盾构机在淤泥质地层中推进如何控制盾构机姿态的研究讲义
盾构机在淤泥质地层中推进应如何控制好盾构机姿态的方法和研究
作者：李懂懂
引言
随着城市的快速发展，我国各大城市都在进行建设地铁。盾构法施工技术得到了广泛的应用。当盾构机在不同地质条件推进时盾构姿态的控制是有所差别的。
东方大道站～独墅湖南站盾构区间左线1772.729m、右线1794.2m。总长度为3566.929m。
本区间线路始于东方大道站东端，下穿花泾港河道后线路稍向北偏，下穿独墅湖公园、赏湖路、规划地块（一类居住用地）及苏州运河后，线路转向北下穿过规划地块（二类居住用地）后折向启月街到达独墅湖南站。区间线路共有两段曲线，半径分别为2000m、450m，左右线路中心线间距13.0～16.5m。
区间隧道纵坡呈“V”字型，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，其余半径为5000m。隧道埋深10.8～19.1m，下穿苏州运河段隧道最小埋深约11.6m。
图2.1 东方大道站～独墅湖南站区间平面示意图
序号区间
名称
隧道通过的
主要地层为
地下水情况
隧道埋
深
1 东方
大道
站
～
独墅
湖南
站
区间
隧道通过的
主要底层
为：④2层
粉土夹粉质
粘土，局部
为②Y层淤
泥质粘土、
③3层粉
土、④1层
粉质粘土、
⑤1层粉质
粘土
场区地下水主要为松散浅层
孔隙潜水和松散岩类孔隙
(微)承压水。
潜水位埋深：0.3～2.5m；
微承压水主要赋存于③2层
粉质粘土和⑤2层粉土夹粉
砂层。其层顶埋深分别为
11.6～22m、27.8～33.1m；
承压水主要赋存于⑦2粉土
层及⑦4粉土夹粉砂层，⑦2
层与上部⑤2层相互贯通。⑦
4层层顶埋深为50～52m。
工程场区分布的④1和⑤1
层粘性土，呈软～流塑状，
是场区相对软弱的土层；沿
线场区分布的②Y层淤泥
质粘土，流塑状，是场区内
主要软弱地层。工程所在场
区在基坑开挖范围内分布
的③3层粉土和④2粉土夹
粉质粘土层，为弱透水层、
渗透性尚好，在一定水头压
力差作用下易发生渗透变
形，其表现形式主要为流土
或管涌等。
13
～16.5m
图2.2 东方大道站～独墅湖南站区间地质断面示意图
1.淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制
盾构机在软弱土层中掘进时, 由于地层自稳性能极差, 为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内, 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动, 宜将盾构机掘进速度控制在30～40mm?m in 之间, 刀盘转速控制在1. 5r?m in 左右。在该段地层中掘进时, 四组千斤顶推力应较为均衡, 避免掘进过程中千斤顶行程差过大, 否则, 可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂,以保持出土顺畅, 尽量保持盾构机的连续掘进, 同时, 要严格控制同步注浆量, 以保证管片背后间隙被有效填充。盾构机在这种地
层中掘进, 其盾构机的姿态控制难度大, 易产生盾构机垂直方向上的过量蛇行, 造成管片错台及开裂。在这类地质条件下掘进, 盾构机刀盘受力不均, 掘进速度不均衡, 这就要求在掘进过程中, 必须时刻观察测量系统提供的盾构机姿态数据, 结合推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值, 不断地调整各分区千斤顶的推力及总推力, 以保持盾构机姿态的平稳。如果不注意调整推进千斤顶的行程差, 就会造成管片选型变化大, 甚至造成过小的盾尾间隙使管片不能顺利脱出盾尾。因此, 在推进过程中不能单一的只注意测量系统所提供的盾构机姿态来指导掘进, 还应兼顾各分区千斤顶的行程差。在盾构机姿态控制中, 推进油缸的行程控制是重点。
对于1.5m 宽的管片, 原则上行程控制在1700～1800mm 之间, 行程差控制在0～40mm 内, 行程过大, 则盾尾刷容易露出, 管片脱离盾尾较多, 变形较大; 行程差过大, 易使盾体与管片之间的夹角增大, 易造成管片的破损、错台。
2.对于如何控制盾构姿态，
首先盾构机姿态控制的一般细则一般情况下, 盾构机的方向纠偏应控制在±20mm 以内, 在缓和曲线及圆曲线段, 盾构机的方向纠偏应控制在±30mm 以内，盾构机姿态控制操作原则有两条:(1) 盾构机回转角值应适宜, 盾构机回转角值太大, 盾构机不能保持正确的姿态, 影响管片的拼装质量, 此时, 可以通过反转刀盘来减少滚动角值。(2) 盾构机的前进方向水平向右偏, 则需要提高右侧千斤顶分区的推力; 反之, 则需要提高左侧千斤顶分
区的推力。如果盾构机机头向下偏, 则需要提高下部千斤顶分区的推力; 反之亦然。
在淤泥质当中刀头水平姿态应控制在±20mm，垂直姿态应控制在+30mm。对于苏州地铁2号线延伸线东~独区间采用了此种方法对于成型的管片得到了有效的控制如下图2.3所示：
图2.3 东方大道站～独墅湖南站区间管片成型姿态示意图
图2.4 东方大道站～独墅湖南站区间盾构机姿态示意图
因为在这种土层当中刀头不允许载头，一旦载头就很难再抬起来以致造成盾构机刀头越推进越往下载，最后远远偏离盾构机设计轴线。在淤泥质地层当中盾构机刀头自身很重，随着自身的重量刀头会慢慢下沉，盾构机出土完毕后会有一定的时间来拼装管片正是在这段时间里刀头才会慢慢下沉，如果盾构机在此当中停留时间越长盾构机刀头就会越往下沉，所以我们就要始终控制刀头在盾构机设计轴线的正上方这样盾构机刀头下沉后正好接近设计轴线，如果盾构机在停留过程中按设计轴线停留的话那么盾构机就会往下沉偏离了设计轴线，所以盾构机推进过程中不允许在此淤泥层地质当中停留，在淤泥质地层当中停留时间越长盾构机刀头包括整个盾构机都会下沉所以我们要保证盾构机匀速的往前推进。对于盾尾我们应保证水平姿态应控制在±20mm，垂直姿态应控制在-30mm如上图2.4所示，我们为什么要在盾尾控制-30mm 的姿态，主要是因为在这种地层当中随着盾构机的往前推进千斤顶对管片的一个反向作用力在加上地下含水量的增多及易使管片上浮，所以我们要把盾尾姿态控制在-30mm。当盾构机走后管片会有一定程度的上浮量这正好和姿态的-30mm向抵消最终能使成型的管片正好在我们的设计轴线范围内。在这种地层中我们还应当保证地面的沉降量，如果沉降得不到有效控制的话对地面的影响是很大的。沉降要想得到有效控制我们必须从盾构推进过程中手解决，当管片脱出盾尾就必须进行同步注浆，在注浆同时也会对管片引起巨大的上浮量，再加上这种地层当中丰富的地下水也
会带来管片的上浮，对于这种叠加产生大的管片上浮量我们只有通过控制盾构机的盾尾姿态及同步注浆的部位来实现，同步注浆我们应该先管片上部、再左右侧注浆。管片下部我们不应该去注浆，如果下部在继续注浆的话，随之带来的管片上浮。最后造成管片脱出盾尾，甚至拉裂管片。
3、姿态的控制还应从控制测量做起
