（机械电子工程专业论文）盾构管片中心检测装置的设计.pdf

摘要 摘要 随着城市轨道交通的建设进入高潮，盾构技术得到了迅速的发展，但是对 盾构施工的要求也逐渐提高。盾构机工作姿态的确认也越来越得到人们的重视， 它对提高盾构施工质量有着决定性的作用。 本文主要是采用周向扫描方式，对管片的内表面沿圆周方向进行扫描，从 测得的距离和角度信息中确定出管片中心相对于扫描旋转中心的坐标，从而可 由旋转中心的大地坐标推断出管片中心的大地坐标。采用激光测距仪进行距离 测量，使用激光测距仪对管片内表面进行扫描测量。为了能实现自动测量、数 据自动传输的目的，需要有相应的自动控制系统。自动控制系统必须具有：扫 描驱动控制、激光测距仪测量控制和数据采集、角度采集，上位机通信等功能。 另外为了提高系统检测的可靠性及维护的需要，还应有仪器防护装置开合控制， 旋转回零位( 测量起点) 控制，检测结束后旋转至停止位( 防止水滴和泥沙污 染激光测距仪的镜头，测量结束后，应使镜头转向下方) 控制，手动操作控制 等辅助功能。由于工作环境比较恶劣，可采用可靠性较高的p l c 控制器来实现。 本课题采取“理论一实验一现场实践一数据一分析”的研究方法。首先， 对管片中心的检测做出可行的实施方案，采购必要的仪器后在实验室进行一系 列的实验和数据的分析，对方案进行可行性分析，并进行相应的调整；其次， 通过现场的实际操作，对设计的方案进行现场的实验，并对方案进行一系列的 修正和完善；再次，通过实际现场获得的数据，对其进行曲线拟合，得出需要 的管片中心的坐标。然后对其进行修改及优化：最后，根据实际得出的管片中 心坐标数据，对控制模型及算法进行有针对性的修改和优化，最终完成一个较 为满意的管片中心检测的方案。 最后对本文作了详细总结，并且对今后的研究方向作了展望。 关键词：盾构，管片中心，信息传输，数据处理 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nr a i lt r a f f i cr e a c hap e a k ，s h i e l dt e c h n o l o g yh a s d e v e l o p e dr a p i d l y , a n dt h es h i e l dc o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t sa r eg r a d u a l l yi m p r o v i n g w i t hm o r ea n dm o r ep e o p l ep u tm u c he m p h i s eo nt h ew o r k i n ga t t i t u d eo ft h es h i e l d m a c h i n e ，i th a sb e e nc o n s i d e r e dt h a ti tp l a yac r i t i c a lr o l et oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ec o n s t r u c t i o n t h i sa r t i c l ei sm a i n l yu s e dt os c a nw e e k sb ym e a n so fa ni n n e rs u r f a c eo ft h e s e g m e n ta l o n gt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o no fs c a n n i n g ，f r o mt h em e a s u r e dd i s t a n c e a n da n g l ei n f o r m a t i o ns e g m e n ti d e n t i f i e di nt h ec e n t e ra so p p o s e dt os c a n n i n gt h e c o o r d i n a t e so fc e n t e ro fr o t a t i o n ，w h i c hc a nb ec e n t e ro fr o t a t i o no ft h ee a r t h c o o r d i n a t e si n f e r r e ds e g m e n tc e n t e ro fg e o d e t i cc o o r d i n a t e s a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mm