发生在管片拼装后，盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线一侧，盾构最好沿原来的方向掘进，然后通过下一环管片进行调整，或调整盾构轴线远离隧道设计轴线。

如果盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线两侧，调整盾构姿态，使盾构中心向管片中心移动。

本标段管片为六分块，共16点位，22.5度一个点位如图4.3-1。

以封顶块所在位置，参考时钟进行点位编号，分别为0、1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15。

最大楔形量δ=48mm偏转角θ=0.46°。

图8.1-3管片点位示意图

随机选取掘进中某一环盾尾间隙参数为例：

盾尾间隙：

上部：

70mm下部：

85mm左部：

95mm右部：

100mm

由于盾尾间隙状态良好优先按照隧道轴线选择管片。

ZED导向系统显示盾构机姿态：

前点:

水平偏差25mm垂直偏差-21mm，后点:

水平偏差11mm垂直偏差-39mm。

控制界面显示油缸行程：

P1行程传感器：

1778mm、P2行程传感器：

1851mm、P3行程传感器：

1766mm、P4行程传感器：

1749mm。

首先计算盾构机的轴向：

水平趋向：

α1=（25-11）/4=3.5，垂直趋向：

Ө1=（-21+39）/4=4.25。

管片轴向与盾构轴向偏差：

水平夹角：

α=（P3-P1）/5.7=（1766-1778）/5.7=-2垂直夹角：

Ө=（P4-P2）/5.7=（1749-1851）/5.7=-18，管片轴向与设计轴线水平夹角：

α2=α1+α=1.5。

管片轴向与设计轴线垂直夹角Ө2=Ө1+Ө=-13.75

经计算得：

表8.1-1不同管片型号点位及超前量

右转环

左转环

点位

纠偏量（mm）

点位

纠偏量（mm）

水平

竖直

水平

竖直

0

36

-12

0

-36

12

1

24

-24

1

-24

24

2

12

-36

2

-12

36

3

0

-48

3

0

48

4

-12

-36

4

12

36

5

-24

-24

5

24

24

6

-36

-12

6

36

12

7

-48

0

7

48

0

8

-36

12

8

36

-12

9

-24

24

9

24

-24

10

-12

36

10

12

-36

11

0

48

11

0

-48

12

12

36

12

-12

-36

13

24

24

13

-24

-24

14

36

12

14

-36

-12

15

48

0

15

-48

0

所以，我们选择右转13点位或左转3点位的管片，能最好的调节管片轴向。

原管环轴线与新管环轴线水平夹角=ΔL/6=0mm/m,原管环轴线与新管环轴线垂直夹角=ΔL/6=8mm/m，故拼装管片后：

新管环轴线与设计线路轴线水平夹角=1.5+0=1.5，新管环轴线与设计线路轴线垂直夹角=-13.75+8=-5.75。

3、管片选型和超前量控制

本工程采用通用楔形管片作为隧道衬砌。

其不同的旋转位置，将产生不同的上、下、左、右超前量，通过不同位置管片的拼装，实现对隧道轴线的拟合。

因此拼装前管片的选型至关重要。

选择正确的管片旋转角度，能保证拼装工作的顺利进行提高拼装质量，保证构筑隧道符合设计轴线。

另外，盾构推进施工中，成环管片作为盾构推进后座，对盾构推进起到一种导向作用。

为此，在盾构推进尤其是曲线推进时，应通过严格的计算和量测来确定管片的超前量。

同时应用盾构本身数据系统结合盾构姿态，合理选取管片旋转位置，以达到管片相应的超前量，使管片环面始终垂直于设计轴线。

实施二：

掘进参数选择

1、参数对盾构掘进姿态的影响

（1）推力对掘进的影响

如果推进过程中出现一侧推力比另一侧推力大，但推进油缸的行程显示却是推力小的一侧变化快，这种现象多出现在小半径施工，增加推力，使得压差变大，以满足转弯的需要，用降低掘进速度的办法来保证掘进的连续性，同时也避免刀盘被卡死。

