盾構機盾尾間隙檢測技術研究

孫海力，閔銳，吳天華，吳恩啟

（1.200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院；2.200137 上海市 上海隧道工程股份有限公司機械制造分公司）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，城市交通擁堵現象越來越嚴重，已成為各大城市亟需解決的問題[1-2]。針對這一問題，交通隧道應運而生。盾構法因其自動化程度高、建設時不影響地面交通受到廣泛青睞，逐漸成為一種成熟的隧道技術[3]。然而在施工過程中，由于盾構機殼體受各種載荷影響，不可避免地會產生一定變形。由于盾尾處沒有固定支撐，變形較大，使盾尾與管片的間隙減小，而過小的間隙不利于盾構機姿態的控制，甚至可能使盾尾與管片相接觸，引起管片磨損，降低掘進速度，嚴重時會產生滲漏[4-5]，危及操作人員的安全。

傳統盾尾間隙是人工測量，在盾構機狹小的空間中，人工測量具有一定的安全隱患，國內外學者針對盾尾間隙進行了相應研究。路亞緹等[6]將超聲波傳感器安裝在盾尾內壁上，測量盾尾與管片外徑間的距離；孫連等[7]研制開發SRGD 新型盾尾間隙檢測儀裝置，通過檢測儀對管片位置進行檢測，利用公式進一步推算出盾尾間隙；陳健等[8]利用激光線進行標定，采用工業相機進行圖片采集后，在視覺庫中進行圖像處理得到盾尾間隙；GUO 等[9]為解決盾構施工中盾尾間隙的測量問題，設計了基于數字圖像處理技術的盾尾間隙自動測量系統，通過圖像增強、邊緣檢測等技術分析盾尾間隙的圖像來計算盾尾間隙的大小。

以上研究雖提出多種對盾尾間隙進行檢測的方法，但都有一定的局限性。因為1 臺儀器只能針對1 個測點進行檢測，若想進行多點檢測，則每增加1 個檢測測點就需額外增加1 臺檢測儀器。本文基于上述方法，采用2 個激光測距儀相互配合，進行旋轉檢測，可以針對任意多個測點進行測量。

1 測量原理

激光測距儀是向目標發出一道激光，照射后反射并被測距儀接收，通過相位計算得到距離。基于此原理，采用2 個激光測距儀相配合進行測量，將測距儀安裝在管片拼裝機上，管片拼裝機由旋轉環和固定環構成，固定環可沿軸向移動，而旋轉環可進行軸向移動及環向轉動。將測距儀1 安裝在管片拼裝機的固定環上，照射點為盾構機中固定的中盾支架，測距儀隨管片拼裝機進行軸向移動照射，用于確定軸向移動距離；測距儀2 則對盾尾進行測量。考慮到照射不同角度可能需要安裝多個測距儀，照射的角度越多需要的測距儀也就越多。所以將測距儀2 及編碼器安裝在拼裝機的旋轉環上，使其可隨旋轉環轉動來照射不同的角度，進行徑向多點測量，轉動的角度通過編碼器顯示。

盾構始發前，移動拼裝機至待測截面處，此時激光測距儀1 至中盾支架的距離記為L1，旋轉拼裝機旋轉環，使激光測距儀2 轉過一定角度θ到達所測測點，此時激光測距儀2 與盾尾間的距離為L2。

盾構機開始工作分為兩個過程，盾構機推進及管片拼裝，每推進一環，盾構機停止工作，進行管片的拼裝，拼裝完成后繼續推進。在每一環的盾構推進完成，管片拼裝前，調整拼裝機軸向位置及旋轉環，使其達到始發前在盾構機內部的位置，此時照射在盾尾上的距離由L2變為L2A（如圖1（a）所示），則盾尾變形量ΔL 可由ΔL=L2-L2A計算得到，負值代表盾尾向內凹陷，正值代表盾尾向外凸出。

圖1 激光檢測方法Fig.1 Laser detection method

每一環管片拼裝完成后，此時激光測距儀2 照射在管片而不是盾尾上，照射距離為L2B（如圖1（b）所示）。假設管片厚度一定，記為T，照射在盾尾和管片上的差值再減去管片厚度，即為盾尾間隙X：

