浅析盾构姿态控制王春光文档格式.docx

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●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：

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：

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。

对于既有的隧道轴线，应充分地对设计轴线进行系统地分析研究，对不同的设计线型，确定具体的施工方案，主要包括：

在设计轴线的基础上，结合盾构法施工的特点制定出一条指导施工的施工轴线；

确定小半径施工、穿越建构筑物及河流施工、穿越不同地层施工等特殊工况的施工方案；

确定具体的测量监测方案；

确定轴线调整预案等。

（2）隧道穿越地层的地质状况的影响

盾构机在掘进中，所穿越的地层直接影响到盾构机及隧道的整体受力情况，尤其是在两种不同的地层之间进行掘进中，盾构机的受力情况更加复杂，给掘进中的姿态控制造成了较大的难度，所以在施工中，要对隧道穿越地层的地质情况进行系统地分析，事先确定施工方案，以保证施工的顺利进行。

（3）隧道测量的影响

在隧道掘进过程中，测量的正确性、准确性及精确性是至关重要的，它直接决定了盾构机的掘进方向，所以在施工中应保证测量的万无一失，并经常进行复测，并对现有测量成果进行及时调整，保证隧道轴线的正确性。

（4）隧道管片型式的影响

管片的不同形式对隧道的掘进有着不同的影响，目前国内普遍的管片设计形式是三种管片类型，即标准环（直线环）、左转弯环、右转弯环，一般设计方会出具隧道的整体管片排列图，但根据具体的施工情况会做出相应的调整，同时根据管片的不同拼装方式（主要有通缝拼装和错缝拼装），也应确定相应的施工方案。

（5）地表建构筑物等的影响

隧道掘进过程中，地表的附着物（包括建构筑物及河流等）也会对盾构机及隧道的受力情况造成一定影响，需要进行具体分析，并确定相应的施工方案，保证隧道掘进的整体安全性及质量规范要求。

（6）其他方面的影响

在掘进中，影响盾构机姿态及隧道轴线控制的因素还很多，主要包括盾构机选型、地下水及地下不明物、隧道自身游离偏移等，都需要在具体施工中根据具体情况进行具体的分析解决。

2、盾构机姿态控制的施工流程

盾构机姿态的施工工艺流程如图4。

图4：

盾构机姿态控制工艺流程图

（1）盾构机及管片姿态测量

每次推进或拼装完毕，都要进行一次盾构机姿态或管片姿态测量，主要测量的指导推进的数据有：

切口、铰接、盾尾相对于设计施工轴线的位置状态，盾构机的坡度，管片相对于设计施工轴线的位置状态，管片与盾尾的间隙，管片的拼装形态（椭圆度）等。

（2）测量报表分析

根据测量报表所提供的数据，填写《盾构机姿态形象纪录表》，如图5，可以比较清晰地了解到盾构机及管片当前的姿态情况，再结合设计轴线、盾构机坡度、管片型式、管片间隙等数据参数来确定下一次推进的推进方案。

（3）推进方案的确定

图5：

盾构机姿态形象纪录

盾构机推进方案需要确定以下主要内容：

盾构机的推进方向，切口、铰接、盾尾位置状态的控制目标，上下及左右超前量的控制目标，推进速度，推进千斤顶区域油压及压力差的控制目标，盾构机坡度的控制目标等。

（4）管片处理方案确定

管片处理方案需要确定以下主要内容：

管片的选型，上下及左右超前量的控制目标，楔形衬垫的粘贴，椭圆度及喇叭的控制目标等。

（5）推进

推进中应尽量按照提前确定的推进方案进行推进控制，并在推进过程中，严格的控制好各项参数，认真观察推进千斤顶机铰接千斤顶的运行趋势，并对推进过程作出及时有效的调整，保证盾构机姿态控制的合理有效性。

（6）盾构机姿态的实时纪录

图6：

盾构机姿态实时纪录

每次推进结束都要填写《盾构机姿态实时纪录表》，如图6，主要采集铰接千斤顶行程、土压力、推进千斤顶压力行程、盾构坡度、推进速度等数据。

根据铰接千斤顶行程可以从整体上了解到盾构机的姿态，对盾构机当前的状态的情况有一些初步的了解。

然后再通过对推进千斤顶行程的一些分析，计算平面差值，再结合盾构坡度，就可以比较全面地了解到本次推进所达到的效果，并对下一次推进起到积极的指导作用。

（7）管片拼装

拼装管片时应尽量按照提前确定好的管片拼装方案进行拼装，在保证整体质量的同时，对管片拼装的各项参数进行控制，还应尽量保证管片拼装的完整性。

（8）管片姿态的纪录

管片姿态纪录集成在《盾构机姿态实时纪录表中》，如图7，主要纪录一些管片拼装的姿态参数，以及拼装后盾构机铰接及推进千斤顶的行程等数值，来指导下一次推进，并可以据此来确定下一次拼装管片的处理情况以及拼装方案等。

