（机械电子工程专业论文）盾构掘进的动态模拟显示系统研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的迅猛发展，全国各大城市的地铁工程、轨道交通、市政设施建 设的需求越来越大，而盾构法在隧道施工中有着无可比拟的优越性，基本上已 经取代了传统的钻爆法等施工方法。而在盾构施工过程中，盾构机是否沿着设 计轴线在一定的误差允许范围内推进，是衡量旌工质量好坏的一个十分重要的 环节。为了实现实际推进轴线在设计轴线的误差允许范围内，建立一套盾构施 工工程的监控管理系统就显得十分重要。本文结合上海地铁盾构设备工程有限 公司的“智能信息化盾构施工辅助系统技术研究”项目，对与盾构施工参数的 显示以及盾构掘进过程的动态显示进行了研究，为完善盾构施工监控管理系统 准备了条件。 在认真学习盾构机机械结构的基础上，理解盾构机施工工作原理。在本项 目的研究过程中，算机，地面监控室的计算机再将信息通过无线网络传送到公 司总部的服务器。同时服务器还将发布这些数据，这样只要拥有授权的用户就 可以在任何联网的地方了解到盾构施工的工况。盾构姿态的动态显示就是根据 这些实时数据编制而成，用以直观的盾构施工信息采取这样的传输方式：井下 盾构采集机采集到的数据传送给地面监控室的计显示盾构的工作情况。因为v b 语言有良好的数据接口功能，可以很方便的与其它应用程序实现数据交换，在 本项目的研究过程中，尝试了用v b 编写用户界面。但是用v b 实现复杂的运 动显示比较困难。u g 和o p e n g l 虽然具有良好的三维设计功能，但是在数据 接口方面比较复杂。所以最终选择了组态王作为编写用户界面的工具。组态王 不仅具有数据采集的功能，还能够编写生动的画面和方便的实现报警，同时还 具有数据的w e b 发布功能。 采集到的数据被存入数据库，组态王编写显示界面并且从数据库中取出实 时数据与显示界面相关联。这样，用户界面上的盾构姿态就能够反映实际盾构 的姿态了。当某些值不在许可的范围内时，将产生报警。 通过编写用户界面，工作人员可以直观的了解盾构施工情况，报警发生及 时作出处理，从而提高盾构施工的安全性和提高施工质量。 关键词：盾构机，监控系统，模拟显示，组念王 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h en e e do fs u b w a y , r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n a n dm u n i c i p a lc o n s t r u c t i o nb e c o m eb i g g e ra n db i g g e r a n ds h i e l d ，a sac o n s t r u c t i o n w a y i nt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，h a su n e x a m p l e ds u p e r i o r i t ya n dh a sb a s i c a l l yr e p l a c e d t h et r a d i t i o n a lc o n s t r u c t i o nm e t h o ds u c ha sd r i l l b l a s t i n gm e t h o d h o w e v e r , d u r i n g t h es h i e l dc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i ti sav e r yi m p o r t a n tp a r tt ow e i g ht h ec o n s t r u c t i o n q u a l i t yw h e t h e rt h es h i e l dm a c h i n eg ow i t ht h ed e s i g nl i n ew i t h i nt h ee l t o rr a n g e u n d e rt h ee a r t h i no r d e rt oi n s u r et h a tt h er e a lc o n s t r u c t i o nl i n eg ow i t ht h ed e s i g n l i n ew i t h i nt h ee r r o rr a n g e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt ob u i l dam o n i t o r i n gs y s t e mf o r s h i e l dm a c h i n ec o n s t r u c t i o n c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t r e s e a r c ho ni n t e l l e c t u a l i z e d a n di n f o r m a t i o n - b a s e da i d e ds y s t e ms h i