引紅濟石引水隧洞雙護盾TBM姿態(tài)控制

蔡大為

（陜西引紅濟石工程建設有限公司，陜西 眉縣 722300）

引紅濟石引水隧洞雙護盾TBM姿態(tài)控制

蔡大為

（陜西引紅濟石工程建設有限公司，陜西 眉縣 722300）

小直徑雙護盾TBM姿態(tài)控制是隧洞施工的重點及難點。通過對TBM導向系統(tǒng)、姿態(tài)測量原理分析，結合引紅濟石引水隧洞工程實際，提出TBM姿態(tài)控制的基本要求、控制標準以及控制方法。雙護盾TBM在引紅濟石引水隧洞工程，通過總結TBM的姿態(tài)控制方法和措施，可有效解決設備對復雜地質條件適應性不足的問題。

雙護盾TBM；導向系統(tǒng)；測量；控制方法

引紅濟石引水隧洞采用雙護盾TBM施工，成洞直徑3.0 m。受隧洞凈空、地層軟硬不均、設備操作等因素影響，對TBM掘進姿態(tài)控制造成很大困難，極易產生掘進偏差。當偏差超過一定限界時就會使盾尾間隙變小，致使管片局部受力惡化，造成管片開裂、管片安裝錯臺較大，隧洞凈空侵限，繼而導致后配套拖拉困難，嚴重時出現(xiàn)TBM結構件破壞而無法繼續(xù)掘進。本文在對TBM姿態(tài)測量原理分析的基礎上，對導向系統(tǒng)進行了合理改造，并結合工程實際，總結提出了小直徑雙護盾TBM姿態(tài)控制的方法和措施。

1 PPS導向系統(tǒng)

1.1 原設計情況

引紅濟石雙護盾TBM初步設計PPS通視窗口設置在右上角，全站儀通過主機室上方的狹窄空間一直通視至前盾位置的兩個馬達棱鏡，實時檢測掘進機最前方機頭的姿態(tài)，再根據(jù)盾體間的相對關系推算出支撐盾、尾盾的姿態(tài)情況。但由于通視空間狹小，右側機械設備極多，TBM姿態(tài)稍有偏差就會出現(xiàn)無法通視的不利情況。因此設計調整將全站儀放置在主機室前方管片處，前視及后視距離相應縮短。調整后的PPS導向系統(tǒng)，雖解決了通視問題，但在實際掘進過程中，由于全站儀靠前，掘進換步造成的管片震動，嚴重影響測量精度，同時由于全站儀無法通過主機室，最短搬站距離不到2m，搬站次數(shù)越多，累計誤差也就越大，待導線測量時，掘進機姿態(tài)便出現(xiàn)了較大的偏差。

1.2 改造情況

由于后續(xù)掘進過程中TBM頻繁卡機，著手對TBM設備性能進行提升改造，進而提高對復雜圍巖地質的適應性。在此期間，對導向系統(tǒng)進行改造。根據(jù)本臺TBM的設計情況，右側的設備及結構件較多，通視條件差，左側則通視條件較好，原改造方案設想將通視窗口改至左側，以緩解原設計帶來的無法通視的問題。但在改造實施過程中發(fā)現(xiàn)，受盾體結構件影響，通視窗口僅為Φ25 cm的圓，通視條件仍然無法得到徹底的改善。因此結合本工程實際，經仔細研究，按照采用測量尾護盾姿態(tài)+前護盾行程傳感系統(tǒng)反推前盾姿態(tài)的思路，將傾斜儀與1#、2#自動棱鏡安裝在支撐護盾上，通過測量支撐護盾與尾護盾的姿態(tài)，再通過支撐護盾與前護盾相連的三根行程油缸長度，計算出前盾姿態(tài)，實現(xiàn)對TBM姿態(tài)的控制。

1.3 姿態(tài)測量原理

利用PPS導向系統(tǒng)進行測量，并將支撐盾與前盾之間安裝的三根行程油缸長度通過傳感器實時導入PPS系統(tǒng)和TBM的PLC系統(tǒng)，結合油缸相對位置關系和設備間的相對關系，推算出TBM的整體姿態(tài)。三根行程油缸的相對位置關系見圖1。

