（机械电子工程专业论文）超大直径15米泥水平衡盾构主要机构的控制系统研究.pdf

摘要 摘要 目前，对于大型泥水平衡盾构的自动控制与数字化统一管理是全球盾构界 共同关注并急待解决的诸多问题之一，基于此，本文围绕建立大型泥水平衡盾 构的自动泥水气压平衡控制系统和自动姿态调节系统两大主题展开了深入系统 的研究。 本论文主要的研究工作和成果如下： 1 建立了考虑地基应力和孔隙水压力的泥水平衡盾构开挖面泥水支护压力 的计算模型，并根据泥水平衡盾构在不同工况时开挖面前方土体的受力情况， 得出了不同工况时盾构理论泥水支护压力的确定方法。 2 根据泥水平衡盾构不同于其它类型盾构的特殊的开挖面支护型态，分析 了泥水平衡盾构在掘进时所需克服的各种阻力，建立了泥水平衡盾构总推力的 精确计算方法。 3 通过深入分析，确定了泥水平衡系统中泥水回路和气压回路主要参数的 取值原则，其中详细地分析了对盾构开挖面平衡控制起关键作用的气泡舱的初 始体积、初始压力、泥水的初始液位等参数的确定方法，分别从气泡舱中压力 气体吸收压力冲击、吸收压力脉动以及气泡舱压缩空气调节回路的动态特性出 发，得出了气泡舱初始参数的确定原则与计算公式，并讨论了其最佳取值范围， 为泥水气压平衡控制系统设计提供了理论依据。 4 深入分析了盾构泥水气压平衡控制系统所包含的两个控制回路泥水 控制回路和气压控制回路之间的相互作用关系，提出了根据气泡舱中泥水液位 的不同，分别选择气泡舱单回路控制方式和泥水气舱双回路综合控制方式的控 制方法，并且根据泥水控制回路和气压控制回路间的相互作用关系首次提出了 双回路同时调节的广义比例控制方法。 5 在对盾构泥水平衡系统的各个环节进行了具体、深入的分析后，推导出 了各环节的传递函数，建立了该系统的数学模型，在此数学模型的基础上并结 合现行盾构泥水平衡控制中存在的不足，提出了泥水平衡计算机数字统一控制 系统的设计理念，其中详细设计了应用于气泡舱压缩空气压力控制的模糊自适 应增量式数字p i d 控制器和应用于泥水液位调节系统的数字p i d + 前馈控制器， 并开发了该计算机控制系统的调试软件。 摘要 6 分别对所设计的控制器在单独应用和合并综合使用时进行了计算机仿 真，就不同的控制方法进行了仿真对比，得出了不同干扰对系统的影响情况， 针对影响较大的干扰，提出了相应的控制对策，给出了根据不同的实际应用要 求和场合所应选择的最佳控制方式和自动切换方法。 7 首次建立了采用并联机构运动学逆解的原理对盾构姿态进行自动控制的 数学模型，并以此为基础确定了盾构目标调整位姿的设定方法、推进液压缸的 编组方法、位置与姿态调整时的运动约束问题，并建立了具体的控制流程，为 盾构姿态自动控制系统的实现打下了基础。 关键词：泥水平衡盾构，开挖面支护压力，盾构推力，泥水气压平衡控制，初 始工作参数，广义比例控制，计算机数字统一控制，盾构姿态的并联机构运动 学逆解控制 i i a b s t r c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a u t o m a t i cc o n t r o la n dn u m e r i c a lu n i f i e dm a n a g e m e n to ft h el a r g e d i a m e t e rs l u r r ys h i e l di so nt i p t o ef o ro u re f f e c t i v er e s o l v e sa n ds e t t l e m e n t s o s y s t e m i ca n di n d e p t hr e s e a r c ha b o u tt h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mo ft h es l u r r y s h i e l d s e x c a v a t i n gf a c e p r e s s u r e - b a l a n c e d u n i ta n dt h e g e s t u r ea d j u s t m e n t m e c h a n i s mi sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 m o d e lt oc a c u l a t et h es u p p o r t i n gp r e s s u r eo fs l u r r ys h i e l d se x c a v a t i n gf a c e w h i c ht a k e si n t oa c c o u n tt h eg r o u n df o u n d a t i o ns t r e s sa n dt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei s f o u n d e dt op r o v i d et h e o r yb a s i so fe s t a b l i s h i n gt h em e t h o dt os e tt