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。

必须注意盾构的实际掘进轴线与其姿态、轴线是不一致的。特别是纵断面轴线的盾构高程变化，由盾构自重与地压力的关系可知，盾构的轴线与实际掘进的轴线存在一定的差异。

在预测盾构位置时，应选用包含这种变化的模型决定轴线修正量。在掌握盾构变化时，应考虑给出某轴线修正量时偏离量变化的实绩值。为此，应作出描绘盾构偏离状态的图面，分析倾向作必要管理。随后用计算机分析处理这种倾向，以定下步的推进管理。

图2 盾构位置预测方法

2．2 轴线控制方法

盾构机的轴线控制，有控制推进千斤顶群的工作模式(以下简称模式法)和控制千斤顶推进压力(以下简称压力法)两种方法。

1．模式法

模式法是靠选择推进千斤顶群的工作模式实现轴线控制的方法。这是一种根据测得的水平、竖直两轴线上的姿态偏差，选择所谓的最佳推进千斤顶的工作模式。即让千斤顶群中的部分千斤顶工作，另一部分千斤顶停止工作，以此同时修正上述两个轴线姿态偏差的方法。该方法存在如下一些问题。

①当要求停止推进的千斤顶再次工作时，盾构机必须从停止掘进一直等到该千斤顶触及管片，即必须间歇一段时间，所以工作效率低。

②控制属阶跃性控制，另外因需水平轴线和竖直轴线同时纠偏，故控制精度不高。

③因千斤顶模式选择属经验技术，故操作人员的技术因素致使偏差存在较大的起伏。

④自动控制时，必须输人以操作人员经验判断为基础的参数，所以初期调整需要一定时间。

2．压力法

(1)压力法系统概况

压力控制推进系统是为了克服模式法的上述弊病而开发的一种较为理想的轴线控制系统。该系统把盾构机的推进千斤顶，像图3那样分成多组，各组千斤顶推力的变化特点是连续变化，而不是阶跃性变化。这种控制方式具有如下优点。

图3 千斤顶分组状况

①因为输入千斤顶操作点即推进千斤顶的合力点容易，故设定目标轴线容易，所以即使经验不足的操作员也可正确控制盾构机的姿态。

②因为通常全部千斤顶参加推进，纠偏时靠追加给工作千斤顶上的压力完成，无千斤顶停止工作的现象，故效率高。

③尽管千斤顶上的推力存在一定的梯度，但推力变化平滑，所以管片上偏载荷极小。

④因为水平轴线和竖直轴线可以单独控制，所以使用一般的PID控制，即可方便地实现自动控制。

(2)必要推力的检测与控制

因为使用电磁比例阀可以方便地实现千斤顶的压力控制，所以以往有人提出过这种盾构机的轴线控制的方案。但是，由于地层硬度、土砂装入状况及组装管片的约束等原因，致使千斤顶的推力长期不断的变化，故给实用化带来了一定的难度。这里给出边检测推力边控制推力的检测控制法可以克服上述缺点。

该控制方法的系统构成如图4所示。

图4 控制万法

①测量盾构机的掘进姿态，并把测量结果送入运算装置。

②在运算装置中算出盾构机的姿态与目标轴线的偏差，进而计算修正该偏差的各个千斤顶所需的推力的分布状况，并把结果送入控制装置。

③在控制装置中把推力最大的一组千斤顶的压力控制阀设定在规定的最大压力值上，并把该组定为推力检测组。

④使盾构机按所定的速度掘进，根据检测到的油压泵的油压，求出盾构机必要的推力。

⑤由修正姿态所需推力分布状况和检测出来的推力分布状况，计算各组千斤顶的目标推力值(设定最大压力的一组除外)，按维持该目标推力值的原则控制各组千斤顶的压力。

连续反复上述操作，则盾构机不仅可以推持姿态修正的推力分布，同时还能使其合力符合必要的推力的条件要求。

(3)推力分布的计算方法

推力分布可由千斤顶操作点的轴线角θ和单推强度γ求得。像图5所示出的那样，把θ轴线的延长线与圆(千斤顶作用点构成的圆)的交点的推力记作最大。从图5可以看出推力呈坡度正比于γ的圆筒状分布，则各个千斤顶的推力可由其相应的位置求取。

图5 推力分布状况及计算方法