主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用

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与应用

主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用

李全社，

摘

于翔

（中铁二十三局城市轨道交通工程有限公司．四川成都６ｌＯｌｌＯ）

要：介绍ＲｏＢＢｌＮＳ公司生产的ＥＰＢ６２６０盾构机主动铰接系统的结构和工作原理以及在盾构施工过程中

管片选型原则、方法，详细阐述了盾构机与管片姿态调整的具体方法和科学依据．以及姿态调整对工程质昔的重要性。通过姿态调整．盾构施工安伞平稳，盾构姿态良好．通过提前预知下几环管片，盾构施工效率明显提高。此种方法的使用对隧道施工和设备制造有参考价值。关键词：丰动铰接；姿念调整；管片选型；盾构机；隧道中图分类号：Ｕ４４５．３９

文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２—３９５３（２０１１）Ｏ卜００６８一０５

随着城市地铁施工的全面开展，盾构以其安全快速等诸多优势而逐渐普及。我瞥位在成都二号线土建十八标施工中采用了美国Ｒ（）ＢＢＩＮＳ公司生产的ＥＰＢ６２６０土压平衡盾构机。这台盾构机采用主动铰接系统，此系统对盾构机安全、平稳、快速的进行姿态调整提供了保障。本文主要阐述主动铰接系统的特点、原理以及应用主动铰接系统进行姿态调整和管片选型的方法。ｌ

前及早修正；遵循偏离量的管理值和允许值，确定偏离修正方针；避免蛇形纠偏。

１．３

姿态调整要求

为了把施工时的实际偏离链控制在规定的允许偏离量以内，首先应确定偏离鼍的管理值（允许值的５０％～８０％为目标），并在该目标范嗣内修正偏离鼍进行推进管理。盾构机纠偏时必须确定连续修正偏离的意识，否则将会出现纠偏过量的情况。见图１。

盾构机姿态调整的必要性

通常而言。盾构机在施工过程中，盾构机中心线

二：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：ｊ－５０商偏离管理值一．……………………．…－５Ｕｍｍ…。’’‘‘’‘‘。。’’。’’’‘。。。。。。。‘’一．８０ｍｎＡ

图ｌ盾构偏离修正图

＋８０ｍｍ偏离允许值

难免会与隧道的设计中心线有偏差，这种偏差称为盾构机姿态。为了提高工程质量且使工程符合设计要求，盾构机操作手会尽量减小盾构机与隧道设计中心线的偏差，减小盾构机与设计中心线偏差的过程称为姿态调整。

１．１

在已经发生偏离的场合下进行盾构姿态调整，则因盾构与外周面土体的摩擦增大，周围地层将发生扰动，致使沉降。所以，在方向控制时，必须先掌握盾构现在在推进方向七的偏离量；其次按可以把偏离量拉回到管理值以内的原则设定方向修正量。如果预设方向修正会超过管理值，可以使用主动铰接进行方向控制。２

偏差原因

偏差出现的原因主要是由盾构机推进偏离造成的，但管片在拼装过程中形成的误差也会造成隧道一定的偏离。隧道如果出现偏差。通常通过盾构机配合使用曲线管片进行姿态调整。本标段使用的盾构机为主动铰接型土压平衡盾构机，设有小曲率半径掘进的铰接千斤顶，可以有效的对盾构机的掘进进行姿态调整。

