超大直徑盾構機主體原地調頭的控制方法

劉建春

上海上安機械施工有限公司 上海 200439

超大直徑盾構機主體原地調頭的控制方法

劉建春

上海上安機械施工有限公司 上海 200439

以實際工程為例，介紹了超大直徑盾構機在工作井內平移、調頭的控制方法，對今后的超大直徑盾構機完成一次掘進后轉場進行二次回推具有很好的借鑒意義。

超大直徑 盾構機 原地調頭 控制方法

盾構機是一種隧道掘進的專用工程機械，隨著社會的發展，越來越多的城市選擇地下軌道交通作為緩解城市交通壓力的工具。在地鐵工程的建造過程中,當盾構機掘進到接井后，必須在工作井內平移到隔壁返回隧道的出發井位置，然后回轉180°，對準返回隧道工作面進行反向二次掘進作業，這是一種常用的雙線隧道的施工方法。施工中如何精確控制盾構機主體傾角及實現原地調頭作業有一定的技術難度，尤其是主體傾角的精確控制，需借助計算機才能很好實現。

1 工程概述

上海長江西路隧道主體工程由南、北線兩條圓隧道組成，南線隧道盾構機從浦東工作井始發向浦西方向掘進施工，進入浦西接收井后，在工作井內盾構機平移、回轉180°調頭、對位，再向浦東方向掘進，從而完成北線圓隧道施工。本工程中涉及到的15.4m超大直徑盾構機其外型尺寸較大，整體重量重，屬世界上最大的盾構機之一，需要橫移至返回隧道位置，并完成旋轉調頭作業。由于工作井內場地狹小，大大增加了施工作業的難度。

2 盾構機主體移位調頭步驟

盾構機由浦東向浦西掘進施工，在浦西出口井處設立施工基礎，在盾構機調頭場地內鋪設約30mm厚的細砂找平層，然后在其上鋪設16mm厚的鋼板。盾構出洞前將托架固定在隧道出口位置，并把托架調整成與盾構掘進角一致的角度，待盾構機主體爬行至托架后，斷開主體結構與其它部件的連接，用電腦控制20臺頂升設備使托架同比例下降，直至托架落于水平地面；然后利用4臺推進設備同步頂推，使帶有盾構的托架平移至返回井的隧道入口位置；接著利用4臺推進設備在托架的四個頂點成一定角度頂推托架使之繞中心點旋轉180°；最后再次利用電腦控制20臺頂升設備角度同比例上升使盾構機主體與地面成一定掘進角度，待后續結構裝配完畢后繼續隧道的反向掘進工程。

3 盾構機主體托架

本盾構機為超大型設備，體積大，重量重，其托架除滿足盾構主體支承擱置外，還需要滿足盾構機掘進開始和結束時與地面有4%坡度的傾斜、整機平移、和180°原地回轉的要求。為此，專門設計制作一件適應上述工況要求的托架結構體系，該托架共l2榀擱架，每榀擱架下設4組懸浮滑移裝置，兩端設置槽箱，其內倒裝150t和250 t頂升液壓油缸，以完成盾構機在到達與始發時頂升不同坡度狀態，結構形式如圖1、2所示。

在托架兩端設置槽箱，根據盾構機主體荷載分布在單個槽內倒置150t頂升液壓缸或250t頂升液壓缸，每個頂升缸可單獨動作，也可通過電腦控制同比例動作，以實現坡度調節要求。在調坡過程中托架繞一端旋轉，液壓缸頂部與托架、底部與地面均未發生相對移動，只產生滾動旋轉，因此結構中需將該兩處摩擦副設計為圓弧接觸。此外，液壓缸和托架槽箱發生相對轉動，在設計中需按角度要求留夠足夠旋轉空間以防止干涉，槽箱結構如圖3所示。