h es u p p o r t i n g p r e s s u r eo fs l u r r ys h i e l d se x c a v a t i n gf a c ei nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s 2 p r e c i s ef o r m u l at oc a c u l a t et h et h r u s tf o r c eo ft h es l u r r ys h i e l dw h i c hi sb a c e d o nd i f f e r e n tk i n d so fr e s i s t a n c e si ns h i e l d sa d v a n c i n gp r o c e s sa n dt h es p e c i a lp a t t e r n o ft h es l u r r ys h i e l d ss u p p o r t i n gf a c ei se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r 3 w i t hd e t a i l e da n a l y s i s ，t h ep r i n c i p l et od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r si nt h es l u r r y a n dt h eb u b b l ec u r c u i ti sf o u n d e d a c c o r d i n gt ob o t ht h ee f f e c to fa b s o r b i n gt h e i m p a c to rp u l s a t i n gp r e s s u r ea n dt h ed y n a m i cb e h a v i o u ro ft h ee x c a v a t i n gf a c e p r e s s u r e b a l a n c e dr e g u l a t i o nc i r c u i t ，f o r m u l at oc a c u l a t et h ep a r a m e t e r ss u c ha st h e i n t i a lv o l u m ea n di n t i a lp r e s s u r eo ft h eg a s e si nt h eb u b b l ec a b i nw h i c hi st h ek e y f a t o rt ot h ee x c a v a t i n gf a c e p r e s s u r e b a l a n c e dc o n t r o ls y s t e mi sa c h i e v e d ，a n dt h e r a n g eo ft h o s ep a r a m e t e r si s a l s od i s c u s s e di nt h ep a p e rw h i c hi st h eb a s i so ft h e c o n t r o ls y s t e md e s i g n 4 b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es l u r r ya n dt h eb u b b l ec u r c u i t ，ac o n t r o l m e t h o da c c o r d i n gt ot h es l u r r yl e v e li sa d v a n c e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a nc h a n g e s h a f t sb e t w e e nt h es i n g l eb u b b l ec o n t r o lc u r c u i ta n db u b b l e - s l u r r y d u a lc o n t r o l c u r c u i t s ，t h el a t t e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e ra st h eg e n e r a l i z e dp r o p o r t i o n a lc o n t r o l s y s t e m 5 a f t e rt h er e s e a r c ho fe a c hc o m p o n e n to ft h eb u b b l e - s l u r r yb a l a n c e ds y s t e m ，t h e i i i a b s t r c t m a t hm o d e lo ft h es y s t e mi sf o u n d e di nt h i sp a p e r , o nw