１．２

主动铰接特点

在目前闫内地铁施工中，所使用的盾构直径Ｄ

姿态调整的原则

一般都在６ｍ多。而其长度Ｌ一般则为８ｍ左右甚至更长。盾构机的灵敏度Ｌ／Ｄ通常达到１．３左右，难以在曲线段施工。为了提高盾构机的操作性能，

盾构方向控制的基本原则如下：偏离量增大之

收稿日期：２０ｌｏ—ｌｌ一２３

作者简介：李全社（１９７０一），男．高级工程师．主要从事ＴＢＭ和盾构机技术管理方面的工作

通常将其分成前后两个部分，中间用千斤顶连接起来．形成一个铰接装置．这样可使盾构机的前后弯曲．以适应曲线段的掘进。

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・成果与应用・

主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等

铰接千斤顶的两端分别和盾构机的前后部用铰销连接．由于铰接千斤顶沿盾构圆周布置。其两端的铰销处都装有球铰。以保证铰接千斤顶轴线与盾构机轴线之间有一定的摆动角度。

铰接的结构形式有两种：一种是将铰接机构设置在由后体环梁到前体侧的结构（被动铰接型），另一种则是将铰接机构设置在由环梁到后面盾尾部的结构（主动铰接犁）。

２．１

要。由于盾构隧道难以严格按照设计轴线前进。会产生一定垣的偏移（包括轴线佗簧的偏移和掘进方向的偏移），在盾构推进质量控制项目中，控制盾构掘进更霞要，这就需要管片姿态能够满足盾构纠偏的需要，能够随时和盾构机姿态保持一致。

在盾构机头部姿态调整时。盾尾管片姿态也同样需要纠偏，以保证管片前进方向和盾构机头前进方向保持一致。其主要作用如下：

（１）保证管片环与环之间平顺连接。控制环间平

整度。

前体被动铰接型

各种方式的铰接都有各自不同的特征，前体推

压型是盾构千斤顶单向推压，故在拼装的管片内侧容易发生拉伸弯矩，管片易损坏。

将铰接机构设置在由环梁到后面盾尾部的结构被仅用于前体推压的场合，但是在松弛的土层，当盾尾部作用大于土压力时，或者在曲线段施工、弯力矩作用在盾尾部时，由于土砂和水从盾尾柔性铰接密封渗入的危险性很高，故铰接密封的可靠性差。见

图２。

２．２

（２）保证管片在盾壳内拼装时不受盾壳影响，盾尾间隙均衡，控制管片拼装后的椭圆度。

（３）保证管片受力均衡，不产生局部应力集中，控制管片裂角。

（４）保证管片只受到压力作用，避免受剪、受弯产生管片裂缝，进而影响隧道防水效果。

利用曲线环管片不同的拼装方式来调整管片姿态．使之能够和盾构机头姿态保持一致可以有效的控制隧道的姿态。

成都地铁盾构隧道内径５ｍｍ，环宽ｌ

５００ｍｍ，厚３００

４００

后体主动铰接型

在将铰接机构设置在由后体环梁到前体侧的结

ｍｍ，外径６

ｏｏｏ

构中，铰接密封被安装在紧紧地同定在机体后体环两部上的双霞结构的平板上。此外。为了防止土砂混入到密封部。通过长期注入密封油脂，来提高密封的可靠性。见图３。

ｍｍ，环向分６块，具体

为３块标准块（ＢＪ、Ｂ：、Ｂ。）、２块邻接块（ＬＩ、Ｉ，：）和１

块封顶块；管片环与环之间采用错缝拼装方式，管片端面采用平面式。见图４。为适应曲线段施工及施工纠偏等需要。管片有３种类型，即标准环、左曲环和右曲环。曲线环的楔形量为３８ｍｍ，针对不同的曲线半径．以标准环和楔形环按一定比例组合。

６ｅＦ

Ｓｅ

图２前体被动铰接型图３后体主动铰接型

在本工程考虑到工程质绩以及盾构机铰接密封部的町靠性，故采用扁平后体推压型主动铰接结构。

２．３

ｌｅ

主动铰接的优点

主动铰接能使前盾主动改变掘进方向。使盾构

Ｂ

机能更容易沿着设计中心线掘进．实现操作简单化。对于后体推压制主动铰接结构，其好处是显而易见的。由于作用在盾构机壳体卜．的土体摩擦阻力与壳体长度成ＪＦ比．主动铰接捌，使得盾构机Ｉｊ｛＿『部长度尺寸缩短。土体摩擦阻力减少．铰接千斤顶的载衙也随

之减少。

３．１

Ｂ２

圈４标准环管片设计图（单位：ｍｍ）

管片选型原则

由盾构施工特殊性，管片选型主要依就如下几

个原则：

３

管片选型［１］

在盾构施Ｌ过程各个环节中．管片选趔尤为蓖

（１）在清楚盾尾间隙、油缸行程差、盾构机姿态情况下进行钎片选璎。

国防交通工程与技术＿四２０ｌｌ第ｌ期

曲线姜嚣黼黧。搿、着誓二型：兰篓撼晡构帅心线与设料厶线之间夹角么皇蒙蓄篡萎篓錾薹萎磐以最大块放在盾尾间隙篡蒜嚣Ｚ嚣篇岬心线之同蜘么

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晤窿向皓盾尾问隙

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倔过量。

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留之间的关系做到提前预知下环管片。在管片选型笏；；嘉妻翥筹：嚣磊三翟’尹暑．２壬竺望！篡横

