盾构姿态控制研究

0 引言

随着轨道交通的大力发展，越来越多的地下隧道得以建设，大量盾构隧道施工得到开展，盾构法施工经验也得到积累。施工中盾构姿态的控制对于盾构隧道施工质量具有重要意义，盾构姿态的控制越来越受到从业者的关注。文献［1］介绍了盾构掘进过程中姿态控制方法; 文献［2］研究了盾构姿态控制的技术要求，以及盾构姿态与管片姿态的相互影响; 文献［3］提出了盾构姿态走势论，研究了管片姿态对盾构姿态的影响。总体来看盾构姿态研究主要有盾构掘进姿态测量和盾构姿态调整这2 个方面的内容。其中，盾构掘进姿态测量主要从研究姿态测量方法和提高测量精度等方面进行研究，文献［4］提出了以盾构中心和管片中心连线来定义盾构姿态，提高了姿态测量精度，并研究了测量装置; 文献［5］揭示了激光导向系统的工作原理，研究了提高激光导向系统测量精度的工作原理; 文献［6］推导了姿态参数估计误差与测量误差之间的线型关系，设计了测量点优化选择算法。而盾构姿态调整大多从模糊控制理论出发，将姿态控制程序化，文献［7］引入模糊控制理论，设计了适用于盾构姿态调整的模糊控制器; 文献［8］研究了基于双闭环反馈自动控制盾构掘进轨迹的方法，进一步建立了推进速度控制的模糊PID 模型，以推进液压缸速度控制实现较准确的盾构掘进轨迹; 文献［9］研究了基于现场观测数据的盾构掘进决策支持系统模型，利用神经网络特点建立土舱压力分布模型，并进行预测控制。

本文从新的角度出发，立足于盾构掘进中的盾构姿态控制，依托某实际工程中收集的盾构姿态参数作为研究对象，取推力油缸行程作为关键因素，以推力油缸的行程变化推导姿态参数的变化，以便为姿态控制提供理论依据。

1 盾构推进中的姿态变化

1． 1 盾构姿态参数

盾构姿态参数，是施工中反馈回来的盾构的状态参数，主要包括刀盘切口的水平、竖向偏差量和中盾尾部的水平、竖向偏差量以及盾构本体前后的偏差比值。盾构状态参数通过激光导向系统( VMT) 实时动态监测［10 － 11］，并提供完整的隧道掘进记录。施工中若发现盾构姿态偏离设计轴线，则需进行盾构姿态调整。

盾构刀盘切口、中盾尾部的水平及竖向偏差量是施工过程中较为重要的参数，直观地反映了盾构在推进过程中相对轴线的偏差量。现定义竖向、水平向的偏差量方向以坐标正方向为正，如图1 所示。

图1 坐标方向示意图

以某盾构区间施工为背景，整理盾构在该区间掘进过程中切口、中盾尾部的水平及竖向的偏差量，如图2—5 所示。

图2 盾构切口竖向偏差量

图3 盾构中盾尾部竖向偏差量

通过上述实测水平、竖向偏差量的整理发现，整体上盾构刀盘切口和中盾尾部的竖向偏差量变化趋势是一致的，即切口或中盾尾部的竖向偏差量可以代表盾构的竖向偏差状态; 而2 个位置的水平偏差量差别较大，从切口位置可以看出盾构水平向以设计轴线为中心，处于不断调整中。

图4 盾构切口水平偏差量

图5 盾构中盾尾部水平偏差量

在盾构的掘进过程中，姿态调整对于施工来说非常重要，直接影响到盾构施工质量以及后续隧道的运营安全［12 － 13］。

1． 2 盾构姿态变化过程

盾构的推进是一个动态过程，作用在盾构上的力可分解为前进方向的推力、水平方向的扭矩和竖向的扭矩。推力使得盾构向前推进，水平及竖向的扭矩使盾构姿态发生变化，这种变化包括角度的变化和位置的变化，如图6 和图7 所示。盾构角度的变化是指盾构与设计轴线的夹角变化，位置变化指盾构形心相对于设计轴线的偏移［14］。

图6 角度变化图

角度的变化可用如下过程表示:

1) 盾构与设计轴线之间的初始夹角为θi0( i = y， p) ，下标y 表示水平方向，p 表示竖直方向;

2) 在推进油缸产生的纠偏扭矩作用下，盾构角度变化到θi1( i = y，p) ;

3) 以此角度向前推进dz;

