浅谈盾构机姿态的控制方法

第一组
第 四 组
第 二 组
第三组
表示装有行程传感器和压力传感器
2.2 导向系统 盾构机上的自动导向系统为德国 VMT 公司的 SLS-T 导向系统,主要有以下四部分组成： 1）全站仪。具有电脑控制及自动识别精确锁定目标棱镜。主要用于测量(水平和垂直的)角度和距 离、发射激光束。 2）活动 ELS 靶(电子激光靶),简称激光靶。激光靶用来接受激光束,决定激光束的水平及竖向入射 点。此外激光靶的滚动角和仰俯角也通过集成于激光靶内部的倾斜计来测得。偏航角通过击到激 光靶上的激光的入射角来决定。激光靶固定在机器上,在安装激光靶时,激光靶的确切位置已经被 确定,激光靶跟机器轴线的关系也已经确定。 3）计算机及隧道掘进软件。SLS-T 软件是自动导向系统的核心，它从全站仪和 ELS 等通信设备 接受数据，盾构机的位置在该软件中计算，并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上，操作 系统采用 WindowsXP,确保用户操作简便。 4）黄盒子，黄盒子用来给全站仪和激光供电。系统电脑和全站仪之间的通讯也通过黄盒子进行 5）中央控制箱。中央控制箱是电脑和系统的各个传感器进行通讯的端口,中央控制箱将传感器传 来的数据转化为工业电脑可以识别的合适数据,同时工业电脑发出的控制指令也被转化并输向各 个传感器。
西南交通大学成人专科毕业设计（论文）
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构表面与隧洞间的摩擦阻力不均匀，开挖掌子面上的土压力以及切口环切削欠挖地层引起的阻力 不均匀，也会引起一定的偏差。开挖掌子面岩层分界面起伏较大，掌子面土层软硬不均，也易引 起方向偏差。即使在开挖掌子面土体的力学性质十分均匀的情况下，受刀盘自重的影响，盾构也 有低头的趋势。因此，在掘进过程中，应对竖直方向的误差进行监测和控制。盾构机的前进方向 水平向右偏，则需要提高右侧千斤顶分区的推力；反之，则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如 果盾构机机头向下偏，则需要提高下部千斤顶分区的推力；反之亦然。一般情况下，盾构机的方 向纠偏应控制在±20mm 以内，在缓和曲线及圆曲线段，盾构机的方向纠偏应控制在±30mm 以 内。尽量保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行，否则可能会因为姿态不好而造成盾尾间隙过小和 管片错台裂缝，造成管片破损。当开挖土体较均匀时，盾构机姿态控制较容易，一般情况下方向 角控制在±5mm/m 以内。当开挖面内地层左、右软硬不均而且又是处在曲线段时，盾构机姿态 控制比较困难。此时，可降低掘进速度，合理调节各千斤顶推力，有必要时可考虑在硬岩区使用 超挖刀（备有超挖刀的盾构机）进行超挖。当盾构机遇到上软下硬土层中，为防止盾构机抬头， 要保持下俯姿态；反之，则要保持上仰姿态。掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程不 能相差太大，一般控制在±20mm 以内，千斤顶行程差可以通过每环管片的楔形量调整。在曲线 段掘进时，一般情况下根据曲线半径的不同让盾构机向曲线内侧偏移一定量，偏移量一般取 10～ 30mm。在盾构机姿态控制中，推进油缸的行程控制是重点，对于 1.6m 宽的管片，原则上行程控 制在 2300～2500mm 之间。行程差控制在 0～40mm 内。行程过大，则盾尾刷容易露出，管片脱 离盾尾较多，变形较大；行程差过大，易使盾体与管片之间的夹角增大，易造成管片的破损、错 台。 4.3 盾构机的纠偏措施 盾构机在掘进过程中总会偏离设计轴线，进行纠偏时必须有计划有步骤地进行。纠偏措施如下： 1） 在掘进过程中随时注意滚角的变化，及时根据盾构机的滚角值调整刀盘的转动方向。 2） 应根据各段地质情况对各项掘进参数进行调整。 3） 在纠偏过程中，掘进速度要放慢，并且要注意避免纠偏时由于单侧千斤顶受力过大对管片造 成的破损。 