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由毒釜中心线与盾构机中心线特性可知，隧道中一．、终ｚ．乖占年魈：皿世阳。。二。Ｉ＝ｊ。’：＿。？’艘坦

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角；Ｌ－、Ｌ。分别为两边油缸行程。

３・２・３

ｌ

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隧道

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型，左曲环型。隧道在转弯过程中，是根据曲线环管

田６盾构姿态示意圉

色二黧氅鼍竺判黧法．

巨塞雾竺竺篓篓芒程中＇ＰＰｓ一直为操作手提供ａｒｃｓｉｎ［（Ｌ。一。戚晶。““”“ｕ“１

２

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管片中心线与设计中心线夹角

咎凸出．Ｉ’、蚀ｂ：几！‘＾＿＇，ｍ—ｈ一

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盾构机长度８．７７

ｍ，Ａｔ为盾尾与设计中心线偏

Ｚ２Ｚｌ

差，Ａｚ为刀盘偏差，Ａｔ、Ａｚ可从ＰＰｓ上读取。由相似三

角形原理可以推导：ｓｉ叩＝Ａ。／［８．７７＋８．７７Ａ２／（Ａ，

一Ａ２）］＝（Ａ・一Ａ２）／８．７７，么ｐ＝ａｒｃｓｉｎ［（Ａ，～Ａｚ）／８・７７］。式中，卢为盾构机与设计中心线夹角；Ａ，为盾尾与设计中心线偏差；Ａ。为刀盘与设计中心线

图７油缸行程差示意图

圈８曲线环转弯机理

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・成果与应用・

３．３．１

主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等

单环曲线管片计算线夹角为ｏ．５６。。根据管片选型原则可以预知，在即将掘进的３环管片应该选择左曲１点、左曲２点、直线ｌ点或１０点。４

如图９所知，Ｒ为管片的外径６ｍ，ｙ为曲线管片任意点位的转弯角度，１９ｍｍ为曲线环管片单边的最大楔形量，曲线管片的任意点处楔形量ｙ是ｙ的正切函数，则曲线环任意点位Ａ的楔形量计算公

式：ｙ＝３ｔａｎｙ。

主动铰接的应用

盾构机在掘进过程中，由于每组推进油缸推力

由于管片拼装点位限制。隧道只能拼装有限的点位，而各个点位的楔形量是已知的，见表１。根据上下左右曲线环楔形世，可以反算曲线管片的旋转角度，即么ｙ＝ａｒｃｔａｎ（ｙ／３）。式中，），为曲线管片任意点位的转弯角度；ｙ为曲线管片的任意点处楔形量。

表ｌ

曲线环各点位楔形量ｍｍ

不同以及掌子面地层软硬不均，盾构姿态会逐渐发生变化。如果不及时调整掘进参数，可能造成盾构机与设计中心线偏差过大。影响质量。所以在掘进过程中，ＰＰｓ反馈姿态参数发生变化。应立即调整掘进参数。保持盾构机沿着设计中心线平稳、安全的进行施工。

４．１

主动铰接的使用

根锯主动铰接的特点，盾构在直线段和轻微调

整姿态时，主动铰接一般不建议使用。使用主动铰接后，施工隧道会与原隧道中心线产生一定角度的偏差。而在一定曲率半径的阶段施工时，主动铰接可以帮助操作手较轻松完成操作。对不同曲率半径时，铰接油缸行程差选择不同。见图１０。

３．３．２

曲线管片组合的汁算

在进行管片姿态调整时．既要满足调整皎的大小，又要满足错缝拼装的要求．螺栓孔的位置要求，这样往往一环管片达不到调整的目的，需要进行曲线管片排列组合。才能使管片和盾构姿态保持一致，组合后隧道任意点的转弯角度即为各环管片在该点

