盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙檢測(cè)技術(shù)研究

孫海力，閔銳，吳天華，吳恩啟

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

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通擁堵現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，已成為各大城市亟需解決的問(wèn)題[1-2]。針對(duì)這一問(wèn)題，交通隧道應(yīng)運(yùn)而生。盾構(gòu)法因其自動(dòng)化程度高、建設(shè)時(shí)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(shù)[3]。然而在施工過(guò)程中，由于盾構(gòu)機(jī)殼體受各種載荷影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定變形。由于盾尾處沒(méi)有固定支撐，變形較大，使盾尾與管片的間隙減小，而過(guò)小的間隙不利于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)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(jìn)速度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生滲漏[4-5]，危及操作人員的安全。

傳統(tǒng)盾尾間隙是人工測(cè)量，在盾構(gòu)機(jī)狹小的空間中，人工測(cè)量具有一定的安全隱患，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾尾間隙進(jìn)行了相應(yīng)研究。路亞緹等[6]將超聲波傳感器安裝在盾尾內(nèi)壁上，測(cè)量盾尾與管片外徑間的距離；孫連等[7]研制開(kāi)發(fā)SRGD 新型盾尾間隙檢測(cè)儀裝置，通過(guò)檢測(cè)儀對(duì)管片位置進(jìn)行檢測(cè)，利用公式進(jìn)一步推算出盾尾間隙；陳健等[8]利用激光線進(jìn)行標(biāo)定，采用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖片采集后，在視覺(jué)庫(kù)中進(jìn)行圖像處理得到盾尾間隙；GUO 等[9]為解決盾構(gòu)施工中盾尾間隙的測(cè)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的盾尾間隙自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)等技術(shù)分析盾尾間隙的圖像來(lái)計(jì)算盾尾間隙的大小。

以上研究雖提出多種對(duì)盾尾間隙進(jìn)行檢測(cè)的方法，但都有一定的局限性。因?yàn)? 臺(tái)儀器只能針對(duì)1 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，若想進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，則每增加1 個(gè)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)就需額外增加1 臺(tái)檢測(cè)儀器。本文基于上述方法，采用2 個(gè)激光測(cè)距儀相互配合，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，可以針對(duì)任意多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

1 測(cè)量原理

激光測(cè)距儀是向目標(biāo)發(fā)出一道激光，照射后反射并被測(cè)距儀接收，通過(guò)相位計(jì)算得到距離?；诖嗽恚捎? 個(gè)激光測(cè)距儀相配合進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)距儀安裝在管片拼裝機(jī)上，管片拼裝機(jī)由旋轉(zhuǎn)環(huán)和固定環(huán)構(gòu)成，固定環(huán)可沿軸向移動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)環(huán)可進(jìn)行軸向移動(dòng)及環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)。將測(cè)距儀1 安裝在管片拼裝機(jī)的固定環(huán)上，照射點(diǎn)為盾構(gòu)機(jī)中固定的中盾支架，測(cè)距儀隨管片拼裝機(jī)進(jìn)行軸向移動(dòng)照射，用于確定軸向移動(dòng)距離；測(cè)距儀2 則對(duì)盾尾進(jìn)行測(cè)量。考慮到照射不同角度可能需要安裝多個(gè)測(cè)距儀，照射的角度越多需要的測(cè)距儀也就越多。所以將測(cè)距儀2 及編碼器安裝在拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)環(huán)上，使其可隨旋轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)照射不同的角度，進(jìn)行徑向多點(diǎn)測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度通過(guò)編碼器顯示。

盾構(gòu)始發(fā)前，移動(dòng)拼裝機(jī)至待測(cè)截面處，此時(shí)激光測(cè)距儀1 至中盾支架的距離記為L(zhǎng)1，旋轉(zhuǎn)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)環(huán)，使激光測(cè)距儀2 轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ到達(dá)所測(cè)測(cè)點(diǎn)，此時(shí)激光測(cè)距儀2 與盾尾間的距離為L(zhǎng)2。

盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始工作分為兩個(gè)過(guò)程，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)及管片拼裝，每推進(jìn)一環(huán)，盾構(gòu)機(jī)停止工作，進(jìn)行管片的拼裝，拼裝完成后繼續(xù)推進(jìn)。在每一環(huán)的盾構(gòu)推進(jìn)完成，管片拼裝前，調(diào)整拼裝機(jī)軸向位置及旋轉(zhuǎn)環(huán)，使其達(dá)到始發(fā)前在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的位置，此時(shí)照射在盾尾上的距離由L2變?yōu)長(zhǎng)2A（如圖1（a）所示），則盾尾變形量ΔL 可由ΔL=L2-L2A計(jì)算得到，負(fù)值代表盾尾向內(nèi)凹陷，正值代表盾尾向外凸出。

