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1、- 1 -试 论 盾 构 旋 转 的 成 因 及 预 防(作者：中铁十二局广深港狮子洋隧道技术主管 安宏斌)摘要：文章通过工程实例对盾构机和管片发生旋转现象的原因及产生的不良影响进行深入地分析，提出了预防措施及纠正方法，以咨借鉴。关键词：盾构管片 旋转 成因 预防1、工程概况某大直径泥水盾构隧道管片外径为 10.8m，厚度为 500mm，采用双楔型管片错缝拼装，采用“7+1”分块式的通用楔型环钢筋砼单层管片衬砌。2、盾构管片旋转的不良影响在泥水盾构推进过程中，受到盾构机刀盘扭矩的影响，盾构机自身发生扭转，拼装成环的管片拼装位置与设计值相比旋转了一定角度，给后续施工带来很大麻烦。正是因为在施工中
2、发现隧道内污水在底部管片上流动痕迹发生变化，拼管片时发现千斤顶油缸撑靴在管片端面位置的变化，才发现管片已经发生了旋转，见图 1 所示。图 1 污水流向改变2.1 管片旋转给洞内辅助设备的不良影响由于隧道内的辅助设备（后配套拖车轨道、电瓶车轨道以及泥浆管）用连接件固定在管片的连接螺栓上，管片发生扭转后必然导致后配套拖车和电瓶车- 2 -轨道铺设不平整，产生高度差，影响设备的正常运行。后配套轨道不及时调整就会导致 0拖车包角轮损坏，后配套拖车发生脱轨现象；尤其是电瓶车轨道不及时调整，电瓶车运输时发生倾斜，稍有不慎电瓶车上的管片就会滑下来发生严重事故，后果不堪想象；泥浆管也会随着管片扭转产生变化，导
3、致不容易固定，存在产生水锤现象的隐患。下面是在现场拍摄的照片以供参考。图 2 泥浆管加固位置变化2.2 管片旋转给管片拼装带来了不便管片发生旋转之后会产生不良现象，给盾构管片的拼装造成了一定不良影响，管片的 F 块方位角出现偏差。盾构掘进施工时，产生了一定程度的扭转，局部扭转角度达 12，具体如图 3 所示。由于管片扭转过大，致使管片选型的点位均发生变化，给管片的选型和拼装带来了一定的难度，影响了管片的拼装质量，也使后续台车架和电机机车轨道铺设不平整，影响了设备的运行。图 3 管片扭转示意图- 3 -3、盾构机及管片拼装产生扭转现象的原因分析3.1、盾构机及管片之间的力学模型分析盾构机刀盘旋转
4、分正转及反转两种(即顺时针和逆时针旋转)，当电机带动刀盘顺时针或者逆时针旋转切削岩土时，岩土对刀盘产生逆时针方向的反力矩M 岩，此时盾构机外壳与土体间的摩擦力对盾构机产生一反方向力矩 M 盾，以维持盾构机体平衡，如图 4 所示。图 4 管片扭转力学示意图当 M 岩M 盾静时，盾构机具有滚动的趋势，盾构机机体内的推进千斤顶会对管片产生一逆时针方向的扭矩，当管片自身稳定性及围岩或衬背已凝固的水泥浆对管片的摩阻力产生的反抗力矩 M 管片能抵抗这一力矩时，盾构机体及管片也都稳定，不会出现扭转趋势；当 M 岩M 盾静+M 管片时，盾构机机体及管片均会产生逆时针方向的扭转。从以上力学分析中，我们得知管片扭
5、转最主要的原因是围岩未能提供足够的摩阻力来阻止盾构滚动的趋势而带动管片扭转。而导致围岩未能提供足够摩阻力的内在原因为：盾构刀盘左右旋转方向不均衡，刀盘总朝一个方向旋转；- 4 -同步注浆效果不理想，造成围岩无法提供足够的摩擦阻力以约束管片的扭转；管片螺栓未足够紧固，故无法有效地传递力矩。以下再对其内在原因进行详细分析。3.2 刀盘正反转不均衡刀盘的正反转均衡使用，一是为了保护刀具，使其刀盘辅板两边刀具均衡磨损，刮刀设计如图 5 所示；二是控制盾构机的自转，刀盘正反转使其滚动值变为零。图 5 刮刀设计当盾构机体及管片均具有滚动趋势时，刀盘顺逆旋转的不均衡将造成管片向某个方向的扭转大于另一方向的扭
