盾構姿態控制研究

王春凱

(上海市城市建設設計研究總院, 上海 200125 )

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盾構姿態控制研究

王春凱

(上海市城市建設設計研究總院, 上海 200125 )

盾構姿態控制的好壞與盾構隧道施工質量的優劣是密切相關的，為了研究盾構推進過程中盾構姿態控制的關鍵因素，并掌握其與盾構姿態調整的對應關系，為盾構推進過程中盾構姿態控制提供理論依據，通過對某工程施工過程中大量實測數據的整理，得出盾構掘進過程中姿態變化的規律；通過數學關系的推導，得到推力油缸行程差和盾構切口豎向偏差量之間的對應關系，并將工程項目中實測的推力油缸行程差與盾構切口豎向偏差量數據相對照。研究表明： 盾構推進過程中切口始終處于不斷調整之中；推得油缸行程與偏差量的對應關系和實際情況非常吻合；通過推得的推力油缸行程與盾構姿態相互關系，以期為施工優化提供依據。

盾構隧道； 姿態參數； 實測數據； 姿態控制

0 引言

隨著軌道交通的大力發展，越來越多的地下隧道得以建設，大量盾構隧道施工得到開展，盾構法施工經驗也得到積累。施工中盾構姿態的控制對于盾構隧道施工質量具有重要意義，盾構姿態的控制越來越受到從業者的關注。文獻[1]介紹了盾構掘進過程中姿態控制方法；文獻[2]研究了盾構姿態控制的技術要求，以及盾構姿態與管片姿態的相互影響；文獻[3]提出了盾構姿態走勢論，研究了管片姿態對盾構姿態的影響。總體來看盾構姿態研究主要有盾構掘進姿態測量和盾構姿態調整這2個方面的內容。其中，盾構掘進姿態測量主要從研究姿態測量方法和提高測量精度等方面進行研究，文獻[4]提出了以盾構中心和管片中心連線來定義盾構姿態，提高了姿態測量精度，并研究了測量裝置；文獻[5]揭示了激光導向系統的工作原理，研究了提高激光導向系統測量精度的工作原理；文獻[6]推導了姿態參數估計誤差與測量誤差之間的線型關系，設計了測量點優化選擇算法。而盾構姿態調整大多從模糊控制理論出發，將姿態控制程序化，文獻[7]引入模糊控制理論，設計了適用于盾構姿態調整的模糊控制器；文獻[8]研究了基于雙閉環反饋自動控制盾構掘進軌跡的方法，進一步建立了推進速度控制的模糊PID模型，以推進液壓缸速度控制實現較準確的盾構掘進軌跡；文獻[9] 研究了基于現場觀測數據的盾構掘進決策支持系統模型，利用神經網絡特點建立土艙壓力分布模型，并進行預測控制。

本文從新的角度出發，立足于盾構掘進中的盾構姿態控制，依托某實際工程中收集的盾構姿態參數作為研究對象，取推力油缸行程作為關鍵因素，以推力油缸的行程變化推導姿態參數的變化，以便為姿態控制提供理論依據。

1 盾構推進中的姿態變化

1.1 盾構姿態參數

盾構姿態參數，是施工中反饋回來的盾構的狀態參數，主要包括刀盤切口的水平、豎向偏差量和中盾尾部的水平、豎向偏差量以及盾構本體前后的偏差比值。盾構狀態參數通過激光導向系統(VMT)實時動態監測[10-11]，并提供完整的隧道掘進記錄。施工中若發現盾構姿態偏離設計軸線，則需進行盾構姿態調整。

盾構刀盤切口、中盾尾部的水平及豎向偏差量是施工過程中較為重要的參數，直觀地反映了盾構在推進過程中相對軸線的偏差量?，F定義豎向、水平向的偏差量方向以坐標正方向為正，如圖1所示。

圖1 坐標方向示意圖

以某盾構區間施工為背景，整理盾構在該區間掘進過程中切口、中盾尾部的水平及豎向的偏差量，如圖2—5所示。

圖2 盾構切口豎向偏差量

圖3 盾構中盾尾部豎向偏差量

通過上述實測水平、豎向偏差量的整理發現，整體上盾構刀盤切口和中盾尾部的豎向偏差量變化趨勢是一致的，即切口或中盾尾部的豎向偏差量可以代表盾構的豎向偏差狀態；而2個位置的水平偏差量差別較大，從切口位置可以看出盾構水平向以設計軸線為中心，處于不斷調整中。