4) 盾构的受力平衡状态被打破，角度发生变化至θi2( i = y，p) 。

图7 位置变化图

盾构的位置偏离变化量为

由上图可以看出位置的变化受到角度的控制，只有盾构与设计轴线之间有夹角时，才可能发生位置的变化。

2 推力油缸对姿态控制的作用

盾构的前进是通过千斤顶的推力实现的，即油缸的伸长使得盾构向前推进［15］。而对于已发生偏差的盾构，需进行姿态的纠偏，使盾构行走路线与设计轴线尽可能一致，这同样也是依靠调整油缸的行程来实现的。因此，合理选择推力油缸使用区域、个数等，对盾构姿态的纠偏至关重要。

首先对盾构的推力油缸分布作一个简单介绍，以海瑞克盾构为例，该盾构共有30 个推力油缸，分为20组，分布于A、B、C、D 4 个区，其中A、C 区分别有8 个推力油缸，B、D 区分别有7 个推力油缸。油缸的行程为2 000 mm，在30 MPa 的工作压力下最大推力达到34 200 kN。盾构的推力油缸分布如图8 所示。

图8 推力油缸分布示意图

为使问题简化，这里将4 个区的油缸简化为上下左右4 点，即以这4 点的油缸行程代表各区的行程量。其中，上、下油缸影响盾构的竖向姿态，左、右油缸影响盾构的水平姿态。由于其对称性，本文只选取竖向截面，分析上下、油缸行程发生变化对盾构竖向姿态的影响。盾构推进如图9 所示，图9 中M 点代表正上方的油缸，N 点代表正下方的油缸。

图9 盾构推进示意图

在盾构竖向偏差量的变化中，推力油缸行程差的调整起到主要作用。当M 油缸行程变化量大于N 油缸时，盾构切口“低头”; 反之当N 油缸行程大时，盾构切口“抬头”。

3 推力油缸与姿态控制的对应关系

假定初始情况下盾构中心轴线与水平轴线偏差角度为α，上推进油缸行程为L1，下推进油缸行程为L2，上、下2 个油缸的中心距为Ds，盾构前盾长度为Lf。令上油缸伸长至L1'，下油缸伸长至L2'，则上油缸行程差ΔL1 = L1' － L1，下油缸行程差ΔL2 = L2' － L2。油缸行程变化前后盾构轴线的夹角为β，那么刀盘切口中心竖向变化量为Δh，其关系如图10 所示。

图10 油缸行程与姿态关系

由上述几何关系得到两轴线的夹角

类似刀盘切口中心竖向变化量的计算方法，依照对称性，可得到刀盘切口中心水平变化量的计算方法。

4 姿态控制对应关系验证

为验证上述关系，现取某盾构施工时某一环内的盾构姿态参数与油缸行程参数进行验算。该盾构前盾长度Lf = 1 710 mm，盾构上、下2 个油缸的中心距Ds = 5 700 mm。盾构的数据采集系统自动对数据进行采集，采集频率为间隔10 s，即每隔10 s 获取一个数据点。

通过对采集到的数据整理可得到每一时刻盾构中心轴线与水平轴线偏差角度α 和盾构上、下油缸行程，分别如图11 和图12 所示。

图11 盾构中心轴线与水平夹角

图12 各个时刻油缸行程

根据上述数据，利用式( 2) 和式( 3) 计算每个时刻刀盘切口中心的夹角β 和竖向变化量Δh。为更直观地观察盾构切口在掘进这一环的过程中姿态的变化情况，将计算得到的每一时段的变化量进行累加，以该环初始时刻变化量为0，得到掘进这一环过程中切口中心的竖向变化累计量。并且整理采集系统得到的每一时刻切口竖向调整量，得到实测的调整累计量，将两者进行比较，如图13 所示。

图13 累计竖向调整量对比

结果显示，无论计算值或实测值都表明，盾构在掘进这一环时切口发生了向上的调整。依照几何关系推得的刀盘切口中心竖向变化计算方法，与实际情况非常吻合。

5 结论与讨论

本文主要得到以下结论:

1) 由于平曲线和竖曲线的存在，盾构在掘进过程中无法完全沿着设计轴线前行，会在竖向与水平向产生一定的偏差量，对施工阶段及后期运营影响较大。

2) 无论是竖向或水平向，刀盘切口始终以设计轴线为轴，处于不断调整中。

3) 本研究依照几何关系建立推力油缸行程与盾构切口中心偏差量的对应关系，为盾构施工优化提供理论依据。

4) 盾构姿态变化是多因素控制的动态平衡，本文就推力油缸行程推导与姿态的对应关系展开了研究，建议进一步就多种因素组合下姿态控制进行理论分析，以更好地指导现场司机操作。

摘自：隧道建设