e dc o n s t r u c t i o n ”，t h i sp a p e rc o n d u c tt h e s t u d yo fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e rd i s p l a ya n dd y n a m i cd i s p l a yo fd i g g i n g p r o c e s sa n d m a k es o m ep r e p a r a t i o nf o rs h i e l dc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m iu n d e r s t o o dt h es h i e l dw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s so nt h eb a s i so fs t u d y i n g m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fs h i e l d d u r i n gt h er e s e a r c hp r o c e s so ft h ep r o j e c t ，t h e c o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o nt o o kt h ef o l l o w i n gt r a n s m i s s i o nm e t h o d ：t h ec o l l e c t i o n c o m p u t e ru n d e rt h ee a r t ht r a n s m i tt h ed a t at ot h ec o m p u t e ro nt h em o n i t o r i n gr o o m o nt h ee a r t h ，t h e nt h ec o m p u t e ri nt h em o n i t o r i n gr o o ms e n dt h ed a t at ot h es e r v e ri n t h ec o r p o r a t ev i aw i r e l e s sn e t w o r k ，f i n a l l yt h es e r v e rw i l li s s u et h ei n f o r m a t i o no l l t h ew e b ，o n l yt h o s ew h oo w n e da u t h o r i z a t i o nc o u l dk n o wa b o u tt h ec o n s t r u c t i o n c o n d i t i o nb yi n t e m e t t h ed y n a m i cd i s p l a yi n t e r f a c ei sm a d eu pb yt h o s er e a lt i m e d a t ai no r d e rt os h o wt h ew o r k i n gc o n d i t i o no fs h i e l di n t u i t i v e l y b e c a u s ev bh a s g o o dd a t ai n t e r f a c ea n db e i n ga b l et oe x c h a n g ed a t aw i t ho t h e ra p p l i c a t i o ne a s i l y , d u r i n gt h er e s e a r c h ，w et r i e du s ev ba so u rt 0 0 1 b u ti ti sal i t t l ed i f f i c u l tt ou s ev b t oa c h i e v ec o m p l e xm o v e m e n td i s p l a y i n g a l t h o u g hu ga n do p e n g lh a v es t r o n g 3 - d i m e n s i o nd e s i g n i n ga b i l i t y , i ti sal i t t l ed i f f i c u l ti nd a t ai n t e r f a c e s ow ec h o o s e k i n g v i e wa so u rt o o lf i n a l l y k i n g v i e wn o to n l yo w nt h ed a t ac o l l e c t i o na b i l i t yb u t a l s oc o u l dm a k ev i v i dp i c t u r ea n dr e a l i z ea l a r m i n ga b i l i t y i na d d i t i o n ，i th a sa b i l i t y i i t oi s s u ei n f o