浅析盾构姿态控制(王春光)

浅析盾构机姿态控制——王春光2004.7.15（初稿）

在盾构隧道施工中，盾构机的姿态控制是至关重要的，它直接关系到隧道的施工质量，所以在进行隧道轴线控制中，除了要做好严格的测量及检验工作，更要对盾构机的姿态控制充分的重视起来，由于盾构施工是由盾构机在深层土体进行暗挖的一种施工工艺，盾构机所处土层的土质情况、隧道轴线的平面及高程的设计情况、管片形式及施工中选型、管片的楔形处理等因素都直接影响到盾构机的姿态控制，从而对隧道的成型产生至关重要的影响。鉴于此，我们对盾构机的姿态控制以及隧道轴线的控制作了比较充分的分析研究，希望对今后的盾构施工能够起到一些有益的帮助。

一、盾构机型式及参数

1、盾构机概述

本次工程中所使用的盾构机为土压平衡式盾构机，根据天津市区地层土质情况进行设计生产，适用于含有大量粘土、粉砂或低含水量粉土的地层，通过刀盘切削土体在后部土仓中屯积，形成切削土压力抵抗刀盘前端土体压力，形成土压平衡，缓解地面沉降，进行掘进。盾构机的操作主要为“计算机监控，手动操作”，即通过盾构机上的PLC及计算机系统进行盾构机掘进过程中各种数据参数的采集处理，在操作面板及计算机显示器上进行显示，由盾构机操作手根据所显示的数据资料情况进行手动控制，对盾构的掘进状态进行操作控制，所以对盾构机操作手（俗称盾构司机）的操作熟练程度及对盾构机及其工作原理以及盾构纠偏原理的理解等各方面的要求都比较高。比较适合于对盾构工程比较熟悉的操作人员，对于比较全面系统地掌握盾构机掘进过程的操作理念有很高的要求。

2、 盾构机相关参数（与盾构机姿态控制有关）

● 盾构机型号：德国HERRENKNECHT S-225 土压平衡式盾构机 ● 盾构外径：Φ6390mm

● 盾构长度：8500mm

● 推进千斤顶：16×2个，编为四组：A 组（2#、3#、4#、5#）、B 组（6#、7#、8#、9#、10#）、C 组（11#、12#、13#、14#）、D 组（15#、

16#、1#）。编组情况如图1。

图1：推进千斤顶编组图

● 推进千斤顶行程：2200mm

● 铰接型式：被动式铰接

● 铰接千斤顶数量：14个，分别在3#、5#、10#、12#千斤顶设行程传感器。布置情况如图2：

C D

B A

图2：铰接千斤顶布置图

●铰接千斤顶行程：150mm

●盾构机主体分段型式：刀盘：6390mm×800mm，切口环：6390mm

×1750mm，支撑环：6380mm×2795mm，盾尾：6370mm×3540mm。

●盾构机姿态测量分段情况：切口至铰接距离：4195mm，铰接至盾

尾距离：3701mm。测量及盾构分段状态如图3。

图3：盾构机分段及姿态测量示意图

二、盾构机姿态控制原理

1、盾构机铰接型式与姿态控制的关系

盾构机的姿态控制简言之就是，通过调整推进千斤顶的四个区的推进油压的差值，并结合铰接千斤顶的调整，使盾构机形成向着轴线方向的趋势，使盾构机三个关键节点（切口、铰接、盾尾）尽量保持在轴线附近。但是不同型式的盾构机其具体的原理也有一些微妙的差别，就土压平衡式盾构机而言，其区别主要表现在铰接型式上，我们知道，现在的盾构机主要存在两种类型的铰接型式，一种是以日本、法国等国家生产的盾构机为代表的，采用的是主动式铰接型式，俗称“死铰”，这种型式的铰接，一般设置在盾构机的中段（我们称之为“支承环”），每组铰接千斤顶的液压回路是独立的，可以独立操作，一般情况下是处在锁定状态的，盾构机的前后部分在铰接锁定状态下采用螺栓及销轴的机械连接，盾构机的前后部分不会产生相对运动，是一个固定的整体，就像没有铰接一样，只有在盾构机偏离轴线较大或处于小半径曲线的掘进中，才有必要打开铰接，但铰接的打开度需要提前计算打开角度，然后按计算值将铰接打开到所设定的角度后，将铰接锁定，然后再进行推进，这种铰接型式，在进行直线段隧道掘进的施工中是比较有利的，操作人员在施工中可以不用考虑铰接的姿态位置，盾构机的纠偏的操作也比较简单易行，在与轴线的偏差值不是特别大的情况下，可以非常有效的

控制盾构机的姿态，盾构机在覆土内的运行也比较稳定，基本不会产生较大的切口上浮及下沉，但在进行小半径曲线段施工的过程中，这种铰接型式就存在机动性能不好，纠偏效果不好等弊端，并且在盾构机与轴线偏差值较大的情况下，盾构机的纠偏会比较困难，并且会使盾构机及管片局部受力，造成盾构机或管片的损伤，影响管片的成环质量以及工程的整体质量；另一种是以德国生产的盾构机为代表的，采用的是被动式铰接型式，俗称“活铰”，这种型式的铰接，一般设置在盾构机的前段与盾尾的连接处，每组铰接千斤顶的液压回路是互相连通的，保持有相同的千斤顶压力，在推进的过程中可以进行“放松”和“拉紧”的操作，一般情况下处于“锁定”状态下，但其锁定状态与主动式铰接的锁定有着本质上的区别，不是靠硬性机械连接，而是靠闭合液压回路的进出油路来起到锁定作用，每组铰接千斤顶的液压回路还是保持互相连同，受外力较大的铰接千斤顶行程会相应的逐渐伸长，受外力较小的铰接千斤顶行程会相应缩短，这种铰接型式，可以非常有效的起到保护管片的作用，可以适应各种形式的掘进轴线要求，具有较高的机动性，比较适应较大的变坡以及小半径隧道的施工工况，能够有效的保证管片的成环质量及隧道的整体质量，然而，由于盾尾始终处于游离状态，所以盾尾的姿态主要取决于管片的姿态，操作手在进行盾构姿态调整中，只能对其切口的高程及平面进行调整，所以如果要将盾构机的姿态调整到理想的状态，就要综合考虑切口、铰接、盾尾以及管片的相对姿态与位置，对操作手的综合素质有较高的要求，同时由于铰接部位的频繁运动，会造成铰接密封部件的较大磨损，很容易造成盾构机铰接部位密封件损坏以及的漏水漏浆，影响掘进工作的正常进行。

由于被动式铰接盾构机的姿态控制存在较高的技术要求，如果控制好的话会得到比较好的效果，下面主要针对被动式铰接盾构机的姿态控制进行详细地论