盾构姿态控制与管片拼装技术1Word下载.docx
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实际情况管片拼装后为椭圆形，如图2所示。
如果椭圆度为4%，管片水平方向直径至少增加22mm。
相应一侧盾尾间隙减小11mm。
此时最小盾尾间隙为：
。
图2管片失圆示意图
如果上述情况发生在管片拼装前，管片K块设在间隙大的一侧，使管片中心向盾构中心移动；
如果上述情况发生在管片拼装后，如果盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线一侧，盾构最好沿原来的方向掘进，然后通过下一环管片进行调整，或调整盾构轴线远离隧道设计轴线。
如果盾构轴线与管片轴线位于隧道设计轴线两侧，调整盾构姿态，使盾构中心向管片中心移动。
（5）三条轴线不重合而且轴线水平移动
通常施工过程中，经常产生上述复杂情况，此时盾构姿态调整应综合考虑掘进方向，同时避免损坏管片，管片选型应考虑隧道设计轴线并与盾构姿态相适应。
逐步调整盾构掘进方向。
图3盾构机位置预测方法
A．盾构姿态调整：
（1）偏移量计算：
管片拼装后，盾构推进2m，对应的角度变化为θ，则对应计划线性的偏移量的计算由图3所示，δ按下式计算：
式中：
δ1——盾构沿设计方向前进引起的变位量；
δ2——方向修正的变位量；
δh0——刀盘初始偏差量；
δt0——盾尾初始偏差量；
δp——盾构旋转引起的偏差量；
△L——盾构掘进长度；
L——盾构长度；
L1——管片拼装结束油缸撑靴之前的盾构长度；
L2——管片拼装结束油缸撑靴之后的盾构长度；
R——盾构选择角度；
θ——计划盾构轴线变化角度（最大为（δh0－δt0）/L）。
（2）油缸行程差计算
盾构推进ΔLm，对应的角度变化为θ，油缸行程差计算如图4所示。
计算公式如下：
由上式得：
△S终——掘进ΔL时油缸行程差；
S1终——掘进ΔL时油缸行程；
S2终——掘进ΔL时油缸行程；
D0——油缸间距；
θ——计划转动角度；
ΔS初——初始油缸行程（=S1初-S2初）
图4油缸行程差计算简图
B．管片拼装：
管片拼装的基本原则是适应盾构姿态调整，选择合理管片拼装位置，使管片中心线旋转。
有关管片超前量的计算见曲线段施工。
1.2曲线段施工
曲线段盾构施工的基本原则是盾构轴线与管片轴线始终沿曲线割线方向，如图5所示。
隧道轴线从直线变化到圆曲线时，盾构从圆直点开始掘进L，首先偏
转θ/2，然后管片轴线偏转θ/2，之后在圆曲线上，由于盾构掘进始终超前管片拼装，盾构掘进一个循环（管片宽度L＝2m），盾构轴线与管片轴线偏转角度θ从0变化到θ（θ＝2/R）。
因此，曲线段掘进，管片与盾尾需要一个最小的盾尾间隙。
隧道轴线从圆曲线变化到直线，盾构从圆直点开始掘进L，首先偏转θ/2，然后管片轴线偏转θ/2。
1.2.1
图5盾构曲线段掘进示意图
最小盾尾间隙的计算
（1）曲线施工和蛇形修正时必须的最小盾尾间隙（最小曲线半径800m），如图6所示。
图6曲线施工和方向矫正时间隙
R——隧道曲线半径；
D0——管片外径；
L——盾尾长度。
（2）盾构掘进过程中盾尾间隙的变化
假设盾构始终沿设计轴线的割线前进，油缸撑靴位置始终位于设计轴线上。
盾构机掘进2m，盾构机旋转的角度2/R，如图7所示。
此时盾尾与管片中线距离变化为：
1.2.2管片拼装超前量计算
本工程最小曲线半径800m，管片拟合曲线需要的理论超前量计算如图7所示。
图7管片外弧面楔形量计算简图
1.2.3盾构姿态控制与管片拼装控制标准
根据武汉长江隧道工程设计轴线控制标准、盾构机设计参数（盾构机长度、盾尾间隙等）制定盾构姿态控制与管片拼装标准。
表1管片拼装质量控制标准
水平偏差（mm）
竖向偏差（mm）
椭圆度
管片与盾构中心偏差（mm）
最小盾尾间隙（mm）
管片环面不平整度（mm）
管片接缝（mm）
管片错台（mm）
直线段
曲线段
纵缝
环缝
100
4‰（5‰）
15
5
10
2
1
表2盾构姿态控制标准
滚动
上下倾斜
左右倾斜
每环的最大纠偏量（mm）
0～1‰
2％
2.盾构姿态控制技术
2.1盾构掘进方向控制方法
（1）采用PPS隧道自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测
该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在盾构机主控室动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。
据此调整控制盾构机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。
随着盾构推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位，为保证推进方向的准确可靠性，拟每周进行两次人工测量，以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。
（2）采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向
根据线路条件所做的分段轴线拟合控制计划、导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。