r m a t i o no nw e b t h ed a t ac 0 1 l e c t e di ss t o r e di nt h ed a t a b a s e w eu s e k i n g v i e wt om a k ed i s p l a y i n t e r f a c ea n dt a k et h ed a t ao u tt oa s s o c i a t e dt ot h ei n t e r f a c e i n t h i s w a y , t h es h i e l d g e s t u r ei nt h ei n t e r f a c ec o u l d r e n e c tm ea c t u a lg e s t u r e w h e ns o m ev a l u e si so u t o f t h es a f er e g i o n ，a l a r m i n gw i l lh a p p e n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt w ok i n d so fd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n 锄1 s s l o n a i l da l s o i n l | r o d u c c dm ew a yo fm a k i n gp a r a m e t e ri n t e r f a c e ，d y n a m i c i n t e r f a c e ，a l a r m i n g i n t 锄c e 觚dr 印o r tf o mi n t e r f a c e i te s p e c i a l l yi n t r o d u c e dh o w t oi s s u e1 n 士o n n a t l o n o nt l l ei n t e m e t b ym a k i n gu s e ri n t e r f a c e ，w o r k e rc o u l d k n o wa b o u tt h ew o r k i n g c o n d i t i o no fo u rs h i e l d ，k n o w i n ga l a r m i n g c o n d i t i o n sa n dg i v ef e e d b a c ks ot h a tt h e c o n s 咖c t i o ns e c 嘶t yc a nb eg u a r a n t e e da n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t y c a l lb e1 m p r o v e d k e yw 。r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，m 。n i t o r i n gs y s t e r n ，s i m u l a t e dd i s p l a y ，k i n g v i 洲 i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：鸯圣夤 l ，、l 芳年月f _ 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：雪婧 咖暑年弓月7 日 第一章绪论 1 1 盾构法简介 第一章绪论 盾构机是在软土、软岩和破碎含水地层中修建隧道时，进行开挖和衬砌的 一种专用机械设备。采用盾构施工的方法，称盾构法。 隧道盾构的主体部分是一可移动的钢套壳。该套壳插人士内，于永久衬砌 之前用以支撑隧道四周的地层，以保证永久衬砌的施工而免去临时支撑。此 套壳称为盾壳，由高强度钢制成。 盾构外壳断面一般为圆筒形，也有的按隧道使用要求而做成矩形、马蹄形 或半圆形等。圆形是最好的承载形状，制造成本相对较低；且可使不同位置的 衬砌管片标准化与互换，并可方便地用螺栓联结。因此，以圆形截面的盾构居 多。 随着经济技术的发展，很多城市的规模扩展很快，各项建筑和道路的下部 结构也因而更加密集化。随着城市空地面积的减少，在城市建设中需要大量开 发地下空间，如地下隧道、上下水道、供电通信地下道等地下工程，以缓和地 面上的拥挤现象；同时需要一种有效的施工方法，能适应城市施工的特点。用 盾构进行隧道施工的盾构法无疑能满足我们的要求。它具备如下技术特点： 1 、对城市的正常功能及周围环境的影响很小。 2 、盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。 3 、对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求 非常之高，管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。 4 、盾构施工是不可后退的。 1 2 盾构法施工流程 盾构法施工是以盾构( s h i e l d ) 作为施工机械在地面以下暗挖修筑隧道的一 种施工方法。