u s th a v e ：s c a nd r i v e rc o n t r o l ，l a s e rr a n g e f i n d e rm e a s u r e m e n tc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ，p o i n to fc o l l e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，a n do t h e rp cf u n c t i o n s a n o t h e r s y s t e mi no r d e rt oi m p r o v ed e t e c t i o nr e l i a b i l i t ya n dm a i n t e n a n c en e e d s ，b u ta l s oh a s e q u i p m e n tt oc o n t r o lt h eo p e n i n ga n dc l o s i n go fp r o t e c t i v ed e v i c e s t h es u b j e c to f ”t h e o r y e x p e r i m e n t f i e l dp r a c t i c e - d a t a a n a l y s i so f r e s e a r c hm e t h o d s f i r s to fa l l ，t h ef i l mc e n t e r so nt h ep o s s e s s i o nt om a k ef e a s i b l et h e i m p l e m e n t a t i o no fp r o g r a m ，p u r c h a s i n gt h en e c e s s a r ye q u i p m e n ti nt h el a b o r a t o r y a f t e re x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y s i so ft h ep r o g r a mt oc o n d u c ta n a l y s i s ，a n da d j u s t a c c o r d i n g l y ；s e c o n d l y , t h r o u g ho n s i t et h ea c t u a lo p e r a t i o n , t h ed e s i g no f t h e p r o g r a m o n - s i t ee x p e r i m e n t s ，a n dt h ep r o g r a mc a r r i e do u tas e r i e so fa m e n d m e n t sa n dp e r f e c t ； t h e nb em o d i f i e da n do p t i m i z e d ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld r a wc e n t e r c o o r d i n a t e so ft h es e g m e n td a t a , t h ec o n t r o lm o d e lf o rt a r g e t e dm o d i f i c a t i o na n d o p t i m i z a t i o n ，am o r es a t i s f i e dw i t ht h ef i n a ls e g m e n t o ft h ep r o g r a mc e n t e r sd e t e c t f i n a l l y , t h e r ea r et h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e ra n dt h er e s e a r c hp r o s p e c to f t h i s f i e l d k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，d u c tp i e c e ，i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，d a t ap r o c e s s 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e r j 局l 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。 