在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；
在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；
在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；
在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；
在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。
在均匀的地质条件时，保持所有油缸推力一致；
在软硬不均的地层中掘进时，则应根据不同地层在断面的具体分布情况，遵循硬地层一侧推进油缸的推力适当加大，软地层一侧油缸的推力适当减小的原则来操作。
2.2盾构掘进姿态调整与纠偏
在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并达到管理警戒值；
在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；
在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差。
因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。
参照上述方法分区操作推进油缸来调整盾构机姿态，纠正偏差，将盾构机的方向控制调整到符合要求的范围内。
（1）滚动纠偏
当滚动超限时，盾构机会自动报警，此时应采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。
允许滚动偏差≤1.5º
，当超过1.5º
时，盾构机报警，提示操纵者必须切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。
（2）竖直方向纠偏与水平方向纠偏
控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。
盾构纠偏的基本原则是盾构与设计轴线水平与竖向偏差控制在75mm（设计容许偏差100mm）以内为目标，避免纠偏过猛，保证管片拼装所需的最小盾尾间隙（初步定10mm），每环的最大纠偏量不大与9.0mm。
（3）盾构上下倾斜与水平倾斜
盾构掘进过程中可能存在盾构机轴线与隧道设计轴线方向的偏差，为了保持盾构良好姿态，避免管片的受力不均，盾构上下倾斜与水平倾斜应控制在2%以内。
避免因管片衬砌环的中心和盾构机的中心有偏移，使管片局部受力过大引起管片破损。
2.3方向控制及纠偏注意事项
（1）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，推进油缸油压的调整不宜过快、过大，切换速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。
（2）根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。
达到警戒值时就应该实行纠偏程序。
（3）蛇行的修正应以长距离慢慢修正为原则，如修正得过急，蛇行反而更加明显。
在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。
在曲线推进的情况下，应使用使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。
（4）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度。
（5）严格控制纠偏力度，防止盾构机发生卡壳现象。
（6）盾构始发到达时方向控制极其重要，应按照始发、到达掘进的有关技术要求，做好测量定位工作。
2.4管片拼装技术
2.5管片型式
本工程施工中，采用错缝拼装通用楔形管片。
拼装方式采用错缝拼装。
即通过旋转调整管片位置，满足隧道设计轴线要求（曲线），同时使隧道纵向连接缝不在同一直线上。
错缝拼装具有圆环管片接缝刚度分布趋于均匀、圆环整体刚度高、接缝及整体结构变形小等优点。
采用通用楔形管片通过管片的精确定位，提高了管片的拼装质量，且管片型号单一，便于管片的储存、运输及施工管理。
盾构隧道管片外径11000mm，内径10000mm，管片环宽2000mm，采用双面楔形的通用楔型管片，楔形量为55mm，采用9块等分“大楔型封顶”分块形式。
每环管片由一环封顶块F（小封顶块1/3纵向插入）、两块邻接块L和6块标准块B构成。
环宽2m，厚度500mm，楔形管片的楔形量为2×
25.0＝50mm。
环与环间以38根M30的纵向斜螺栓相连，块与块间以30根M36的环向斜螺栓相连。
2.6管片选型
2.6.1程序选形
影响管片选型的主要影响因素包括：
隧道线形、盾构姿态（偏离中线的位置及其趋势）、盾尾间隙、油缸行程、交接油缸行程（如果有）、封顶块的位置。
在进行管片选型时需检查其正确性。
●推进油缸（PushRams）
通常这些数值将从TBM的PLC中自动传输，也可采用人工输入。
如果不直接在那儿测量，这些数值将转换到标识位置：
12，3，6和9点。
上，右，下，左主油缸（推进油缸）的行程
●盾尾间隙
上，右，下，左盾尾间隙测量值。