圖1 三根行程油缸的相對關系

測量原理：根據(jù)全站儀測量出尾盾及支撐盾的絕對坐標、滾動值、俯仰值及水平導向值后，根據(jù)與支撐盾、前盾相連的三根行程油缸的長度可推算出前盾的姿態(tài)，包括前盾的絕對坐標、水平導向值及俯仰值等。

1.3.1 前盾導向值

根據(jù)左右兩根行程油缸的長度差計算出前盾相對于支撐盾（先假定支撐盾的導向值為0）的水平導向值，然后結合支撐盾自身的導向值，最終確定前盾的導向值。若向右為“+”， 計算前盾導向值=支撐盾導向值+（左-右）/2.65。

1.3.2 前盾俯仰值

根據(jù)左右兩根行程油缸的平均值與頂部行程油缸的長度差計算出前盾相對于支撐盾（先假定支撐盾的俯仰值為0）的高程俯仰值，然后結合支撐盾自身的俯仰值，最終確定前盾的俯仰值。計算前盾俯仰值=支撐盾俯仰值+[（左+右）/2-頂]/2.515。

1.3.3 前盾水平絕對值

根據(jù)前盾的導向值及行程油缸的平均伸縮長度，計算出前盾相對于支撐盾（先假定支撐盾的水平絕對值為0）的水平偏差值，然后結合支撐盾自身的水平絕對值，最終確定前盾的水平絕對值。計算前盾水平絕對值=支撐盾水平絕對值+前盾導向值×｛5.57+[(左+右)/2+頂]/2｝。

1.3.4 前盾高程絕對值

根據(jù)前盾的俯仰值及行程油缸的平均伸縮長度，計算出前盾相對于支撐盾（先假定支撐盾的水平絕對值為0）的高程偏差值，然后結合支撐盾自身的高程絕對值，最終確定前盾的高程絕對值。計算前盾高程絕對值=支撐盾高程絕對值+前盾俯仰值×｛5.57+[(左+右)/2+頂]/2｝。

2 姿態(tài)控制

2.1 姿態(tài)控制的基本要求

（1）TBM水平方向的姿態(tài)始終向設計軸線‘0’靠攏；TBM豎直方向的姿態(tài)始終保持略微高昂的抬頭趨勢（按照設計的縱向坡度：1/890）。在調向過程中根據(jù)PPS實時顯示的測量數(shù)據(jù)、掌子面圍巖狀況不斷調整四組油缸（上下、左右）的推力，監(jiān)視前護盾行程油缸的推進長度，當TBM姿態(tài)出現(xiàn)偏差中軸線位置時，必須向中軸線方向調整。

（2）TBM在軟巖或斷層破碎帶掘進時必須始終保持正的豎直姿態(tài)，且TBM在豎直方向上必須保持稍微向上的趨勢值，預防刀盤低頭。

（3）特別注意更換邊刀后掘進第一個循環(huán)時盡量不要調向。

2.2 調向控制標準

2.2.1 水平方向

（1）水平的趨勢角即是導向值，刀盤的水平導向值以支撐盾顯示的趨勢角結合行程油缸長度換算的導向值為準。

（2）無論水平方向偏差絕對值達到何種程度，TBM水平導向值不允許超過±1.5%，即在任何情況下，PPS顯示屏左上角的趨勢角對應換算的導向值都不允許超過±1.5%。

（3）每一完整的掘進循環(huán)調向值不允許超過5‰，即從本循環(huán)掘進初始至掘進完成過程中導向值的變化量不允許超過5‰。

（4）至少保證每調向一次后，以該姿態(tài)掘進至少兩個循環(huán)，即若在本循環(huán)掘進過程中，將導向值由1.000%調至0.500%后，應保持以0.500%的導向值至少再掘進兩個循環(huán)后方可調向，也可在這三個循環(huán)內完成一個循環(huán)的調向量，嚴禁連續(xù)以最大調向量對每循環(huán)進行調向操作。