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 吖 口场 霄铂一 名 ， 一 獬 月 秘 乡 作 年 文岬 论 刃 一 位 易 写一 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，均己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：寸不 叫年多月厂易日 第1 章绪论 1 1 选题意义及课题来源 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着中国经济的飞速发展，上海得天独厚的地理位置，其城市轨道建设也 越来越成为人们关注的话题。城市的经济发展促进城市建设尤其是交通建设的 发展，城市地下轨道交通具有快捷、安全的特点。上海城市轨道交通线网规划 1 7 条线路，总长7 8 0 k m ，其中地铁1 1 条线，长度3 8 5 k m 。已建9 条线，其中地 铁7 条线；在建4 条线，其中地铁2 条线。地铁区间隧道总长度达7 0 0 k m ( 双 线) ，采用盾构法施工，已建约l o o k m 。黄浦江从东北至西南流经上海城区，把 上海分为浦东、浦西2 部分，江面宽5 0 0 m - 7 0 0 m ，主航道水深1 4 m - - - 1 6 m 。近 1 0 年来，浦东的迅速发展促进了越江交通工程建设，采用大直径盾构建造江底 交通隧道已得到广泛的应用。已建隧道5 条，在建隧道4 条拟建隧道6 条。世 博之前，上海将建成4 0 0 公里以上的轨道交通基本网络，基本形成一个国际型 大都市所拥有的便捷的公共交通网。 2 1 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、青藏铁路四大工程中，隧道工程都占有一定的比例。在过去的十几 年中，我国采用掘进隧道的方法开发地下空间的技术已经建立并不断完善，而 在掘进隧道的施工方法中，虽然盾构法起步晚，但近年发展很快，是一种很有 发展前景的施工方法。近年来，我国开展大规模的城市市政工程建设，尤其是 几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。在这些地下工程中，由于受到 施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，使得传统的施工方法难以普遍适 用。在这种情况下，对城市正常机能影响很小的隧道施工方法盾构施工法 普遍得到了人们的关注，并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。 据建设部统计，目前我国已有北京、上海、天津、广州、长春、大连、武 汉、深圳、重庆、南京1 0 个城市的轨道交通项目投入运营，总里程4 4 0 公里， 年客运量达1 6 5 亿人次。与此同时，北京市以奥运为契机，提出到2 0 0 8 年要 第1 章绪论 新增城市轨道交通线路1 5 7 公里；上海市结合“十五”计划，提出建设9 个项 目，新建1 9 3 公罩线路；广州市在建设地铁二号、三号线的同时，近期还塑划 了5 个项目，建设线路罩程达到1 7 0 公里；天津市在地铁一号线和津滨快速轨 道两个项目建设的同时，提出了加快网络化的建设方案；南京、武汉、重庆、 长春等在建的城市已提出申报第二期工程的计划，建设规模约7 7 公里；一批大 城市如沈阳、成都、青岛、杭州、西安、哈尔滨等，经过1 0 多年的前期研究， 一直在申请轨道交通项目的建设。苏州、厦门、济南、长沙、郑州、石家庄、 宁波等也在进行轨道交通建设的规划。 就上海来说，规划中的轨道交通网络就有1 7 条之多，而其中市区范围内的 基本路网均由地下路线构成，总运营里程将达到8 0 0 公里。目前，上海轨道交 通一号线、二号线、三号线和四号线已相继投入j 下式运营；轨道四号线合拢段、 二号线西延伸线、一号线北延伸线、六号线和八号线j 下在建设；轨道交通6 、8 、 9 号线的建设已经进入通车的最后冲刺阶段。到2 0 0 7 年底，上海轨道交通将形 成8 条线、1 6 3 座车站、超过2 3 0 公里的运营规模，先于j 下在建设中的北京、香 港地铁等成为首个拥有2 0 0 公里以上轨道交通线路的中国城市，地铁通达的行 政区将增加到1 3 个。据悉，至2 0 l o 年前，上海还将新建轨道交通七号线、十 号线、十一号线、十二号线和十三号线。