圖1 激光檢測(cè)方法Fig.1 Laser detection method

每一環(huán)管片拼裝完成后，此時(shí)激光測(cè)距儀2 照射在管片而不是盾尾上，照射距離為L(zhǎng)2B（如圖1（b）所示）。假設(shè)管片厚度一定，記為T(mén)，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(cè)點(diǎn)的確定

為驗(yàn)證本文方法的可行性，采用選取測(cè)點(diǎn)的方式進(jìn)行測(cè)量。首先進(jìn)行受力分析，然后進(jìn)行有限元分析，通過(guò)有限元分析結(jié)果進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的選取。

2.1 受力分析

假定盾構(gòu)為直線掘進(jìn)，無(wú)需考慮盾構(gòu)前方土壓力及掘進(jìn)轉(zhuǎn)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(gòu)深度增加而增加；Q1，Q2——盾尾頂部及底部水平側(cè)向土壓力，kN/m2。

圖2 盾尾受力簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified stress diagram of shield tail

圖2 中受力可由式（2）計(jì)算得到

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

以溫州甌江口隧道施工的盾構(gòu)機(jī)為例，其盾尾的外徑、長(zhǎng)度及殼體厚度分別為14.87，4.54，0.12 m。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)施工到47 環(huán)時(shí)，其覆土厚度為9.24 m。根據(jù)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(gòu)機(jī)盾體由前盾、中盾及盾尾組成。在分析盾尾變形時(shí)，忽略一些細(xì)小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免計(jì)算過(guò)程中局部不收斂，簡(jiǎn)化后模型如圖3 所示。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到Workbench 中，進(jìn)行有限元分析。經(jīng)有限元分析得變形云圖，為使結(jié)果顯示明顯，將應(yīng)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(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model

圖4 變形云圖Fig.4 Deformation nephogram

2.3 測(cè)點(diǎn)分布

由分析結(jié)果可知，從軸向看，靠近盾尾尾部方向變形較大。對(duì)同一圓截面來(lái)說(shuō)，變形較大的區(qū)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(cè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的分布如圖5 所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of measuring points

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 激光測(cè)距儀的布置

在溫州甌江口隧道施工處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依照測(cè)距原理，將激光測(cè)距儀安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)及固定環(huán)上。由于盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行挖掘時(shí)，工作環(huán)境惡劣，激光測(cè)距儀的安裝需要考慮多方面的因素，在安裝時(shí)注意激光測(cè)距儀隨旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)碰撞，保證設(shè)備安全。激光測(cè)距儀現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖6 所示

圖6 測(cè)距儀的現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.6 Field installation of rangefinder

根據(jù)有限元分析得到的結(jié)果，選取盾尾變形較大的8 個(gè)點(diǎn)作為激光照射的角度。為保證測(cè)量結(jié)果可靠性，所選的8 個(gè)位置需要是盡可能平整的，沒(méi)有凹凸面和槽鋼、盾尾底部沒(méi)有積水，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)8 處不可避免地存在積水問(wèn)題，因此將此測(cè)點(diǎn)舍去。

轉(zhuǎn)動(dòng)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)環(huán)，根據(jù)編碼器所測(cè)實(shí)時(shí)角度，使測(cè)距儀2 依次照射1 號(hào)至7 號(hào)位置，每個(gè)位置照射15 s，照射距離都可在激光測(cè)距儀上顯示，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸裝置傳到電腦上。

3.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證此裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性，在盾構(gòu)推進(jìn)至47 環(huán)處時(shí)，將47 環(huán)激光測(cè)距儀測(cè)得的盾尾間隙同人工測(cè)得的盾尾間隙進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，本方案的測(cè)量方法測(cè)量得到的盾尾間隙與人工測(cè)量的誤差平均為3.5 mm，平均相對(duì)誤差為5.8%，可滿足工程要求。

表1 盾尾間隙測(cè)量結(jié)果分析Tab.1 Analysis of measurement results of shield tail

將激光采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到盾尾變形量，同有限元方法得到的變形進(jìn)行對(duì)比。圖7 為將變形量進(jìn)行放大后的比較圖。發(fā)現(xiàn)兩者變形趨勢(shì)相同，證明了激光測(cè)距的可行性，其中270°位置由于積水影響沒(méi)有進(jìn)行激光照射，按初始數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較，誤差較大。

圖7 盾尾變形對(duì)比圖Fig.7 Comparison of shield tail deformation

4 結(jié)論

本文采用激光測(cè)距對(duì)盾尾及管片進(jìn)行測(cè)量，2個(gè)激光測(cè)距儀相配合實(shí)現(xiàn)軸向徑向多點(diǎn)測(cè)量，能夠測(cè)量盾尾中空環(huán)處任意截面及測(cè)點(diǎn)。在工程實(shí)際中選取其中一個(gè)截面進(jìn)行測(cè)量，并同人工測(cè)量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，平均相對(duì)誤差僅為5.8%。本文方法極大降低了人工測(cè)量的安全隱患，盡可能地節(jié)約了成本，同時(shí)為盾構(gòu)正常運(yùn)行提供了保障。