机械工程师论文发表--盾构机过小曲率半径的姿态控制及纠偏技术

　　摘要：由于盾构机是一种很笨重的机具，盾构施工中一个很重要的技术要求就是控制盾构掘进姿态符合设计线路，故盾构机掘进方向的控制是盾构法施工中一个非常重要的环节。而小半径转弯更是盾构施工技术控制的一个难题，小半径转弯会对盾构操作及纠偏带来诸多的难题。下面就以广佛地铁12标西鹤段350m 半径转弯为例，分析一下小半径转弯盾构机操作与纠偏的方法。

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　　一、工程概况

　　珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段项目施工12标西朗站～鹤洞站盾构区间土建工程地处广州市市区的西南，荔湾区鹤洞路上方。西鹤区间起止里程为YCK20+726.368～ YCK21+390.603m，线路总长664.435m，线路由2段直线和2段曲线构成，曲线半径分别为350m和450m。该区间隧道全部在鹤洞路下穿越，道路两侧建筑物较多。由于盾构主要在鹤洞路下穿越,区间隧道正上方建筑物仅有4栋。根据地质勘察报告，对于盾构机通过的地层情况，两个区间左右线隧道主要穿越的地层为〈7〉〈8〉〈9〉层为主，隧道覆土部分主要为〈1〉、〈2-1〉、< 6 >号地层，隧道顶部主要位于〈7〉强风化岩层、〈8〉中风化岩层、〈9〉微风化岩层，隧道底板主要位于〈7〉强风化岩层、〈8〉中风化岩层、〈9〉微风化岩层。

　　二、导向系统简介

　　盾构机采用PPS激光自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。自动导向系统主要由激光经纬仪、激光靶、控制箱、计算机、盾构掘进软件及其它配套硬件和软件组成。

　　随着盾构机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，保证推进方向的准确可靠。为此，必须根据盾构机掘进的速度，适时进行后视基准点的移站，保证导向系统的正常工作;每周进行不少于两次人工测量，以校核自动导向系统实测数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构机掘进方向的正确。

　　三、盾构操作方向控制

　　滚动控制：采用使盾构刀盘反转的方法，纠正滚动偏差。允许滚动偏差≤±3°，当超过3°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。

　　竖直方向控制：控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，它与盾构机姿态变化量间的关系非常离散，主要靠人的经验来掌握。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。

　　水平方向控制：与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大左侧千斤顶的推进压力，右偏时则加大右侧千斤顶的推进压力等来进行调整，使盾构沿着设计平面线路方向掘进。

　　四、小曲率半径盾构掘进姿态调整与纠偏

　　在实际施工中，由于管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值;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过中，有可能产生较大的偏差，这时程就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。在小半径曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟和。以致盾构机操纵及纠偏受更多技术参数的制约，而怎样合理地把这些参数科学的统一起来，是影响盾构机顺利通过小半径曲线的关键，下面就这些参数对盾构机操作与纠偏的影响进行阐述。

　　1、盾构机掘进过程中各参数对盾构姿态的影响

　　1) 油缸分区压力差对盾构机姿态的影响

　　在盾构机通过小曲率半径施工过程中时常会出现一侧推力比另一侧大而推进油缸的速度却是推力小的一侧比推力大的一侧的要快，这时很明显盾构机的趋势会向推力较大的一侧偏移，即盾构机向设计轴线相反方向偏移。这就说明盾构机油缸分区压力差不够，继续增加该侧压力增大压力差至合理数值该现象即可解决。

　　2) 铰接油缸行程差对盾构机姿态的影响

　　在盾构机过小曲率半径施工过程中预设合理的铰接油缸行程行程差是最重要的控制盾构机姿态和进行纠偏的手段之一。曲线施工盾构机通常会经历以下个阶段：直线段-直缓段-圆曲率段-缓直段-直线段，随着盾构机进入不同的阶段铰接油缸的行程差也应相应的做出改变。如盾构机在直缓段时应逐步增大铰接油缸行程差以使盾构机姿态与设计曲线相吻合;盾构机在圆曲率段时只需保持适当的铰接油缸行程差并根据实际情况微量调整即可;盾构机在缓直段时则需逐步减小铰接油缸行程差。在实际施工过程中我们可以根据隧道在在该段的曲率半径并结合盾构机铰接油缸的相关尺寸计算得出相应的铰接油缸行程差预设值。在操作过程中我们通常应使铰接油缸预设值略大于计算值，这样可使盾构机沿曲率方向的内圆前进，有利于盾构机姿态控制及纠偏的进行。

　　3) 掘进速度对盾构机姿态的影响

　　在实际操作过程中我们发现过快的掘进速度不利于盾构机在小曲率段的掘进，盾构机的姿态及纠偏都难于控制。总的来说，盾构机过小半径曲线时要慢行，掘进速度严格控制在15～25mm/min 范围内，太快和太慢都不利于盾构机的操作与纠偏。特别值得一提的是，盾构机在掘进过程中不要走走停停，要做到掘进的连续性，缓慢连续纠偏。

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