（1）洞内平面控制测量洞内施工控制导线一般采用支导线的形式向里传递。但是支导线没有检核条件，很容易出错，所以最好采用双支导线的形式向前传递。然后在双支导线的前面连接起来，构成附合导线的形式，以便平定测量精度。洞内施工控制导线一般采用在管片最大跨度附近安装牵制对中托架，测量起来非常方便，且可以提高对中精度，还不影响洞内运输。强制对中托架尺寸形状要控制好，以便可以直接安装在管片的螺栓上面，不需要电钻打眼安装。如下图2.5所示：
图2.5 东方大道站～独墅湖南站区间托架示意图
由于盾构施工一般都是双线隧道错开50环左右掘进，如果错开环数很大，后面掘进的盾构机由于推力很大，会对前面另一个洞的导线点产生影响。特别是在左右线间距较小岩层很软时，影响很大，很容易导致测量出大错。还有就是如果在曲线隧道里，管片上的导线点间的边角关系经常受盾构机的推力和地质条件的影响，所以要经常复测。
4、地下控制网布设
（1）地下控制导线随盾构推进而延伸,所以在隧道贯通以前，井下导线只能以支导线的形式向前延伸。布设井下导线点时，应尽量延长导线边的长度，同时尽量采用等边直伸，减少长短边相接，可以有效提高观测精度。
（2）控制点应避开强光源、热源、淋水等地方，控制点间视线距隧道壁应大于0.5米，地下导线边长宜控制在200米以内,平均150m，直线最短100m，曲线最短60m。
（3）端头井附近的导线点采用水泥墩做的强制归心标，隧道内的控制点布设在隧道侧墙，采用强制对中支架。
（4）为避免受旁折光的影响，隧道内的相邻控制点应采用沿隧道两侧壁对向布设。
（5）隧道内水准点可选在管片两侧底部，管片上钻设膨胀螺栓，一般设置在隧道底部，每200米左右布设一个水准点。
5、地下控制测量技术要求
（1）地下平面控制测量采用精密导线的技术要求进行测量，
水准测量采用二等水准的技术要求进行。
（2）直线隧道每掘进200m或曲线隧道每掘进100米时，应布设地下平面控制点，每次延伸控制导线点前，先对前三点进行检测，确保准确延伸控制导线点。
（3）地下控制点定向成果较差应小于30*d/D（mm），其中d 为控制导线长度，D为贯通距离。满足要求时，应取逐次平均值作为控制点的最终成果指导隧道掘进，超限时，应重新进行定向测量。
（4）隧道长度超过1500米时，应在适当位置加测陀螺方位角或通过钻孔投测坐标点等方法提高控制导线精度，同时应考虑将导线布设成双支导线，组成地下闭合导线。
（5）水准测量应在隧道贯通前进行不少于三次，并应与高程传递测量同步进行，重复测量的高程点间的高程较差应小于5mm，满足要求时，应取逐次平均值作为控制点的最终成果指导隧道掘进。
6、洞内高程控制测量洞内由于轨道上钢枕太多，轨道下的泥水经常盖到钢枕上来了，所以我们应在钢轨上部打一膨胀螺丝作为高程控制点一般一百米做一个控制点且在管片左右侧各做一个，用红油漆做明显标记，用水准仪配因钢尺测量往返测量达到二等水准的精度。向洞内传递高程一般采用悬挂钢尺的方法，一定要注意加温度和尺长改正，才能保证导入井下的水准点的精度。
7、高程联系测量的技术要求
（1）测量过程严格按照城市二等水准测量要求施测。
（2）钢尺要使用经严格检定过的长钢尺，钢尺下端悬挂重物应与钢尺检定时的重物等重；对钢尺进行温度、尺长等各项参数改正。
（3）作业前，对水准仪整平气泡及i角进行校检，二等水准测量，i角应小于或等于20″。
（4）地面近井水准点应从附近二等水准点引测到车站或井口附近稳固的地方，每次联系测量时，必须先与附近二等水准点联测。
（5）井下水准基点的布设，应选在受施工影响小且便于引测的地方；地下水准点不得少于两个，且两点间的水平距离不宜小于20米。
（6）地下水准测量时，必须以两个水准点组成一个附合线路，进行高程相互检核。
传递高程如下图2.6所示。
图2.6 东方大道站～独墅湖南站区间高程传递示意图
8、平面联系测量
地铁施工规定，在任何贯通面上，地下测量控制网的贯通中误差，横向不超过±５０mm，竖向不超过±２５mm。联系测量主要有一井定向（联系三角形定向）、两井定向、铅垂仪陀螺经纬仪联合定向、导线定向四中方式，其中我们施工单位一般都没有陀螺经纬仪，所以很少采用铅垂仪陀螺经纬仪联合定向。用导线定向精度最好且最方便，但是用导线定向受始发井的长度和深度制约，一般也很少用。所以一般都采用两井定向，这样有利于提高井下定向的精度。这在我们苏州地铁2号线东独盾构始发井的多次联系测量中得到证实。联系测量向洞内投点时把点间距尽量拉大些，在始发井底板，最少投两个点，保证始发井端至少有两个控制点。且尽量保证每次联系测量投点时都投在这两个点上。以便取多次联系测量的加权平均值作为最终的始发控制点坐标。两井定向联系测量示意图如下图 2.7。
图2.7 东方大道站～独墅湖南站区间两井定向示意图
9、盾构机在推进过程中难免不会出现偏差过大，我们给的设计值由于隧道施工现场不是那么如意在此过程当中难免会遇到各种阻碍控制盾构机姿态的因素，从而使我们的盾构机姿态偏离我们计划的设计值，一旦发生偏离我们就要采取措施进行纠偏。进行纠偏时必须有计划有步骤地进行，纠偏措施如下:
(1)在掘进过程中随时注意盾构机回转角的变化, 及时根据盾构机的回转角值调整刀盘的转动方向。
(2)应根据各段地质情况对各项掘进参数进行调整。
(3)在纠偏过程中, 掘进速度要放慢, 并且要注意避免纠偏时由于单侧千斤顶受力过大对管片造成的破损。
(4)尽量选择合理的管片类型, 避免人为因素对盾构机姿态造成过大的影响, 严格管片拼装质量, 避免因此而引起的对盾构机姿态的调整。
(5)在纠偏时, 要密切注意盾构机的姿态、管片的选型及盾尾的间隙等, 盾尾与管片四周的间隙要均匀。
(6)当盾构机偏离设计轴线较大时, 不得猛纠猛调, 避免往相反方
向纠偏过大。
(7)纠偏要遵循缓调微调的原则防止管片和盾尾卡死。
(8)如果管片是带楔形块的话，可以再后续掘进中不急于让盾构机抬头，只是逐渐减缓栽头的趋势，类似于速度和加速度的关系，只需降低加速度或将加速度变为负值，但此时速度仍为正值，随着加速度的减小最终速度逐渐减小最终归零，不知道这种比喻能否清楚。然后通过楔形块辅助纠偏。
(9)推进千斤顶的推力合力方向和盾构机姿态和轴线方向不可形成大的夹角。否则会造成推进受阻、盾尾变形、管片局部应力过大破损、轴线蛇形等问题。
(10)当盾构机继续偏移到一定程度后刀盘偏差将稳定在一个范围内，盾尾快速向刀盘方向靠近，其表现形式为刀盘偏差有小幅度变化，而且刀盘偏差与盾尾偏差的绝对值逐渐减小趋近于设计值，此时即为在各种纠偏措施的共同作用下，盾构机主体的趋势已经得到改善，且盾构机的姿态逐渐与设计轴线趋于平行状态。(11)当盾构机主体姿态的趋势变化与设计轴线趋于平行时，则用于纠偏一测油缸的有效推力逐渐增加，推力的损失也相应的大幅度减少。这样将会很大程度上有利于盾构机主机向更有利的方向去发展，其主要表现形式是盾尾偏差小幅度变化，刀头偏差向设计轴线快速靠拢。盾构机的刀头偏差与盾尾偏差之差的绝对值将逐渐增大。一般当盾构机刀头处中心轴线与隧道设计轴线重合时我们还应该继续纠偏，使盾构机进入小曲线半径内约两公分处，如
盾构机的组成