h i c h ，af u z z y - p i dc o n t r o l l e r t h a ti s a p p l i e dt oc o n t r o lt h ep r e s s u r eo ft h eg a s e si nt h eb u b b l ec a b i na n da p i d - f e e d f o r w a r dc o n t r o l l e rt h a ti sa p p l i e dt oc o n t r o lt h el e v e lo ft h es l u r r ya r e d e s i g n e d a n dat e s t - h e l ps o f t w a r ei sa l s od e v e l o p e di nt h i sp a p e ri no r d e rt om a k et h e t e s tp r o c e d u r em o r ec o n v e n i e n t 6 s i m u l a t i o no ft h e s et w oc o n t r o l l e r sd e s i g n e di nt h i s p a p e ri s c a r r i e do u t r e s p e c t i v e l yi ne m p l o i e da l o n eo rc o m b i n e ds i t u a t i o n s s i m u l a t i o no fo t h e rc o n t r o l m e t h o d si sa l s od o n ei nt h i sp a p e rf o rc o m p a r i s o n a f t e rt h a t ，t h ei n f l u e n c eo ft h e d i s t u r b a n c et ot h ec o n t r o ls y s t e mi sa n y l i z e d ，a n dt h ew a yt od e a lw i t hi ti sg i v e n f i n a l l y ，t h eb e s tc o n t r o lm e t h o da n dt h ea u t o m a t i cs h i f tw a ya c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t s i t u a t i o na r ep r e s e n t e d 7 m a t hm o d e lo ft h ea d j u s t m e n to ft h es h i l e d sg e s t u r ei sb r o u g h tf o r t ho nt h e b a s eo ft h ek i n e m a t i c s c o n v e r s es o l u t i o no ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s m t h e n ，t h ew a yo f s e t t i n gt a r g e tp o s i t i o na n dg e s t u r e ，t h eq u e s t i o no fo r g a n i z i n gt h eh y d r a u l i cj a c ki n t o g r o u p s ，a n dt h el i m i t a t i o no ft h em o v e m e n t sa l ea l ld i s c u s s e di nt h ep a p e r f i n a l l y , t h e c o n t r o lp r o g r a mp r o c e s sf o rs h i e l d sg e s t u r ea d j u s t m e n ti so b t a i n e d k e yw o r d s ：s l u r r ys h i e l d ，s u p p o r t i n gp r e s s u r eo fs l u r r ys h i e l d se x c a v a t i n gf a c e ， t h r u s tf o r c eo ft h es l u r r ys h i e l d ，b u b b l e s l u r r yb a l a n c e dc o n t r o l ，i n t i a l w o r k i n gp a r a m e t e r s ，g e n e r a l i z e dp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，n u m e r i c a l u n i f i e dc o n t r o ls y s t e m ，k i n e m a t i c s c o n v e r s es o l u t i o no ft h ep a r a l l e l m e c h a n i s mf o rt h ec o n t r o lo ft h es h i l e d sg e s t u r e i v 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。 