6、转，造成成型管片的扭转积累。均衡是指在盾构掘进过程中，刀盘正反转的时间基本一致，同时也要求刀盘正反转的扭矩基本一致，这样管片顺逆时针扭转的趋势也会一致。掘进施工中，最初由于经验不足，刀盘总是朝着某个方向旋转，导致盾构机体滚动角度急剧增大，后续台车轨道也跟着倾斜，管片随其扭转了一定角度，造成后续台车面临出轨的危险，严重影响盾构的掘进施工，后来我们在掘进施工中严格控制刀盘正反转时间和扭矩，有效地控制了管片扭转和后续台车的出轨现象。因此在盾构推进过程中，如扭矩较大则应尽量缩短刀盘的单向旋转时间，若某一环推进过程中未消除该情况对管片造成的扭转，且在每一环推进完毕后盾构机体滚动角均增大，则管片的扭转角将
7、会叠加，使扭转程度变得更严重。3.3 围岩未能给予管片足够的摩阻力在较稳定的岩层中，由于围岩的拱效应作用，管片与围岩之间存在着一定的建筑空隙，需同步注浆进行填充并固结管片。但在基岩裂隙发育，地下水丰富地段，注浆效果往往较差，管片背填注浆液长时间未能有效凝固，或注浆量严重不足导致管片未能充分接触周围岩体，因此无法产生足够的摩阻力组织管片转动。管片扭转在这种地层将会更加严重。双 向 刮 刀- 5 -对于岩层较软弱的地段，盾构掘进开挖后形成的建筑空隙，由于地层的变形和沉降，即使同步注浆也无法有效凝结或注浆量严重不足，导致管片受变形沉降的土体所约束。此时，盾构机及管片扭转受到衬背、盾体外壳的土层所提供
8、的摩阻力，故不易发生扭转。但就是在这种不易发生扭转的地层盾构机及管片发生了大的扭转，扭转角达到 12。通过对施工过程中盾构机及管片扭转情况进行统计，也证实在软弱地段不易发生扭转，而在岩层自稳性较好且含水的地层段，管片发生扭转的现象较为普遍。3.4 管片螺栓未足够紧固造成的拼装误差在管片拼装时，由于工人对管片连接螺栓未能足够紧固，故无法加强环间的有效连接和提高管环间的摩擦力，造成管环之间未能有效传递盾构机滚动产生的力矩，成型管环整体性较差，也是造成管片扭转的原因之一。4、预防及处理措施4.1 尽量缩短刀盘单个方向的旋转时间，使正反转时间和扭矩趋于均衡。4.2 尽量缩短同步注浆液的初凝时间，以增强
9、管片的自稳性和及时给予管片足够的摩阻力。4.3 每一块管片就位拼装时，应将每个螺栓初步扭紧，在拼装完整环后再次紧固，此外在推进过程中推进压力远大于管片拼装时的千斤顶压力，故此时应对管片螺栓再次紧固，以达到较好的紧固效果，使管片整体性良好以抵抗扭转的趋势。4.4 掘进时推进千斤顶上下部压力差应尽可能小，避免较大的压力差使管片产生漂浮现象，从而减弱管片的自稳性。施工实践证明，当盾构机推进千斤顶上下部压力差达 120bar 时，管片向上位移较明显，故施工中宜控制上下千斤顶压力差小于 100bar。4.5 当发现管片有位移迹象时，应及时对管片进行衬背注浆，以防止管片继续位移，或对管片进行有效的填充，以
10、防止管片产生过大的扭转。4.6 在发现管片产生扭转时，可将刀盘与管片扭转方向同向旋转，并适当延长旋转时间，以防止管片继续扭转并使管片恢复正常位置。在不同的地层和- 6 -采用的不同转速时要通过盾构机操控手通过不停的调整参数，观察扭矩和转速的变化来确定如何对刀盘进行操作。4.7 在管片扭转过大时，可合理利用管片螺栓孔与螺栓间的公差进行调整，管片拼装时将管片向扭转的反方向进行拼装。拼装时为便于拼装和达到最好的效果，管片拼装时可以另外加一异型定位销，人为有意的把已经转动的管片变量借回来。参考文献1 周文波 盾构法隧道施工技术及应用M 北京：中国建筑工业出版社 20042 朱伟译 隧道标准规范(盾构篇)及解说M 北京：中国建筑工业出版社 2001 3 第四届中日盾构隧道技术交流会论文专辑 中国广州 2007年 9 月 1922 日