当测量盾尾间隙的SLUM系统PLC中自动传输不，也可人工测量管片的盾尾间隙，并将之人工输入。
●参考点（ReferencePoint）
此点与当前TBM位置的pps-T显示前端参考点相同。
Chainage（里程）位置：
参考点位置
Offset（偏移）H偏移：
水平参考点偏移
OffsetV偏移：
竖直参考点偏移
Tend.（趋势）H趋势：
盾构机水平趋势
Tend.V趋势：
盾构机竖直趋势
●参考管片类型
通常，这些数值是不被改变的，因为从数据库读取一个数值后，其它数值仅在工作状态改变时才需要更改。
必须毫无错误地输入或确定它。
如不正确则当前计算的管片序列无效。
●前后参考管片数量
从以前计算的管片序列中读取的管片编号，因其已由当前工作（传输、卸载等）预先确定。
●权重
设定上述影响管片选型的各因素的全重。
如最佳下一环计算中油缸伸长差距的相关权重（重要性比）、最佳下一环计算中盾尾间隙差距的相关权重（重要性比）、盾构偏移中线的权重、封顶块的位置等。
同时应用盾构本身PPS系统结合盾构姿态，合理选取管片旋转位置，以达到管片相应的超前量，使管片环面始终垂直于设计轴线。
2.6.2超前量计算
管片安装点位及超前量如表3。
表3管片旋转型号及超前量
点位编号
k块的位置
超前量（mm）
下
左
右
上
24.62058
-4.31942
4.280196
-24.6136
30
21.65395
-12.477
12.44249
-21.634
3
50
16.07816
-19.1312
19.10553
-16.0477
4
70
8.565052
-23.4802
23.46649
-8.52763
90
0.019908
-25
24.99987
6
110
-23.5074
23.52093
7
130
-19.1824
19.20787
8
150
-12.5459
12.58037
9
170
-4.39783
4.437021
190
-24.6275
-4.24096
11
210
-21.6738
-12.4079
12
230
-16.1086
-19.0798
13
250
-8.60245
-23.4527
14
270
-0.05972
-24.9997
290
8.490196
-23.5344
16
310
16.0171
-19.2333
17
330
21.61404
-12.6148
18
350
24.60663
-4.4762
2.6.3不同管片拼装组合管片超前量及中心偏移量
根据不同管片拼装组合计算管片超前量及中心偏移量。
计算结果见表2。
该计算表假设第一环管片轴线与隧道设计轴线平行。
实际施工过程中，管片轴线与隧道设计轴线的关系变化。
管片端面与隧道设计轴线的空间关系，通过油缸行程差（确定管片端面相对于盾构的位置）、盾尾间隙（确定盾构与管片轴线的相对关系）及盾构姿态确定。
根据盾构姿态控制与管片拼装的基本原则，盾构沿着线形走，管片适应盾构姿态，为了简化分析，管片根据盾构相对位置进行调整。
管片轴线向盾构轴线调整，假设管片轴线与盾构夹角为θ。
计算见图7。
图7管片与盾构姿态调整图
由于管片采用的是通用楔形管片，如果下一环管片轴线与盾构轴线重合，由图可知：
管片选型时应满足下式要求：
（（L1－L2）/2－（Sz1－Sz2））/D=θ
△L/2-△S=Dθ（△Lθ＝△H（△V）
表2不同管片拼装组合管片超前量及中心偏移量
第一环管片k块的位置
超前量
第一环偏差量
上下
左右
24.81
10.34
14.64
0.19
24.62
4.30
第二环管片k块的位置
左偏为正
上偏为正
49.62
20.68
29.28
0.39
1.17
6.71
46.65
25.02
37.44
3.37
1.52
6.17
41.08
5.87
44.11
8.95
3.87
5.16
33.57
48.47
16.47
4.66
3.79
0.00
50.00
4.94
2.24
1.49
48.52
4.67
0.68
5.82
44.21
3.88
-0.68
12.45
37.58
2.68
-1.70
20.60
29.44
1.19
-2.24
0.37
20.76
-0.38
3.33
12.59
-1.87
8.89
5.92
-3.08
-0.69
16.40
1.55
-3.87
24.94
-4.15
2.23
33.49
1.47
-3.89
3.78
41.02
5.77
-3.10
5.15
46.61
12.39
-1.90
49.61
20.52
-0.42
23.33
6.26
18.72
1.68
21.64
12.46
水的偏差（mm）
1.91
6.44
2.26
5.90
4.61
4.89
5.40
3.52
5.68
1.97
5.41
0.41
4.62
-0.95
3.42
-1.97
1.94
-2.51
0.36
-1.13
-2.34
-0.96
-3.13
-3.41
1.96
-3.15
3.51
-2.36
4.88
-1.16
0.32
20.54
2.93
22.05
4.48
16.06
19.12
2.52
5.94
2.87
5.21
4.38
6.01
3.01
6.28
1.46
-0.09
5.23
-1.46
4.02
-2.48
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