学位论文作者躲t 春每覆 岬钨月1 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、已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。 学位论文作者签名： 聋蕴霞 年3 月f 日 第l 章绪论 1 1 课墨来源厦意义 第1 章绪论 本课题来源于上海隧道股份有限公司与同济大学共同承担的上海市科委重 点课题“超大直径( 1 5 米) 泥水平衡盾构设计研究”。 随着全球城市化进程步伐的加快，人口大量向城市迁移，使得各国政府都 必须面对人口、资源和环境的巨大压力，为确保国民经济的可持续发展，各大 城市纷纷将目光投向地下，有效地开发和利用城市地下空间，晟直接的益处是 可以节约城市用地，使地面空间得至0 松动，以增加绿地，改善环境质量，同时 还有利于减轻地面交通负担，改善城市交通拥堵状况，加强城市防御战争和抗 震、救灾等各方面的防护能力。 气e 、i鑫0 交 零孽譬一o 、霉 图1 _ 1 地f 空间利用简圈 盾构是地下工程中的重要施工机械，在地下空间的开发中起着举足轻重的 作用。采用盾构挖掘隧道的方法称为盾构法施工，该施工方法利用盾构前方的 切削装置进行土体开挖，并将土料通过盾构内的出土系统运出洞外，依靠盾构 后部的千斤顶加压顶进，继而拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。施工过程 中，盾构壳体支撑尚未衬砌的隧洞段，以承受周围土层的压力和地下水压。 与其他开挖方法相比，采用盾构法旌工具有高效、安全、环保、隧洞成型 质量好、不影响地面交通、艟工受天气影响小等优势，它能适应在各种复杂地 层中开挖的需求，并能最大限度地避免坍塌，尤其是在不稳定的地层和含地下 第1 章绪论 水的地层中施工都不致引起地表上建筑物的破坏或较大的沉降，这些优点使得 盾构法施工成为了地下施工的领军者。有数据表明，在发达国家由盾构法施工 建造的隧道已占隧道总量的9 0 以上。 陶12 盾构示意图 在我国，自进入2 1 世纪以来，随着国家可持续发展战略、城市化战略和西 部大开发战略的相继实施，国内隧道工程建设全面进入了大规模施工阶段，如 南水北调工程，西气东输工程，公路、铁路、轨道交通、水利水电所涉及的许 多隧道工程、城市地下工程等都在全面铺开，一些巨大的隧道工程也被纳入规 划之中，甚至包括一些海底隧道，如香港到澳门的跨海隧道、海口到徐闻的琼 州海峡隧道、蓬莱到大连的渤海海峡隧道、上海到宁波的杭州湾隧道、福州到 台北的台湾海峡隧道等4 。其中发展最迅猛的当属各大城市地下轨道交通 的建设，自上世纪9 0 年代以来，国内4 0 多座百万人口以上的城市中，已经有 3 0 多座城市开始建设或准备建设城市快速轨道交通线路，约有1 4 个大城市上报 了城市轨道交通网规划方案，拟规划建设将近6 0 条线路，长度超过1 5 0 0 公里， 总投资达5 0 0 0 亿元。 国内掀起的地下工程建设的高潮，使得其对施工机具盾构的需求量也 随之迅速增长，根据预测，到2 0 1 0 年全国对盾构的需求量将超过5 0 0 台，这将 是一个极大的市场。但是当我们仔细考察我国企业在此市场中所占的份额时却 不免感到有些遗憾：在我国已完工或新丌工的地铁、隧道工程的建设中大多采 用了从国外进口的盾构，城市地铁、铁道、公路隧道、江底或海底隧道工程所 需的大直径盾构，9 0 以上的市场份额由日本、欧洲和美国等发达国家和地区 的厂商所占领。在中国的隧道里，我们看到的多为日本三菱重工( m i t s u b is h i ) 、 j i l 崎重工( k a w a s a k i ) 、日立( h i t a c h i ) 或是德国海瑞克( h e r r e n k n e c h t ) 、法 国法马通( f m t ) 等所制造的盾构，却很难看到由中国企业自行设计制造的盾构。 第1 章绪论 实际上在国内各城市启动地铁项目建设的同时，各地方的企业就在“市场 换技术”的原则指导下开始了与国外企业的合作，但在这些合作中，国内合作 企业实际只承担结构件的组装或外壳等的粗加工工作，对于盾构的设计技术、 关键零部件、控制系统等核心技术并不十分了解，更谈不上掌握。 目前我国在盾构设计、制造方面的技术与国际先进水平之间还存在较大差 距，我国盾构的设计类型比较单一，包括盾构刀盘型式、刀具选型和布置、出 土型式等还没有形成成熟的适应性设计理论；盾构的液压、电气、监控等系统 在功能匹配和实现、系统可靠性等方面还很不完善；由于我国基础工业水平不 高，关键零部件的制造水平低，盾构中所必需的各类刀具、主轴承及其密封件、 各类传感器等在国内市场还几乎找不到满足设计要求的产品。