盾构机得组成及各组成部分在施工中得作用 盾构机得最大直径为6、３4m,总长６５m,其中盾体长８、5m,后配套设备长5６.５m,总重量约406t,总配置功率１ 577ｋＷ,最大掘进扭矩5 30０ｋＮ m,最大推进力为3６40０kN,最陕掘进速度可达8cm/ｍｉn。盾构机主要由9大部分组成,她们分别就是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统与辅助设备。 2。1盾体 盾体主要包括前盾、中盾与尾盾三部分,这三部分都就是管状简体,其外径就是6.25m。 前盾与与之焊在一起得承压隔板用来支撑刀盘驱动,同时使泥土仓与后面得工作空间相隔离,推力油缸得压力可通过承压隔板作用到开挖面上,以起到支撑与稳定开挖面得作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器,可以用来探测泥土仓中不同高度得土压力、 前盾得后边就是中盾,中盾与前盾通过法兰以螺栓连接,中盾内侧得周边位置装有30个推进油缸,推进油缸杆上安有塑料撑靴,撑靴顶推在后面已安装好得管片上,通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前得掘进力,这３0个千斤顶按上下左右被分成Ａ、B、c、D四组,掘进过程中,在操作室中可单独控制每一组油缸得压力,这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行,从而可以使掘进中盾构机得轴线尽量拟合隧道设计轴线、 中盾得后边就是尾盾,尾盾通过１4个被动跟随得铰接油缸与中盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。 2。2刀盘 刀盘就是一个带有多个进料槽得切削盘体,位于盾构机得最前部,用于切削土体,刀盘得开口率约为２８％,刀盘直径６。28m,也就是盾构机上直径最大得部分,一个带四根支撑条幅得法兰板用来连接刀盘与刀盘驱动部分,刀盘上可根据被切削土质得软硬而选
盾构机刀盘驱动控制系统分析和使用
盾构机刀盘驱动控制系统分析和使用 [摘要] 刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分，本文分析了国内盾构机中刀盘常用的几种典型的驱动方式，结合广佛地铁十二标中罗宾斯盾构机的刀盘驱动系统进行重点分析。并使用GX Developer和GT Designer2进行联合仿真，分析其控制过程，供施工人员进行学习检修作参考。 [关键词] 盾构机；刀盘驱动；PL 前言 刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾构机刀盘工作转速并不高，但是由于广佛地铁十二标地质构造复杂、刀盘作业直径较大。要求刀盘的驱动系统需具备: 大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调。在满足使用要求的前提下减小装机功率，具备节能降耗等工作特点。盾构机中主要使用三菱电机自动化生产的Q2大型PLC进行分布式控制，各个部分在控制系统中分工明确，整个控制系统具有一定的复杂性。因此，刀盘的驱动系统以及控制系统必须具有高可靠性和良好的操作性能。通过使用GX Developer 和GT Designer2进行联合仿真可以很好地克服整套大型设备难以开展调试、学习、检查等工作的缺点。 1刀盘驱动系统分类 刀盘驱动系统是盾构机的主要系统之一, 分析盾构机刀盘驱动系统液压驱动方式和电驱动方式, 并对两种驱动方式进行了优缺点比较,结果如表1-1所示。 表1-1 驱动方式优缺点对比表 驱动形式特点 电机驱动能源使用效率高，噪音小，价格上比液压驱动具有优势，但是在前盾中占用空间比较大。 液压驱动起动力矩大，容易同步控制，效率低，噪音高。前盾内空间宽敞，后续台车配套设备所占空间比较大。 虽然液压控制在控制精度以及起动转矩方面有一定的优势，但是随着异步电机变频控制技术的发展和完善，在刀盘驱动中使用电机驱动技术更加符合生产和设备使用和维护实际情况。刀盘采用电机驱动将会越来越普遍。 2刀盘电驱动分析 电驱动方式分为单速电机驱动方式、双速电机驱动方式和变频电机驱动方式。单速电机驱动方式不能调节速度，近年来在投入和功能的比较上，越来越缺
盾构机控制系统绿色改造
盾构机控制系统绿色改造 发表时间：2020-01-08T16:41:47.990Z 来源：《科技新时代》2019年11期作者：徐华良秦倩云马俊江[导读] 项目通过WAGO 750IO系统和三菱A800变频器的应用，成功对老旧型号盾构机增加泡沫系统，满足了地铁隧道掘进需求，提高了掘进效率和质量,加速了改造周期，减少了材料成本、增加了企业效益。徐华良秦倩云马俊江 秦皇岛天工重工有限公司 摘要项目通过WAGO 750IO系统和三菱A800变频器的应用，成功对老旧型号盾构机增加泡沫系统，满足了地铁隧道掘进需求，提高了掘进效率和质量,加速了改造周期，减少了材料成本、增加了企业效益。本文详细介绍了运用绿色制造理念，对老旧盾构机的绿色改造过程。 关键词盾构机绿色制造总线控制 1．前言 绿色制造也称为环境意识制造(Environmentally Conscious Manufacturing）、面向环境的制造（Manufacturing For Environment）等，是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品全寿命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调并优化。 改革开放以来，随着我国经济飞速发展，城镇化进程日益扩大，城市人口增加迅猛，交通压力逐年加大，地铁成为各大城市解决公共交通的优选建设目标。近年来，智慧城市、海绵城市的规划已成为国家战略，地铁、电力管线、给排水隧道投资需求日益增多，我国盾构机产业也从无到有、蓬勃发展起来，如何响应国家青山绿水的基本国策，保护环境，应用绿色制造理念，对大量老旧盾构机进行绿色改造、再利用，成为各企业面临的课题。 2．系统改造需求分析 2．1 原控制系统分析 该盾构机刀盘、盾壳、螺旋机、拼装机、推进、铰接、后配套各台车等整体结构保持较好，机械、液压、电气进行了部分零部件的检修和更换，整机采用FDS总线控制，中心选用施耐德P340高性能CPU，配备4路工业以太网现场总线，使得整个控制系统人机交互、驱动、逻辑、算法从分布式安装到集中控制有机结合，安全、稳定、可靠。 2．2 改造需求和实现 整机需要增加泡沫系统一套，作为主机辅助系统之一,需要采集原主机系统的许多开关量和模拟量信号，并将泡沫参数反馈回主机系统，还要进行人机显示和操控。 最简单实用的办法是泡沫控制系统独立成套，采用PLC、触摸屏和变频及低压系统的方式实现，并增加IO点数和原主机控制系统交互。如此一来，泡沫系统虽然独立成套，能够实现预设功能，但是独立于原主机控制系统，破坏了整个盾构机控制系统的完整性、系统性、统一性，而且操控和检修不便，造成资源浪费和成本提升。