主动铰接与被动铰接盾构机应用比较

第39卷第3期 2021年3月V〇l. 39,N o.3 Mar.2021
[文章编号]1009-7767 (2021 )03-0131 -03D O I:10.19922/j.1009-7767.2021.03.131
主动铰接与被动铰接盾构机应用比较
曹希文
(中交天和机械设备制造有限公司南京分公司，江苏南京211899)
[摘要]介绍了主动铰接盾构机和被动铰接盾构机的详细参数，对比分析了 2种铰接形式盾构机的操作方法、连接形式、铰接角度计算、推进千斤顶作用距离和对管片质量影响，可为类似盾构施T提供参考。

[关键词]盾构机；主动铰接；被动铰接
[中图分类号]U455.43[文献标志码]B
Application Comparison between Active and Passive Articulation Shield Machine
Cao Xiwert
(.N anjing B ranch o f CCCC Tianhe m e chanica l e q uipm e nt m anufacture Co.*L td.»N a n jin g211899>C h in a)
A b s t r a c t：This paper introduces the detailed parameters of active articulated shield machine and passive o n e,c o m­pares and analyzes the operation m e t h o d s,connection forms,calculation of hinge angles,driving Jack action dis­tance and influence on segment quality of the two hinged devices.I t provides reference for similar shield construction. K e y w o r d s：shield m a c h i n e；active articulation；passive articulation
目前，盾构机在我国地铁施工中得到了越来越 广泛的应用，它具有施工速度快、安全系数高、环境 影响小等优点，但其灵敏度低。

盾构机的灵敏度是反 映其在曲线段施工时的一个参数，目前市场上的盾构 机灵敏度难以满足曲线段施工要求。

为了提高盾构 机的使用性能，通常将其分为前筒和后筒2个部分，中间用千斤顶连接起来形成铰接装置，使前筒和后 筒弯曲来适应曲线段的施工作业。

铰接装置主要分为主动铰接和被动铰接，笔者选择施工中常见的2种铰接形式盾构机，对盾构机主动铰接和被动铰接进 行比较分析，为类似盾构施工提供参考与借鉴。

1盾构机参数
笔者选择08 580 m m主动铰接复合式土压平衡 盾构机和08 830 m m被动绞接复合式土压平衡盾构 机进行对比分析，盾构机主要参数见表1。

表1盾构机主要参数
盾构机形式直径/mm铰接行程/mm前盾长/mm中盾长/mm尾盾长/mm铰接油缸/个总推力/kN铰接推力/kN灵敏度主动铰接8 580300890 5 370 3 6751676 00056 000 1.16被动铰接8 830150 2 800 3 000 4 1001576 00010 580 1.12
从表1可以看出，1)在总推力相差不大的情况 下，主动铰接推力是被动铰接推力的5.3倍。

这是由 于主动铰接千斤顶载荷大，其外形尺寸也大，布置的 数量相对较多，使得盾构机的内部空间较为拥挤，并[收稿日期]2020-02-29
[作者简介]曹希文，男，工程师，学士，主要从事地铁施工管理工作且液压系统的油压很高，液压油容易泄漏，因此需 采用超高压液压元件。

而被动铰接千斤顶载荷小，其 外形尺寸也小，布置的数量相对较少，盾构机的内部 空间就较为宽敞，液压系统的油压较低，因此采用中 高压液压元件即可，且对盾构机维护保养工作十分有利Ml。

2)主动铰接行程300 m m，被动铰接行程
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150 m m,在盾构机直径相差不大的情况下，铰接行程 越长，铰接所能形成的角度也就越大，也就更能适 应小半径曲线的施工作业。

2盾构机操作方法
1)主动绞接盾构机的校接系统由16个油缸组 成，每2个油缸组成1组，每组又有B和L2种状 态，其中内圈的L表示锁定状态，选中后该组油缸将保持不动，外圈的B表示伸缩状态，选中后通过旋 钮使该组油缸做出伸或缩的动作，若2种状态都不 选择，则该组油缸会跟随其他油缸运动，简称随动。

主动铰接操作界面见图1。

图1主动铰接操作界面
以铰接上折为例,先选择1组的L1，再选择4〜 6组的B4〜B6,操作旋钮使之保持伸的状态，此时 1组的油缸保持不动,4〜6组的油缸向外伸出，其他 未选择的油缸跟随着底部3组油缸向外伸出，待伸 到铰接设定的角度后，关闭铰接液压泵，将所有油缸 选择到L状态，此时铰接上折动作完成。

进行铰接操作时，需要先将所有油缸伸出40 m m 以上,然后再开始较接动作。

为防止前筒和后筒相互 滚动，铰接装置的顶部和底部均安装了滚动止动销，因此最大铰接角度为左、右1.5 °,上、下0.5 °，应 避免进行超过该铰接角度的施工作业。

2)被动铰接盾构机的铰接系统由15个油缸组 成，有缩、保持、伸3种状态。

被动铰接操作界面见 图2。

保持
无论处于何种状态，15个油缸都是同时工作的。

在铰接操作界面上有个铰接油缸压力显示，用来表 示盾尾的受力情况。

当操作旋钮处于保持状态，铰接 油缸压力突然增大时，说明盾尾与土体或管片之间 有卡顿，此时可操作旋钮处于伸或缩状态使盾尾与 土体或管片回归正常状态，降低铰接油缸压力。

