（机械设计及理论专业论文）自行走地下管道掘进机器人系统的设计与研制.pdf

ad i s s e ! r t a t i o n s u b m i t t e dt ob e i j i n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i nc a n d i d a t ef o rt h ed e g r e eo fd o c t o ri ne n g i n e e r i n g o nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f s e l f p r o p e l l i n gt u n n e l i n gr o b o ts y s t e m c a n d i d a t e ：d o n g l a ix u s u p e r v i s o r ：p r o f y u e q i n gy u c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g & a p p l i e d e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y b e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b e i j i n g ，p r c h i n a n o v e m b e r2 0 0 9 55 019 8舢矾il-舢y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人存导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所缁r f 疗任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇雄扛嗍协乙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论：乏在解密后应遵守此规定) 躲诤；，耙新签名冬吹嗍 、 o 加阳7 、乙fz 摘 耍 摘要 地下隧管道掘进是市政工程管网建设的主要工作之一。在工程中，由于受到 施工场地、道路交通，城市地下已有管道的影响，传统的盾构、顶管法都存在制 约当前市政管网建设发展新型管壁、急曲线技术的现象。论文以“十一五”国家重 大科技支撑计划项目城市市政隧( 管) 道自行走式施工技术和装备研究” ( 2 0 0 6 b a j l 6 8 0 6 ) 为课题，开展自行走掘进机器人相关理论及关键技术的研究， 对发展城市地下市政建设迫切需要的新技术、新装备及其施工新技术的研究与应 用具有重要意义。 首先，论文进行了自行走掘进机器人概念设计。确定了自行走机器人行进的 工作原理及方案，进行了机构构型设计，根据机构运动链及机构组成方案比较分 析，提出了由两个串联机构和一个并联机构组成的混联构型。采用构型综合法， 自由度特征矩阵图谱枚举法，找出与位姿调整机构自由度特征矩阵图谱相关的位 移子群及位移子流形，初步得到位姿调整机构的4 - s p s 1 s p 构型方案。 其次，建立了并联位姿调整机构位置逆解模型和速度映射模型。得到了并联 机构驱动杆伸长量与动，f 台位姿、角度位移与驱动杆长和、f 台转动角速度与驱动 杆位移速度之间的关系。采用了增加支链的方法，得到5 - s p s 1 s p 冗余驱动的并 联机构，消除了位型奇异。并确定为位姿调整机构方案。 再次，论文进行了掘进推力等主要参数的计算。进行了样机机械系统结构设 计，完成了掘进机器人位姿调整机构、主推进机构、辅助推进机构和增阻机构的 具体结构设计。研制出了由掘进头节、中节、后节、尾节及压囊撑阻机构、液压 位姿调整并联机构、主液压推进机构和辅助跟随液压机构组成的实验装置，并完 成了组装调试。 然后，确定了控制系统的主要控制模块及掘进控制的流程。确定采用主从式、 分布式的整体控制方式。针对自行走掘进的施工特点设计了一种具有独立行程和 姿态校正的专用导航装置，并完成了自动导航流程的逻辑设计。 最后，进行了掘进机器人自行走的现场验证试验，试验数据及结果分析为后 续实体样机的研制提供有益的经验。 关键词 自行走：并联机器人；隧道掘进；增阻机构； 北京t 业大学- 学博f 。学化论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s u b t e r r a n e a np i p e l i n et u n n e l i n gi so n eo ft h em a j o rj o b si nt h e u r b a nm u n i c i p a lp i p e n e t w o r kc o n s t r u c t i o np r o j e c t i nt h e s ep r o j e c t s ，t h e r ea r es o m ec o n s t r a i n t si n d e v e l o p i n gw h e nu s i n gt h et r a d i t i o n a ls h i e l da n dt o pt u b ed u et ot h ei m p a c to f c o n s t r u c t i o ns i t e ，r o a dt r a n s p o r ta n du r b a nu n d e r g r o u n dp i p e l