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摘要：为了探明盾构掘进过程中机-土相互作用的机理，指导盾构姿态的控制和调整，针对水平偏角变化对盾构与土相互作用的影响这一问题，对作用于盾壳周围土压力的理论计算方法以及水平偏角预测模型进行研究。首先基于地基反力曲线，通过等效弹簧近似建立盾构与土的相互作用模型，同时基于几何分析可计算盾构水平偏角变化过程中周围土层发生的位移，从而得到作用于盾构外壳的周围土压力的理论计算方法。然后引用改进的松动土压力计算方法，得到盾构初始土压力的计算方法，解决盾构水平偏角计算的初始边界问题，并结合土对盾构作用荷载的计算方法得到盾构水平偏角计算方法。
关键词：盾构；水平偏角；变化；盾构-土；相互作用；影响
1、盾构始发技术原理
盾构始发时，受各种因素制约，不能以正常姿态始发，可将盾构轴线与设计中线保持一定夹角θ始发，保持夹角不变掘进一定长度，待盾体完全进入土体后，再纠偏调整盾构轴线姿态，始终保持盾构掘进中线与设计线路中线之间的偏移量小于50mm，实现既能够顺利始发，又保持隧道各项偏差不超限的目的。
偏角始发需要解决的关键问题在始发前确认盾构机与隧道轴线位置合理和盾构机姿态正确，由于盾构处在带有夹角的特殊位置，这为盾构机的始发提出了很高的技术要求，需要解决以下关键问题：①盾构机在始发后盾体完全进入隧道前，封闭铰接装置，确保盾构直线掘进；②盾构机始发时，严格控制预偏量为30～50mm以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧外侧的偏移；③推进时，要适当调整左右两组油缸的压力差，使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力，但纠偏幅度不要过大；④适当降低推进速度，在盾构机推进启动时，推进速度要以较小的加速度递增；⑤在以上措施实施后还不能达到预期效果时，应启用超挖刀进行超挖纠偏。
2、盾构姿态控制
2.1姿态控制基本原则
盾构机的姿态控制简言之就是，通过调整推进油缸的几个分组区的推进油压的差值，并结合绞接油缸的调整，使盾构机形成向着轴线方向的趋势，使盾构机三个关键节，是（切口、绞接、盾尾）尽量保持在轴线附近。以隧道轴线为目标，根据自动测量系统显示的轴线偏差和偏差趋势把偏差控制在设计范围内，同时在掘进过程中进行盾构姿态调整，确保管片不破损及错台量较小。通常的说就是保头护尾。测量系统主要的几个参数：盾首（刀盘切口）偏差：刀盘中心与设计轴线间的垂足距离。盾尾偏差： 盾尾中心与设计轴线间的垂足距离。趋势：指按照当前盾构偏差掘进，每掘进1m产生的偏差，单位mm/m 。滚动角：指盾构绕其轴线发生的转动角度。仰俯角：盾构轴线与水平面间的夫角。
2.2盾构方向控制
通过调节分组油缸的推进力与油缸行程从而实现盾构的水平调向和垂直调向。不同的盾构油缸分组不同，分组的数量越多越利于调向。所有的油缸均自由的方式对调向最为有利。 方向控制要点：
（1）控制要点
以盾尾位置为控制点例如在盾构通过富水岩层中，管片己上浮和旋转，因此需要提前对盾构头部姿态作出调整，一般情况下会通过人工测量反馈一定的上浮量，将垂直姿态适当的下调一定的比例，如上浮100mm 时，需将整体姿态向下50mm 。确保盾尾管片的姿态在控制轴线允许偏差范围内。
（2）调节量控制
一般情况下掘进调节量5mm/m 以内较为合理，线性最佳，特殊情况下，可根据线路的转弯半径提前进行调节。例如在左转时，进入转弯曲线前，需提前向左边进行适当的偏移。因此主司机必须提前掌握整个线路的走向以及趋势，确保方向能够更加缓和的调整。
（3）趋势调节
趋势一般情况下不能太大，否则会造成急于纠偏的现象，大趋势变化由大方位变化而来。趋势要与管片银行量调整大小匹配，在管片能够调整的范围内进行调向。也就是要跟着管片方向进行调向。