我们分析了原控制系统的硬件、网络、软件配置，依据绿色制造理念，在原系统中增加一个工业以太网现场总线的IO站点，实现泡沫系统的集中控制、现场分布式安装，完美契合整个盾构控制系统的一致性，可靠解决了泡沫子系统和主机系统的数据交换，并使用原系统的上位工控机实现人机交互，大大减少了企业生产成本，符合国家绿色制造政策。系统控制原理和网络结构如图1所示。 图1 控制网络结构图 3．控制系统的硬件设计 3．1 IO站点选型 德国WAGO公司的远程IO系列产品，网络模式多、IO规格齐全、抗干扰性强，行业内应用广泛。本次改造选用原机采用的750系列模块化产品，延续了整机控制系统的一致性，搭配灵活可靠、占用空间小、系统稳定可靠。具体配置如下：以太网模块 750-352 1台 开关量输入模块 750-1415 2台 开关量输出模块 750-1515 1台 模拟量输入模块 750-455 5台 模拟量输出模块 750-555 4台 3．2 变频器选型选型 本机增加泡沫系统，原液泵1台，混合液泵4台，调速范围宽，拟采用三菱A800系列变频器，该系列变频器调速精度高、操控简易、成本低，而且体积小，易于安装和集成。 2.2KW变频器 FR-840-00083 4台
盾构机的组成
盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6．34m，总长65m，其中盾体长8．5m，后配套设备长56．5m，总重量约406t，总配置功率1 577k W，最大掘进扭矩5 300kN m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。 前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这30个千斤顶按上下左右被分成A、B、c、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。 中盾的后边是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。 刀盘 刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28％，刀盘直径6．28m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软硬而
盾构姿态控制
土压平衡盾构机困难状况下的操纵及纠偏 董宇 摘要：为了能使操纵手更熟练的操纵盾构机，本文根据自身工作实践对盾构困难状况下操纵及纠偏的理解与广大技术工作者探讨。 关键字：轴线；纠偏；趋势 1 前言 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，是影响盾构机操纵及纠偏的关键，下面就这些参数的调节及注意事项通过具体情况进行阐述。 2 盾构操纵及各影响参数 推力对掘进的影响 ⑴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。 ⑵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。 铰接对掘进的影响 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。 速度对掘进的影响 ⑴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，避免过多的水涌出。
⑵在掘进过程中脱顶现象是时有发生的事情，可通过增大速度的方法把脱顶的油缸伸出来，以达到所有推进油缸都顶在管片上，一次不行，可多次重复此方法，一定会见效的。这种情况多出现速度不是很快，扭距忽大忽小的硬岩状况中。速度不宜过快也不宜过慢，更不要走走停停，可以在扭距大的情况下减小速度达到减小扭距的办法，不要停机等扭距降下来在掘进。 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200bar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，来保证刀具不被严重磨损。 3 盾构纠偏 管片点位的选择对纠偏的影响 根据盾构机的走向，即满足的关键点为管片的轴线要与盾构机的轴线重合，在考虑纠偏调整的时候应考虑几点注意事项，首先要根据推进油缸的行程分析，封顶块要拼装在行程最短的一侧，其次要看盾构机的姿态，例如盾构机向右，而右侧的行程又最大，那就得要看第三个考虑的因素--铰接，这个因素也是最容易让人忽略的一个，如果右侧铰接最小，那么拼装时所要优先考虑的是拼装在行程最短处的两侧，使得管片有向右的趋势，减小管片与盾构机轴线之间的夹角，如果左侧的铰接最小，那么拼在行程最短处也是可以的，因为盾构机已经有向左的趋势了。 当盾构机转弯方向与姿态方向相反时，如果趋势过大，超过±8，从施工过程来看，急纠的危害是巨大的，如果从开始就调大推力压差，产生的结果是后点还是向外侧偏移，掘进过程中发现初始阶段大概推进400mm的时候，把压差调得适当，即保证的状态为维持前后点，使得后点有向内侧移动的趋势，然后再调大压差，就会容易使前点向外侧移动，顺利完成纠偏，同时这样也避免了过多的超挖。 盾构机的纠偏 实践发现，如果水平纠偏，最好先把垂直姿态稳住，再水平纠偏，也就是说要一个方向纠完，再纠另一方向，而实际的情况多是水平、垂直同时出现的，
土压平衡盾构机刀盘转速自动控制技术
土压平衡盾构机刀盘转速自动控制技术 摘要：本文介绍了我公司生产的土压平衡型盾构机刀盘的特点，从机械结构，电气控制等方面对刀盘驱动系统进行分析，并比较了刀盘转速自动控制与人工控制的优劣性最后设计了刀盘转速自动 控制程序，为盾构机变频驱动技术的研究提供参考。 关键词：变频驱动,plc,转速自动控制 abstract：the paper introduces the production of my company earth pressure balance shield machine the characteristics of cutter head.from the mechanical structure, electrical control aspects of cutterhead driving system is analyzed,and compare the cutter head rotation speed automatic and manual the final design the program of cutter head speed automatic control.for epb machine variable frequency drive technology research to provide the reference.. key words:variable frequency driving, plc, automatic speed control 中图分类号：f407.6 文献标识码：a 文章编号： 0引言随着我国地铁项目的日益发展，土压平衡型盾构机越来越多的被应用在城市地铁隧道的建设中，相比于传统的施工方法，盾构施工法具有不影响交通,安全性高，施工效率高，在软硬地层亦有较强的适应性,地表沉降易于控制,施工噪音小等优点，无疑是目前地铁隧道施工的首选方法，而盾构机掘进过程中刀盘转速的控制