因此加大自行研 发盾构关键技术的力度已成为目前国家装备制造业的一个刻不容缓的课题，在 现有国外盾构国产化的基础上，我们必须要掌握具有自主知识产权的盾构技术， 这不仅在经济上可以大大降低设备费用和施工成本，还具有显著的社会效益， 能够带动一系列下游基础工业的发展，它是我国多项科技实力的一个重要载体。 就泥水平衡盾构而言，国内对此类盾构虽已有了一些初步研究，但主要还 是停留在如前所述的将国外盾构进行国产化的阶段，特别是对于超大直径泥水 平衡式盾构，国内还不具备研发和制造的能力，与国外先进企业相比存在较大 的差距。在泥水平衡盾构的所有核心部件中，控制系统是我国盾构设计生产中 一直没有完全解决的技术难点，也是国外盾构厂家拒绝提供给我国的关键技术 之一，因此对于泥水加压平衡盾构的泥水气压平衡控制系统、姿态测量调整系 统等展开深入、系统的研究有着重要的现实意义。 1 2 盾构的国内外发展历史及现状 1 2 1 盾构的国外发展历史及现状 有记载的人类开挖隧道的历史应追溯到5 0 0 0 年以前，但使用盾构施工隧道 还不到2 0 0 年的历史。 1 8 1 8 年，英国工程师m a r ci s a m b a r db r u n e l 受蛀虫钻孔的启发，最早提出 了用于施工地下隧道的盾构雏形及其施工方法并获得专利n ，1 8 2 5 年在伦敦的 泰晤士河畔，m a r ci s a m b a r db r u n e l 将自己的设想变成了现实，他用一个端面 3 第l 章绪论 高6 8 m ，宽i i 4 m 的矩形盾构( 见图13 ) 历时1 8 年完成了全长4 5 8 m 的泰晤 士河底隧道，开创了使用盾构施工隧道的新时代。 图i3b r u n e l 用于开挖泰晤士河底隧道的盾构 1 8 3 0 年 a d m i r a l s i rc o c h r a n e 为使用盾构开挖隧道时抑制地下水的问 题找到了解决方案，他提出在承水压地层中掘进隧道时可采用压缩空气以阻止 地下水的侵入，并于1 8 8 6 年伦敦地下隧道施工期间将压缩空气与盾构掘进组合 使用取得成功，而在此之前的1 8 7 4 年，同样是g r e r t h e a d 采用了以液体支撑隧 道工作面的盾构，在强渗水的地层中( 此时用压缩空气支撑隧道工作面较困难) 掘进取得成功。 上述g r e r t h e a d 的两次重要的隧道施工尝试导致了在此之后世界范围内采 用盾构掘进隧道的数目有了很大的增加。从1 9 世纪末到2 0 世纪中叶，盾构相 继传入了美国、法国、德国、日本、前苏联，并在这些国家得到了不同的发展， 分别在美国巴尔的摩、法国巴黎、德国柏林及易北河、日本东京、苏联莫斯科 及列宁格勒建造了不同用途的隧道。 2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代期间，出现了挤压盾构、网格盾构、土压盾构、 泥水盾构、气泡盾构等多种不同平衡方式的盾构，采用盾构施工隧道的方法也 逐渐由人工开挖方式发展为机械化掘进方式。 自2 0 世纪8 0 年代以后，随着传感技术、材料技术、控制技术、计算机技 术的发展。盾构的掘进、村砌、排土施工工艺由机械化进一步向自动化发展。 适合各种地层的盾构相继问世，如今的盾构已可以用于在硬岩、沙砾层、卵石 层、沙层和软土等各种地层中挖掘隧道：盾构掘进断面的型式也越来越多样化 圆形、椭圆形、矩形、双圆( d o t ) 型、三圆型、球形、h v 水平及垂直( 横纵) 第l 章绪论 墨耀圈 图i4 三圆盾构图 图15 矩形盾构图1 6 水平及垂直型盾构 型、子母型等盾构纷纷出现，很多都已成功地用于实际隧道的掘进施工中。这 些盾构普遍采用了液力驱动和电液控制技术，具有大功率、变负载、低能耗的 特点，以及自动检测、自动纠偏、故障诊断等功能，许多现代高新技术成果如 遥控技术、激光雷达技术、卫星制导技术、现场总线控制技术、摄像及视觉信 号处理技术等也越来越多地在盾构中得到应用。这些技术进一步降低了盾构法 旆工隧道的施工成本，提高了施工精度、掘进速度和施工安全性，也使得人类 大规模开发地下空间的可能逐渐变成现实。 应该承认，在盾构技术的发展中，日、德、英、法等国作出了相当大的贡 献，在长期的理论研究和实践探索过程中，他们形成了一套针对不同隧道地质 条件的盾构设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据，同时也逐渐形成了安 装和调试盾构的系统技术，几乎能针对所有的施工隧道地质条件设计、制造适 用的盾构，同时这些国家还在为进一步研制出适用范围更广、控制性能更佳、 开挖深度更深的盾构技术进行着不懈的探索和努力。 1 22 盾构国内发展历史及现状 我国采用盾构进行隧道施工的技术始于1 9 5 6 年，当时东北阜新煤矿采用直 径2 6 m 的手掘式盾构修建了煤矿的输水巷道工程。而我国自行研究、设计、制 造盾构则始于1 9 6 3 年，当时上海隧道建设公司研制了一台直径42 晰的手掘式 盾构，在上海螗桥的浅土层掘进了长度为6 8 m 的隧道，试验结果打破了外国专 家认为“在上海建造隧道是豆腐里打洞不可行”的定论。 1 9 6 5 和1 9 6 6 年，上海隧道工程设计院与江南造船厂联合设计制造了两台直 径58 m 和一台直径1 0 2 的网格挤压式盾构，并成功地用于隧道掘进。