i n e t h e ya r et h e d e v e l o p m e n to fn e wt y p ew a l lo fc u r r e n tm u n i c i p a lp i p en e t w o r kc o n s t r u c t i o na n d r e q u e s to fa c u t ec u r v et e c h n o l o g y o nt h es u p p o r to f “e l e v e n t hf i v e - y e a r ”m a j o r n m i o n a ls c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tp r o j e c t s ”c i t ym u n i c i p a lt u n n e l ( t u b e ) r o a ds e l f - p r o p e l l e dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tr e s e a r c h ”，t h ep a p e r c a r r i e do u tt h er e l e v a n t t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o ft e c h n o l o g yr e s e a r c hf o r s e l f - p r o p e l l i n gt u n n e l i n g i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c ho nn e w t e c h n o l o g y ， n e we q u i p m e n ta n dn e wc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y w h i c h u r b a n u n d e r g r o u n dm u n i c i p a lc o n s t r u c t i o nm u c h n e e d e d f i r s t l y ，a c o n c e p t u a ld e s i g nf o rs e l f - p r o p e l l i n gt u n n e l i n gr o b o ti sc o n d u c t e d p r i n c i p l eo fw o r ka n dp l a nw a sd e t e r m i n e da n dm e c h a n i s ms t r u c t u r ed e s i g nw a s c o m p l e t e d f o rt h et u n n e l i n gr o b o t ah y b r i dc o n f i g u r a t i o nw h i c hc o n s i s bo ft w o s e r i a lm e c h a n i s m sa n do n ep a r a l l e lm e c h a n i s mw a sp o s e db y c o m p a r a t i v ea n a l y z i n g k i n e m a t i cc h a i n sa n di n s t i t u t i o n sp r o g r a m m o v e m e n ts y n t h e s i sm e t h o dw a su s e df o r c o n f i g u r a t i o n e n u m e r a t i o nw a sc o m p l e t e df o rd e g r e e o f - f r e e d o mc h a r a c t e r i s t i c m a t r i xm a p a l lt h es u b g r o u po fd i s p l a c e m e n ta n dd i s p l a c e m e n to fs u b m a n i f o l d s r e l e v a n tw i t hd o fm a t r i xm a po fp o s ea d j u s t m e n tm e c h a n i s mw a sf o u n d 4 s p s - l - s p t y p eb a s i cc o n f i g u r a t i o np r o g r a mf o rp o s ea d j u s t m e n tm e c h a n i s m w a so b t a i n e d b ya na n a l y s i s n e x t ，p o s i t i o nc o u n t e rs o l u t i o nm o d e la n ds p e e dm a p p i n gm o d e lw e r ee s t a b l i s h e di n t h et h e s i s t h er e l a t i o n so fl e n g t ho fd r i v er o dp o l eo f p a r a l l e lm e c h a n i s ma n dp o s eo f t h em