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摘要：盾构施工姿态控制是确保隧道线型符合设计要求的关键，特别是在软土地层中施工，极易引起盾构栽头现象，从而使姿态失去控制。本文结合**隧道超大直径盾构软土地层施工的工程实例，对盾构施工中对盾构机栽头的原因进行分析研究，并制定相应控制措施。
关键词：超大直径；盾构；栽头
前言
盾构开挖隧道主要分为隧道掘进和管片拼装2道工序，管片拼装过程中盾构机处于静止状态，在此过程中会产生机体栽头现象。在盾构施工中，盾构机栽头情况时有发生，它主要受工程地质、盾构姿态、泥水仓压力及管片安装等因素影响。盾构机栽头会引起施工姿态失去控制，违反设计要求。因此，盾构机栽头控制是确保隧道质量的重要环节。
第1章 本工程周围环境及施工内容
盾构段设计为两条单洞隧道，最大水深13m，隧道外径为14.5m，内径为13.3m，内设安全通道、应急通道、电缆管廊、管沟及烟道。
1.1工程地质及水文概况
盾构区间主要穿越抛石区、软土区、海底基岩突起段。区间最小覆土深度8m，隧道底板结构最大埋深31m，线路经过海域湾最大水深13m。
盾构上方：海底隧道盾构上方地层以淤泥、淤泥质土、淤泥混砂为主，占比达98％以上，局部小范围夹杂粉细砂、粉质粘土，占比不足2％。
盾构范围：盾构掘进范围以淤泥、淤泥质土、淤泥混砂为主，占比约81％，局部小范围夹杂粉细砂、粉细砂、中粗砂占比约18％，三段基岩突起段含中风化花岗岩、微风化岩，占比约1％。
盾构下方：盾构底部地层以粉细砂、中粗砂、中粗砂等稍密～密实砂性土为主，占比约52％；淤泥质土、淤泥混砂、淤泥质等中～高压缩性土，占比约34％；全风化花岗岩、强风化花岗岩、微风化花岗岩占比约14％。
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图1-2隧道纵断面地质图
1.2盾构机栽头情况
在掘进的过程中，根据盾构机姿态，及时调整各组油缸压。隧道在掘进至180环盾构机趋势不变情况下盾构机姿态有明显栽头现象。以180~189环为例，该段地质断面90%为淤泥质土，10%为中粗砂，对该段盾构施工管片安装前后盾构姿态进行统计情况进行统计：
表1-3隧道180~189环盾构姿态统计
从上表分析可得，盾构在软土地层施工停机时会引起盾构机栽头现象。因此软土地层是引起盾构机栽头的一个重要因素。
第2章 盾构机栽头原因分析
2.1地层对盾构机栽头的影响
本台盾构属于超大直径盾构，盾构机重量较大，本台盾构主机重约2700T，单件最重为刀盘570T，刀盘及主驱动重心靠前，在软土地层施工中开挖面底部不能临时承载盾构机主机重量，从而引起盾构机停机期间栽头现象。
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图2-1隧道纵断面盾构主机受力简图
2.2盾构机姿态对盾构机栽头的影响
为保证盾构隧道成型后轴线和设计轴线相符合，掘进过程中需根据设计轴线和现场实际情况综合控制施工姿态。软土地层施工中，因盾构机自重原因停机期间会发生栽头现象，如盾构掘进过程中盾构机抬头量不能与停机期间栽头量抵消，或者小于栽头量则会发生盾构栽头现象。
2.3泥水仓压力设定对盾构机栽头的影响
泥水盾构施工中，泥水仓压力设定是支撑掌子面稳定的关键，同时泥水仓是传递掌子面给刀盘的反作用力的介质。泥水仓压力设定时不能过大，压力过大会引起冒顶等现象，压力过小则会引起掌子面坍塌、失稳等现象，一般情况下泥水仓压力设定需大于静止水压力小于泥水劈裂（渗透破坏）压力。
泥水仓压力的变化也会引起总推力变化，泥水仓压力设置太小，掌子面反作用于刀盘的力减小，总推力及各组油缸压力减小，从而引起盾构施工在软土地层停机期间栽头现象。
2.4管片安装对盾构机栽头的影响