盾构是一种钢制的活动防护装置或活动文撑，既能支撑地层压力， 又能作为活动钢制回形或半圆形装置在地层中推进。盾构是通过软弱含水层， 特别是江河底、海底以及城市中心区修建隧道的一种机械，是一种集开挖、支 第一章绪论 护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗控隧道施工机械，主要用于软弱、 复杂地层的隧道施工。 盾构在隧道施工中的主要作用是： 1 、将隧道前端新拼装的约二环衬砌的外周用盾构壳体支护，形成外部支撑， 在盾壳的掩护下开挖地层及装配隧道衬砌。 2 、盾构壳体为内部结构所支撑，在内部结构中如有必要时可添设水平及竖 向隔板，将盾构分隔成一些小工作室，既增加了盾构的刚度又带来了操 作上的方便。 3 、盾构后部盾尾部分无内部支撑结构，可在其掩护下拼装隧道衬砌。 4 、盾构的掘进靠液压千斤顶顶在已拼装好的隧道衬砌环上向前推进。 盾构法旅工工艺如图i 1 所示。 埴土储仓和斗 击舒 龙rj 吊车 泥浆处理没备 r 一 日i l 1 支翔南擘盖i再 剿 目 i 一 弋 竖井 辅( 和 散 u 皮带运输机盾构机 n。j 鹭界髦蠹霪甄釜裂 ，i ，、 | ， 电艇车 、斗车 疸浆注入车曾片运输车 螺旋输送树 图1 1 盾构法施工示意图 盾构法施工的主要施工工序流程为： 1 、在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井。 2 、盾构在起始端工作并内安装就位。 3 、依靠盾构千斤顶推力( 作用在己拼装好的衬砌环和工作井后壁上) 将盾构 从起始工作井的墙壁开孔处推出。 2 第一章绪论 4 、盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管 片o 5 、及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置。 6 、盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推 进。 1 3 盾构施工国内外发展动态 盾构掘进机已有1 8 0 余年的发展历史，它在较松软土层的地下空间开发中 已得到越来越广泛的应用。1 9 世纪初，世界上第一次用盾构法建造了伦敦泰晤 士河下的一条高6 8 m 、宽1 1 4 m 的矩形隧道。从此，开始了它的发展历程。 2 0 世纪初，盾构施工法在美国、英国、德国、法国、前苏联等国家得到进一步 推广，大量用于公路隧道、地铁和下水管道等工程，并在加气压施工和盾尾注 浆等方面有了突破和发展。2 0 世纪6 0 年代后，盾构法在同本东京、大阪等城 市大量用于地铁建设和下水道等市政工程。据不完全统计，到1 9 8 5 年3 月，同 本已生产各种盾构5 0 0 0 台，建造了几千公里的各种隧道1 2 j 。 在我国，从各地盾构的使用情况看来，我国盾构技术已经全面进入使用闭 胸式盾构的阶段，尤其是土压平衡式盾构的使用已经非常广泛。经过这些工程 实践，在盾构施工对周围影响的控制、盾构出发到达技术、管片制造技术等方 面有了一定的经验积累，完成了一些与已有建筑物超近距离、相邻隧道超近距 离的高难度施工，并结合我国国情，摸索出盾构机反复使用的方式和方法，解 决了很多工程实际问题。 经过4 0 多年的发展，我国的盾构掘进机技术已具备一定水平，仅上海地区 就生产了1 0 0 多台盾构( 其中包括小口径的顶管掘进机) ，建造了1 0 0 多公罩的 各种隧道，其技术水平已基本能够满足城市建设的需要。 1 。4 盾构的分类 盾构的类型很多，可按盾构的断面形状、开挖方式、盾构前部构造和排水 与稳定开挖面方式进行分类。 第一章绪论 表1 1 盾构挖掘方式分类 挖掘构造 方式类型 盾构名称开挖面稳定措施适用地层附注 地质稳定或松辅以气 普通盾构临时挡板支撑千金项 软均可压，人工 棚式盾构 将开挖面分成几层，利用砂的安 砂性土 井点降 手 息角和棚的摩擦水及其 工 敞胸他地层 挖 网格式盾构利用二和钢制瑚状格棚的摩擦粘j 卜淤泥 加同措 掘 施 胸板局部开孔，依靠盾构千斤顶 式 半挤压盾构软可塑粘士 推力上砂自然流入 闭胸 全挤压盾构胸板无孔，冬迸_ ：淤泥 ，卜质坚硬，稳 反铲式盾构 手摁式盾构装上反铲式挖f ：机 辅助措 定面能自立 施 旋转式盾构手掘式盾构装上软岩堋进机软岩 旋转刀箍式盾 构 单刀盘加面板，多刀盘加面板软岩 无辅助 坐 敞胸 插刀式盾构 千斤顶支撑捎上板 硬土层 措施 机 械 局部气压盾构面板与隔板间加气压含水松软地层 挖 含水地层冲积 掘泥水加压盾构面板与隔板问加有压泥水 层、洪积层 式 淤泥，淤泥夹辅助措 土压，f 衡盾构淤泥，淤泥夹砂 闭胸 砂施 网格式挤压盾 淤泥淤泥 构 按盾构断面形状不同可将盾构分为：圆形、拱形、矩形和马蹄形四种。圆 形斟其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件， 易于更换，因而应用较广泛。按开挖方式不同可将盾构分为：手工挖掘式、半 机械挖掘式和机械挖掘式三种。按盾构前部构造不同可将盾构分为：敝胸式和 闭胸式两种。按排除地下水与稳定开挖面的方式不同可将盾构分为：人工井点 降水、泥水加压、土压平衡式的无气压盾构，局部气压盾构，全气压盾构等。 