（5）在PPS搬站完成后，隧洞偏差絕對值由“-”突變到“+”，即從搬站前偏左突變?yōu)榘嵴竞笃业那闆r下，嚴禁在很短的掘進距離內使水平導向值由“+”變?yōu)椤?”的急切調向行為，仍要嚴格執(zhí)行以上調向規(guī)定，使導向值逐步緩慢變化。在這種工況條件,導向值還處于正值的情況下，掘進過程中的絕對偏差還會持續(xù)增大，這屬于正常情況，主司機只要把握住調向原則即可。在將導向值調至極限后（-1.500%），保持此導向趨勢不變進行掘進，直到掘進偏差絕對值在50 mm以內后，開始回調導向值至0.000%左右掘進。若是出現(xiàn)搬站前后偏差由偏右突變至偏左的情況，調向操作方法照此類推。

（6）不必刻意追求隧洞中線的“零偏差”，只要中線偏差絕對值在100 mm以內時，即可保持導向值為0.000%左右掘進。

（7）在常規(guī)掘進過程中出現(xiàn)TBM方向不易控制的情況下，切忌盲目換步，必須退回重新掘進或采取其它輔助掘進措施進行掘進，務必保證掘進偏差趨勢在可控范圍內。

（8）主司機要認真總結在不同導向值情況下與各主推油缸行程差的對應關系，積累施工經驗，要努力達到在PPS暫時出現(xiàn)故障的情況下，可以據(jù)此經驗掘進5環(huán)后中線偏差仍然受控的水平。

2.2.2 豎直方向

（1）高程的趨勢角即是坡度，以支撐盾顯示的趨勢角結合行程油缸換算的坡度值為準。

（2）高程控制與水平控制的方法與措施一樣，在此不再贅述，高程偏差值要努力控制在0～60 mm的范圍內。

（3）主司機要不斷總結TBM沿隧洞理論中線掘進的最佳坡度和在不良地質條件下合理的掘進坡度（隧洞設計縱坡為1.1‰，上坡掘進），尤其要注意防止TBM“抬頭”和“低頭”的情況發(fā)生，一旦發(fā)生單循環(huán)高程偏差超限后，在掌子面地質條件允許的前提條件下必須退回重新掘進。

2.2.3 滾動值

由于小直徑TBM主機段設備件布置緊湊，前盾、支撐盾滾動值超限將極易導致扭矩油缸、主推油缸、行程油缸、1#皮帶機等設備結構件發(fā)生“干涉”破壞，后果不堪設想。因此，要求在掘進過程中適時關注前盾、支撐盾的滾動值變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)滾動值超限時，及時進行糾偏調整。此外,為確保PLC系統(tǒng)的人機界面、PPS顯示滾動值的真實性，需要定期對前盾、支撐盾滾動值進行復核、矯正。

2.3 姿態(tài)控制輔助措施

TBM掘進過程中，姿態(tài)控制以PPS導向系統(tǒng)顯示姿態(tài)值為主。若PPS導向系統(tǒng)運行異常，改為人工導向測量時，可借助垂球、鋼卷尺等工具進行油缸行程差、安裝機與1#皮帶橋左右及上下間距、1#皮帶橋底部行走梁與底管片中心水溝高差、支撐盾撐靴油缸與皮帶橋高差以及刀盤、支撐盾、尾盾相對關系等數(shù)據(jù)，為TBM掘進姿態(tài)控制提供參考。

2.3.1 人工復測

外伸縮盾左上側10#主推油缸靠近前盾處固定一線繩垂球，分別在線繩上下打兩個結作為測量參照點，利用TBM停機期間，通過卷尺分別量取線繩兩打結處至前盾長度后，通過坡度計算公式計算前盾坡度值。

前盾、支撐盾滾動值可通過垂球或水平尺進行人工校核。

行程油缸的長度也需要經常進行復核，同時和10根主推油缸的長度進行比較。

2.3.2 人機界面、PPS顯示坡度、滾動值比較

TBM掘進過程中，測量值班工程師要隨時掌握PPS導向系統(tǒng)、人機界面顯示的坡度、滾動值變化，發(fā)現(xiàn)偏差超限時，務必進行人工測量復核，及時修正、糾偏，確保PPS導向系統(tǒng)運行正常。