盾构机姿态控制与纠偏
土压平衡盾构机姿态控制与纠偏
目录 一、姿态控制 (3) 1 、姿态控制基本原则 (3) 2、盾构方向控制 (3) 3、影响盾构机姿态及隧道轴线的主要因素 (6) 二、姿态控制技术 (10) 1 、滚动控制 (10) 2 、盾构上下倾斜与水平倾斜 (11) 三、具体情况下的姿态控制 (12) 1 、直线段的姿态控制 (12) 2 、圆曲线段的姿态控制 (13) 3 、竖曲线上的姿态控制 (14) 4 、均一地质情况下的姿态控制 (15) 5 、上下软硬不均的地质且存在园曲线段的线路 (15) 6 、左右软硬不均且存在园曲线段的线路 (15) 7 、始发段掘进调向 (16) 8 、掘进100m 至贯通前50m 的调向 (16) 9 、贯通前50米的调向 (17) 10 、盾构机的纠偏 (17) 11 、纠偏的方法 (18) 四、异常情况下的纠偏 (19) 1 、绞接力增大，行程增大 (19) 2、油缸行程差过大 (20) 3、特殊质中推力增加仍无法调向 (20) 4 、蛇形纠偏 (22) 5 、管片上浮与旋转对方向的影响 (22) 五、大方位偏移情况下的纠偏 (23)
一、姿态控制 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、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
盾构机自动控制技术现状分析及展望
盾构机自动控制技术现状分析及展望 为了满足大众出行的基本需求，缓解地面交通拥挤状况，我国正在大力开发和兴建地下隧道、巷道工程。盾构机是地下工程中最常使用的一种机械设备，其主要使用在隧洞的开挖掘进环节，并且发揮着不可替代的作用。为了有效地避免地下施工作业的危机，盾构机目前趋向于自动化、智能化控制，可以说目前的盾构机是集信息、机电、自动控制与液压等技术为一体的新型智能化机械设备，不仅可以对土体进行挖掘、输送，还可以对施工进行导向指引和纠正偏差。近几年，我国正在大力推动盾构机自动控制技术的发展，但是实际施工中自动控制的盾构机还是离不开人员的操作，因此，需要进一步加强完善和优化。本文主要通过浅述盾构机自动控制技术的现状，从而根据现状分析情况来展望盾构机自动技术的未来发展。 标签：盾构机；自动控制技术；现状；展望 盾构机是用于隧道地下工程的重要机械设备，其对隧道地下挖掘工作有着极大的促进作用，因此，应该充分发挥盾构机的最大效益。由于地下施工环境相对恶劣，地下工程施工不仅难度大，并且危险系数高。为了保障地下工程施工人员的安全，应该大力投入自动控制技术盾构机的使用，通过先进技术和先进设备来有效地避免安全隐患，最大限度地提升挖掘作业的效率。 1、盾构机自动控制技术现状分析 1.1位姿控制 通过控制液压缸的平衡来实现对盾构机的位姿控制，20世纪80年代，盾构机的位姿控制不仅建立了特定的控制模型，还积极引入了卡尔曼滤波理论的应用，此后，中外专家和研究学者投入到对盾构机位姿控制的深入研究当中。李慧平等专家在传统盾构机控制系统的基础之上，对模糊控制器的设计方案导入了“先分后合”的理念，这样可以有效地提高控制器的调节性能。然后，盾构机位姿控制系统还引入了LabVIEW技术的应用，并且在模糊控制器的基础上研究出千斤顶纠偏控制量，从而有效地推动盾构机进入自动化的发展潮流中。 1.2管片的自动拼装 传统的手动管片拼装存在着许多缺陷，因此，应该大力推动自动管片拼装的发展，不仅可以减少施工工序，还可以提高施工的精确性和效率度。20世纪80年达，日本是最开始研究自动管片拼装的国家，此后，各国纷纷进入自动管片拼装技术研究。国际隧道协会专门为隧道管片的拼装建立了相关设计机制，目前，发达国家已经全面进入了管片自动拼装的时代，通过机器人动态模型来协助管片全自动拼装的过程。 1.3盾构机掘进系统的自动控制
盾构姿态控制
复合地层长距离小半径曲线隧道盾构姿态控制 一、工程概况 大连市地铁二号线西安路站～交通大学站区间，本区间隧道起讫里程为DK16+803.630～CK18+462.893。本区间主要采用盾构法施工，在靠近交通大学站一端采用矿山法。本盾构区间隧道起讫里程为DK16+803.630～DK18+130.000，右线全长1326.370m，区间在DK16+796.63处设盾构始发井，在DK18+135.5处设盾构接收井。 西安路站至交通大学站区间平面线路出西安路站后沿南北向向南，通过半径为300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m曲线接入黄河路，到达交通大学站。区间纵断布置形式呈“V”字形，最大纵坡为25‰。区间为双线地下隧道，左右线路为上下重叠至区间终点左右线逐渐分离并行。盾构段隧道开挖断面直径为6m，盾构隧道衬砌的管片采用厚300mm，宽1200mm，每环由6片管片拼装而成，拼装方式采用错缝拼装。 图1-1 西安路站至交通大学站区间平面
二、工程重、难点 2.1小半径（300m半径）曲线始发 由于受线路和现场条件限制，盾构机设计在线路为300m小半径曲线段上的竖井始发进洞，保证开挖隧道轴线在规范允许范围内是一项技术难题。 2.2复合地层长距离小半径R300曲线掘进 在硬岩地层或岩土复合地层小半径曲线掘进，对盾构掘进姿态的控制提出极高的要求。主要问题有: （1）风化岩地层基本无压缩性，在风化岩中刀具磨损较快，当边缘滚刀磨损5-8mm后盾构即出现卡盾及转向困难趋势；在曲线外侧超差时盾构需要以更小的转弯半径才能回正； （2）掘进中对盾构姿态控制的要求高，操作者对超差趋势需极其敏感。边缘滚刀的磨损检查及更换频率高。 (3) 推进油缸的推力方向为线路的切线方向，因此对管片有1个向外的分力，导致管片发生偏移，故油缸推力要合理设置 (4) 转弯过程中，盾尾和管片有一定的夹角，导致盾尾密封刷局部防水效果不理想，易发生盾尾漏浆。 (5)盾尾密封刷局部受压容易使盾尾密封损坏，同时管片外边缘易受损，铰接油缸及纠偏强度需合理设置 2.3长距离硬岩段掘进施工 相比上软下硬、砂层推进中可能导致的地面环境灾害，在长距离硬岩段中掘进主要的困难在于盾构穿越硬层时会出现刀具磨损快、掘进效率低下以及管片上浮等问题。硬岩段地层推进时管片脱出盾尾后上浮现象明显，下坡变坡段时尤盛。出现管片上浮的原因在于赋存与岩层中的地下水、壁后注浆浆液以及向工作面注入的改良性液体等汇集到盾尾处，这些带有一定压力的液体会使脱出盾尾的管片悬浮。在此过程中，应根据管片测量成果，对盾构姿态进行预压，保证在管片浮动后，成型隧道轴线与设计轴线偏差保持在规范允许范围内。
盾构机各系统原理浅析