随着现代科技越来越多地应用于隧道与地下工程学科，盾构机械的种类越来越 多，适用性也越加广泛，为进一步了解盾构性能和适用条件，可将盾构按挖掘 4 第一章绪论 方式分类列表分析，见表1 1h i 5 1 。 盾构机按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为全敞开式、半敞开式及密封 式三种。具体划分如图1 2 所示。 所谓全敞开式，是指没有隔墙，大部分开挖面呈敞露状态的盾构机。根据 开挖形式，这种盾构机又分成手掘式、半机械式及机械式三种【6 】。这种盾构机 适用于开挖面自稳性好的因岩。开挖面不能自稳的地基，需要结合使用压气施 工法等辅助施工法，以防止开挖面坍塌。 所谓半敞开式是指挤压式盾构机。这种盾构机的持点是在隔墙的某处设置 可调节开口面积的排土口。 盾构机 全敞丌式 半敞开式 挤压式 密封式 三二! 三三三压式 图1 2 盾构机分类图 密封式盾构机是在机械开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖土砂送人开挖面 和隔墙间的刀盘腔内，由泥水压力和土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。 密封式盾构机又分成泥水式盾构机和土压式盾构机f 7 】。 1 5 盾构的构造 根据盾构机的种类不一样，其构造也有所不同。在这罩只介绍我们在上海 地铁中广泛使用的土压平衡盾构。土压平衡盾构是在总结泥水加压盾构和其他 类型盾构优缺点的基础上发展起来的一种新型盾构，在结构和原理上与泥水加 压盾构有很多相似之处。 式 式 械 式 掘 机 械 手 半 机 厂r、【 式乐加 式 土 浆 泥 泥 _，v_l 第一章绪论 土压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、拼装机构和附属机构等组成。 其主要结构如图1 3 所示。 图1 3 士压平衡盾构 1 一切削刀盘；2 一泥土舱；3 一密封装置；4 一支承轴承；5 一驱动齿轮；6 一液压马达； 7 一注浆管；8 盾壳；9 一盾尾密封装置；1 0 一小螺旋输送机；1 1 一人螺旋输送机驱动液压 马达；1 2 一排十闸门；1 3 一火螺旋输送机门；1 4 一闸门滑阀：1 5 一拼装机构；1 6 一盾构千 斤顶门；1 7 一大螺旋输送机叶轮轴；1 8 一拼装机转盘；1 9 一支承滚轮；2 0 一举升臂；2 1 一 切削刀；2 2 一主刀槽；2 3 一副刀槽；2 4 一超挖刀；2 5 一主刀梁；2 6 一副刀梁；2 7 一固定鼓； 2 8 一转鼓；2 9 一中心轴；3 0 一隔板；3 1 一真圆保持器 l 、盾壳 设置盾构外壳的目的是保护掘削、排土、作衬等所有作业设备、装置的安 全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。一台盾构机的外壳沿纵向 从前到后可分为前、中、后三段，通常又把这三段分别称为切口、支承、盾尾 三部分。 ( 1 ) 、切口 该部位装有掘削机械和挡土设备，故又称掘削挡土部。 ( 2 ) 、支承 支承部即盾构的中央部位，是盾构的主体构造部。因为要支承盾构的全部 荷载，所以该部位的前方和后方均设有环状梁和支柱，由梁和支柱支承其全部 荷载。 对敞开式、半敞开式而言，该部位装有推动盾构机体前进的盾构千斤顶， 6 第一章绪论 其推理经过外壳传到切口。对封闭式盾构而言，支承部空间内装有刀盘驱动装 置、排土装置、盾构千斤顶、中折机构、举重臂支承机构等诸多设备。 ( 3 ) 、盾尾 盾尾部为管片拼装空间，该空间内装有拼装管片的举重臂。为了防止周围 地层的土砂、地下水及背后注入的填充浆液窜入该部位，特设置尾封装置。 2 、开挖机构 开挖机构由切削刀盘、泥土仓、切削刀盘支承系统、切削刀盘驱动系统等 部分组成。除泥土仓不同于泥水室外，其余基本上同泥水加压盾构。 土压平衡盾构的泥土仓是由刀盘、转鼓、中间隔板所围成的空间，转鼓呈 内锥形，前端与切削刀盘外缘连成一体，后端与中间隔板相配合。泥土仓与开 挖面之间的唯一通道是刀槽，其余处于完全封闭状态。 3 、推进机构 推进机构主要由盾构干斤顶和液压设备组成。盾构干斤项沿支承环圆周均 匀分市，干斤顶的台数和每个千斤顶推力要根据盾构外径、总推力大小、衬砌 构造、隧道断面形状等条件而定。 盾构千斤顶支座一般用铰接形式与千斤顶端部联结以使千斤顶推力能均匀 分布在衬砌端面上，尤其在曲线段施工时铰接支座更有必要。 4 、拼装机构 拼装机构即为衬砌拼装器，其主要设 备为举重臂，以液压力动力。一般举重臂 安装在支承环后部。中小型盾构因受空间 限制也有的安装在盾构后面的台车上。举 重臂可以作旋转、径向运动，还能沿隧道 中线作往复运动，完成这些运动的精度应 能保证待装配的衬砌管片的螺栓孔与已拼 装好的管片螺栓孔对好以便插入螺栓固 定。 5 、真圆保持器 真圆保持器是为把衬砌环组装在正确位置上 而设置的调整设备，以项伸式为最多，如图 1 4 所示。 7 滚惑 黼蹴 蹩彰 图1 4 环形保持器 1 一转盘：2 一支承滚轮；3 一径向伸缩 臂；4 一横向伸缩臂；5 一举重臂； 6 一爪钩：7 一平衡重 第一章绪论 6 、排土机构 土压平衡盾构的排土机构由大螺旋输送机、小螺旋输送机、排土闸门、闸 ? 丁滑阀、驱动马达等组成 8 1 。 