圖4 盾構切口水平偏差量

圖5 盾構中盾尾部水平偏差量

在盾構的掘進過程中，姿態調整對于施工來說非常重要，直接影響到盾構施工質量以及后續隧道的運營安全[12-13]。

1.2 盾構姿態變化過程

盾構的推進是一個動態過程，作用在盾構上的力可分解為前進方向的推力、水平方向的扭矩和豎向的扭矩。推力使得盾構向前推進，水平及豎向的扭矩使盾構姿態發生變化，這種變化包括角度的變化和位置的變化，如圖6和圖7所示。盾構角度的變化是指盾構與設計軸線的夾角變化，位置變化指盾構形心相對于設計軸線的偏移[14]。

(a) (b)

(c) (d)

角度的變化可用如下過程表示：

1)盾構與設計軸線之間的初始夾角為θi0(i=y,p)，下標y表示水平方向，p表示豎直方向；

2)在推進油缸產生的糾偏扭矩作用下，盾構角度變化到θi1(i=y,p)；

3)以此角度向前推進dz；

4)盾構的受力平衡狀態被打破，角度發生變化至θi2(i=y,p)。

圖7 位置變化圖

盾構的位置偏離變化量為

Δζi=ξi2-ξi1=θidz(i=y,p)。

(1)

由上圖可以看出位置的變化受到角度的控制，只有盾構與設計軸線之間有夾角時，才可能發生位置的變化。

2 推力油缸對姿態控制的作用

盾構的前進是通過千斤頂的推力實現的，即油缸的伸長使得盾構向前推進[15]。而對于已發生偏差的盾構，需進行姿態的糾偏，使盾構行走路線與設計軸線盡可能一致，這同樣也是依靠調整油缸的行程來實現的。因此，合理選擇推力油缸使用區域、個數等，對盾構姿態的糾偏至關重要。

首先對盾構的推力油缸分布作一個簡單介紹，以海瑞克盾構為例，該盾構共有30個推力油缸，分為20組，分布于A、B、C、D 4個區，其中A、C區分別有8個推力油缸，B、D區分別有7個推力油缸。油缸的行程為2 000 mm，在30 MPa的工作壓力下最大推力達到34 200 kN。盾構的推力油缸分布如圖8所示。

圖8 推力油缸分布示意圖

為使問題簡化，這里將4個區的油缸簡化為上下左右4點，即以這4點的油缸行程代表各區的行程量。其中，上、下油缸影響盾構的豎向姿態，左、右油缸影響盾構的水平姿態。由于其對稱性，本文只選取豎向截面，分析上下、油缸行程發生變化對盾構豎向姿態的影響。盾構推進如圖9所示，圖9中M點代表正上方的油缸，N點代表正下方的油缸。

圖9 盾構推進示意圖

在盾構豎向偏差量的變化中，推力油缸行程差的調整起到主要作用。當M油缸行程變化量大于N油缸時，盾構切口“低頭”; 反之當N油缸行程大時，盾構切口“抬頭”。

3 推力油缸與姿態控制的對應關系

假定初始情況下盾構中心軸線與水平軸線偏差角度為α，上推進油缸行程為L1，下推進油缸行程為L2，上、下2個油缸的中心距為Ds，盾構前盾長度為Lf。令上油缸伸長至L1′，下油缸伸長至L2′，則上油缸行程差ΔL1=L1′-L1，下油缸行程差ΔL2=L2′-L2。油缸行程變化前后盾構軸線的夾角為β，那么刀盤切口中心豎向變化量為Δh，其關系如圖10所示。

圖10 油缸行程與姿態關系

由上述幾何關系得到兩軸線的夾角

(2)

那么刀盤切口中心的豎向變化量

(3)