2.3.3 手動測量模式

由于雙護盾TBM掘進與管片安裝同步，因此在管片安裝期間，受安裝機及管片的遮擋，全站儀無法瞄準馬達棱鏡，在掘進過程中無法實時顯示掘進姿態(tài)，因此可通過PPS系統(tǒng)手動進行測量，即換步完成后測量出TBM的完整姿態(tài)后，在下個循環(huán)的掘進過程中，可假定支撐盾在撐靴的穩(wěn)定作用下不會發(fā)生任何改變，由PPS系統(tǒng)鎖定支撐盾數(shù)據(jù)后，改為手動輸入該數(shù)據(jù)后全站儀則可不自行瞄準馬達棱鏡便可獲取支撐盾及尾盾數(shù)據(jù)，再根據(jù)行程油缸的長度變化自動計算出前盾的所有姿態(tài)。該種模式在硬巖掘進中基本無誤差。在軟巖中，由于撐靴不一定能撐緊巖壁，可能會導致支撐盾在掘進過程中發(fā)生位移，即假定支撐盾姿態(tài)不發(fā)生變化的前提并不成立，從而導致前盾的姿態(tài)在恢復測量后出現(xiàn)偏差，需要通過不斷嘗試、總結得到姿態(tài)控制的相關經驗。

2.3.4 數(shù)值控制法

由于行程油缸的長度通過行程傳感器和特殊模塊導入至PPS系統(tǒng)，但當PPS系統(tǒng)故障后可能存在無法讀取行程油缸的情況，導致前盾的數(shù)據(jù)無法測量出來，此時根據(jù)不同的姿態(tài)控制目標（導向值或絕對值）均可通過數(shù)值控制法進行控制。

（1）導向值數(shù)值控制法。由于支撐盾所有姿態(tài)及行程油缸均能夠實時顯示，只是無法實時結合，因此在TBM整體導向值均較大的情況下，需要控制前盾的導向值。因此根據(jù)前面章節(jié)中敘述的計算方法控制好TBM前盾的導向值即可。表1可以快速對應行程油缸與相對于支撐盾的導向值（含水平和高程），便于主司機能迅速找到對應的控制數(shù)值。

表1 油缸行程差與導向值、坡度對應表

PPS導向系統(tǒng)無法連續(xù)工作時，上述油缸行程差與導向值、坡度對應關系可為TBM掘進過程中姿態(tài)控制提供參考。

（2）絕對值數(shù)值控制法。在TBM整體導向值均較小的情況下，主司機可根據(jù)TBM的實際情況進行絕對值的控制，根據(jù)換步之后的支撐盾姿態(tài)以及前盾姿態(tài)，通過控制行程油缸差指導下個循環(huán)的期望控制絕對值數(shù)據(jù)。

①前盾水平絕對值數(shù)值控制法。前盾水平絕對值數(shù)值控制計算方法，油缸行程差△=[(換步后掘進前前盾絕對偏差+期望調向數(shù)據(jù)-換步后掘進前支撐盾絕對偏差)/(此次預期掘進長度+5.57)-支撐盾導向值]×2.65。

②前盾高程絕對值數(shù)值控制法。前盾水平絕對值數(shù)值控制計算方法，油缸行程差△=[(換步后掘進前前盾絕對偏差+期望調向數(shù)據(jù)-換步后掘進前支撐盾絕對偏差)/(此次預期掘進長度+5.57)-支撐盾俯仰值)]×2.515。

必須以換步后掘進前的姿態(tài)作為標準，即換步后的姿態(tài)必須提供準確及時。向左調向為“-”，向右調向為“+”,向上調為“+”，向下調為“-”。水平方向油缸行程差△=（左-右）；高程方向油缸行程差△=（左+右）/2-頂。

3 結語

雙護盾TBM在引紅濟石引水隧洞工程歷時9年，穿越大小斷層300多條，克服圍巖特大變形、突泥涌水等地質災害，實現(xiàn)獨頭掘進9398 m，為小直徑雙護盾TBM在水利工程施工方面積累了寶貴經驗，特別是在整個施工過程中，通過持續(xù)不斷的總結TBM的姿態(tài)控制方法和措施，有效解決了設備對復雜地質條件適應性不足的關鍵難題，為今后TBM施工技術的成熟和發(fā)展具有非常重要的意義。

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1673-9000（2017）05-0133-03

2017-05-10

蔡大為（1972-），男，陜西岐山人，工程師，主要從事水利水電工程項目管理工作。