排土闸门是土压平衡盾构的关键部位，常用的排土闸门形式如图1 5 所示。 图1 5 排士阀门形式 a ) 活瓣式；b ) 网转叶轮式：c ) 阀门式 7 、附属机构 土压平衡盾构的附属机构由操作控制设备、动力变电设备、后续台车设备 等组成。在操作控制设备中，土压平衡盾构重点是对土压的管理，土压管理主 要是通过电子计算机将安装于盾构有关重要部位的土压计信号收集并综合处 理，进行自动调节控制。或者发出信号，指示出有关数据进行人工调节控制。 1 6 土压平衡盾构的工作过程 土压平衡盾构的工作过程为：开启液压马达，驱动转鼓带动切削刀盘旋 转同时开启盾构千斤顶，将盾构向前推进。土渣被切下并顺着刀槽迸人泥土 仓。随着盾构千斤顶的不断推进，切削刀盘不断地旋转切削，经刀槽进入泥土 仓的土渣不断增多。这时丌启螺旋输送机，调整闸门，使土渣充满螺旋输送机。 当泥土仓与螺旋输送机中的土渣积累到一定数量时，开挖面被切下的土渣经刀 槽进入泥土仓内的阻力加大，当这个阻力足以抵抗七层的土压力和地f 水的水 压力时，开挖面就能保持相对稳定而不致坍塌【9 j 。这时，只要保持从螺旋输送 机与泥土仓中输送出去的土渣量与切削下来流入泥土仓中的土渣量相平衡，开 挖工作就能顺利进行。土压平衡盾构就是通过土压管理来保持土压力或上渣量 的相对平衡与稳定来进行工作的。 土压平衡盾构能适应较大的土质范围与地质条件，能用于粘结性、非粘结 性，甚至含有石块、砂砾石层、有水与无水等多种复杂的土层中。土压平衡盾 第一章绪论 构无泥水处理设备施工速度较高，比泥水加压盾构价格低廉，能获得较小的 沉降量，也可实现自动控制与远距离遥控操作。 土压平衡盾构也有缺点：土压平衡盾构由于有隔板将开挖面封闭，不能直 接观察到开挖面变化倩况，开挖面的处理和故障排除较为困难。切削刀头、刀 盘盘面磨损较大，刀头寿命比泥水加压盾构短，要求刀头的耐磨性高。 1 7 课题背景 我国的轨道交通工程大多采用了盾构法区间隧道建设工法。除此之外，盾 构法隧道施工在诸如地下供水隧道、合流污水管道、供电和通讯电缆隧道、煤 气管道等方面的应用也日渐普及。盾构法以其独特的优越性在城市交通及市政 工程中发挥着作用。据不完全统计，我国今后二十年内，各类隧道所需投入的 各类盾构机的总量将达到2 0 0 0 台之多。 随着盾构机技术的发展，由手工操作到辅以计算机监控，机械化施工不断 地得到发展和完善，盾构技术也日趋成熟。近年来，为了实现城市地下隧道施 工的高效及安全性，盾构掘进机的自动化技术得到了发展。自动化技术应用于 盾构法施工的目的之一就是使盾构机尽量准确地沿设计路线自动推进，保证尽 量少的环境破坏，从而保证施工质量和安全，加快施工进度，节省人力、物力。 盾构推进时，其姿态控制的好坏与周围环境的影响程度有很大的关系。为了降 低盾构施工中事故的发生率，减少对周围土体的扰动和对环境的破坏，控制盾 构的实际施工轴线沿着设计轴线前进就显得十分必要，这也是衡量施工质量好 坏的最重要的标准之。 我国现阶段利用盾构法进行轨道交通的施工过程中，主要是通过经验丰富 的工程人员根据自己的经验判断，然后手动的调节相应的控制器，保证施工的 顺利进行。这样不利于保证施工的质量。也不利于连续作业，降低了施工的效 率。另一方面，仅仅是通过经验的判断，施工的信息不能够得到记录很分析， 也不利于研究和提高施工的技术水平。随着盾构施工在国内的需求越来越大， 盾构施工中暴露的问题也越来越明显。智能信息化盾构施工辅助系统技术研究 就是在这种情况下提出来的，意在通过对盾构掘进施工中现有姿态数据的测量 和分析，对影响盾构姿态的地质条件进行探测，寻找影响盾构掘进姿态的参数 及其变化规律，制定一整套针对掘进过程中的精确动态测量系统和自动化咨询 9 第一章绪论 控制系统，为实现我国盾构掘进自动化施工提供依据。本项目的特点在于通过 对盾构掘进施工过程中姿态的动态定位测量，利用已有影响因素规律提出掘进 姿态的原始控制信息，尤其是结合对掘进线路前方地质情况的随时动态探测， 分析相应对姿态的影响，修改控制姿态参数数据库，形成新的控制参数，利用 控制器实现盾构姿态的调整。 本项目的研究成果对于解决大断面、大深度、长距离的地下空间开发技术 难题、研制深层地下工程施工新装备具有重大意义。可为上海轨道交通4 号线 修复、中环线、铁路南站、m 8 线等重大城市基础设旋建设提供强有力的科技 支撑。为全国其它大城市的地下空间开发提供技术支持和示范作用【l o 】【i l 】。 智能信息化盾构施工辅助系统技术研究的目的是实现盾构掘进机地掘施工 的智能化和信息化。其预期效果要实现对盾构掘进过程中的姿态测量实现自动 化、对开挖面的地质情况探测实现专家系统化，通过对专家库的处理，为盾构 姿态控制的智能化提供依据，通过自动化测量的数据和地质探测的专家库分析 结果得出正确的盾构姿态，实现盾构姿态控制的智能化，同时将相关数据和信 息和数据利用文字、表格或图像形式利用网络进行传输，实现全程和实时监控 即数据信息网络化。其创新之处在于对盾构姿态的控制是建立在开挖面前方的 地质情况信息，在专家库控制器的分析处理得到控制参数，结合自动测量系统 的定位完成姿态控制操作。 圉j 豳一j 因 图1 6 本项目各模块之间的联系 1 0 第一章绪论 本项目研究包括现有姿态的动态测量、盾构隧道开挖面前方的岩层地质因 素的动态探测，专家系统的判断识别，由控制器形成对隧道掘进姿态的参数， 相应调整盾构姿态，并将相关参数通过网络传给中央控制中心用于实时掌握盾 构施工情况。