o v e m e n tp l a t f o r m ，t h ea n g l ed i s p l a c e m e n ta n de l o n g a t e dq u a n t i t yo ft h ed r i v e r o dc y l i n d e ra n da n g u l a rs p e e do ft h ep l a t f o r ma n dd i s p l a c e m e n ts p e e do ft h ed r i v e r o dw e r eo b t a i n e d s i n g u l a ra n a l y s i so ft h em e c h a n i s mw a sp r e c e d e d t h em e c h a n i s m i si m p r o v e dt ob ear e d u n d a n td r i v i n g5 一s p s is pp a r a l l e lm e c h a n i s mb ya d d i n ga b r a n c h e dc h a i ni nt h em e c h a n i s ma n dt h e d i s p l a c e m e n ts i n g u l a r i t y i sr e m o v e d a d o p t i n gr e d u n d a n td r i v i n g5 一s p s 一1 - s pp a r a l l e lm e c h a n i s mi s t h ep r o g r a mo ft h e p o s i t i o na n dp o s t u r ea d j u s t m e n t sm e c h a n i s m t h et h r u s tf o r c ep a r a m e t e ra n do t h e rk e yp a r a m e t e r sf o rt h et u n n e l i n gm a c h i n ew e r e i i i 北京广业大学t 学博十学化论文 c o m p u t e dc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i e n c e e s t i m a t i n g s t r u c t u r a ld e s i g nw a sc a r r i e do u tf o rt h em e c h a n i c a ls y s t e m t h es p e c i f i cs t r u c t u r a l d e s i g nf o rt h ep o s ea d j u s t m e n tm e c h a n i s m ，t h eh o s tp r o p e l l i n gm e c h a n i s ma n dt h e a u x i l i a r yp r o p e l l i n gm e c h a n i s mw a sa c c o m p l i s h e d t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ed e v i c ei sc o m p o s e do fh e a d e rs e c t i o n i n t e r m e d i a t e s e c t i o n ，i a t t e rs e c t i o n ，t a i ls e c t i o n ，p r e s s u r ec a p s u l es t a y sr e s i s t a n c em e c h a n i s m h y d r a u l i cp o s i t i o na n da t t i t u d ec o n t r o lp a r a l l e lm e c h a n i s m ，m a i nh y d r a u l i cp r e s s u r e p r o p e l l i n gm e c h a n i s ma n da u x i l i a r yf o l l o w i n gp r o p e l l i n gm e c h a n i s m d e b u g g i n ga n d a s s e m b l i n gh a v eb e e nc o m p l e t e d t h em a i nc o n t r o lm o d u l ea n df l o wo f t u n n e l i n gc o n t r o lw a sd e t e r m i n e df o rt h em a i n c o n t r o ls y s t e m t h eo v e r a l l c o n t r o lw a yw a sd e t e r m i n e d u s i n gm a s t e r - s l a v ea n d d i s t r i b u t e dt y p e ak i n do fi n d e p e n d e n tm i l e a g ea n dp o s t u r ec o r r e c t i o nd e d i c a t e d n a v i g a t i o nd e v i c e