管片拼装的好坏会影响推进油缸的有效推力，所以要充分挖掘盾构机的有效推力，要避免不必要的推力损失，这也解释了为什么有时加大推力而速度依然无法获得提升。

图8.2-1盾构导向操作系统

（2）铰接对掘进姿态的影响

在纠偏过程中一侧的铰接拉得太长是件很头痛的事情，收铰接会加大不利的趋势，严重时这环的纠偏可能前功尽弃，一定要做到收铰接时间不可太长，压力不要太高，尽量把趋势从正值纠到负值（或负值到正值），并使之过2个趋势点再收铰接，这样就会把姿态调到了有利的一侧，这时收铰接才会对姿态纠偏起到事半功倍的效果。

（3）速度对掘进的影响

如果掌子面裂隙水丰富，或是在通过含水丰富地层时，要全速前进，在出土量有保证的前提下，尽可能提高掘进速度，这样做的好处是快速通过含水层，避免出现盾构姿态漂浮不定。

（4）刀盘转速及扭距对掘进的影响

刀盘的转速要满足的条件便是与掌子面的充分切削，基本操作原则是黏土层用低转速，硬岩用高转速，同时注意推力的调整，以提高或降低刀盘对土体的惯入度。

扭距不可太大，超过2000KN.m时不但应该提高泡沫剂等的用量，也要通过降低掘进速度的措施，来保证盾体不会发生旋转。

（5）同步注浆对管片姿态的影响

适当的同步注浆能有效填充管片脱出盾尾形成的空隙，但是在淤泥质软土地层中，成型隧道管片处于悬浮状态，容易产生不定向的偏移，此时我们就可以采用同步注浆对管片进行加固，或通过单侧注浆来阻止管片向一侧偏移。

图8.2-2同步注浆范围示意图

图8.2-3注浆压力与管片移动方向示意图

2、掘进参数

以苏州地铁2号线延伸线2标东方大道站～独墅湖南站区间左线101环～200环未进行参数比选前和701环～800环比选确定掘进参数后的掘进过程中盾构姿态进行比较。

表8.2-1101～200环掘进参数统计表

序号

掘进参数

参数值

备注

1

掘进速度

30～75mm/min

2

刀盘转速

0.8r/min

3

刀盘扭矩

900～2200KN.m

4

总推力

10000～14500KN

5

土仓压力

0.16～0.27Mpa

6

注浆压力

0.2～0.32Mpa

7

同步注浆量

5.4～6.4m³

8

出土量

39～41m³

表8.2-2701环～800环掘进参数统计表

序号

掘进参数

参数值

备注

1

掘进速度

40～60mm/min

2

刀盘转速

0.8r/min

3

刀盘扭矩

1300～1600KN.m

4

总推力

13000～14000KN

5

土仓压力

0.21～0.24Mpa

6

注浆压力

0.26～0.30Mpa

7

同步注浆量

6.0～6.4m³

8

出土量

39.4～40.1m³

图8.2-4101～200环盾构机姿态折线图

图8.2-8701～800环盾构机姿态折线图

九、效果检查

（一）目标检查

对东独左线101~200环和701~800环盾构轴线姿态进行统计，其中轴线姿态超过±50mm的比率如下图所示：

图9-1活动前后对比图

图9-2成型隧道

（二）社会效益

自小组开展活动后，盾构姿态明显好转。

同时针对我项目部能够主动、积极、有效的解决淤泥质地层中盾构姿态难以控制的问题，监理单位和业主单位对我工地给予了高度评价，企业形象得到了很大的提升，扩大了我公司在苏州地铁市场的知名度。

（三）无形效益

通过本次QC活动，小组成员得到了一次很好的锻炼，不论是在个人能力提高上、现场管理上、创新意识上，还是在QC工具运用方面，都体现出高度的团结协作精神，增强了小组成员的成就感。

十、制定巩固措施

1、把已被证实的有效措施纳入有关作业标准，为盾构穿越淤泥质地层姿态控制提供了有力的参数和技术保障。

2、结合苏州地铁的施工经验，项目部每星期组织相关人员对成型隧道轴线进行项目内部验收，作为技术员、盾构机司机、拼装手考核标准之一。

十一、总结和下一步打算

1、提高了全体小组人员的质量意识、专业技术水平，增加了施工经验，为下次类此的工程提供了有力的经验保障。

2、让全员参与质量管理，逐步提高队伍的整体素质，创造良好的社会效益。