4） 尽量选择合理的管片类型， 避免人为因素对盾构机姿态造成过大的影响， 严格管片拼装质量， 避免因此而引起的对盾构机姿态的调整。 5） 在纠偏时，要密切注意盾构机的姿态、管片的选型及盾尾的间隙等，盾尾与管片四周的间隙 要均匀。 6） 当盾构机偏离设计轴线较大时， 不得猛纠猛调， 避免往相反方向纠偏过大或盾尾与管片摩擦， 使管片破裂。 4.4 不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制方法 1） 淤泥层中盾构机掘进姿态的控制 盾构机在淤泥层中掘进时， 由于地层自稳性能极差， 为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内， 避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量拢动， 宜将盾构机掘进速度控制在 30～40mm/min 之间， 刀盘转速控制在 1.5rpm/min 左右。在该段地层中掘进时，四组千斤顶推力应较为均衡，避免掘进 过程中千斤顶行程过大，否则可能会造成推力轴线与管片中心线不在同一直线上。在掘进过程中 应保持泥水系统进浆质量，保证其比重和粘度，使得顺利出渣，尽量保持盾构机的连续掘进，同 时要严格控制同步注浆量，以保证管背间隙被有效充填。 2） 全断面土层中盾构机掘进姿态的控制 全断面土层属于均一地层，盾构机在该类地层中掘进其轴线姿态能较好地控制，在掘进时保持各 分区千斤顶均匀，总推力和掘进速度均匀，即可保持盾构较好的姿态。 3） 砂层中盾构机掘进姿态的控制 盾构机在全断面富水砂层中掘进，由于含水砂层的自稳性极差，含水量大，极易出现盾构机"磕
浅谈盾构机姿态的控制方法
摘
要
南水北调中线穿黄一期工程以德国 VMT 公司的盾构机为例，介绍盾构机的组成、工作原理和 激光导向系统的组成，探讨盾构隧道施工中盾构机姿态控制的原理。分析盾构施工过程中不同 地质条件下姿态控制技术，并提出一些盾构机的纠编措施。
关键词：
盾构施工; 盾构机; 姿态控制
目 录 第1章 绪 论 1 1.1 前言 1 第2章 盾构机姿态控制的组成与功能 2 2.1 推进系统 2 2.2 导向系统 3 2.3 数据采集系统 4 第3章 定位的基本原理 4 第 4 章 盾构掘进方向的控制与调整 5 4.1 穿黄隧洞 II-A 标盾构施工地质条件 5 4.2 盾构姿态偏差 6 4.3 盾构机的纠偏措施 7 4.4 不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制方法 第 5 章 盾构机姿态位置的测量及检测 8 5.1 盾构机始发定位测量 8 5.2 盾构推进中姿态测量和计算 9 5.4 环片成环现状测量 10 5.5 隧洞沉降测量 11 5.6 盾构机推进中导向控制点的复测 11 5.7 贯通测量 12 5.8 贯通测量误差估算 13 结 论 14 致 谢 15
隧洞贯通测量中的地下控制导线是一条支导线,它指示着盾构的推进方向,导线点随着盾构机的推 进延伸,导线点通常建立在管片的侧面仪器台上和右上侧内外架式的吊篮上,仪器采用强制归心,为 了提高地下导线点的精度,应尽量减少支导线点,拉长两导线点的距离(但又不能无限制的拉长),并 尽可能布设近乎直伸的导线。穿黄隧洞施工中一般两导线点的间距宜控制在 70 环即 100m 左右。 盾构机自动导向系统的姿态定位主要是依据地下控制导线点来精确确定盾构机掘进的方向和位 置。在掘进中盾构机的自动导向系统是如何定位的呢?它主要是根据地下控制导线上一个点的坐 标(即 X、Y、Z)来确定的,这个点就是带有激光器的全站仪的位置,然后全站仪将依照作为后视方 向的另一个地下导线的控制点来定向,这样就确定了北方向,即方位角。再利用全站仪自动测出的 测站与 ELS 棱镜之间的距离和方位角,就可以知道 ELS 棱镜的平面坐标(即 X、Y),利用三角高程 测出 ELS 棱镜的高程值(即 Z)。激光束射向 ELS,ELS 就可以测定激光相对于 ELS 平面的偏角。 