sw a sd e s i g n e df o rc o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e l f - p r o p e l l i n g t u n n e l i n g l o g i cd e s i g nw a sp r e c e d e df o rt h ea u t o m a t i cn a v i g a t i o np r o c e s s e so ft h e p r o g r a m f i n a l l y ，af i e l dv a l i d a t i o nt e s tf o rs e l f - w a l k i n gr o b o tt u n n e l i n gw a sa c c o m p l i s h e d t e s td a t aa n dr e s u l t sp r o v i d ear e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f t h ep r o t o t y p e k e y w o r d s ：s e l f - p r o p e l l i n g ；p a r a l l e lr o b o t ；p i p et u n n e lb o r i n g ；r e s i s t a n c es t a y s s t r u c t u r e 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 掘进技术研究成果及现状2 1 2 1 盾构掘进技术2 1 2 2 顶管掘进技术5 1 2 3 掘进设备控制技术7 1 2 4 掘进装备存在的问题7 1 3 并联机器人的研究及应用8 1 3 1 并联机器人的应用9 1 3 2 并联机器人机构的理论研究1 1 1 3 3 并联机器人研究方向1 2 1 4 论文研究意义及内容1 3 第2 章概念设计及机构构型综合1 5 2 1 自行走掘进机器人概念设计1 5 2 1 1 自行走掘进机器人的需求分析1 5 2 1 2 自行走掘进工作原理及方案1 5 2 1 3 自行走掘进机器人工作流程1 6 2 1 4 自行走掘进机器人功能动作分析1 8 2 2 机构构型综合1 9 2 2 1 少自由度并联机构的机构组成原理1 9 2 3 掘进机器人机构构型2 l 2 3 1 构型综合原理2 1 2 3 2 位姿调整机构自由度特征矩阵的图谱分析2 4 2 3 3 相关的位移子群及位移流形2 8 2 3 4 等效运动链运动副组合配置2 9 2 - 3 5 机器人位姿调整机构的综合3 0 2 3 6 位姿调整机构构型综合的方法和步骤3 2 2 4 自行走掘进机器人机构组成方案3 3 2 5 增阻装置机构可行方案3 4 v 北京t 业人学t 学博f j 学位论文 2 5 1 增阻装置机构研究3 4 2 5 2 各种方案性能对比3 8 2 5 3 增阻方案选择3 9 2 6 本章小结3 9 第3 章机构运动特性分析4 l 3 1 位姿调整并联机构的运动学模型4 l 3 1 1 坐标系建立与动平台位姿描述4 1 3 1 2 并联机构4 s p s 1 s p 位置逆解模型4 2 3 1 3 并联机构4 s p s 1 s p 速度映射模型4 4 3 2 4 s p s 1 s p 机构运动特性分析4 5 3 2 1 样机4 s p s 1 s p 机构运动特性分析4 5 3 2 2 实验装置4 s p s 1 s p 运动特性分析5 0 3 3 机构奇异及冗余驱动5 4 3 3 1 调姿4 s p s 1 s p 机构的奇异分析5 4 3 3 2 冗余驱动的位姿调整并联机构5 5 3 3 3 调姿5 - s p s 1 s p 冗余驱动并联机构运动特性分析5 7 3 4 本章小结6 2 第4 章机械系统结构设计及试验装置6 3 4 1 推进参数的确定6 3 4 1 1 推力计算6 3 4 1 2 掘进机器人装备总推力6 5 4 2 掘进机器人液压缸的确定6 6 4 2 1 掘进机器人液压缸的选型和配置6 6 4 2 2 液压缸数量及配置方式6 7 4 2 3 掘进推进液压缸计算6 8 4 3 掘进机器人单节的长径比7 0 4 4 机械系统结构设计7 1 4 4 1 掘进机器人位姿调整机构7 l 4 4 2 推进机构7 2 4 4 3 机器人增阻机构7 4 4 5 试验装置7 6 4 5 1 试验装置的构成7 6 4 5 2 试验装置的设备选型7 7 4 5 3 试验装置的主要结构7 9 v l 目录 4 5 4 试验装置研制中若干工艺问题7 9 4 5 5 试验装置整体组装调试8 0 4 6 本章小结8 1 第5 章自行走掘进机器人系统导航与控制8 3 5 1 自行走掘进机器人控制系统整体设计8 3 5 1 1 智能控制系统的数据库控制模块及控制流程8 3 5 1 2 整体智能控制方式8 4 5 2 自行走航向及位姿检测8 7 5 2 1 地下掘进导航8 7 5 2 2 自动导航系统的测量装置设计9 0 5 2 3 专用导航装置的工作流程设计9 4 5 3 自行走行进控制顺序9 5 5 3 1 间歇掘进间歇行进模式9 5 5 3 2 连续掘进间歇行进模式9 6 5 4 自行走液压控制系统组成9 9 5 5 自行走液压控制策略及位姿控制1 0 1 5 5 1 自行走推进控制1 0 1 5 5 2 自行走掘进机器人控制地表沉降与隆起的方式1 0 2 5 5 3 自行走掘进机器人位姿控制方式1 0 