根据对研究对象和目标的分析，确定本课题包括四个方面的内容， 分别是盾构既有姿态的动态测量、开挖面前方的地质情况探测、盾构姿态的调 整与控制、盾构姿态及施工状态参数信息的网络化传输。相关影响关系如图2 1 所示。 1 8 课题研究内容及思路 本课题是智能信息化盾构施工辅助系统的一个子模块，旨在研究盾构施工 信息和盾构施工过程中姿态的显示。给工程人员提供良好的界面，提高系统的 可读性。界面的显示离不开后台的程序支持，离不开对大量数据的使用。同时 不同的信息传输方式也会导致不同的信息显示方式。因此本论文介绍了信息的 传输方式、对实现盾构姿态动态显示的几种方法作了比较，最终选用组态王作 为开发显示系统的工具。同时对界面系统的设计作了详细的研究，特别分析了 报警事件的处理。另外，随着工程的进行，还研究了将显示界面发布到网络上， 使工程人员或公司的管理层在有网络连接的任何地方都可以实时的了解盾构情 况，提高了施工的监控力度。 总的来说，本文是智能化盾构施工辅助系统技术研究这个研究课题下的一 个方面，主要内容包含将各施工现场的情况数字化、表格化、图像化、声音化， 将盾构姿态测量结果、地质情况、控制结果和操作提示表示出来同时将盾构现 有姿态图形3 d 显示。即编制一套盾构施工信息的显示系统，用与反映盾构的 施工情况。这套系统通过远程监控技术，利用网络传输，在监控中心显示出来。 第二章盾构施工在线远程传输监控综述 第二章盾构施工传输监控综述 2 1 建立盾构施工监控系统的必要性 为便于对现场情况的掌控，同时减少工作人员在现场的工作量，保证工作 人员的安全性的基础上提高工作效率，对盾构掘进过程的实时监控显得十分有 必要。在盾构施工过程中，实际施工轴线是否严设计轴线前进是衡量施工质量 好环的一个非常重要的因素。如果没有沿着设计轴线前进，可能会导致一系列 严重的问题，例如地表沉降等。因此建立一套完整的监控系统就显得十分必要， 工程人员可以随时了解施工情况，随时对施工路线进行调整，提高施工质量和 降低施工风险。了解盾构掘进施工过程中的控制方式，可以更加容易理解盾构 施工过程中偏差的产生和如何进行纠偏。 2 1 1 盾构推进操纵与纠偏概述 盾构脱离工作井的导轨进入地层后，随着工作面的不断开挖，盾构也不断 向前推进。盾构推进过程中应保证其中轴线与隧道设计中心线的偏差控制在规 定范围内，而导致盾构偏离隧道中线的因素有很多，如土质不均匀，地层中有 孤石等障碍物造成开挖面四周阻力不一致，盾构伸出的千斤顶的顶力不一致， 盾构重心偏于一侧；闭胸挤压式盾构有明显上浮，盾构下部土体流失过多造成 盾构叩头下沉；还有因衬砌环缝的防水材料压密度不一致等，累积起来会导致 后座面不平整等。这些因素会使盾构推进轨迹变成蛇行一样左右偏差或时起时 伏等。因此，在盾构推进过程中要随时精确测遣，了解偏差量并及时纠偏。由 于盾构是一个很笨重的机具，所以纠偏盾构的位置是一个较复杂的问题。目前 盾构操纵与纠偏主要采取以下几个方面的措旌来综合。 1 、正确调整盾构千斤顶工作组合 每个盾构的四周均匀布置有几十个千斤顶承担盾构推进，一般应对这些千 斤顶给予分组编号，进行工作组合。在施工中每次推进后应测量盾构轴线在地 下空间的位置( 方位) ，再根据每次纠偏量的要求，决定下次推进时启动哪些编 号的千斤项和要停开哪些编号千斤顶，一般停开偏离方向相反的千斤项；如果 1 2 第二章盾构施工在线远程传输监控综述 盾构已右偏，则应向左纠偏，故停开左边千斤顶，开启右边的千斤顶。停开的 千斤项应尽量少，以利提高推进速度，减少液压设备的超负荷而降低其损坏。 由于纠偏常常是平面位置与高程均须要纠偏，因此重点要确定停开与偏离方位 处的几只千斤项，如盾构叩头就应将盾构先予以抬高，抬高的数量应是很有限 的，一般是抬高2 3 c m 左右，以免引起衬砌拼装的困难和对地层过大的扰动。 在本文中，主要考虑这种纠偏方式。 2 、盾构推进纵坡和曲线控制 盾构推进时的纵坡和曲线段施工，是靠调整千斤顶的工作组合来控制。纵 坡控制的目的是纠正其高程与隧道设计高程的偏差。一般要求每次推进结束时， 盾构纵坡亦尽量接近隧道设计纵坡、设计高程和方位。其中在稳坡推进时，能 保证每环推进中盾构纵坡始终不变；变坡推进，盾构每推进一环时，先压后抬 和先抬后压分别适用于高程偏高和偏低的情况，但应尽量少采用为宜。 3 、调整开挖面的阻力 调整开挖面阻力不均也能获得较好的纠偏效果。调整方法应根据开挖方式 的不同而不同：如敞胸式开挖，可用超挖或欠挖来调整；闭胸挤压式盾构，可 用调整进土孔位置及开孑l 率来实现；密闭切削式开挖，可通过切削刀盘上的超 挖刀与伸出盾构外壳的翼状阻力板来改变推阻力，达到纠偏目的。 4 、控制盾构自转防止盾构旋转【l 3 】 盾构在施工过程中，由于受各种因素的影响，将会产生绕盾构本身轴线的 自转( 旋转) 现象。严重时会对液压系统的运转、对盾构的操纵与推进及拼装衬 砌、对隧道施工测量及各种设备的正常运转带来严重的影响。盾构产生旋转的 主要原因有：盾构重心不通过轴线；施工时对某一方位的超挖环数过多；大型 旋转设备( 如举重臂、切削大刀盘和转盘旋转等) 的旋转等。控制盾构自转的方 法是：在盾构旋转方向的反方向一例增加压重，可从十几吨到几十吨，乃至上 百吨重压。