世博之前，上海将建成4 0 0 公里以上 的轨道交通基本网络，基本形成一个国际型大都市所拥有的便捷的公共交通网。 这些轨道交通的建设中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同渐普及。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，到2 0 l o 年，我国约有1 3 座城市新建轨 道交通2 6 条线，总长度为1 2 0 0 公里，投入施工的盾构机将达l o o 多台，作为 世界上最先进的隧道掘进设备，盾构机在中国的隧道及地下工程施工中的应用 机会将越来越多。 世界上不少发达国家，如欧美一些国家和日本，较早地在地下隧道施工中 应用了盾构掘进机。其中，日本虽然盾构法起步比英国晚l o o 多年，但日本的 发展速度较快，8 0 年代以来，日本无论是新型盾构法的开发，还是盾构的制作 数量、盾构法建造的隧道的长度、承包海外盾构隧道工程的数量和地区、有关 刊登盾构法刊物的数量、向国际隧道学会提交的论文及发展规划建议的数量等 等，均居于领先地位。由此也带动了世界相关科研人员对盾构法施工中引发的 2 第1 章绪论 各种问题进行深入的研究，大大推动了盾构法的完善和发展。随着自动控制的 广泛应用，一些学者对盾构掘进的自动控制进行了研究；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 技术也同趋成熟。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着设计路线自动推进，保证尽量小的开挖面扰动，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，因为大规模地铁建设的同 时也带来了不少问题，地下工程地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中 灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度，决定了地下工程建设质量、安 全性的控制和管理的难度比地上工程高得多心1 。 1 1 2 课题来源 本课题来自上海地铁盾构设备工程有限公司的盾构科研改造项目：盾构管 片中心检测。 该公司是国内唯一一家专业从事为地铁区间隧道掘进提供盾构设备及其相 关服务的公司。公司现拥有各种类型的土压平衡盾构机2 0 台及高精度钢模7 l 套。公司成立以来已为上海市多条轨道交通线路的区间隧道工程建设提供了盾 构设备，其中包括已建成运营的地铁一号线、二号线，以及在建的共和新路高 架工程、明珠线二期和m 8 线工程。公司多工地同时开工的要求，使得建立盾构 监控管理系统显得同益紧迫。 随着盾构施工的同趋复杂性，对于盾构机工作姿态的正确确认越发觉得重 要，目前对于盾构机工作姿态的确认有如下两种方式：人工测量法和自动测量 法。 人工测量法人力投入大、测量频率高、对隧道掘进干扰大、数据处理慢、 无法获得盾构机的掘进过程中的实时姿态和偏差、施工控制较困难，但是设备投 入少、成本较低。自动姿态测量( 导向) 系统可全天候对盾构机姿态进行测量、 控制，实时计算并显示盾构机姿态，具有人力小、测量频率高( 如每5s 测量一 次) 、对隧道干扰小、测量速度快和数据处理强，数据和图像显示等优点。自动 导向系统有激光全站仪( 测量机器人) 导向和陀螺仪导向两种。在国内自动导向 3 第1 章绪论 系统正逐步成为盾构隧道测量技术的主流。人工测量法：在盾构顶部垂直中心位 置安装前后靶，把测量仪器安置在隧道顶部的测量台商，通过测量前后靶的中心 的坐标和距离，计算出刀盘中心的坐标和盾尾坐标，并与测定的盾构初始数据比 较，确定盾构的位置( 方位) ：同时主要通过在盾构体上安装坡度板，在盾构壳上 焊接测量用的重锤线，根据重锤在坡度板上指出的刻度，即可直接读出盾构机的 坡度和扭转角。坡度初始值的确定：在盾构机安装就位后，用水准仪测定盾构的 首尾高差ah f b ，用钢尺测量盾构首尾两点间的水平距离d f b ，从而算出盾构机的 坡度( ah f b d f b ) x1 0 0 。盾构初始扭转角的确定：采用水准仪测定水平方向相 对应的两千斤顶间的高差ah l r ，用钢尺测量两千斤顶间的水平距离d l r ，从而算 出盾构机扭转角2 a r c t a n ( h l r d l r ) 。自动测量法：目前盾构的自动测量系统主 要有德国v m t 公司的s l s - t 、英国的z e d 和同本的g y r o 2 ，还有德国的p p sg m b h 等导向系统。