4 5 6 本章小结1 0 9 第6 章实验装置的实地自行走试验1 1 1 6 1 实地自行走试验内容及组成1 1 l 6 1 1 自行走试验的内容要求1 l l 6 1 2 自行走试验的系统组成及现场条件1 1 1 6 2 自行走试验步骤及过程1 1 2 6 2 1 自行走试验步骤112 6 2 2 自行走试验过程1 12 6 3 自行走试验的结果及分析1 1 4 6 4 本章小结1 1 5 结论1 1 7 参考文献1 1 9 攻读博士学位期间取得的研究成果1 2 5 致谢1 2 6 附录1 2 7 v n 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在城市建设领域普遍认为：“1 9 世纪是桥梁的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世 纪，2 l 世纪则是地下空间的世纪”。随着国家基础建设的大规模展开及城市化进 程的不断加大，逐步带来的土地资源紧张、交通压力加大、环境保护标准提高， 使地下空间的开发利用正呈快速发展的势头【l - 2 】。本世纪我国隧道和地下工程项 目繁多，工程浩大，在南水北调、西气东输、西电东送等众多大型项目中，隧道 工程占有相当比例。目前，全面城市地铁建设正在北京、上海、广州、深圳、南 京等城市进行，天津、重庆、青岛、成都、武汉、哈尔滨、沈阳也已开始首条地 铁的修建。综合了机械制造、新材料、新工艺、电予信息、自动化等高新技术在 内的、专用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工设备隧道掘进装备得剑普遍 应用，它具有纠偏导向的功能。具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安 全性高、对地表沉降和环境影响小等优点有着良好的综合效益。与明挖装备比较 具有明显的优势，可广泛用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、越汀隧道、矿山 巷道、市政隧道等各种隧道工程的施工【3 。7 1 。隧管施工的方法主要分为常规施工 方法和综合机械化掘进法，综合机械化掘进技术主要有顶管掘进技术、隧道掘进 机t b m ( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) 掘进技术以及盾构掘进技术。目前城市的隧管道 挖掘机械中，主要采用的挖掘机械是顶管机和盾构机，虽然能顺利完成施工要求， 但仍存在许多不足之处。目前，地下土中隧管道工程施工存在难以实施薄擘管道 材料的施工，无法应用满足管道内壁径向承载的薄壁管道或现制管道，以及不能 实现急曲线施i t 的两大问题。在顶管施工中，为加大顶进距离，通常应用的做法 是在管道顶进中采取各种管道的侧面减阻措施及设立中继问接力增加推力。但原 理上都是将管道项进过程中管子与周围土体的摩擦力作为不利因素，随管道项进 长度的加大管道前进阻力随之加大的本质不变，不能从根本上解决问题。在盾构 掘进施工中，必须依赖较厚管壁来承载施工中的轴向推进支反力，很多工程中这 样的管壁远远大于管道内壁径向承载要求的厚度。另外，施工中轴向支反力在管 壁端面间传递，因此，所施工曲率的最小半径一般不小于3 0 0 4 0 0 m 。而地下掘进 的掘进路线常常要求具有急曲线特点，目前的隧管道挖掘机很难满足这种要求。 “十一五”国家重大科技支撑计划项目j 城巾市政隧( 管) 道自行走式施工 技术和装备研究”( 2 0 0 6 b a j l 6 8 0 6 ) 根据城市发展需求，支持研制出一种新型的 自行走掘进装备，具有急曲线施工能力及不依赖管壁提供掘进推进反力的技术特 点，属于进一步创新发展的新机型，其装备特点及施工技术可较好地适应城市建 北柬i 业大学l 学博十掌 口论文 设快速发展的新需求。进而为开展在土中自驱动前行的急曲线长距离蛇形隧道施 工技术研究奠定基础，具有重要的理论和工程意义。 本课题主要完成“十一五”项目的装备研究及研制，主要涉及地下掘进、并联 机器人等技术领域，相关领域的发展成果和技术现状对本课题的研究有着深刻的 影响。 1 2 掘进技术研究成果及现状 1 2 1 盾构掘进技术 1 2 1 1 盾构掘进技术简介 盾构是一种挖掘隧道用的工程机械。传统的隧道施工方法是用人工或机械 方法将土挖掘下来，再装上矿车外运，紧接着对挖空了的隧道进行支护，这种方 法当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到“及时”支护，极易坍塌，造成大 面积的地面塌陷。盾构施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形 ( 或矩形和马蹄形等特殊形状) 钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护 l 盾构；2 盾构千斤项；卜盾构正面网格：4 一一出土转盘；5 出上皮带 运输机；卜管片拼装机；k 管片；卜压浆泵；9 一一压浆孔； l o 一出土 机；l l 由管片组成的隧道衬砌结构；1 2 在盾尾空隙巾的压浆；1 3 后盾装置； l 仁竖井 图l - l 盾构挖掘机施工示意罔 f i g u r el ls k e t c hm a po fs h i e l de x c a v a t o rt u n n e l i n gm a c h i n e i nc o n s t r u c t i o n 等工作，它的最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构 第1 覃绪论 的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与传统的隧道掘进技术 相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度 快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时， 只能依赖盾构。