厂一广］

转弯角度的和．即：么ｙ＝乏：［ａｒｃｔａｎ（ｙ，／３）］。

３．４

ＬＵ

『秽

应用举例

图９计算示意图图ｌＯ主动铰接角度计算示意圈

在直线段掘进过程中。在一环管片掘进拼装完成后，油缸右边比左边行程多４５ｍｍ。此时ＰＰＳ显示盾构机水平前点为一３ｍｍ，水平后点为一２０

ｍｍ。

以使用铰接油缸向左转弯为例。口为右面铰接油缸伸长量．６为左面铰接油缸伸长量。ｐ为铰接角度，左右铰接油缸距离为４

７００

ｍｍ。由等腰三角形

根据以上数据，盾构机与设计中心线夹角么口＝ａｒｃｓｉｎ［（Ａ。一Ａ。）／８．７７］＝ｏ．１１。；隧道中心线与盾构机中心线夹角么口＝ａｒｃｓｉｎ［（Ｌ。一Ｌ，）／５．７］＝Ｏ．４５。；管片中心线与设计中心线夹角么口一么口＋

么口＝Ｏ．５６。。

余弦定理：ｃｏｓ口＝１一（口一６）２／４４．１８。设口一６为左右铰接油缸伸长行程差，以Ｘ表示，则么口＝ａｒｃｃｏｓ［（４４．１８一Ｘ２）／４４．１８］。

根据罗宾斯图纸可以知道．盾构机前盾加刀盘中心的长度为５

３７８

ｍｍ。设隧道设计中心线曲率半

３７８

根据表１及么ｙ＝ａｒｃｔａｎ（ｙ／３）．曲线环管片不同拼装点位在水平和垂商佗蔑的转弯角度：１点与１１点钟佗置水平旋转角度为ｏ．３５。，２点与１０点钟位置水平旋转角度为ｏ．２１。。

由以上计算数据叮知。管片中心线与设计中心

径为ｙ。在半径ｙ的圆弧卜弧长５ｍｍ的夹角为

口。则ｒ１１圆的弧长定理町以得出：么口＝３０８．３／ｙ。

使用主动铰接在圆曲线进行施工时，为了使盾构机能沿着设计中心线向前掘进。则：么口一么口。

ａｒｃｃｏｓ［（４４．１８一Ｘ２）／４４．１８］＝３０８．３／ｙ，Ｘ＝￣／４４．１８—４４．１８×ｃｏｓ（３０８．３／ｙ）。式中，Ｘ为铰接

图防姗工程与技术

匝

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・成果与应用・主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等

油缸行程差，ｙ为隧道设计曲率半径。

４．２

分区压力调整

在盾构进行姿态调整时，操作手最常用也最重

５

结束语

以罗宾斯盾构机为例，结合主动铰接的特点以

要的是进行分区压力调整，罗宾斯盾构机推进油缸分为４个区域，见图１１。这４个区域的分区压力控制着盾构机左转、右转、抬头或低头。

及盾构机的具体尺寸，详细阐述了姿态调整的具体方法和科学依据，以及姿态调整的重要性。经常进行姿态调整不仅提高了工程质量，保证盾构机严格按照设计中心线进行施工，而且提高了施工速度。姿态调整是盾构施工必须掌握的核心技术之一，在施ｊ［过程中，应建立姿态调整方案，科学设定掘进参数，规避蛇形调整，以降低隧道施工过程中的质量风险；加强质量监测，认真积累姿态调整过程中的经验，采取及时高效的措施处理存在的姿态初期预警。

参考文献

［１］田建华．隧道盾构曲线管片拼装技术在纠偏中的应用

第４￥敏

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ｓ２游多‰４心ｓ

ｓ２匹

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ｓ馏Ｉ｛Ｉ

ｓ斌描７

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１鞘§６麓２娴

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讨会论文集．北京：北京市市政工程总公司，２００５：１２７—

’

４组分区压力以阶梯法进行调整。以向左转为例，盾构机在向左转的过程中，第２组分区压力为主，第２组分区压力要大于第１组和第３组，远远大于第４组。分区压力呈从右向左逐级减小的趋势。

１２９

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