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 (7)
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)
第1章绪论
1.1前言
20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统，使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。
1.2 盾构机的基本工作原理
盾构机主要依靠千斤顶的推力向前推进的，盾构机千斤顶分置上下左右四个区，各区千斤顶相对独立，同一分区的千斤顶的动作是一致的，对盾构机的位置和姿态的线形管理是靠设定盾构机各区千斤顶的压力调节来实现的。穿黄隧洞盾构受地质条件影响，盾构机在推进过程中开挖面上土压力的不均衡性、地下土层变化及其他方面的影响，盾构机的实际推进轴线无法与理论轴线保持一致(如下图)。在实际施工过程中，盾构机推进方向主要是通过调整推进千斤顶的推力大小来控制的。
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，这些油缸从管片到压力舱板之间就可以不受侧向力的作用。
推进油缸设计为双缸，每对油缸均有独立的撑靴。所有的油缸被分成4组，在推进时，可以独立调节4组油缸的压力控制姿态的变化。总的推进速度由一个总流量控制阀来调节。推进油缸系统设计最大推进速度为60mm/分钟。根据计算，最大总推力约为60,000kN并有安全余量。
第三组第
四
组第二组
第一组
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。
2.3数据采集系统
数据采集系统具有数据采集处理和故障自动显示功能，可以记录盾构操作全过程的所有参数，采集、处理、储存、显示、评估与盾构有关的数据。所有测量数据都通过被时钟脉冲控制的测量传感器连续的采集和显示。所有必须记录的测量值都以图形的形式显示在数据采集系统的监测器上。
第3章 定位的基本原理
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1. 全站仪 2. 工业计算机 3. 间隙测量装置 4. 行程传感器 5. 倾斜仪 6. 光靶 7. 数据线 8. 计算机 9. 后视棱镜 10. 无线连接
刀
盘 导向系统示意图