由此 可见，被动铰接的角度是在油缸和外界阻力的共同 作用下被动形成的，不能人为控制，且操作说明书规 定只有在掘进模式下才能进行伸或缩动作。

3)综上所述，当盾构机穿越曲线段施工时，主 动铰接装置需对铰接千斤顶进行专门的伸缩操作，并计算不同转弯半径下的铰接角度，对盾构操作人 员技术要求较高，稍有差池就会对盾构姿态产生严 重的不利影响，更有可能损坏成型的管片；而对于 被动铰接装置来说，盾构操作人员只需留意操作界 面中铰接油缸压力显示，根据界面压力进行单一的 伸或缩操作即可，使用简便快捷。

3盾构机连接形式
1)主动铰接盾构机的盾体由前盾、中盾前部、中盾后部和尾盾构成，为了方便理解，可以将中盾后 部与盾尾合并，统称为盾尾。

主动铰接的推进千斤 顶安装在尾盾法兰上，其推力作用在尾盾上，再通过 铰接千斤顶将作用力传递到中盾前部，凭着铰接千斤 顶的主动伸缩来调整盾体前、后部分弯折角度，达到 使盾构机转弯的目的。

主动铰接连接形式见图3。

图3主动铰接连接形式
2)被动铰接盾构机的盾体由前盾、中盾和尾盾 构成。

被动铰接的推进千斤顶安装在中盾法兰上，其 推力直接作用在中盾上，由中盾通过铰接千斤顶拖 动尾盾|2]。

被动铰接连接形式见图4。

第3期曹希文：主动铰接与被动铰接盾构机应用比较133
图4被动铰接连接形式
4铰接角度计算
当盾构机在圆曲线内掘进时，最合适的铰接角 度应该是前盾、后盾与圆曲线相切时的角度，此时 盾构机折成的形状刚好与曲线重合。

为方便计算和 理解，假设盾构机一侧的铰接油缸行程为零而只伸 出另一侧铰接油缸（实际操作时所有铰接油缸都应 该先伸出一定量再形成角度，防止铰接密封损坏）。

盾构机一般都是前盾长，因此在铰接操作时一定要 保证前盾能顺利通过，而此时的切点位置刚好在前 盾的中点。

铰接角度见图5。

根据几何知识可知，狡接角度/3=/l C0D= arctan 4a/?/(4/?2-a2)，其中 /IS线段长度等于 2L s i n Z H0D，即为铰接行程差。

以为550 m的圆曲线为例^为5 560 m m，L为7 600 m m，带人上述公式可得：铰接 角度为0.58 °,铰接行程差为76.9 m m。

5推进千斤顶作用距离
盾构机上的大质量部件如刀盘、主驱动都集中于前部，因此推进千斤顶作用点越靠前，盾构机的姿
态就越容易调整。

而盾构机姿态最难调整的是向上
抬头，不仅要克服周边土体摩擦力，还要克服盾构
机自身的质量。

在淤泥质等软土地层中，由于土质松
软无法为盾构机提供足够的支撑力，盾构机经常发
生栽头现象。

由于主动铰接推进千斤顶作用在盾尾，
被动铰接推进千斤顶作用在中盾，因此推进千斤顶
作用点更靠前的被动铰接盾构机优势较大。

6对管片质量影响
1) 主动铰接盾构机由于设置了与曲线段相适应 的铰接角度，且这个角度不受外力因素的影响而变
化，推进千斤顶可以在区压差较小的情况下在曲线
段上掘进，管片受力均勻，而且推进千斤顶作用在
盾尾，管片与盾尾的相对位置基本保持不变，管片
质量不会受到影响。

2) 被动铰接盾构机推进千斤顶作用在中盾，必 须保持较大的区压差才能使盾构机沿着曲线段前
进。

区压差增大直接导致推进千斤顶行程差增大，这
时候推进千斤顶中心线与管片中心线的角度就会
产生变化，从而增加外侧水平分力，不仅会降低推
进千斤顶的有效推力，还可能导致管片破损、崩角。

在这个过程中，铰接油缸行程差会随着推进油缸行
程差的增大而增大，盾尾与管片的相对位置也会产
生变化，若盾尾间隙良好，则对管片影响较小，若盾
尾间隙较小，盾尾就会对管片产生挤压，造成管片
错台、破损。

7结语
以上最常见的2种铰接形式盾构机为代表，通
过理论和实际相结合的方法，分析总结了主动铰接
盾构机和被动铰接盾构机在机械结构、操作方法和
实际应用中的优缺点，可为今后盾构施工和盾构机
的选型提供参考依据。

[参考文献]
11]龙刚.中国铁建重工盾构机被动铰接系统的研究与应用[j].
市政技术,2016,34(S u p l): 141-143.
[2 ]杨圆，王春松.主动铰接盾构在连续小半径曲线中风化泥岩的
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