盾构机各系统原理浅析 本文针对分析海瑞克EPB土压平衡盾构机的各个系统及其工作原理，及整个盾构施工介绍。 海瑞克盾构机由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 1盾构机的工作原理 1．1盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 1．2掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持
从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人 泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 1．3管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用盾构机的最大直径为6．28m，总长65m，其中盾体长8．5m，后配套设备长56．5m，总重量约406t，总配置功率1 577kW，最大掘进扭矩5 300kN·m，最大推进力为36400 kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 2.1盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。 前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸
盾构管片拼装和姿态控制的要点
盾构管片拼装和姿态控制的要点盾构管片拼装质量和姿态控制是相互关联，密不不可分的。为保证拼装质量和姿态，我们可以从人、机、物、法、环几个方面进行控制。 1、人的控制首先人是控制工程质量的第一因素，在这里我认为主要是责任心和技能素质。责任心与自身所受的教育，家庭责任感和社会责任感及公司的管理制度有很大的关系。你的用心操作和一丝不苟的作风，将直接影响到拼装质量。所以拼装 负责人和机械操作手要掌握质量标准，以质量求进度，质量不达标准不进行下一环的拼装。 在技能方面，你们公司是第一次在上海做盾构，盾构机又是新购进的，人员也是新配备的，机械性能等方面都需要调试和一个熟悉的过程。这里固然有有利的因素，那就是机械性能先进，自动化程度高。但我们也要看到不利的因素，就是新的人员要驾御这匹性能还不完全熟悉的盾构机。一是需要专家的现场指导，二是在干中学学中干。并要结合实际，积累经验，达到熟练操作的程度。 2、管片拼装 1）、管片拼装的前期准备盾构推进的后座应与后壁密实贴紧，后座的环面应与推进轴线垂直，同时开口段的上半部应设有稳固的后座支撑体系。 盾构在基座导轨上推进时应同步垫实管片脱出盾尾后与导轨之间的空隙，不使管片下沉，垫实材料宜用木楔。 盾构的出洞施工由于后座条件的限制，一般盾构的上部千斤顶在一定期间内不能使用，为此要精心调整盾构正面土体反力以少用或不用底部范围千斤顶，防止盾构上飘以及后座因受力不均而遭破坏。当上飘较大而开口副环又没到位时，要临时在上部加支撑和使用上部千斤顶。. 盾构管片的第一环（包括副环），管片的横向轴线一定要垂直于隧道设计的纵向轴线。这一环致关重要，首次拼装一定要千万注意。 施工人员要加强对前一环管片环面进行质量检查和确认，及时通知地面管片进行调整接缝弹性密封垫厚度的调整。同时本环的第一块管片定位前，应观察管片与盾构四周的空隙情况及上环管片的成果报表来决定本环的纠偏方法和纠偏量，然后确定本环第一块的拼装位置。 送到盾构后续车架内的管片，要按先后顺序——由下而上，待拱底块管片就位
盾构机操作及参数控制
盾构机操作及参数控制 目前，住总集团大多采用德国海瑞克盾构机、日本小松及日立盾构机，现就其小松盾构机操作情况及参数控制作如下总结： 1 开机前准备 1) 检查延伸水管、电缆连接是否正常； 2) 检查供电是否正常； 3) 检查循环水压力是否正常； 4) 检查滤清器是否正常； 5) 检查皮带输送机、皮带是否正常； 6) 检查空压机运行是否正常； 7) 检查油箱油位是否正常； 8) 检查脂系统油位是否正常； 9) 检查泡沫原液液位是否正常； 10)检查注浆系统是否已准备好并运行正常； 11)检查后配套轨道是否正常； 12)检查出碴系统是否已准备就绪； 13)检查盾构操作面板状态：开机前应使螺旋输送机前门应处于开启状态，螺旋输送机的螺杆应伸出，管片安装模式应无效，无其它报警指示； 14)检查测量导向系统是否工作正常； 若以上检查存在问题，首先处理或解决问题，然后再准备开机。 15)请示技术负责人并记录有关盾构掘进所需要的相关参数，如掘进模式，土仓保持压力，线路数据，注浆压力等； 16)请示设备机修负责人并记录有关盾构掘进的设备参数； 17)若需要则根据技术负责人和设备机修负责人的指令修改盾构参数； 2 开机 1)确认外循环水已供应，启动内循环水泵； 2)确认空压机冷却水阀门处于打开状态，启动空压机； 3)根据工程要求选择盾尾油脂密封的控制模式，即选择采用行程控制还是采用压力控制模式；
4)在“报警系统”界面，检查是否存在当前错误报警，若有，首先处理； 5)将面版的螺旋输送机转速调节旋扭、刀盘转速调节旋扭、推进油缸压力调节旋扭、盾构推进速度旋扭等调至最小位； 6)启动前后液压泵站冷却循环泵，并注意泵启动是否正常，包括其启动声音及振动情况等。以下每一个泵启动情况均需注意其启动情况； 7)依次启动润滑脂泵（EP2）、齿轮油泵、HBW 泵、内循环水泵； 8)依次启动推进泵及辅助泵； 9)选择手动或半自动或自动方式启动泡沫系统； 10)启动盾尾油脂密封泵，并选择自动位；至此，盾构的动力部分已启动完毕，下面根据不同的工序进一步进行说明。 3掘进 1)启动皮带输送机 2)启动刀盘 根据测量系统面版上显示的盾构目前旋转状态选择盾构旋向按钮，一般选择能够纠正盾构转向的旋转方向； 选择刀盘启动按扭，当启动绿色按钮常亮后。并慢慢右旋刀盘转速控制旋钮，使刀盘转速逐渐稳定在 2rpm 左右。严禁旋转旋钮过快，以免造成过大机械冲击，损机械设备。此时注意主驱动扭矩变化，若因扭矩过高而使刀盘启动停止，则先把电位器旋钮左旋至最小再重新启动； 3)启动螺旋输送机 慢慢开启螺旋输送机的后门； 启动螺旋输送机按钮，并逐渐增大螺旋输送机的转速； 4)按下推进按钮，并根据 ZED 屏幕上指示的盾构姿态调整四组油缸的压力至适当的值，并逐渐增大推进系统的整体推进速度； 5)至此盾构开始掘进； 4土仓压力调整 1)如果开挖地层自稳定性较好采用敞开式掘进，则不用调正压力，以较大开挖速度为原则； 2) 如果开挖地层有一定的自稳性而采用半敞开式掘进，则注意调节螺旋输送机的转速，使土仓内保持一定的渣土量，一般约保持 2/3左右的渣土。
盾构隧道施工中盾构机的姿态控制
