盾構(gòu)前鉸接控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

李太運(yùn)/LI Tai-yun（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

Shield Equipment& Project 盾構(gòu)工程

盾構(gòu)前鉸接控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

李太運(yùn)/LI Tai-yun
（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

[摘 要]針對后鉸接式盾構(gòu)很難滿足小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工要求的工況，本文設(shè)計了前鉸接盾構(gòu)結(jié)構(gòu)及電液控制系統(tǒng)，分析了前鉸接盾構(gòu)的特點(diǎn)，并建立了控制參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。計算鉸接裝置鉸接角度，從而方便施工調(diào)向控制。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；前鉸接控制系統(tǒng)；小半徑

1 概 論

目前，我國正處于大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時期，尤其是交通設(shè)施建設(shè)如火如荼。在城市中，以地鐵為龍頭的地下空間綜合利用和開發(fā)，受既有建筑物和有限空間的限制，出現(xiàn)了大量復(fù)雜線型（如小半徑、大縱坡）或復(fù)合近接（小凈距、下穿鐵路、立交、疊交）的隧道工程，使得軌道交通的形式越來越復(fù)雜。雖然小半徑隧道線性不好，但在許多項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)用的卻越來越多。馬來西亞吉隆坡地鐵隧道要求150m的轉(zhuǎn)彎半徑，后鉸接盾構(gòu)很難滿足這種施工要求。針對復(fù)合地層而言，日式盾構(gòu)的前鉸接控制也很難滿足施工要求。因此研發(fā)一套適合于復(fù)合地層小曲線的前鉸接系統(tǒng)將很有社會應(yīng)用價值。

2 前鉸接盾構(gòu)的定義

目前按照盾構(gòu)的鉸接形式如圖1所示，可分為直筒式、鉸接式，其中鉸接式又分為后鉸接式（被動鉸接）、前鉸接式（主動鉸接）、多鉸接式。

前鉸接機(jī)械結(jié)構(gòu)是在中盾上的鏈接中盾前部和中盾后部的裝置，其將中盾盾體分成兩部分，用多個液壓油缸將分割部分鏈接，通過液壓油缸的行程差來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)本體的彎曲調(diào)向。

3 前鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)越性

圖1 盾構(gòu)鉸接裝置的分類

在隧道施工過程中不可避免會出現(xiàn)曲線施工，盾構(gòu)曲線施工過程中，由于盾體為剛性，因此不能與設(shè)計曲線完全吻合，所以只能采用折線擬合設(shè)計曲線。施工曲線半徑越小，盾構(gòu)的主機(jī)本身越長，曲線的擬合難度越大。采用鉸接裝置可以增加盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎的靈活度，減少土體的摩擦力和盾構(gòu)對土體的擾動。對于小曲線盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎施工，前鉸接可以根據(jù)開挖隧道的曲線半徑調(diào)整好盾構(gòu)中盾前部與中盾后部的中折角度，掘進(jìn)過程中將開挖面的隧道預(yù)先開挖成型，減少掘進(jìn)過程中的前進(jìn)阻力，并且在換刀時刀盤還有一定的回收空間便于土壓倉內(nèi)換刀，故前鉸接裝置在小半徑曲線施工應(yīng)用中具有絕對的優(yōu)越性，如圖2所示。

圖2 前鉸接的優(yōu)越性

4 前鉸接液壓控制系統(tǒng)

根據(jù)計算和經(jīng)驗(yàn)，1臺土壓平衡盾構(gòu)前鉸接型的鉸接液壓油缸的設(shè)計總載荷通常需要達(dá)到推進(jìn)油缸推力的80%以上，而后鉸接形式的鉸接油缸所需的拉力僅占推進(jìn)缸推力的25%左右。由于主動型的鉸接油缸載荷大，布置的數(shù)量相對較少，因此鉸接油缸外形尺寸比較大。根據(jù)管片的不同設(shè)計，推進(jìn)缸的布置也不相同，鉸接缸的布置也隨之改變，由于推進(jìn)缸和鉸接缸需要分開布置，因此使得盾構(gòu)的內(nèi)部空間較為擁擠。圖3為鉸接油缸的分布圖和液壓系統(tǒng)控制圖。為了便于監(jiān)測和控制刀盤的位置，我們根據(jù)象限將鉸接油缸分為4個區(qū)，分別為上、下、左、右4個區(qū)間，每個區(qū)間設(shè)有一個帶傳感器的鉸接油缸并且對稱分布，這樣即簡化了鉸接控制，也方便監(jiān)測盾體前部與后部的彎曲角度，便于導(dǎo)向系統(tǒng)的測量。

