盾构隧道施工中盾构机的姿态控制研究

胡小强

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

盾构隧道施工中盾构机的姿态控制研究

胡小强

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

盾构隧道掘进施工过程中，掘进误差不仅影响隧道设计线性的拟合，还影响衬砌管片的拼装作业。本文在介绍盾构隧道常用盾构机组成和掘进原理的基础上，开展盾构机的姿态控制研究，分析了在不同围岩条件下盾构姿态控制技术。

盾构施工; 盾构机; 姿态控制

1 引言

20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统，使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。

盾构机主要依靠千斤顶的推力向前推进的，盾构机千斤顶分置上下左右四个区，各区千斤顶相对独立，同一分区的千斤顶的动作是一致的，对盾构机的位置和姿态的线形管理是靠设定盾构机各区千斤顶的压力调节来实现的。隧道盾构受地质条件影响，盾构机在推进过程中开挖面上土压力的不均衡性、地下土层变化及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致。

2 盾构机姿态控制的组成与功能

2.1 推进系统

盾构机推进系统提供盾构向前推进的动力，包括推进油缸和相应的液压泵站，盾体的前进由操作分组的推进油缸来完成，推进油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。通过调整每组油缸的行程来对盾构进行纠偏和调向，每组油缸均有单独的压力调整，这样可避免引起管片移位或产生损坏的压力过载。

2.2 导向系统

盾构机上的自动导向系统主要有以下四部分组成：

①全站仪。具有电脑控制及自动识别精确锁定目标棱镜。主要用于测量(水平和垂直的)角度和距离、发射激光束。

②活动电子激光靶，简称激光靶。激光靶用来接受激光束,决定激光束的水平及竖向入射点。此外激光靶的滚动角和仰俯角也通过集成于激光靶内部的倾斜计来测得。偏航角通过击到激光靶上的激光的入射角来决定。激光靶固定在机器上,在安装激光靶时,激光靶的确切位置已经被确定,激光靶跟机器轴线的关系也已经确定。

③计算机及隧道掘进软件。掘进软件是自动导向系统的核心，它从全站仪和激光靶等通信设备接受数据，盾构机的位置在该软件中计算，并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上。

④黄盒子，黄盒子用来给全站仪和激光供电。系统电脑和全站仪之间的通讯也通过黄盒子进行。

⑤中央控制箱。中央控制箱是电脑和系统的各个传感器进行通讯的端口,中央控制箱将传感器传来的数据转化为工业电脑可以识别的合适数据,同时工业电脑发出的控制指令也被转化并输向各个传感器。

2.3 数据采集系统

数据采集系统具有数据采集处理和故障自动显示功能，可以记录盾构操作全过程的所有参数，采集、处理、储存、显示、评估与盾构有关的数据。所有测量数据都通过被时钟脉冲控制的测量传感器连续的采集和显示。所有必须记录的测量值都以图形的形式显示在数据采集系统的监测器上。

3 盾构机姿态控制操作原则

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。

3.1 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。

3.2 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 /min之间，刀盘转速控制在 1. 5r/min 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。

3. 岩层层面起伏大的地层中盾构机掘进姿态的控制岩层层面起伏大会导致隧道开挖面内的岩层出现软硬不均。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。以上软下硬地层为例，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。

4. 全断面硬岩地层中盾构机掘进姿态的控制全断面硬岩地层属于均一岩层，盾构机在该类地层中掘进,其轴线姿态能较好地控制，在掘进时保持各分区千斤顶推力均匀，总推力和掘进速度均匀，即可保持盾构机较好的姿态。

3.3 盾构机的纠偏措施

盾构机在掘进过程中总会偏离设计轴线，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滚角的变化，及时根据盾构机的滚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。

4 结语

盾构隧道掘进施工过程中，掘进误差过大容易造成盾尾刷露出，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。文章研究了在不同围岩条件下盾构姿态控制技术，对实际工程具有借鉴意义。

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1007-6344（2016）08-0018-01

胡小强（1990—），男，硕士研究生，主要从事隧道及地下工程方面的研究工作