之后的 整个7 0 年代，由于“文革”的缘故，我国的盾构技术处于停滞状态。 8 0 年代，我国的盾构研制工作又逐渐开始复苏。1 9 8 0 年，上海研制了一台 第1 章绪论 直径64 1 m 的刀盘式盾构，用于地铁一号线试验段施工，后又将其改为网格挤 压型盾构，该盾构在淤泥质粘土地层中掘进隧道1 2 3 0 m 。 1 9 8 5 年，上海延安东路越江隧道工程长1 4 7 6 1 m 的圆形主隧道采用了上海隧 道工程公司设计、江南造船厂制造的直径1 1 3 m 的网格型水力机械出土盾构( 如 图l _ 7 所示) ，开挖面采用高压水冲切泥土，搅成泥浆后由管道输送排放，实现 了机械化掘进。 1 9 8 7 年上海隧道工程公司在消化吸收国外先进技术的基础上，研制成功了 我国第一台直径43 5 m 的加泥式土压平衡盾构，用于上海南站过江电缆隧道工 程，穿越黄浦江底粉砂地层，掘进长度5 8 3 m ，该项技术成果获得1 9 9 0 年国家科 技进步一等奖。 g o 年代上海隧道工程公司又自行设计制造了六台直径3 8 m 一63 4 m 的土 压平衡盾构，用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等的施工。由于与世界先 进国家的盾构技术水平之问仍然存在不小的差距，在整个9 0 年代，我国的盾构 设计、制造技术主要处在引进、消化、吸收的状态，当时具有重大社会影响的 隧道工程几乎都是依靠国外进口盾构完成、或由国内外联合制造的盾构完成。 进入二十一世纪以来，我国进一步加大了对自行研制盾构的投入。其中在 2 0 0 1 年，国家科技部“十五”8 6 3 计划“63 米全断面隧道掘进机”正式立项， 该项目被上海隧道工程股份有限公司获得，2 0 0 4 年第3 季度，该公司研制出具 有自主知识产权的土压平衡盾构样机“先行号”( 见图1 8 ) 。2 0 0 4 年1 0 月， 该样机投入上海轨道交通二号线西延伸段的隧道施工，累计推进长度1 3 6 2 m ，后 “先行号”又投入上海轨道交通7 号线的隧道施工，推进长度为1 5 2 4 米。 图17 国内白行研制的阿格型盾构图18 国内自行研制的“先行号”盾构 2 0 0 3 年9 月，上海隧道工程股份有限公司与日本i h i 石川岛播磨重工株 式会社合作，联合制造了中国第一台双圆土压平衡盾构掘进机，并在中国首条 第1 章绪论 双圆隧道始发段的轨道交通8 号线的隧道掘进施工中获得成功。 但是国内自行研制、开发盾构的发展水平还是远远跟不上我国公路、铁路、 水利建设和城市化进程的脚步，国内对盾构的巨大市场需求使得绝大多数隧道 工程的施工单位仍然把目光投向国外发展较成熟的盾构。因此2 0 0 0 年以来的国 内盾构业的主要发展形式依旧延续上世纪九十年代引进、消化、吸收国外先进 盾构的发展模式。虽然大量隧道建设的纷纷上马，使我们积累了丰富的盾构施 工经验，但我国对于盾构本身的设计、开发、制造能力还是相对落后。 1 3 泥水平衡盾构的发展 1 3 1 泥水平衡盾构概述 采用盾构施工隧道时，土体一经开挖，其原有的应力即被释放，并将产生 向应力释放面的变形，隧道拱圈内的空洞由盾构本身防护，而开挖过程中隧道 前方的工作面不予封闭，此时为保持开挖面稳定、控制地层沉降，必须根据地 层和地下水条件采取措施对工作面进行支撑。 按照支撑隧道工作面方法的不同，可将目前应用最广泛的盾构分为土压平 衡式和泥水平衡式两大类。 土潼 水牲土垃 眉稠夏珥地 图1 9 土压平衡式盾构 土压平衡式盾构( 简称土压盾构) 采用土压支撑工作面，其原理如图1 9 所示。旋转刀盘开挖出的土料通过切削轮的开口被压入开挖舱，然后在开挖舱 里与塑性土浆混合，推力由压力舱壁传递到土浆，当开挖舱内的土浆不再被当 地的土和水压固化时就达到平衡，因此土料经螺旋输送机从开挖舱被排出时， 要求排出土料必须有控制地进行，以防止开挖舱内土压减小而引起沉降。由于 土压平衡系统的压力传递较慢，对压力波动的敏感程度较差，因此压力控制精 7 第1 章绪论 度不高。 水眭土压詹构支撑压 图1 1 0 泥水平衡式盾构 泥水平衡式盾构( 简称泥水盾构) 采用泥浆支撑工作面，其原理如图1 1 0 所示。此时的泥浆经常采用的是悬浮液，悬浮液在压力的作用下进入土壤并利 用其中包含的固体颗粒封闭隧道工作面，这样就形成了一层薄的不透水膜，借 助这层不透水膜，开挖舱中有压的悬浮液就能平衡工作面上的土压及水压，以 使隧道工作面得到很好的支撑。 在泥水平衡盾构中起支护作用的液体同时又作为运输的介质，由开挖工具 开挖的土料在开挖舱与悬浮液混合，然后，土料悬浮液的混合物被泵送到地面。 在地面的分离场中悬浮液从土料中分离出来，分离出来的悬浮液添加新的膨润 土后可以再泵回隧道工作面进行循环利用。 从全球已经建成和正在施工的工程实例看，在高水压地层中进行大断面、 长距离掘进时，大多采用泥水平衡盾构，而且掘进断面越大，采用泥水平衡盾 构的效果越好，这是由于此时泥水平衡盾构的悬浮液比土压平衡盾构的泥浆更 容易获得均匀的对开挖面的支撑压力；另外由于泥水的向外渗透，减少了外部 土层对泥水平衡盾构刀头的磨损，使其更适应长距离开挖。 