盾构隧道施工中盾构机的姿态控制 盾构隧道施工中盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和前进方 向的控制, 在掘进过程中, 盾构机操作人员根据激光自动导向系统 在电脑屏幕上显示的数据, 通过合理选择各分区千斤顶及刀盘转向 等来调整盾构机的姿态。盾构机姿态控制操作原则有两条: (1)机体滚角值应适宜, 盾构机滚角值太大, 盾构机不能保持 正确的姿态, 影响管片的拼装质量, 此时, 可以通过反转刀盘来减 少滚角值。 (2) 盾构机的前进方向水平向右偏, 则需要提高右侧千斤顶分 区的推力; 反之, 则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏, 则需要提高下部千斤顶分区的推力; 反之亦然。 盾构机姿态控制的一般细则 一般情况下, 盾构机的方向纠偏应控制在±20mm 以内, 在缓和 曲线及圆曲线段, 盾构机的方向纠偏应控制在±30mm 以内。尽量保 持盾构机轴线与隧道设计轴线平行, 否则, 可能会因为姿态不好而 造成盾尾间隙过小和管片错台裂缝。当开挖面土体较均匀时, 盾构机姿态控制比较容易, 一般情况下方向偏角控制在±5mm?m 以内。当开挖面内的地层左、右软硬不均而且又是处在曲线段时,盾构机姿态控 制比较困难。此时, 可降低掘进速度, 合理调节各分区的千斤顶推力, 有必要时可考虑在硬岩区使用超挖刀(备有超挖刀的盾构机) 进行超挖。当盾构机遇到上软下硬土层时, 为防止盾构机“抬头”, 要保持下俯姿态; 反之, 则要保持上仰姿态。掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程差不能相差太大, 一般控制在±20mm 以内。在曲
线段掘进时, 一般情况下根据曲线半径的不同让盾构机向曲线内侧偏移一定量, 偏移量一般取10～ 30mm。在盾构机姿态控制中, 推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m 宽的管片, 原则上行程控制在1700～ 1800mm 之间, 行程差控制在0～ 40mm 内, 行程过大, 则盾尾刷容易露出, 管片脱离盾尾较多, 变形较大; 行程差过大, 易使盾体与管片之间的夹角增大, 易造成管片的破损、错台。 不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制技术 1. 淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在软弱土层中掘进时, 由于地层自稳性能极差, 为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内, 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动, 宜将盾构机掘进速度控制在30～40mm?m in 之间, 刀盘转速控制在1. 5r?m in 左右。在该段地层中掘进时, 四组千斤顶推力应较为均衡, 避免掘进过程中千斤顶行程差过大, 否则, 可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂,以保持出土顺畅, 尽量保持盾构机的连续掘进, 同时, 要严格控制同步注浆量, 以保证管背间隙被有效填充。 2.砂层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在全断面富水砂层中掘进, 由于含水砂层的自稳性极差, 含水量大, 极易出现盾构机“磕头”现象, 同时, 在含水砂层中盾构机也易出现上浮现象。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现“磕头”现象, 在推进过程中盾构机应保持向上抬头的趋势, 如果发现有“磕头”趋势,应立即调节上下部压力, 维持盾构机向上的趋势。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现上浮现象, 在盾构机掘进时应减小刀盘转速, 减小对周围砂层的扰动。
PLC控制系统在盾构机上的应用
PLC控制系统在盾构机上的应用 公司使用2台德国海瑞克公司的土压平衡式盾构机，分别担负广州地铁三号线市-番区间左右隧道的掘进任务。它配备了机电一体化液压系统、同步注浆系统、泡沫发生系统、膨润土加注系统、密封主轴承自动润滑系统和SLS-T隧道激光自动控制系统，是当今隧道掘进设备中自动化程度较高的机械，由PLC进行控制。 1 PLC系统的组成 PLC系统有工控机、两台调制解调器、PLC运行及储存器、各类传感器等输入部分及各类电继电器等输出部分，见图1。SIMATIC Man-ager是S7-PLC自动控制程序的管理程序，安装在地面监控室的工控机（上位机）内，通过一台在监控室的调制解调器和一台安装在盾构机调制解调器相互译制，与盾构机的PLC串口相连，从而监控和控制PLC运行，同时上位机也起着掘进参数数据保存作用，方便操作人员使用和维护。 图1 控制系统组成图 PLC系统的软件主要有地面监控室电脑上的操作系统，SIMATIC Manager程序，Netpro 程序及监控程序PDV，以及安装在盾构机PLC上的控制程序。 2 PLC系统运行 根据设定的程序，在某些必要条件满足时，PLC才能进行下一步工作，否则，程序就不能往下运行，设备停止运行，同时会将错误信息显示在操作室的电脑上。我们按照显示的错误信息及代码去查找故障原因，即PLC是否正常输入、PLC是否正常输出、前后输入/输出设备是否正常、连接线路是否良好。这样分段分析、仔细排查，故障会很容易得到解决。 以盾构机中心回转体EP2润滑脂加注系统为例，说明S7-PLC自动控制程序在盾构机故障排除中的应用。在盾构机中，EP2润滑加注系统属于较复杂且很重要的部分，包含螺旋机密封、球轴承密封、中心回转体密封等部位的自动密封。本系统的正常运行与否不仅关系到盾构机能否顺利运行，同时对延长设备使用寿命起着很重要的作用。EP2加注系统是压缩空气通过由PLC控制的电磁阀为气动泵提供动能来源，输入气压和输出油脂压力的比值是1∶50，即1bar的气压能产生50bar的油脂压力。通常将压缩空气的压力调节为1.5～2.0bar，即油脂压力为75～100bar，足以克服油脂在管内的损耗，保证输送到盾构机上的
盾构机液压系统说明
液压系统说明目录 一、液压系统的基本元件 二、盾构机液压系统说明
一、液压系统元件 1液压泵 液压泵是液压系统的动力元件，按结构可以分为柱塞泵、齿轮泵、叶片泵，按排量可以分为定量泵、变量 泵，按输出出口方向又可以分为单向泵、双向泵。 泵都是由电动机或其他原动机带动旋转，通过这种往复的旋转将油不断地输送到管路中，通过各种阀的作 用，控制着执行元件的运行。 在大连地铁盾构机中，螺旋输送机使用一个双向变量泵和一个定量泵，推进系统中使用一个大排量的单向 变量泵，管片安装机种使用两个单向变量泵，注浆系统 中使用一个单向变量泵，辅助系统使用一个单向变量泵。
a.定量齿轮泵 注：右侧油液进入泵内，齿轮旋转带动油液从左侧出口流出，排量是一定的
c.定量叶片泵 注：转子转动，带动叶片推动油液1、2进油，3、4出油，排量一定 d.斜盘式柱塞泵 注：斜盘由联轴器带动转动，往复吸油、压油，斜盘角度是可以调控的
2液压阀 液压阀根据作用可以分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。 压力控制阀可以控制液压回路的压力，如当液压回路中压力过大时，溢流阀或卸荷阀打开泄压。 流量控制阀可以控制液压回路中的流量大小，根据流量的不同可以控制执行元件的速度。 方向控制阀主要控制液压回路中液压油的流动方向，由此可以改变液压油缸的伸缩。 各种阀一般安装在靠近泵的油液管路中，相对来说比较集中，便于检查和维修。 a.单向阀 注：油液从P1口进入，克服弹簧力推开单向阀的阀芯，经孔隙从p2 口流出，油液只能从p1流向p2
