盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制研究

胡小強(qiáng)

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制研究

胡小強(qiáng)

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過程中，掘進(jìn)誤差不僅影響隧道設(shè)計(jì)線性的擬合，還影響襯砌管片的拼裝作業(yè)。本文在介紹盾構(gòu)隧道常用盾構(gòu)機(jī)組成和掘進(jìn)原理的基礎(chǔ)上，開展盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制研究，分析了在不同圍巖條件下盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)。

盾構(gòu)施工; 盾構(gòu)機(jī); 姿態(tài)控制

1 引言

20世紀(jì)70年代以來，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)有了新的飛躍。伴隨著激光、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)中逐漸得到成功運(yùn)用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)，使得盾構(gòu)法施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動(dòng)化程度，從而被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、市政、油氣等專業(yè)領(lǐng)域。

盾構(gòu)機(jī)主要依靠千斤頂?shù)耐屏ο蚯巴七M(jìn)的，盾構(gòu)機(jī)千斤頂分置上下左右四個(gè)區(qū)，各區(qū)千斤頂相對(duì)獨(dú)立，同一分區(qū)的千斤頂?shù)膭?dòng)作是一致的，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的位置和姿態(tài)的線形管理是靠設(shè)定盾構(gòu)機(jī)各區(qū)千斤頂?shù)膲毫φ{(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。隧道盾構(gòu)受地質(zhì)條件影響，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中開挖面上土壓力的不均衡性、地下土層變化及其他方面的影響，盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)軸線無法與理論軸線保持一致。

2 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的組成與功能

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)提供盾構(gòu)向前推進(jìn)的動(dòng)力，包括推進(jìn)油缸和相應(yīng)的液壓泵站，盾體的前進(jìn)由操作分組的推進(jìn)油缸來完成，推進(jìn)油缸的后端頂在管片上以提供盾構(gòu)前進(jìn)的反力。通過調(diào)整每組油缸的行程來對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行糾偏和調(diào)向，每組油缸均有單獨(dú)的壓力調(diào)整，這樣可避免引起管片移位或產(chǎn)生損壞的壓力過載。

2.2 導(dǎo)向系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)上的自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)主要有以下四部分組成：

①全站儀。具有電腦控制及自動(dòng)識(shí)別精確鎖定目標(biāo)棱鏡。主要用于測(cè)量(水平和垂直的)角度和距離、發(fā)射激光束。

②活動(dòng)電子激光靶，簡(jiǎn)稱激光靶。激光靶用來接受激光束,決定激光束的水平及豎向入射點(diǎn)。此外激光靶的滾動(dòng)角和仰俯角也通過集成于激光靶內(nèi)部的傾斜計(jì)來測(cè)得。偏航角通過擊到激光靶上的激光的入射角來決定。激光靶固定在機(jī)器上,在安裝激光靶時(shí),激光靶的確切位置已經(jīng)被確定,激光靶跟機(jī)器軸線的關(guān)系也已經(jīng)確定。

③計(jì)算機(jī)及隧道掘進(jìn)軟件。掘進(jìn)軟件是自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的核心，它從全站儀和激光靶等通信設(shè)備接受數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機(jī)的位置在該軟件中計(jì)算，并以數(shù)字和圖形的形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。

④黃盒子，黃盒子用來給全站儀和激光供電。系統(tǒng)電腦和全站儀之間的通訊也通過黃盒子進(jìn)行。

⑤中央控制箱。中央控制箱是電腦和系統(tǒng)的各個(gè)傳感器進(jìn)行通訊的端口,中央控制箱將傳感器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工業(yè)電腦可以識(shí)別的合適數(shù)據(jù),同時(shí)工業(yè)電腦發(fā)出的控制指令也被轉(zhuǎn)化并輸向各個(gè)傳感器。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集處理和故障自動(dòng)顯示功能，可以記錄盾構(gòu)操作全過程的所有參數(shù)，采集、處理、儲(chǔ)存、顯示、評(píng)估與盾構(gòu)有關(guān)的數(shù)據(jù)。所有測(cè)量數(shù)據(jù)都通過被時(shí)鐘脈沖控制的測(cè)量傳感器連續(xù)的采集和顯示。所有必須記錄的測(cè)量值都以圖形的形式顯示在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)器上。

3 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制操作原則

盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制包括機(jī)體滾轉(zhuǎn)控制和前進(jìn)方向的控制，在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)操作人員根據(jù)激光自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)在電腦屏幕上顯示的數(shù)據(jù)，通過合理選擇各分區(qū)千斤頂及刀盤轉(zhuǎn)向等來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制操作原則有兩條:

①機(jī)體滾角值應(yīng)適宜，盾構(gòu)機(jī)滾角值太大，盾構(gòu)機(jī)不能保持正確的姿態(tài)，影響管片的拼裝質(zhì)量，此時(shí)，可以通過反轉(zhuǎn)刀盤來減少滾角值。

② 盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)方向水平向右偏，則需要提高右側(cè)千斤頂分區(qū)的推力; 反之，則需要提高左側(cè)千斤頂分區(qū)的推力。如果盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭向下偏，則需要提高下部千斤頂分區(qū)的推力; 反之亦然。