當ΔL2-ΔL1>0時，則夾角β大于0，盾構順時針偏轉，Δh為正值，盾構“抬頭”；反之，當ΔL2-ΔL1<0時，則夾角β小于0，盾構逆時針偏轉，Δh為負值，盾構“低頭”。

類似刀盤切口中心豎向變化量的計算方法，依照對稱性，可得到刀盤切口中心水平變化量的計算方法。

4 姿態控制對應關系驗證

為驗證上述關系，現取某盾構施工時某一環內的盾構姿態參數與油缸行程參數進行驗算。該盾構前盾長度Lf=1 710 mm，盾構上、下2個油缸的中心距Ds=5 700 mm。盾構的數據采集系統自動對數據進行采集，采集頻率為間隔10 s，即每隔10 s獲取一個數據點。

通過對采集到的數據整理可得到每一時刻盾構中心軸線與水平軸線偏差角度α和盾構上、下油缸行程，分別如圖11和圖12所示。

圖11 盾構中心軸線與水平夾角

圖12 各個時刻油缸行程

根據上述數據，利用式(2)和式(3)計算每個時刻刀盤切口中心的夾角β和豎向變化量Δh。為更直觀地觀察盾構切口在掘進這一環的過程中姿態的變化情況，將計算得到的每一時段的變化量進行累加，以該環初始時刻變化量為0，得到掘進這一環過程中切口中心的豎向變化累計量。并且整理采集系統得到的每一時刻切口豎向調整量，得到實測的調整累計量，將兩者進行比較，如圖13所示。

圖13 累計豎向調整量對比

Fig. 13 Calculated accumulated vertical deformation vs. measured data

結果顯示，無論計算值或實測值都表明，盾構在掘進這一環時切口發生了向上的調整。依照幾何關系推得的刀盤切口中心豎向變化計算方法，與實際情況非常吻合。

5 結論與討論

本文主要得到以下結論：

1) 由于平曲線和豎曲線的存在，盾構在掘進過程中無法完全沿著設計軸線前行，會在豎向與水平向產生一定的偏差量，對施工階段及后期運營影響較大。

2) 無論是豎向或水平向，刀盤切口始終以設計軸線為軸，處于不斷調整中。

3) 本研究依照幾何關系建立推力油缸行程與盾構切口中心偏差量的對應關系，為盾構施工優化提供理論依據。

4) 盾構姿態變化是多因素控制的動態平衡，本文就推力油缸行程推導與姿態的對應關系展開了研究，建議進一步就多種因素組合下姿態控制進行理論分析，以更好地指導現場司機操作。

[1] 地盤工學會.盾構法的調查·設計·施工[M] .牛清山，陳鳳英，徐華，譯.北京: 中國建筑工業出版社,2008.(The Japanese Geotechnical Society. Survey, design and construction of shield tunnel[M].Translators: NIU Qingshan, CHEN Fengying, XU Hua. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008.(in Chinese))

[2] 王升陽，高俊強，劉偉誠.地鐵盾構施工中盾構姿態的控制方法[J]. 測繪地理信息2013, 38(1): 39-42.(WANG Shengyang, GAO Junqiang, LIU Weicheng. The control method of the shielding postures in the shield construction of the subway[J]. Journal of Geomatics, 2013, 38(1): 39-42.(in Chinese))

[3] 郭瑞.天津地鐵盾構施工中盾構機的姿態控制[J].鐵道建筑技術，2010(增刊1): 12-15,47.(GUO Rui, Shield tunneling attitude control in Tianjin Subway construction[J]. Railway Construction Technology，2010(S1) : 12-15，47.(in Chinese))

[4] 何自強.新型盾構姿態測量系統的設計[J].中國工程機械學報, 2011, 9(2): 224-228.(HE Ziqiang. Design of new-type of shield-posture measurement system[J]. Chinese Journal of Construction Machinery,2011, 9(2): 224-228.(in Chinese))

[5] 董偉東，任干，馬龍. 盾構機激光導向系統原理[J].測繪工程，2005，14(4): 61-64.(DONG Weidong， REN Gan，MA Long. The principle of laser navigation system of the tunnel boring machine [J].Engineering of Surveying and Mapping, 2005，14(4): 61-64.(in Chinese))