1 3 2 国内外泥水平衡盾构的发展与应用情况 最初的泥水平衡盾构要追溯到一百多年前德国工程i j f f j h a a g 的专利，由于高 透水性地层用压缩空气支撑隧洞开挖面非常困难，h a a g 考虑把盾构的前方封闭 起来，形成充满泥浆的压力舱，以对抗地下水的侵入。 之后的泥水平衡盾构发展为三种模式，即日本模式、英国模式和德国模式， 到目前则只有日本和德国两个主要的发展模式。德国和日本模式的主要区别是， 德国模式在泥水舱中设置了气压舱，便于人工正面控制泥水压力；日本模式的 8 第1 章绪论 泥水舱中则全是泥水，需要有一套自动控制泥水平衡的装置捌。 1 9 6 7 年，日本三菱公司制造了第一台有切削刀盘并以水力出土、以泥浆作 为开挖面支护的泥水平衡试验盾构，直径为3 1 0 m ，在样机取得令人鼓舞的经验 后，日本于1 9 7 0 年建造了第一台大型泥水平衡盾构，直径为7 2 0 m ，用于建设海 峡下的k e i y o 铁路线。自此以后，日本的很多制造商生产了此型盾构。1 9 9 4 年， 日本东京湾道路隧道工程采用了8 台当时世界直径最大( 中1 4 1 4 m ) 的泥水平衡 盾构掘进1 8 8 k m 的海底隧道，是当时世界最先进、自动化程度最高的盾构。英 国的m a r k h a m 、法国的n f m 及f c b 公司等也采用日本许可证制造泥水平衡盾构。 在德国，第一台以膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构由承包商w a y s s f r e y t a g 开发，盾构外径为4 4 8 m 。1 9 7 8 年，该样机用于建设h a m b u r g 港口下的 h a m b u r g - w il h e l m s b u r g 总管道，其采用格栅取代主动铲斗以保护泥水系统无大 块固体的方法还一直延用至今。 自2 0 世纪8 0 年代后期，随着对大直径长距离越海、越江交通工程需求的日 益增多，泥水平衡盾构也大显身手。如英吉利海峡隧道工程、丹麦斯多贝尔特 大海峡隧道工程、日本东京湾桥遂结合公路工程、美国切萨比克湾桥遂工程、 德国汉堡第四条易北河大直径隧道工程和荷兰g r o e n eh a r t 大直径隧道工程等无 一例外地都采用了泥水平衡盾构掘进施工。 在这些工程中，英吉利海峡隧道工程以其隧道掘进长度最长而闻名世界， 隧道由三条长5 1 k m 的平行隧道组成，总长度1 5 3 k m ，其中海底段的隧道长度为3 3 8 k m ，是目前世界上最长的海底隧道，隧道施工实现了英法两侧的泥水平衡 盾构在海底的对接。 2 0 0 1 年1 1 月，当时全球直径最大的隧道“绿心隧道”( g r o e n eh a r t ) 开始 掘进。该项目为鹿特丹至阿姆斯特丹的高速铁路支线，穿越片天然绿化、水 网河流密集、传统风车遍布的风景地段。隧道全长7 1 5 6 0 1 8 m ，采用由德国海瑞 克公司制造的直径1 4 8 7 m 的泥水平衡盾构施工，这是一部史无前例的巨型设备。 9 第l 章绪论 图11 1 绿心隧道所使用的直径1 48 7 m 盾构 我国最早引进的泥水平衡盾构是在1 9 9 4 年上海延安东路隧道南线建造长 1 3 0 0 m 的圆形主隧道时引进的日本三菱重工制造的巾1 1 2 2 泥水平衡盾构，当时 盾构顺利穿越厂房、防汛墙、地下人行道和高层建筑，沉降量小于2 c m ，日掘进 速度最高达1 2 m 。 其后，广州地铁1 号线工程于1 9 9 6 年又引进2 台由6 1 4 m 的泥水平衡盾构，掘 进5 8 5 2 m ，掘进地层为粉细砂、中砂、粗砂、粉质粘土和风化岩。 上海隧道股份在消化吸收从日本引进的巾1 1 2 2 m 泥水平衡盾构基础上，于 1 9 9 7 年自行设计制造了1 台巾2 2 m 泥水加压平衡顶管机，用于上海合流二期过江 倒虹管隧道工程，在高水压的砂性地层中顺利掘进1 2 2 0 m ，被评为1 9 9 9 年上海市 科技进步二等奖。 近年来随着我国大直径隧道的大量开工建造，泥水平衡盾构在我国的使用 也越来越多。仅上海的黄浦江越江隧道中就采用了多台泥水平衡盾构，其中大 连路隧道和复兴路隧道均采用了2 台直径1 1 2 2 m 的泥水平衡盾构同向掘进施工， 而上中路隧道则采用了建造过荷兰“绿心隧道”的直径为1 4 8 7 m 的泥水平衡盾 构掘进施工。 另外长江三大越江道路隧道工程也都不约而同地引进了国外的泥水平街盾 构进行施工：武汉长江越江隧道工程采用了直径1 15 8 m 的泥水加压盾构掘进旆 工，南京长江越江隧道采用直径1 49 3 m 的泥水加压盾构掘进施工；上海长江口 越江隧道则采用了直径1 54 3 m 的泥水加压盾构掘进施工。 1 0 第1 章绪论 图11 2 武汉长江隧道及其泥水平衡盾构 可以看到，自上世纪九十年代以来，我国引进了大量的国外泥水平衡盾构 并进行了许多高难度的实际施工，在这些掩工过程中掌握了大量的施工第一手 材料，积累了丰富的施工经验；但同时我国在泥水平衡盾构的研究、设计、制 造方面还远远落后于国际先进水平，除1 9 9 7 年在消化吸收国外泥水平衡盾构的 基础上，我国自行设计制造了1 台中22 m 泥水加压平衡顶管机外，就再无其他自 行制造的泥水平衡盾构面世。 