盾构挖掘机施工示意图见图1 1 。盾构机的类型较多，国内隧道 施工中主要应用盾构类型是土压平衡式和泥水加压式盾构掘进机，见图1 2 和 1 - 3 。 1328 4 65 l - 刀盘：2 推进油缸：3 螺旋输送机；4 - 管片拼装机； 5 皮带输送机；6 待装管片；7 - 闸仓；8 主驱动系统 图l - 2 土压平衡式盾构掘进机示意图 f i g u r e1 - 2s k e t c hm a po f e a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e l 刀盘；2 - 推进油缸；3 泥浆输送管线；4 管片拼装机； 5 管片；6 闸仓：7 主驱动系统 图1 3 泥水加压式盾构掘进机示意图 f i g u r el - 3s k e t c hm a p o fm u d p r e s s u r es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e 盾构施工时，通过盾构机可进行开挖、支护、衬砌等多种作业的一体化施工， 实现了隧道施工的工厂化作业。盾构施工法存在以下一些优点【8 】： 1 在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、 季节等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。 2 盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信 北京工业大学t 学博士学位论文 息化，速度快，施工劳动强度较低。 3 地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受施工干扰；在松软地层 中，埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、军事等方面 的优越性。 盾构施工法的缺点有： 1 盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂； 在饱和含水的松软地层中旖工，地表沉陷风险较大。 2 需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施 工测量、场地布置、盾构转移等施工技术配合，系统工程协调复杂。 3 建造短于7 5 0 m 的隧道经济性差；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时， 施工难度较大。 1 2 1 2 盾构掘进技术研究现状 盾构技术始于1 9 世纪初的英国，发展于德日两国。1 8 1 8 年，英国人m a r c i s a m b a r db r u n e l 从一种食船虫在船身打洞受到启发，研究出了盾构技术，并于 1 8 1 8 年获得了隧道盾构法施工的专利，这就是所谓的开放型手掘盾构的原型。并 在1 8 2 5 年到1 8 4 3 年间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初 步证明盾构法隧道施工的价值【9 1 0 1 。1 8 7 4 年j a m e sh e n r yg r e a t h e a d 在伦敦地铁南 线的隧道建设中采用了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围 环形空隙中压浆的施工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土 以泥水流的方式排出。1 8 9 6 年h a a g 在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利， 形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。到2 0 世纪初，盾构 施工法在英、美、德、俄、法、日等国开始推广。1 9 6 7 年由英国提出的泥水加压 系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压 式盾构( 直径为3 1 m ) 。1 9 7 4 年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国 w a y s s 等也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后， 盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以 及市政公用设施隧道等n 卜1 5 1 。 我国盾构掘进技术的应用可以追溯到1 9 5 3 年东北阜新煤矿用手掘式盾构修 建直径为2 6 m 的疏水巷道，但是由于受这一时期我国经济技术的限制，盾构技术 一直没有受到足够的重视。直到1 9 8 5 年以后，随着经济技术的突飞猛进，各种地 下工程的需求与日俱增。