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 DB 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述。

2、盾构机切口位置的控制盾构机切口位置的控制可以通过调节四个推进千斤顶区域推进压力的差值来进行调整，当C区推进压力与A区推进压力基本相同时，盾构机切口平面保持直向前，若C区推进压力大于A区推进压力，则盾构机切口将产生向右的趋势，反之，盾构机切口将产生向左的趋势；高程方面，由于盾构机切口顶部与底部所承受的土体压力不同，所以在直推时，B区推进压力应当稍大于D区的推进压力，此时的BD区推进压力差值，应根据实际推进时的土质具体情况和试推进情况来确定，若调高B区推进压力或调低D区推进压力，则盾构机切口将产生向上的趋势，反之，盾构机切口将产生向下的趋势。

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，可以适当放大切口位置范围，但也应尽量控制在施工轴线的-20mm～+20mm范围之间，最大不应超过30mm，以免对盾构机的姿态造成进一步破坏或损伤盾构机部件；在进行转弯或变坡段顶进的过程中，应提前对切口偏移位置进行预测算，并在推进的过程中适当调整各区推进千斤顶的推进压力差，以保证盾构机切口在推进的过程中始终保持在施工轴线的允许偏差范围内，一般情况下，我们会将允许偏差范围向曲线的中心方向作适度的偏移，以保证盾构机能够较好的控制在施工轴线附近，即若施工曲线为R400的右转弯段，则应尽量使盾构机切口的位置保持在施工轴线的-5mm～+15mm范围之间，依此类推。

总之，在进行盾构机切口位置的调整过程中，应始终使盾构机保持在靠近轴线的推进趋势中，即使在盾构机姿态不好的情况下，亦应将盾构机的切口位置控制在施工轴线附近，切忌使盾构机切口位置大幅度超出允许范围进行推进，由于盾构机在土体内始终处于悬浮状态，盾构机的切口就是整台盾构机的方向导引，只有切口处于正确的位置才能使整台盾构机向着正确的方向进行掘进，否则将造成盾构机整体方向失控，极大的影响盾构机的姿态以及隧道质量。

3、盾构机盾尾位置的控制由于盾构机在土体内是处于悬浮状态，而成型的隧道则处于相对稳定的状态，盾构机的盾尾直接与成型隧道的末端接触，后几环管片的位置状态直接限制了盾尾的位置状态，盾构机的盾尾位置是不能通过操作推进千斤顶来进行调解的，它的位置状态多数取决于盾尾内拼装管片的位置状态，所以调整好管片的姿态对盾尾的位置控制及整个隧道的整体质量都起着至关重要的作用，只要把管片拼装的位置控制在设计范围内，则盾尾的位置也必然能够满足后续掘进的设计要求。

对管片位置的调整我们主要通过对管片环面粘贴楔形软木衬垫的方法来实现，根据调整幅度的不同可以粘贴1.5mm～6mm等规格的楔形衬垫，但对于楔形衬垫的级数差以及粘贴部位一定要严格控制，以保证管片姿态调整的有效性，如果管片平面姿态偏差较大，还可以通过更换不同的管片类型来实现。

4、盾构机铰接位置的控制对于被动式铰接来说，铰接基本处于自由的状态，切口及盾尾的姿态趋势决定了铰接的位置状态，一般来讲，如果切口和盾尾的位置状态控制的好的情况下，则铰接的位置状态也会比较理想，如果铰接位置偏离施工轴线较小，则不需要做刻意的调整，只需要使切口保持在施工轴线附近进行推进，再控制好盾尾的姿态，则铰接也可以回到施工轴线的附近，但如果铰接偏离施工轴线比较大，则需要通过调整推进方法进行调整，一般我们采取梯形推进的方法进行调整，即以靠近施工轴线的趋势推进一段距离，然后再以平行施工轴线的趋势推进一段距离，以此方法重复进行一段距离的推进后，则铰接的位置状态一般情况下可以在较短的距离内调整到施工轴线附近。

5、小结总而言之，盾构机姿态控制的目的就是使盾构机能够在推进的过程中始终保持在施工轴线的附近，不超出规定的施工误差范围，从而保证隧道的整体成型轴线能够满足技术规范的要求，而要达到这一目的，就需要把控制管片拼装部位的位置趋势状态控制在规定范围之内，也就是盾尾与铰接之间的位置，这样才能保证拼装的管片能够满足规范的要求，同时在推进中，我们所拼装的成型管片的位置状态的好坏，也影响到盾构机的姿态，正像前面所提到的，所以我们可以看出，盾构机的姿态控制与隧道的轴线控制是互相制约相辅相成的关系，也就是说，只有在把盾构机姿态控制好的前提下，才能使管片拼装后得到较好的姿态，同时控制好成型隧道的轴线也有利于进行盾构机的轴线控制，在以后的叙述中，会具体的说明如何将盾构机姿态控制与成型隧道轴线控制相结合来进行盾构机隧道掘进保证整体隧道的轴线要求。

三、具体工况下的盾构机姿态控制1、影响盾构机姿态及隧道轴线的主要因素在进行盾构法隧道施工中，由于盾构机是始终悬浮于原状土体之内的，整条隧道必须一次成型，不具有调整性，所以在施工中必须事先分析好一些影响施工的主要因素，从而确定相应的解决方案，以保证隧道的整体成型质量，其中对盾构机姿态及隧道轴线的影响又是最主要的因素，需要进行系统地分析具体的解决，主要包括以下几个方面：（1）隧道设计轴线的影响隧道的总体设计除了要满足地铁运行的使用要求以外，对于盾构法施工，还应在设计中充分考虑到盾构法施工的特点，发挥盾构法施工的长处，避免一些不必要的难点，以保证施工的顺利高效进行。