在 ELS 入射点之间测得的折射角及入射角用于测定盾构机相对于隧道设计轴线(DTA)的偏角。坡 度和旋转直接用安装在 ELS 内的倾斜仪测量。这个数据大约每秒钟两次传输至控制用的计算机。 通过全站仪测出的与 ELS 之间的距离可以提供沿着 DTA 掘进的盾构机的里程长度。所有测得的 数据由通信电缆传输至计算机,通过软件组合起来用于计算盾构机轴线上前后两个参考点的精确 的空间位置,并与隧道设计轴线(DTA)比较,得出的偏差值显示在屏幕上,这就是盾构机的姿态,在推 进时只要控制好姿态,盾构机就能精确地沿着隧道设计轴线掘进,保证隧洞能顺利准确的贯通。 第 4 章 盾构掘进方向的控制与调整 4.1 穿黄隧洞 II-A 标盾构施工地质条件 根据目前地质勘察资料，过河隧洞开挖范围内，Q2 粉质壤土中夹有钙质结核层，Q41 砂层中石 英颗粒含量较高，达 40％～70％，且分布有泥砾层和砂砾石透镜体，局部有淤泥质粉质壤土透镜 体，对盾构机施工有影响。在桩号 8+670～8+940 之间，隧洞底板分布有 Q3 粉质粘土，施工中 具变形特性。在隧洞掘进过程中可能会遇粒径大于 15cm 的块石、枯树及成岩差的上第三系粘土 岩、砂岩、粉砂岩和砂质粘土岩，其中薄层状钙质胶结的砂岩呈坚硬状，强度较高，抗压强度达 到 16.5MPa。 邙山隧洞桩号 4+893.57～5＋658.57， 长 765m， 其中盾构掘进 749 m。 其中全土层 （桩号 4+893.57~5 ＋360.57）长度 467 m，由黄土状粉质壤土、古土壤、淤泥、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质壤土、 淤 泥 质 粉 质 粘 土 、 砂 壤 土 中 的 一 种 或 几 种 组 成 。 钙 质 结 核 土 层 长 度 298 m ， 桩 号 5+360.57~5+658.57。层中只要含有钙质结核就作为单独的一层。 由于穿黄隧洞整个工程都在地下进行，且地层软硬不均和坡度变化以及操作等因素的影响，工程 所穿越的地层、各层土层的特性和物理指标都大不一样，盾构机必定受到各土层物理性质的制约 和影响，盾构推进不可能完全按照设计的隧洞轴线前进，而会产生一定的偏差。当这种偏差超过 一定限界时就会使隧洞衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，并造成地层损失增大而使 地表沉降加大，因此盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。 4.2 盾构姿态偏差 在盾构掘进过程中，由于不同部位掘进千斤顶参数设定的偏差引起掘进方向的偏差。同时由于盾
第2章 盾构机姿态控制的组成与功能 2.1 推进系统 穿黄隧洞海瑞克 S-359 盾构机推进系统提供盾构向前推进的动力，包括 28 根推进油缸和相应的 液压泵站，盾体的前进由操作分组的推进油缸来完成。推进油缸的后端顶在管片上以提供盾构前 进的反力，推进油缸按照在圆周上的区域分为上下左右 4 组，下组为 10 根油缸，其余 3 组为每 组 6 根油缸（如下图） 。通过调整每组油缸的行程来对盾构进行纠偏和调向，每组油缸均有单独 的压力调整，这样可避免引起管片移位或产生损坏的压力过载。为使盾构沿着正确的方向开挖， 操作手可以单独调整 4 组油缸的压力和行程。为了测量盾构机在操作过称中的姿态的变化，其 4 组推进油缸装分别装有行程传感器和每组油缸压力传感器， 并能显示掘进中的 4 组油缸的行程差。 总推进速度通过控制旋钮在主控室进行调整。盾构机每一组油缸均可独立控制压力进行操纵，在 控制室里操作手可以看到每组油缸行程及压力的数字显示。在管片安装过程中，正在安装管片的 对应油缸缩回，其它油缸的撑靴保持压力状态以足够的推力与管片接触，以防止盾构后退。 油缸的布置避开了管片接缝，所有的油缸撑靴均为球形绞接式以避免造成管片裂缝或损坏。推进 油缸顶在压力舱板后部。油缸活塞杆端缸体由一个橡胶轴承支撑；这样，这些油缸从管片到Hale Waihona Puke 力 舱板之间就可以不受侧向力的作用。