3.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的一般細(xì)則

一般情況下，盾構(gòu)機(jī)的方向糾偏應(yīng)控制在±20mm 以內(nèi)，在緩和曲線及圓曲線段，盾構(gòu)機(jī)的方向糾偏應(yīng)控制在±30mm 以內(nèi)。盡量保持盾構(gòu)機(jī)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線平行，否則，可能會(huì)因?yàn)樽藨B(tài)不好而造成盾尾間隙過小和管片錯(cuò)臺(tái)裂縫。當(dāng)開挖面土體較均勻時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制比較容易，一般情況下方向偏角控制在±5mm以內(nèi)。當(dāng)開挖面內(nèi)的地層左、右軟硬不均而且又是處在曲線段時(shí)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制比較困難。此時(shí)，可降低掘進(jìn)速度，合理調(diào)節(jié)各分區(qū)的千斤頂推力，有必要時(shí)可考慮在硬巖區(qū)使用超挖刀(備有超挖刀的盾構(gòu)機(jī)) 進(jìn)行超挖。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)遇到上軟下硬土層時(shí)，為防止盾構(gòu)機(jī)“抬頭”，要保持下俯姿態(tài); 反之，則要保持上仰姿態(tài)。掘進(jìn)時(shí)要注意上下兩端和左右兩側(cè)的千斤頂行程差不能相差太大，一般控制在± 20mm 以內(nèi)。在曲線段掘進(jìn)時(shí)，一般情況下根據(jù)曲線半徑的不同讓盾構(gòu)機(jī)向曲線內(nèi)側(cè)偏移一定量，偏移量一般取 10～30mm。在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制中， 推進(jìn)油缸的行程控制是重點(diǎn)。對(duì)于1.5m 寬的管片，原則上行程控制在1700～1800mm 之間，行程差控制在0～40mm 內(nèi)，行程過大，則盾尾刷容易露出，管片脫離盾尾較多，變形較大; 行程差過大，易使盾體與管片之間的夾角增大， 易造成管片的破損、錯(cuò)臺(tái)。

3.2 不同地質(zhì)環(huán)境中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制技術(shù)

1. 淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中掘進(jìn)時(shí)，由于地層自穩(wěn)性能極差，為控制盾構(gòu)機(jī)水平和垂直偏差在允許范圍內(nèi)， 避免盾構(gòu)機(jī)蛇形量過大造成對(duì)地層的過量擾動(dòng)，宜將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度控制在30～40mm /min之間，刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1. 5r/min 左右。在該段地層中掘進(jìn)時(shí)，四組千斤頂推力應(yīng)較為均衡，避免掘進(jìn)過程中千斤頂行程差過大，否則，可能會(huì)造成推力軸線與管片中心軸線不在同一直線上。在掘進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加注一定量的添加劑,以保持出土順暢，盡量保持盾構(gòu)機(jī)的連續(xù)掘進(jìn)，同時(shí)，要嚴(yán)格控制同步注漿量，以保證管背間隙被有效填充。

2. 砂層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機(jī)在全斷面富水砂層中掘進(jìn)，由于含水砂層的自穩(wěn)性極差，含水量大，極易出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“磕頭”現(xiàn)象，同時(shí)，在含水砂層中盾構(gòu)機(jī)也易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。為避免盾構(gòu)機(jī)在含水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，在推進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)應(yīng)保持向上抬頭的趨勢(shì)，如果發(fā)現(xiàn)有“磕頭”趨勢(shì),應(yīng)立即調(diào)節(jié)上下部壓力，維持盾構(gòu)機(jī)向上的趨勢(shì)。為避免盾構(gòu)機(jī)在含水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)減小刀盤轉(zhuǎn)速，減小對(duì)周圍砂層的擾動(dòng)。

3. 巖層層面起伏大的地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制巖層層面起伏大會(huì)導(dǎo)致隧道開挖面內(nèi)的巖層出現(xiàn)軟硬不均。盾構(gòu)機(jī)在這種地層中掘進(jìn)，其盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制難度大，易產(chǎn)生盾構(gòu)機(jī)垂直方向上的過量蛇行，造成管片錯(cuò)臺(tái)及開裂。以上軟下硬地層為例，在這類地質(zhì)條件下掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)刀盤受力不均，掘進(jìn)速度不均衡，這就要求在掘進(jìn)過程中，必須時(shí)刻觀察測(cè)量系統(tǒng)提供的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合推進(jìn)千斤頂和鉸接千斤頂?shù)男谐滩钪?，不斷地調(diào)整各分區(qū)千斤頂?shù)耐屏翱偼屏?，以保持盾?gòu)機(jī)姿態(tài)的平穩(wěn)。如果不注意調(diào)整推進(jìn)千斤頂?shù)男谐滩睿蜁?huì)造成管片選型變化大，甚至造成過小的盾尾間隙使管片不能順利脫出盾尾。因此，在推進(jìn)過程中不能單一的只注意測(cè)量系統(tǒng)所提供的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)來指導(dǎo)掘進(jìn)，還應(yīng)兼顧各分區(qū)千斤頂?shù)男谐滩睢?/p>

4. 全斷面硬巖地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制全斷面硬巖地層屬于均一巖層，盾構(gòu)機(jī)在該類地層中掘進(jìn),其軸線姿態(tài)能較好地控制，在掘進(jìn)時(shí)保持各分區(qū)千斤頂推力均勻，總推力和掘進(jìn)速度均勻，即可保持盾構(gòu)機(jī)較好的姿態(tài)。

3.3 盾構(gòu)機(jī)的糾偏措施

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中總會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線，進(jìn)行糾偏時(shí)必須有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行。糾偏措施如下:

(1) 在掘進(jìn)過程中隨時(shí)注意滾角的變化，及時(shí)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的滾角值調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

(2) 應(yīng)根據(jù)各段地質(zhì)情況對(duì)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過程中，掘進(jìn)誤差過大容易造成盾尾刷露出，管片脫離盾尾較多，變形較大；行程差過大，易使盾體與管片之間的夾角增大， 易造成管片的破損、錯(cuò)臺(tái)。文章研究了在不同圍巖條件下盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)，對(duì)實(shí)際工程具有借鑒意義。

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U455

A

1007-6344（2016）08-0018-01

胡小強(qiáng)（1990—），男，碩士研究生，主要從事隧道及地下工程方面的研究工作