1 4 泥水平衡盾构开挖面支护控制发展及研究动态 1 4 1 地面沉降与开挖面支护压力研究现状 选择具有良好的隧道工作面支撑能力的泥水平衡盾构施工，可以使地面沉 降达到最低，但是塌方事故仍时有发生，经研究发现，除开挖面支撑方式外， 地面沉降还与开挖面支护压力的控制密切相关。 隆 起 t 图113 盾构引起地面沉降过程 1 1 第l 章绪论 根据以往隧道施工时的观测，盾构隧道的施工变形是一个不断累加的过程， 以隧道轴线地表点的经时变位曲线为例，地表点的地层移动经历五个阶段n 3 1 ： 先期沉降、盾构前方刀盘即将到达之前发生在开挖面前方的地基变位、盾构通 过时的地基变位、盾构尾部脱离时的地基变位、后期沉降。 根据对于沉降的分析发现，前三个阶段的地基变形都与开挖面支护压力的 控制密切相关，开挖面支护压力的不当引起的应力释放所造成周围土层地基的 变形在研究盾构掘进对周围环境的影响中占有很大的比例，特别是工程中出现 坍塌及地表过大沉陷的问题，大都与开挖面支护压力控制不当引起的应力释放 有着直接的关系。 国内外对于泥水平衡盾构的开挖面支护压力的研究主要以h o r n 在1 9 6 1 年 根据筒仓理论提出的楔型体模型( 如图1 1 4 所示) 为理论依据展开。该模型认 为在砂土地层条件下，开挖面失稳时，开挖面前方滑动块倾角随着材料内摩擦 角的增大而增大，开挖面上部土体破坏形状为烟囱状，破坏面发展由隧道顶部 往地表发展，随着埋深的增大( 埋深比大于3 5 ) ，破坏面发展不到地表面；在粘 土地层中，开挖面前方滑动块的倾角与内摩擦角关系如同砂土，开挖面上部土 体松动区域较大较广，开挖面的稳定与土体粘聚力有很大的关系，当粘聚力较 大而摩擦角很小时( 如淤泥质土) ，开挖面破坏形状表现为一种挤出破坏，当材 料内摩擦角及粘聚力都较大时，在没有考虑地下水影响的作用下，开挖面可以 满足在无支护作用力下的自稳，无论是在砂土还是在粘土地层中，开挖面失稳 破坏形状都可以看成由两部分组成：开挖面前方滑动区域及上部区域n 3 儿1 5 儿1 6 1 。 图1 1 4 楔型体计算模型 图1 1 5 滑动块受力计算模型 在该模型中，开挖面前方楔型块体受到的作用力如图1 1 5 所示，分别为： 1 2 第1 章绪论 1 楔型块体上覆体的作用力，方向竖直向下。 尼= o v b l ( 1 一1 ) 式中，松动土压力； 召滑动块顶部宽度； 三滑动块顶部长度。 2 楔型块体的自重形，方向竖直向下。 3 开挖面的支护作用力尸，方向水平。 4 楔型块体开挖面向滑动面上的摩阻力? ( 方向平行于滑动面) 和法向作用 力( 方向垂直于滑动面) 。 t = c + n t g q ( 1 2 ) 式中，c 土的粘聚力； 矽土体内摩擦角。 5 楔型块体侧向滑动面上的摩阻力r ( 方向平行于前方滑动面) 和法向作 用力( 方向垂直于侧向滑动面) 。 根据楔型块体水平和竖直方向的受力平衡所求得的开挖面支护压力的计算 公式如下： p：pv+w-(c+2t)(sing+占cosa) ( 1 3 ) ，= 一 、上u ， 占 式中，口开挖面前方土体滑动块倾角； t a n 缈s i n 口+ c o s 口 f = = 一 s i n 口一t a n 口c o s 除此之外，很多学者采用实验的方法进行开挖面的稳定性分析，并得出了 相应的实验公式，如b r o m s 教授根据实验得出的采用稳定系数评定开挖面稳定 性的公式： 一只= m ( 1 4 ) 1 3 第1 章绪论 式中，盾构开挖面的外部压力； 只盾构内部压力； m 稳定系数； 只土体不排水抗剪强度。 b r o m s 认为当。6 时，开挖面将失去稳定；当4 札 6 时，开挖面变形 较大；当2 ，4 时，开挖面土体处于弹塑性变形状态；当。2 时，开挖面 土体处于弹性变形状态n 5 1 。 国内外还有许多学者采用有限元的方法研究了隧道开挖面的稳定性。b u h a n e ta l 等人描绘了土压平衡盾构开挖面的三维有限元计算模型；王敏强等人采用 三维非线性有限元模拟盾构推进的过程，也提出了相应的开挖面稳定的计算模 型3 6 1 。 开挖面支护压力的确定是盾构实际掘进过程中开挖面支护压力设定与控制 的依据，不同地层条件下盾构隧道开挖面破坏模式的确定是解析方法确定支护 压力的前提，对于现有支护压力的确定方法，我们需要通过进一步深入的研究， 根据开挖土层的实际性质，对其进行改进与完善。 1 4 2 盾构推力与泥水平衡控制研究现状 国内对于土压平衡盾构推力计算的研究较多，但还未见到对于泥水平衡盾 构推力计算的理论分析，在国外公开的资料中也找不到相关的内容。目前对于 泥水平衡盾构推力的计算，或直接借用土压平衡盾构的相关公式，或按照经验 公式进行取值。计算推力的经验公式为： f = p a ( 1 5 ) 式中，f 盾构推力( n ) ； 尸开挖断面单位面积的推力( n m 2 ) ，根据统计资料，一般取 为( 1 0 0 - - 2 0 0 ) x 1 0 4 ( n m 2 ) ： 彳开挖断面面积( m 2 ) 。 1 4 第1 章绪论 按照经验公式取值，显然误差较大，而直接套用土压平衡盾构的相关计算 公式、不考虑泥水平衡盾构在推进过程中与外界环境接触的