此外，在盾构两侧安装水平阻力板和稳定器，控制盾构自转；还可 改变大设备的转向及调换拼装衬砌左右程序，也有一定效果。 2 1 2 盾构掘进施工过程控制方式 由于盾构在地下工作，掘进过程中会受到土层的各种阻力，为确保盾构能 第二章盾构施工在线远程传输监控综述 够正常掘进，首先必须由推进系统克服推进过程中所遇的各种阻力，考虑盾构 机具有大功率、变负载和动力远距离传递与控制等特点，其推进系统都采用液 压系统来实现动力的传递、分配与控制。系统主要由设在密封仓隔板后部沿盾 构圆周分布的3 0 台推进液压缸组成，由液压泵提供高压油，加上液压管路和液 压阀件组成系统o 液压缸形式有单节和双节两种，均匀分成五组安装，并以分 布圆周圆心为中心成对交叉布置。在掘进施工中，刀盘需要按照指定的路线轨 迹轴向前进，因此刀盘或刀架的精确进刀与对刀是非常重要的，而被切削的地 质比较复杂，整个刀盘盘面受到地层的阻力往往不均，使刀盘的掘进方向发生 偏离，这时就需要通过协调控制推进液压缸来实现盾构姿态的调整。如上所述， 推进系统液压缸数量众多，集中控制较为复杂，为此，采用分组控制，即将为 数众多的推进液压缸按圆周均匀分成a ，b ，c ，d ，e 五组，对每组推进液压缸分别 进行控制，通过各分组液压缸的协调运动来调节盾构机掘进过程中的前倾后仰、 左右摆动及其复合方向上的掘进姿态。 此外，盾构施工中，同时要保证刀架、中心轴及整个盾构的轴向稳定性， 这就要求推进液压缸在克服掘进反推力的同时，还必须维持恒定的剩余推力。 其不稳定因素来源于地层的不同阻力，使得反推力发生随机变化，需采取相应 的压力控制措施。在盾构掘进过程中，推进系统既要满足推进力的要求又要完 成盾构推进速度的控制要求，因此，单纯的力控制系统或速度控制系统均无法 满足要求，两种控制方案应结合起来共同完成盾构掘进过程中的控制要求， 故此，在系统的独立分组中，普遍采用了压力流量复合控制方式。 匝囹 氅睦梗瑚一l s 巨堕囹 2 1 盾构推进系统控制原理图 从中我们可以得出以下结论：盾构机在掘进过程中，为了满足隧道工程的 1 4 第二章盾构施工在线远程传输监控综述 施工要求，对推进系统应进行合理的分组协调控制。如实际施工中，往往要求 严格控制推进过程中地表的沉降，这就对系统的推进速度提出较高要求；此外， 由于盾构在地下掘进过程中遇到的地层变化多样，因而水土压力往往连续变化， 为了保持土压平衡，必须针对水土压力及时调整推进液压缸供油压力；再者， 在盾构施工中，隧道轴线与设计曲线的偏差量是衡量盾构施工质量的一个重要 指标，为达到要求，通常需要合理调节推进系统不同分组的推进压力以得到所 需扭转力矩来完成盾构姿念的调整要求。为此，将电液比例控制技术应用于推 进系统，对推进液压缸进行压力流量的复合比例控制。控制原理简图如图2 2 所示【5 1 。 2 1 3 盾构施工路线偏差的主要因素及常用纠偏措施 盾构机掘进姿态控制，是指控制盾构在按照已经设计规划好的空间轴线的 允许偏差范围内前进。在盾构实际施工中，应严格保证盾构掘进中的轴线定位 走向与设计轴线尽可能一致，减少盾构纠偏量，从而缓解因盾构纠偏对周围土 层的剪切挤压扰动，也有利于控制盾尾与管片后背间的间隙，减少地层损失， 提高旋工质量。 根据实际施工经验，产生隧道轴线走向偏差的主要因素有以下几个方面： 1 、分组液压缸推力不均衡； 2 、个别推进液压缸漏油失控； 3 、开挖面排土不均衡； 4 、沿环圈注浆压力不对称； 5 、管片拼装误差； 6 、工程地质条件出现突变或渐变： 7 、盾构掘进速度不j 下常等等。 对姿态控制，往往规定严格的纠偏控制标准，隧道实际掘进轴线与设计轴 线间的偏差，当水平偏差或高程偏差 3 0 m m 时，就需要进行纠偏。针对以上影 响盾构掘进姿态的原因，常用的纠偏措施有： 1 、调整分组液压缸推力； 2 、改进注浆方式和浆液性质； 3 、校正定位管片的倾斜度； 第二章盾构施工在线远程传输监控综述 4 、减小一次纠偏的幅度等等。 实际施工中，为了增强控制系统的实时性，最有效的姿态调整方法是调整 盾构推进液压缸推力大小和合力作用点的位置，依此来产生旋转力矩，并根据 需要调整旋转力矩的大小和方向，从而控制盾构的姿态。其控制方案通常分为 人工与自动两种。在人工方式下，盾构操作者根据姿态测量系统检测到的盾构 姿态数据，分析实际掘进轴线与设计轴线的偏差，协调控制各分组液压缸的压 力，完成掘进姿态的调整。在自动方式下，则采用由数据库、知识库和专家系 统构成的掘进方向自动控制系统，系统流程如下所示： 1 、数据的提供与数据库的建立 自动测量系统每隔2 5 s 收集一次盾构方向和位置数据及盾构的速度、推力 等数据，并根据这些数据建立数据库。 2 、修正量的确定 根据盾构现在的位置数据，计算与设计线的偏差值( 误差) ，绘出平顺回复 到设计线位置的修正线。然后，按照修正路线计算修正量( 修f 偏角) 。 3 、扭矩矢量的计算 决定修正量和改变盾构方向的必要扭矩( 旋转力) 时，要分别计算水平方向 扭矩与垂直方向扭矩。计算用旋转扭矩公式( 偏角一旋转公式) 。为了能与围岩 变化相适应，要根据1 0 0 个最新的数据，并用最小二乘法计算出必要的修正水 平方向扭矩与垂直方向扭矩，然后合成扭矩矢量。 4 、扭矩矢量的修j 下 控制盾构方向时，必须考虑盾构特点，围岩特性和变化，因此，要根据以 往的数据和经验来决定扭矩修正量