3、不同设计轴线下的盾构机姿态控制

隧道的轴线设计一般会涉及到以下几种曲线要素：

直线、缓曲线和圆曲线。

一般平面上的轴线设计会比较复杂，一般都会是1到2个甚至更多个圆曲线以及缓曲线与直线之间的结合，而竖曲线方面则会比较简单，一般只包括直线以及圆曲线，圆曲线只起到变坡的作用。

（1）平面曲线上的姿态控制

a、直线段的姿态控制

图7：

管片姿态纪录

在进行直线段的推进时，应尽量控制切口位置保持在轴线附近，正常施工时的误差不应超过-10—+10mm，最大应控制在-20—+20mm之间，左右两侧的A、C组千斤顶推力应始终保持一致，并根据实际的刀盘受力情况作微小调整，使两侧千斤顶行程保持一致，左右千斤顶行程差值最大不应超过8mm，拼装标准环管片，环面贴等厚传力衬垫，并视实际施工情况控制好环面平整度及喇叭度，合理控制铰接及盾尾位置，使之位置偏差亦控制在-20—+20mm的偏差范围之内，如出现超出偏差范围的情况，应及时作纠偏处理，纠偏时切口的位置亦要保持在-20—+20mm的偏差范围之内，严禁在纠偏过程中过大的调整切口位置，造成后续推进中的姿态失控；

铰接千斤顶的行程应始终控制在60—90mm的范围之内，并且左右的铰接千斤顶行程差值不应超过10mm，如果出现超出偏差范围的情况，应及时作纠偏处理，以保证铰接部位能够起到正常的保护调整作用，避免铰接部件的局部受损。

b、圆曲线段的姿态控制

在进行圆曲线段的推进时，应提前计算好左右千斤顶行程的超前量，超前量的值可以通过计算求出，也可以通过AutoCAD绘图直接量取，在推进过程中，切口的控制中心应向着圆曲线的圆心方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，推进中应控制切口位置保持在设定定的控制中心附近，正常施工时的误差不应超过-10—+10mm，最大应控制在-20—+20mm之间，左右两侧的A、C组千斤顶推力应始终保持有一定的差值，并根据实际的刀盘受力情况作微小调整，使两侧千斤顶行程差值与提前计算得出的超前量的值保持一致，左右千斤顶行程差值与超前量之间的最大误差不应超过10mm，按照设计部门给出的曲线段的管片排列图进行管片选型拼装，并视具体的施工情况进行管片处理，通过楔形传力衬垫对管片姿态进行微量调整，并控制好环面平整度及喇叭度，合理控制铰接及盾尾位置，盾尾的控制中心应向着圆曲线的圆心方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，铰接的控制中心应向着背离圆曲线圆心的方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，推进中应控制盾尾及铰接位置保持在设定的控制中心附近，位置偏差亦控制在-20—+20mm的偏差范围之内，如出现超出偏差范围的情况，应及时作纠偏处理，纠偏时切口的位置亦要保持在-20—+20mm的偏差范围之内，严禁在纠偏过程中过大的调整切口位置，造成后续推进中的姿态失控；

铰接千斤顶的行程应始终控制在40—110mm的范围之内，如果出现超出范围的情况，应及时作纠偏处理，以保证铰接部位能够起到正常的保护调整作用，避免铰接部件的局部受损。

图8：

超前量示意图

以半径为R350m的右转弯曲线段为例，通过AutoCAD绘图确定出左右千斤顶行程差值约为20mm左右，如图8，控制中心向右作5mm左右的偏移，切口及盾尾的位置应控制在-5—+15mm的偏差范围之内，铰接的位置应控制在-15—+5mm的偏差范围之内，左侧推进千斤顶区域推进油压超出右侧约30—50bar，进行推进，每环推进中左右千斤顶伸长量的差值控制在20mm左右，铰接千斤顶行程控制在40—110mm的范围之内。

c、缓曲线段的姿态控制

缓曲线一般应用于平面曲线中，由直线到圆曲线或由圆曲线到直线或由一种半径的圆曲线到另一种半径的圆曲线变化的一段半径渐变的一种特殊的曲线，缓曲线的起点半径等于起始曲线的半径，终点半径等于终点曲线的半径，例如由直线到半径为R的圆曲线之间的缓曲线，一般称为直缓曲线段，其起始半径为0，终点半径为R，半径按一定的规则由0到R进行渐变，在施工中，一般可以按等分长度渐变的原则进行计算，对于盾构法施工，分段的长度可以取每环管片的宽度进行计算。