管片安装期间，同时回收油缸数量过多，其余油缸压力不能均衡盾构机自重，会引起盾构机栽头现象。管片安装时间较长，盾构在软土地层中停留时间较长，也会增加盾构机栽头量。
第3章 盾构机栽头控制措施
3.1参数控制
本段里程掘进范围内90%为淤泥质土，10%为中粗砂，地层承载力较差，不足以承受盾构机自重。根据地质情况，对掘进参数进行重新设定。以260^269环为例对参数调整如下：
表3-1盾构掘进参数统计表
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经调整参数提高推进速度后，各组油缸压力增大，同时也减少在软弱地层停留时间，盾构机栽头现象明显减小。
本台盾构共有28组油缸，根据位置关系分为A、B、C、D、E、F6个分区，分区油缸数量可根据掘进要求调解，推进过程中可根据姿态对各组油缸压力进行分区调节。油缸压力成梯步由上而下递增，C组油缸压力最大，F组油缸压力最小。各组油缸压力需均匀设置，防止管片受力不均，造成管片损伤。
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图3-2油缸压力分布图
3.2盾构机姿态控制
盾构推进中，过量的蛇形运动造成的纠偏过程会使管片环面受力不均以及周围土体扰动，所以要控制好盾构机的姿态，发现偏差时应逐步纠正，控制油压差不宜过大，在盾构纠偏时要采取“勤纠、少纠”原则，不得过急过猛地纠正偏差。
为避免盾构主机在停机过程中发生栽头现象，在掘进时保证盾尾间隙的情况下可增加垂直趋势，并使盾构施工轴线处于设计轴线上方。施工中需根据经验确定不同地层中盾构停机的栽头范围，在掘进过程中对盾构机进行抬头，增加栽头预留量，从而弥补人为管片调整的范围缺陷。在管片拼装过程中，确保盾构机处于抬头状态，从而使盾构机栽头量和抬头量相互抵消。
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图3-3盾构机姿态示意图
3.3泥水仓压力控制
开挖面的平衡稳定主要通过控制泥水仓压力来实现，所以施工中的泥水仓压力设定尤为重要。泥水仓压力主要根据静水压力、土体特性、覆土厚度等因素综合计算。泥水压力设定原则：
泥水盾构在支护压力设定时，宜选择盾构切口作为压力控制点，同时监测盾构中心等其他点的泥水压力。掘进面支护压力设定应满足条件表示
Pw<Pm<Pc<Pf
式中，Pw为静水压力，Pm为维持掘进面稳定所需的最小压力，Pc为该地层设定压力，Pf为开挖地层的泥水劈裂压力。
软土地层施工中，为减小盾构机栽头现象，在压力设定范围内考虑在推进过程中泥水仓压力波动情况下选取较大值，以增大掌子面对刀盘反作用力，减少停机期间因油缸压力不足引起的盾构机栽头现象。
3.4管片安装
掘进过程中，推进系统可选用自由分区模式，适当增加底部分区油缸数量，减小安装管片回收油缸时底部油缸压力不足或压力突变引起的盾构机栽头。
安装管片前需对上环管片螺栓进行检查，对松动螺栓及时复紧。安装管片期间，减少同时回收油缸数量，每次只可2组油缸同时回收，减小对油缸压力的影响，特别是底部油缸压力。管片安装完成后对所有油缸进行检查，是否有泄压现象，如油缸压力异常，需及时处理。
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图3-4油缸压力分布图
结论概述
该段软土地层已掘进完成，在该地层掘进过程中，通过调整推进速度，减小管片在软土地层停留时间；增加垂直趋势，增加管片栽头预留量；增加泥水仓压力；加大泥水仓对刀盘反作用力；减少管片安装对油缸压力扰动；四种控制措施对盾构机栽头现象有明显改善，基本能控制盾构机栽头现象。
参考文献：
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