2 測點的確定

為驗證本文方法的可行性，采用選取測點的方式進行測量。首先進行受力分析，然后進行有限元分析，通過有限元分析結果進行測點的選取。

2.1 受力分析

假定盾構為直線掘進，無需考慮盾構前方土壓力及掘進轉向載荷的影響[10]。盾尾主要受力如圖2 所示。圖2 中：P01，P02——盾尾頂部及底部的水土壓力，kN/m2，隨盾構深度增加而增加；Q1，Q2——盾尾頂部及底部水平側向土壓力，kN/m2。

圖2 盾尾受力簡化圖Fig.2 Simplified stress diagram of shield tail

圖2 中受力可由式（2）計算得到

式中：ω——地面載荷，一般取20 kN/m2；γ——土的單位體積質量；H——覆土厚度；λ——土體的側土壓系數；R——盾殼外圓半徑

以溫州甌江口隧道施工的盾構機為例，其盾尾的外徑、長度及殼體厚度分別為14.87，4.54，0.12 m。當盾構機施工到47 環時，其覆土厚度為9.24 m。根據式（2）可得，盾尾所受載荷，P01=204.8 MPa，P02=502.8MPa，Q1=150 MPa，Q2=360 MPa。

2.2 有限元分析

盾構機盾體由前盾、中盾及盾尾組成。在分析盾尾變形時，忽略一些細小的內部結構，避免計算過程中局部不收斂，簡化后模型如圖3 所示。將簡化后的模型導入到Workbench 中，進行有限元分析。經有限元分析得變形云圖，為使結果顯示明顯，將應力及變形狀況放大。圖4 為將變形云圖放大后的盾尾變形狀況。

圖3 簡化模型Fig.3 Simplified model

圖4 變形云圖Fig.4 Deformation nephogram

2.3 測點分布

由分析結果可知，從軸向看，靠近盾尾尾部方向變形較大。對同一圓截面來說，變形較大的區域都位于水平方向和垂直方向，及與水平方向成45°夾角處。選取變形較大處作為檢測測點，測點的分布如圖5 所示。

圖5 測點分布Fig.5 Distribution of measuring points

3 實驗

3.1 激光測距儀的布置

在溫州甌江口隧道施工處進行實驗，依照測距原理，將激光測距儀安裝在旋轉環及固定環上。由于盾構機進行挖掘時，工作環境惡劣，激光測距儀的安裝需要考慮多方面的因素，在安裝時注意激光測距儀隨旋轉環旋轉時無碰撞，保證設備安全。激光測距儀現場安裝如圖6 所示

圖6 測距儀的現場安裝Fig.6 Field installation of rangefinder

根據有限元分析得到的結果，選取盾尾變形較大的8 個點作為激光照射的角度。為保證測量結果可靠性，所選的8 個位置需要是盡可能平整的，沒有凹凸面和槽鋼、盾尾底部沒有積水，但在實際操作中發現測點8 處不可避免地存在積水問題，因此將此測點舍去。

轉動拼裝機旋轉環，根據編碼器所測實時角度，使測距儀2 依次照射1 號至7 號位置，每個位置照射15 s，照射距離都可在激光測距儀上顯示，并通過數據傳輸裝置傳到電腦上。

3.2 結果分析

為驗證此裝置測量的準確性，在盾構推進至47 環處時，將47 環激光測距儀測得的盾尾間隙同人工測得的盾尾間隙進行對比，如表1 所示。從對比結果可以看出，本方案的測量方法測量得到的盾尾間隙與人工測量的誤差平均為3.5 mm，平均相對誤差為5.8%，可滿足工程要求。

表1 盾尾間隙測量結果分析Tab.1 Analysis of measurement results of shield tail

將激光采集到的數據進行計算，得到盾尾變形量，同有限元方法得到的變形進行對比。圖7 為將變形量進行放大后的比較圖。發現兩者變形趨勢相同，證明了激光測距的可行性，其中270°位置由于積水影響沒有進行激光照射，按初始數據進行的比較，誤差較大。

圖7 盾尾變形對比圖Fig.7 Comparison of shield tail deformation

4 結論

本文采用激光測距對盾尾及管片進行測量，2個激光測距儀相配合實現軸向徑向多點測量，能夠測量盾尾中空環處任意截面及測點。在工程實際中選取其中一個截面進行測量，并同人工測量進行對比驗證，平均相對誤差僅為5.8%。本文方法極大降低了人工測量的安全隱患，盡可能地節約了成本，同時為盾構正常運行提供了保障。