在2 0 世纪9 0 年代以后，随着我国经济进入了良性发展的 快车道，公路、铁路、水利建设和城市化进程等达到了前所未有的发展速度，对 盾构的巨大市场需求大大超过了国内的盾构研制水平。2 0 世纪9 0 年代进行的几项 第1 带绪论 重大工程所采用的盾构设备和施工技术基本都依赖进口，如：上海地铁l 号线采 用7 台法国制造的土压平衡盾构；上海2 号线除了使用l 号线的7 台盾构外，又新进 口了两台盾构；延安东路复线隧道采用从日本引进的泥水式平衡盾构；广州地铁 l 号线也采用日本制造的土压平衡盾构掣婚1 8 】。 目前，国内许多企业虽然也开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，如： 上海隧道股份有限公司、北方重工、铁道部隧道局、广重集团等单位自行设计和 开发了适用的盾构掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的盾构，不过目前 国产盾构主要用于对周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集 地区、管线复杂地区、地质条件复杂的地区。 在发达国家，盾构法施工的隧道已占隧道总量的9 0 以上，日本一个国家在 用盾构达千台以上。盾构法施工的隧道直径可以4 , n o 2 m ，大到l8 m ，适用于地 铁隧道、铁路隧道、引水隧道、公路隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道 工程。据统计，全球己累计生产各种盾构机上万台，主要生产厂家有德国海瑞克 公司、维尔特公司、日本三菱重工、川崎重工和美国的罗宾斯公司等。近年来， 我国也在盾构机设计制造方面取得了显著的成绩，目前上海隧道股份公司、沈阳 北方重型机械集团公司等厂家已发展建成国家重点盾构生产制造基地。 1 2 2 顶管掘进技术 项管施工技术是继盾构施工技术之后发展起来的一种铺设地下管道施工方 法，可在不影响地面设施的情况下穿越河道、公路、建筑物、地下构筑物以及各 种地下管线等进行施工。由于具有高效、环保等特点，应用也比较广泛【1 9 2 0 1 。 顶管技术也称为液压顶管技术。施工中，在主顶工作站的作用下( 有时需要 中继站辅助) ，由始发井开始，通过可控顶管机，将所要顶进的管道从目标井项 出，可以实现直线或曲线顶进。顶管施工主要由工作井和接受井、主项装置、基 坑导轨、管道、掘进机及输土设备等组成如图l - 4 所示。一般情况下，顶管机的 操作和控制可以直接在地下的工作现场南操作人员来完成。工作面上岩石的破碎 可以通过手工、机械或者水力分步破碎的方法来实现，也可以进行机械全断而破 碎；破碎下来的岩粉或泥土可以通过压力墙上的开口进入顶管机，并经过已铺设 好的管线运至地表。 顶进管道具有两个作用：一是支撑开挖空间，二是作为管线构筑物。根据其 直径大小，管道可以事先在工厂预制，也可以在施工现场的野外工厂生产，这主 要决定于对管道运输的长度和重量的相关规定以及管道加工的经济性。 北京i ：q k 大学t 学博 一学f t 论艾 l 接收井；2 一顶管掘进机：3 一掘进机；4 一t 作井； 5 一主项液压缸 图l - 4 顶管施工原理示意图 f i g u r e ! - 4s k e t c hm a po fp i p ej a c k i n gi nc o n s t r u c t i o n a u g u s t u sg r i f f i n 为早期顶管技术的推广应用做出了杰出贡献，在1 9 0 6 1 9 18 年间，当g r i f f i n 在c a l i f o r n i a 从事灌溉研究工作时，发明了在铁道下面施工铸铁 管道的顶管施工技术。日本的第一个顶管施工项目是在1 9 4 8 年采用手动千斤项 在铁道下而顶进的一条直径为6 0 0 m m 的铸铁管道，在随后的大约1 0 年中，采用 顶管技术完成的主要是铸铁管道或钢套管在道路下面的横越工程。在5 0 年代末， 开始顶进混凝土管道【2 1 1 。 在2 0 世纪的6 0 和7 0 年代，顶管施工技术得到了较大的改进，其中最晕要 的技术进步有以下三个方面：专门用于项管施工的带橡胶密封环的混凝土管道 的出现；带有独立的千斤项可以控制顶进方向的掘进机研制成功；中继站的 使用。 项管施工技术具有几大方面的优点：主要施工由线缩成点，占地面积小；地 面活动不受施工影响，对交通干扰小；噪音和震动低，城市中施工时对居民生活 环境干扰小，不影响现有管线及构筑物的使用：可以在很深的地下或水下敷设管 道，可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物，可减少沿线的拆迁t 作量，降低 工程造价。 顶管施工技术的主要缺点：施工技术难度较高；需要详细的工程地质和水文 地质勘探资料。 我国上海分别在1 9 8 8 和1 9 9 2 年研制成功我国第一台多刀盘土压平衡掘进机 ( 直径为2 7 2 0 m m ) 和第一台加泥式土压平衡掘进机( 直径1 4 4 0 m m ) 。近年来， 中国在顶管掘进技术方面有了显著进步。在直径1 2 0 0 - - - 3 0 0 0 m m 的顶管掘进机方 面，中国已经先后研制了先进的反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水加压顶管机， 国内己完全有能力制造国产机械去取代进口设备。上海研制的3 8 0 0 m m x 3 8 0 0 m m 矩形顶管掘进机，完成了2 条6 2 m 长的地下人行通道，使中国在异形盾构的