當托架平移至返回隧道入口位置時，需將托架連同盾構主體旋轉180°以反向進行隧道掘進作業。在托架四個頂點位置設計絞結頂推點，頂推液壓缸與托架對角線成一定角度，伸缸過程中依靠頂推力在垂直托架對角線上的分力形成旋轉力偶，從而使得托架逐步旋轉，托架頂點具體結構如圖4所示。

圖3 托架槽箱結構圖 圖4托架頂點結構圖

4 控制系統

計算機控制系統由計算機、動力源模塊、測量反饋模塊、傳感模塊和相應的配套軟件組成，通過CAN串行通信協議組建局域網。計算機負責數據的處理和顯示并給出相應的動作指令；動力源模塊即泵站控制單元，負責接收計算機給出的指令并驅動相應的執行元件；測量反饋模塊定時采集傳感器傳回的模擬信號并轉換為數字信號傳輸到計算機；傳感模塊包含測量位移的位移傳感器和測量油壓的壓力傳感器。整套系統綜合運用國內外的先進技術實現自動監測和控制。

控制系統每隔80m s對每個頂升液壓缸的位移和壓力進行掃描，將測量的數據送入計算機，計算機通過分析每組數據并進行相應的運算后給出相應的調節指令，泵站控制單元把計算機給出的執行指令和調節指令進行疊代運算后分別驅動每個頂升液壓缸，從而達到自動調節控制的目的。

圖5 自動控制調節原理圖

5 盾構機調平和調角

盾構機進出隧道時需要一定的角度，即需要支承結構（托架）能夠根據工程要求調定相應的角度，本工程中需設定的角度為 4%（見圖 6、7）：

圖6 支承結構工作圖

控制采用20臺頂升液壓缸，在相應的軸線位置處放置相應噸位的頂升設備，根據力矩平衡原理可得：

頂升液壓缸的頂推力和重力平衡：

根據盾構機主體各部件的位置分布，計算所得每個頂升點的相應頂升荷載，以此作為液壓系統設定依據。采用電腦控制調坡過程中，當離地調平后，每個頂升液壓缸的實際荷載與計算值相近，具體如表1所示：

本工程中軸線 1、3、5、6、7處放置 150t頂升液壓缸，軸線 8、9、10、11、12處放置250t頂升液壓缸，在調整角度的過程中支承結構繞前端面h1旋轉，單側10個頂升液壓缸的頂升距離h始終成一比例，即：

頂升液壓缸的流量q：

式中：a——液壓缸無桿腔面積；

v——液壓缸速度。

表1 頂升液壓缸的實際荷載

4臺泵站規格和型號相同，其流量qi和變頻器的頻率fi成正比：

頂升液壓缸的額定頂升能力是在相同壓力下計算出來的，因此其面積關系：

綜上所述，旋轉中h1點不動，可得知：

因此，通過控制泵站變頻器的頻率能夠實現整體構件的均角速度轉動。圖8是實際控制中對20臺頂升設備的截圖示意，從圖9、10上可以看出，各頂推點在此時的頂升高度成線性關系，和理論計算相符，電腦同步控制達到預期效果。

6 盾構機旋轉調頭

采用電腦控制4臺頂升液壓缸同步頂推支承結構使之繞中心旋轉。頂升設備通過后座產生支反力，每次伸縮缸結束后重新將液壓缸后端置于新的反力支座。為減少現場施工時間，支座的焊接工作可提前準備，則需要后座的焊接位置避開滑移時液壓缸的經過位置，此外，為了保證液壓缸的頂推力，支座的外偏比例不宜過大。經模擬驗算得出液壓缸的初始中心線與推點和旋轉中心的夾角為105°時為最合適位置。此時，支座與液壓缸的最短距離為41mm，滑移力：

旋轉位置及各點分布如圖11、12所示：

圖11 焊接反力座位置圖

7 實際應用

從工程實例出發，結合長江西路隧道的具體情況，詳細介紹了盾構機主體調頭移位過程中的控制方法，實際應用取得了較好的效果，對今后大型盾構機調頭工程具有較好的借鑒意義。

TU 741.1

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1672-9323（2014）02-0066-03

2013-12-29)