[6] 張旭,朱利民.盾構機姿態控制點的優化選取方法[J].中國機械工程,2009，20(8): 902-906.(ZHANG Xu, ZHU Limin. Optimal selection of attitude control points of shield machine[J].China Mechanical Engineering,2009,20(8): 902-906.(in Chinese))

[7] 吳瑋.智能化盾構姿態控制器的設計[D].上海： 同濟大學,2007.(WU Wei. Design of intellectualized controller for shield machine[D].Shanghai: Tongji University,2007.(in Chinese))

[8] 龔國芳，洪開榮，周天宇，等.基于模糊PID方法的盾構掘進姿態控制研究[J].隧道建設, 2014，34(7): 608-613.(GONG Guofang, HONG Kairong, ZHOU Tianyu, et al. Research on shield boring attitude control based on fuzzy PID algorithm[J]. Tunnel Construction, 2014，34(7): 608-613.(in Chinese))

[9] 李守巨，曹麗娟. 盾構機掘進過程中的決策支持系統[J]. 信息技術, 2011(10): 39-42,46.(LI Shouju, CAO Lijuan. Decision support system in shield tunneling[J]. Information Technology, 2011(10): 39-42,46.(in Chinese))

[10] 袁存防，盧昌松，魏學強. VMT自動導向系統在盾構法施工中的應用和研究[J]. 現代隧道技術, 2011, 48(3): 148-153.(YUAN Cunfang, LU Changsong, WEI Xueqiang. Research of VMT automatic guiding system in shield tunneling and its application[J]. Modern Tunnelling Technology, 2011, 48(3): 148-153.(in Chinese))

[11] 王忠義. 盾構機自動導向系統測量復核方法[J]. 鐵道建筑技術, 2014(6): 69-71,86.(WANG Zhongyi. Survey rechecking method on shield machines automatic guidance system[J].Railway Construction Technology, 2014(6) : 69-71,86.(in Chinese))

[12] 李惠平，夏明耀. 盾構姿態自動控制技術的應用與發展[J]. 地下空間, 2003, 22(1): 75-78.(LI Huiping, XIA Mingyao. Application and development of automatic direction control of the shield machine[J]. Underground Space, 2003, 22(1): 75-78.(in Chinese))

[13] 王暉，竺維彬，李大勇. 復合地層中盾構掘進的姿態控制[J]. 施工技術, 2011, 40(19): 67-69,97.(WANG Hui, ZHU Weibin, LI Dayong. Posture control of shield tunneling in composite strata[J]. Construction Technology, 2011, 40(19): 67-69,97.(in Chinese))

[14] 李惠平，安懷文，夏明耀. 盾構運動特性分析[J].地下空間與工程學報，2006，2(1): 101-103,107.(LI Huiping, AN Huaiwen, XIA Mingyao. Analysis of dynamic character of tunneling shield machine [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(1): 101-103,107.(in Chinese))

[15] 孫曉麗,李效超,王智.地鐵盾構隧道軸線測量及糾偏曲線設計[J].城市勘測, 2014(2): 138-140.(SUN Xiaoli ,LI Xiaochao, WANG Zhi. Subway shield tunnel axis surveying and design of deviation curve[J].Urban Geotechnical Investigation & Surveying, 2014(2): 138-140.(in Chinese))

Analysis of Shield Attitude Control Technology

WANG Chunkai

(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute, Shanghai 200125, China)

The shield attitude control is the key to construction quality of shield tunnel. The shield attitude variation rules during shield tunneling are obtained based on measured data; and then the relationship between the thrusting cylinder stroke and the vertical deviation of cutterhead is obtained. The study results show that: 1) The cutterhead is adjusted during shield advancing. 2) The relationship between the thrusting cylinder stroke and the vertical deviation of cutterhead obtained coincides with actual situation perfectly and is reliable.

shield tunnel; attitude parameter; measured data; attitude control

2015-03-19;

2016-04-19

王春凱(1985—)，男，上海人，2010年畢業于同濟大學，道路與鐵道工程專業，碩士，工程師，現從事隧道與地下工程設計與研究工作。E-mail： tcwck28@hotmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.017

U 455.3

A

1672-741X(2016)11-1389-05