圖3 前鉸接液壓控制系統(tǒng)

5 前鉸接控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計和保護(hù)鉸接部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)和密封，前鉸接控制程序加入了許多限定條件，防止較大幅度的鉸接動作對鉸接密封和鉸接結(jié)構(gòu)的傷害。根據(jù)主動鉸接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將前鉸接裝置機(jī)械模型簡化為簡單的幾何模型，圖4所示為鉸接角度與鉸接油缸行程差的幾何模型。其中d1為左右?guī)鞲衅縻q接油缸的中心距離，d2為上下帶傳感器鉸接油缸的中心距離，θ1為鉸接裝置左右鉸接角度，θ2為鉸接裝置上下鉸接角度。

圖4 鉸接角度與鉸接油缸行程差的幾何模型

通過分析簡化的數(shù)學(xué)模型參數(shù)，可以根據(jù)鉸接油缸的行程和帶傳感器鉸接油缸的位置關(guān)系，計算出鉸接裝置前部與后部的彎曲角度（上下鉸接角度和左右鉸接角度），如圖5所示。在施工過程中可以根據(jù)隧道的轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)節(jié)鉸接裝置的鉸接角度，從而方便隧道盾構(gòu)小彎曲半徑的施工調(diào)向控制。

圖5 鉸接角度與油缸行程差關(guān)系

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)在曲線施工時的最小轉(zhuǎn)彎半徑和最大爬坡度，通過對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎和爬坡能力的模擬，得知鉸接裝置滿足最小轉(zhuǎn)彎半徑和最大爬坡度時的鉸接角度，根據(jù)最大鉸接角度和對鉸接裝置的保護(hù)得到如下鉸接活動區(qū)域，如圖6所示。通過計算軟件輔助完成前鉸接控制理論的計算。

圖6 鉸接的動作范圍

根據(jù)鉸接活動區(qū)域圖可知：左右轉(zhuǎn)彎處于最大鉸接角度時，左右油缸行程差為154mm（轉(zhuǎn)彎角度1.6°），而上下油缸必須控制行程差小于41mm（俯仰角度0.5°）；上下爬坡處于最大鉸接角度時，上下油缸最大行程差為83mm（俯仰角度1°），而左右油缸必須控制行程差小于77mm（轉(zhuǎn)彎角度0.8°）。圖中并集部分為鉸接的活動范圍。在曲線施工的操作中，如超出上述范圍時，鉸接密封容易損壞。當(dāng)出現(xiàn)此種情況時聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)啟動，這時必須進(jìn)行回直操作。

6 前鉸接控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)主動鉸接裝置的設(shè)計和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計主動鉸接的控制模型，選擇簡單液壓閥四區(qū)聯(lián)動控制模式，達(dá)到最優(yōu)控制目的，即根據(jù)象限對稱控制調(diào)節(jié)，如向左轉(zhuǎn)彎，左半部分油缸回收，右半部油缸伸出。基于這種控制模式設(shè)計簡便的控制界面，如圖7所示。這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是液壓系統(tǒng)設(shè)計簡單，電氣控制簡便，并且不會出現(xiàn)鉸接油缸的困油現(xiàn)象。研發(fā)的四區(qū)聯(lián)動的控制模式使調(diào)向更為靈活。

為了防止刀盤的卡死，在對鉸接裝置進(jìn)行操作時，必須滿足一定的操作條件，其中首要條件為刀盤啟動和鉸接泵啟動。在進(jìn)行鉸接轉(zhuǎn)彎調(diào)向時，上、下、左、右調(diào)向，全伸、全縮操作時，也必須滿足一定的保護(hù)條件。

圖7 鉸接控制界面

7 結(jié) 語

隨著地下空間的發(fā)展，小曲線半徑的隧道將會得到廣泛應(yīng)用。馬來西亞成功采用復(fù)合式前鉸接控制系統(tǒng)完成了150m小曲線半徑的施工。隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展，城市地鐵空間的限制愈來愈多，前鉸接盾構(gòu)將會越來越受市場歡迎，其將會給社會帶來更大的社會效益。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0050-03

［收稿日期］2015-01-12

Design and research of anterior articulated shield control system