在进行缓曲线段的推进时，应提前计算好每一环管片所对应缓曲线的半径，再根据当前环的曲线半径，计算出进行当前环推进时的左右千斤顶行程的超前量，计算方法与圆曲线的计算方法相似。

由于轴线的半径是始终渐变的，所以在推进过程中，应提前考虑下一环管片的轴线半径变化趋势，对盾构姿态进行控制，使盾构机向着对下一环推进有利的方向进行微小的偏移，控制的方法与圆曲线的控制方法相似，切口的控制中心应向着当前环圆曲线的圆心方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，推进中应控制切口位置保持在设定定的控制中心附近，正常施工时的误差不应超过-10—+10mm，最大应控制在-20—+20mm之间，左右两侧的A、C组千斤顶推力应始终保持有一定的差值，并根据实际的刀盘受力情况作微小调整，使两侧千斤顶行程差值与提前计算得出的超前量的值保持一致，左右千斤顶行程差值与超前量之间的最大误差不应超过10mm，按照设计部门给出的曲线段的管片排列图进行管片选型拼装，并视具体的施工情况进行管片处理，通过楔形传力衬垫对管片姿态进行微量调整，并控制好环面平整度及喇叭度，合理控制铰接及盾尾位置，盾尾的控制中心应向着圆曲线的圆心方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，铰接的控制中心应向着背离圆曲线圆心的方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，推进中应控制盾尾及铰接位置保持在设定的控制中心附近，位置偏差亦控制在-20—+20mm的偏差范围之内，如出现超出偏差范围的情况，应及时作纠偏处理，纠偏时切口的位置亦要保持在-20—+20mm的偏差范围之内，严禁在纠偏过程中过大的调整切口位置，造成后续推进中的姿态失控；

（2）竖曲线上的姿态控制

竖曲线上的姿态控制相对比较简单，主要控制好盾构的坡度变化，在进行直线段的推进时，应尽量控制切口位置保持在轴线附近，正常施工时的误差不应超过-10—+10mm，最大应控制在-20—+20mm之间，同时控制盾构机坡度与设计轴线纵坡基本保持一致，最大误差不应超过2%，应根据实际盾构坡度值调整好B、D组推进千斤顶的推进油压，使盾构机的坡度保持在稳定的状态下，并根据实际的刀盘受力情况作微小调整，使上下千斤顶行程保持一致，上下千斤顶行程差值最大不应超过8mm，环面贴等厚传力衬垫，并视实际施工情况控制好环面平整度及喇叭度，合理控制铰接及盾尾位置，使之位置偏差亦控制在-20—+20mm的偏差范围之内，如出现超出偏差范围的情况，应及时作纠偏处理，纠偏时切口的位置亦要保持在-20—+20mm的偏差范围之内，严禁在纠偏过程中过大的调整切口位置，造成后续推进中的姿态失控；

铰接千斤顶的行程应始终控制在60—90mm的范围之内，并且上下的铰接千斤顶行程差值不应超过10mm，如果出现超出偏差范围的情况，应及时作纠偏处理，以保证铰接部位能够起到正常的保护调整作用，避免铰接部件的局部受损。

在进行圆曲线段的推进时，应提前计算好上下千斤顶行程的超前量，超前量的值可以通过计算求出，也可以通过AutoCAD绘图直接量取，在推进过程中，切口的控制中心应向着圆曲线的圆心方向作出一定量的偏移，偏移量的大小视圆曲线的半径大小而定，半径越小偏移量越大，推进中应控制切口位置保持在设定定的控制中心附近，正常施工时的误差不应超过-10—+10mm，最大应控制在-20—+20mm之间，并根据提前计算好的圆曲线段的实际轴线坡度对盾构机的坡度进行控制，控制盾构机坡度与设计轴线纵坡基本保持一致，最大误差不应超过2%，应根据实际盾构坡度值调整好B、D组推进千斤顶的推进油压，使盾构机的坡度保持在稳定的状态下，并根据实际的刀盘受力情况作微小调整，使两侧千斤顶行程差值与提前计算得出的超前量的值保持一致，上下千斤顶行程差值与超前量之间的最大误差不应超过10mm，根据当前的隧道轴线的要求以及超前量，结合管片的具体姿态，在管片的环面上粘贴3—6mm的楔形传力衬垫，并控制好环面平整度及喇叭度，合理控制铰接及盾尾位置，盾尾的控制中心应向着圆曲线的圆心方向作出一定量的偏移