反之则容易使管片与盾尾卡死，绞接力及行程会增力口。
（4）油在工行程差
一般情况下油在工行程差不大于50mm ，在特殊情况下油缸行程差值也不要大于60mm。 油缸行走的差值，直接反映了调向的快慢，例如左边的油在工行程比右边的行程多行走50mm，那么方向将向右边偏移，一般情况下调节的行走行程的差值不大于管片调形量，例如管片银行量为38mm，那么每环最大的调节行程差控制在38mm以内较为合适，否则过快的调向会造成卡盾现象。
（5）速度与调向的关系
掘进速度的快慢与调向也有直接的关系，在一般情况下，速度慢对调向更为有利，因此在调向困难时，一定要放慢掘进速度已确保方向可控，并且每掘进300-500mm的油在工行程，观察姿态的变化是否与调节的方相一致。如果行程差在增大而方向没有任何变化或向相反的方向移动，那么需立即停机并将情况及时的反馈至相关人员进行测量核定。
3、盾构水平偏角变化对盾构-土相互作用影响
倾斜量应控制在2%以内滚动角控制在＋－ 10mm/m 以内，滚动角太大盾构不能保持正确的姿态，影响管片的拼装质量。可翻转刀盘来减小。
通过推进油缸的调整逐步纠正盾构机切口位置的控制可以通过调节几个推进油缸区域推进压力的差值来进行调整，当两腰的推进压力基本相同时，盾构切口平面会保持向前，若两腰的推进存在差值时，则盾构切口将产生调向的趋势，盾构方向左偏时，提高左侧的油缸推力，盾构方向下偏时，提高下边的油缸推力，反之亦然。一般在进行直线段顶进过程中，应尽量使盾构机切口的位置保持在施工轴线的， 10mm ～ ＋ 10mm 范围之间，在盾构机姿态不好需进行纠偏时，可以适当放大切口
盾构-土相互作用表现在两方面：盾构施工土体的扰动和地层应力释放对盾构运行状态的影响。一方面，盾构施工对土体的扰动是不可避免的，它包括盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等。此外，土体的物理力学性质与原状土相比也将随着施工扰动发生深刻的变化。土体扰动是地层变形的原因，而地层变形是扰动的结果。土体扰动的影响范围和程度取决于很多因素，这包括：①盾构型式；②盾构施工参数（如进载荷、土舱支护压力、刀盘扭矩、掘进速度、排土速度、压浆压力、超欠量、盾尾间隙等）；③土体性质及隧道所处的环境；④隧道埋深上部荷载的影响；⑤隧道几何尺寸及衬砌等。另一方面，掘进过程引起岩土应力释放，形成高达数十兆帕的瞬变应力场，造成土盾构相互作用界面上作用有分布奇异、剧烈变化的随机突变载荷，使得盾构动态力学行为极为复杂、难以预测，经常发生位姿偏离设计路线等问题。为保证极端环境下的安全、高效掘进作业，必须深入研究土盾构相互作用规律和精确的推进载荷控制。
4、结束语
盾构水平偏角变化，盾构-土相互作用实际上是一个非常复杂的力学作用过程，必然包含了材料非线性何非线性、接触非线性等非线性力学问题。从影响因素角度看，土盾构相互作用同盾构操作、地层特性及盾构状态等诸多不确定因素直接相关。盾构操作是指作业时对盾构进行的控制，主要是推进载荷和密封舱支护压力的控制；盾构状态是指盾构的位置、姿态角、掘进速度等，作业时必须实时监测；地层特性包括水文地质条件的空间分布和不同岩土介质材料的物理力学性质与参数，如密度、内摩擦角、粘聚力、土压力系数等。其中，地层特性是隧道及地下工程发生风险的“客观内在孕险因素”。大量工程地质勘察和试验表明，地下土体的水文地质条件具有很多不确定性和空间随机变异性，如地层的随机分布与转移、地质参数的随机变异、地下水和人类活动影响等。此外，隧道及地下工程施工技术方案与工艺复杂，不同的盾构操作又有不同的适用条件。这些复杂因素的存在和相互耦合使得土盾构相互作用具有强非线性和不确定性。
参考文献：
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