b.溢流阀 注：油从压力口进入，通过阻尼孔进入后腔，克服弹簧压力，推开阀芯，油液 从溢流口
盾构机的方向控制
盾构轴线控制 轴线控制，即及时纠正盾构机推进中产生的轴线偏离，使推进轴线时时刻刻与计划路线保持一致。近年来各种自动测量系统和盾构千斤顶操作无人化的轴线控制系统大量问世。自动化、省力化已是当前的社会需求。将来这些新的系统必然得以有效的广泛地应用。不过这里需要说明的是，即使利用计算机自动化系统测量的场合下，管理者也必须很好地理解测量、轴线控制原理，以便对测量结果进行核校及对轴线修正的判断。 1 修正偏离的原则 盾构轴线控制的基本原则如下： ①偏离量增大之前及早修正； ②在场地条件受限不能修正，只能按现时轴线掘进的场合下，通常可提前10～20m控制偏离量。 ③遵循偏离量的管理值和允许值，确立偏离修正方针。 图1示出的是盾构轴线控制、偏离修正图。为了把施工时的实际偏离量控制在规定的允许偏离量以内，首先应确定偏离量的管理值(允许值的50％～80％为目标)，并在该目标范围内修正偏离进行推进管理。 必须确立连续修正偏离的意识，但是，如果不明确修正到什么时候，什么程度的方针，则会像图1示出的那样出现反复偏离。 图20.4.1 盾构偏移修正图 如果在已经发生偏离的场合下修正盾构轴线，则因超挖和盾构外周面摩擦的增大周围地层将发生扰动，致使沉降。从防止沉降的观点出发，希望减小偏离量。 在轴线控制时，必须先掌握盾构现在在推进轴线上的偏离量，其次按可以把偏离量拉回到管理值以内的原则设定轴线修正量，即使超过管理值也可以考虑先修正几米的原则进行轴线控制。 2 盾构轴线控制 2．1 决定轴线修正量 在决定盾构轴线修正量时，应进行盾构位置、轴线变化的模拟，必须明确偏离修正的方针。设盾构推进微小距离△L 时，对应的轴线变化角为θ，则对应计划线形的偏离量的变化为δ，由图2可知，δ可按下式计算： δ=δ1+δ2 (1) δ1=(δh0一δt0)·△L／L (2) δ2=δp+L1·sinθ(3) δp=R·(1一cosθ) (4) =ΔL·(1一cosθ)／{2·sin(θ／2)} 式中：δ1——偏离计划轴线差的变位量； δ2——轴线修正的变位量； δh0——掘削面现时偏离量； δt0——盾尾现时的偏离量； δp——盾构旋转位置的变位量。
盾构机在淤泥质地层中推进如何控制盾构机姿态的研究
盾构机在淤泥质地层中推进应如何控制好盾构机姿态的方法和研究 作者：李懂懂 引言 随着城市的快速发展，我国各大城市都在进行建设地铁。盾构法施工技术得到了广泛的应用。当盾构机在不同地质条件推进时盾构姿态的控制是有所差别的。 东方大道站～独墅湖南站盾构区间左线1772.729m、右线1794.2m。总长度为3566.929m。 本区间线路始于东方大道站东端，下穿花泾港河道后线路稍向北偏，下穿独墅湖公园、赏湖路、规划地块（一类居住用地）及苏州运河后，线路转向北下穿过规划地块（二类居住用地）后折向启月街到达独墅湖南站。区间线路共有两段曲线，半径分别为2000m、450m，左右线路中心线间距13.0～16.5m。 区间隧道纵坡呈“V”字型，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，其余半径为5000m。隧道埋深10.8～19.1m，下穿苏州运河段隧道最小埋深约11.6m。
图2.1 东方大道站～独墅湖南站区间平面示意图
图2.2 东方大道站～独墅湖南站区间地质断面示意图 1.淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制 盾构机在软弱土层中掘进时, 由于地层自稳性能极差, 为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内, 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动, 宜将盾构机掘进速度控制在30～40mm?m in 之间, 刀盘转速控制在1. 5r?m in 左右。在该段地层中掘进时, 四组千斤顶推力应较为均衡, 避免掘进过程中千斤顶行程差过大, 否则, 可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂,以保持出土顺畅, 尽量保持盾构机的连续掘进, 同时, 要严格控制同步注浆量, 以保证管片背后间隙被有效填充。盾构机在这种地
W.E.ST比例放大模块在盾构机自动控制系统中的应用
W.E.ST比例放大模块在盾构机自动控制系统中的应用 摘要：盾构技术是目前世界上用于隧道施工的最先进的技术之一，它主要适用于环境复杂的城市地铁施工。本文以海瑞克盾构机为例，对W.E.ST比例放大模块在盾构机自动控制系统中的应用进行了详细的探讨。 关键词：W.E.ST比例；放大模块；自动控制系统；应用 引言:海瑞克盾构机是目前国内广泛采用的盾构施工机型，其PLC采用的是西门子的S7-400系列PLC及附属设备，以实现盾构掘进控制和数据采集分析。S7—400PLC为模块化结构，除必配的几种模块外，可以根据实际需要选配其它的模块主要有以下几种模块：中央处理单元(CPU)模块、信号模块(SM)、通讯处理器(CP)、功能模块(FM)、接口模块(IM)等。此外根据现场实际需要，还可以实现与其他设备元件的通讯和控制，比如变频器、传感器、压力开关等。W.E.ST 比例放大模块就是用来实现模拟量输出控制驱动单元的一种集成模块。 1.海瑞克盾构机放大模块概述 虽然PLC本身带有模拟量输出（AO），但是只能局限于0-10V电压或4-20mA 电流。由于在液压回路里面比例电磁阀需要的电流比较大，PLC直接输出的电流无法驱动相关的比例电磁阀，于是在电气控制回路应用了比例放大模块。海瑞克盾构机上使用的放大模块为德国的w.e.st公司的PAM-195和PAM-196放大卡，主要有以下特点： ①双通道独立控制 ②数字量调整 ④错误监控和扩展功能检查 ⑤使用WPC-300软件通过RS232C接口进行调试 海瑞克盾构机应用的PAM-196比例放大模块主要应用在推进系统、注浆系统中对液压比例电磁阀的线性驱动，并且能够实时监控功能实现条件，比如推进系统中控制泵头流量比例阀的15-10N4，只有15通道满足输入条件的前提下，放大卡才会工作，而不是让电磁阀始终带电，这样就避免了液压油在泵体内无谓的溢流。后面会对该系统做进一步的分析。 海瑞克盾构机采用W.E.ST放大模块，还有一个最便捷的功能，就是可以通过一根数据线连接到安装了WPC-300软件的工业电脑，即可实现对各项参数的修改和调试。通讯电缆通过连接电脑的RS232串行插口和放大卡3.5mm通讯接口，采用3000Hz或4000Hz的PPWM宽频脉冲信号实现即时通讯。在软件界面列表中，可以对各项参数进行修改和调试。