陀螺仪g y r o 系统可靠性还有待提高，精度低。其余的激光导向系 统导向精度高。下面简要介绍p p s 导向系统。p p s 自动导向系统主要由全站仪( 测 量机器人) 、后视棱镜、双轴倾斜仪、两个前视棱镜、微型工业计算机、p p s 导 向系统软件等硬件、软件组成。p p s 导向系统的工作原理：通过固定在隧道已拼 且比较稳定的管片右上方的专用托架上的全自动全站仪，以一定的时间间隔( 如 5s ) 实时测量出两个控制点( 棱镜) 坐标，同时根据双轴倾斜传感器，确定盾构机 的俯仰角和滚动角口1 。经由控制电缆输入采集的数据，再经过计算机专用的隧道 掘进软件整理和计算，通过对盾构机当前实际位置和相应里程的设计位置的综 合比较，盾构机的位置和姿态就以数据和模拟图表两种形式显示在控制室内的 电脑屏幕上。值得注意的是，p p s 自动导向系统中的盾构机体上的测量控制点一 般在不可动的位置上，以便以后经常检测。盾构机在现场安装完毕后，始发前必 须测出盾构机上的主要的基准点、测量控制点( 包括一些临时的控制点) 在工程 坐标系的初始坐标值，从而确定两个控制( 棱镜) 点在盾构机自身的坐标系的坐 标以及始发前t b m ( 盾构机) 坐标系和工程坐标系两坐标系的关系。 盾构公司丰富的现场施工经验和宝贵的工程数据为本课题的j l l 页n 开展奠定 了扎实的技术基础。 4 第1 章绪论 1 2 课题研究内容及思路 系统姿态测量原理：在盾构机前体的固定位置上选择不在同一水平面上的 两个测量控制点，在两个测量控制点上贴上测量反射片。为了便于测量，这些点 应尽可能与盾尾保持通视，并保证在整个施工过程反射片不脱落或移位。为了确 定盾构机前体上测量控制点与盾构机刀盘中心以及盾构机初始姿态的相对关系， 在盾构机安装就位后还必须在盾构机的刀盘中心o 点( 前基准点) 、位于盾构机 轴线上的c 点的( 后基准点) 以及位于刀盘正上方的a 点上各布置1 个临时测量 点 1 ( 见图卜l 中的0 点、c 点和a 点) ，并在盾构前体上布置一些用于检测的其 他控制点。在盾构机就位后，始发前必须对所有的测量控制点和临时测量点的坐 标初始值进行测量，就可算出盾构机的姿态和位置参数 3 。 i _ 三一一一历 e 图卜1 盾构机立体示意图 传统的盾构机的工作姿态测量是通过盾构机的盾首中心和盾尾中心来确定 的，虽然它一定程度上可以反映出盾构机的工作姿态，但是它没有把盾构机所 形成的隧道质量考虑在内。然而盾构机的工作姿态的检测不仅仅是为了能够确 定其工作的状态，更为主要的目的是其能够形成高质量的隧道h 3 。 上海的盾构开挖工程也已经有十几年了，传统的盾构机工作姿态的检测通 过盾首和盾尾的连心来确定，虽然绝大部分能保证盾构机的工作质量，然而仍 然存在了不少的问题和纰漏。为了实现更好地对盾构机工作姿态的确认，我们 提出了以盾构机刚砌好的管片中心的空间大地坐标和盾首中心来确认它的工作 姿态。盾首和盾尾非刚性连接，而盾首和管片拼装机是刚性连接，这样可以提 高盾构机工作姿态确认的准确性。为了能够准确的确定盾构管片中心的大地坐 标，我们提出了一套盾构机管片中心检测的方案。 因此，基于以上所提到的目的，为了能够实现根据盾构形成的隧道质量来 5 第1 乖缔渔 确定盾构机的工作姿态，希单能以盾构机盾茸中心和川砌蚶的最后 段管的 叶1 心米进行盾构机的工作姿态的测最。本文就足为了实现这一目的而提 盾构 管片巾心榆测的町行性设计，儿贡献在于通过本文所提出的检测设训，能够存 考虑盾# j 机形成的隧道质量的条什下，对盾构机们丁作姿态做出测量。 该噪题分为以下几个步骡： 检测装置的设计 舭食设备的调试 网络通讯与数据传输 盾构管h 中心的检测卡要是通过采用周向扫描的片，对管片的内表l 沿 网周方向进行扫描，通过采集的数据进行曲线拟台从而得出盾构昔h - i ，心的位 置。为了达到这一日的，首先要确定测量中心的人地坐枷；，也就是对圆删中心 进行扫描的旋转中心的大地坐标。然后通过激光删距1 感器和倾伯传感器束扶 得距离平角度的信息，将此获得的数据上传到上位自。，进行曲线拟合，从而 得出管片中心相对于扫描旋转中心的坐标，在通过啦标换算，推断出盾构管片 由 削l _ 2 骨片t h 0 检测装 饰方窠幽 我的论文丰要是进行盾倒臀片叫心附砬棚，具日的是为了便于对施工现场 情况的掌控，同时减少工作人员在现场的t 作量，并拍保证施工整体进程的安 全性的基础上提高工作效率、增强管理，因此对盾构掘进过样的轨道进行有效 的攫4 托是十分有必要。盾构机掘进的轨道将直接影响剖施t 的质最，对整个隧 道的安全性、可靠性起到了小可瞽代的作用。冈为地f 隧道本身是一条扣曲的 第1 章绪论 空间三维曲线，其行进的方向很难掌控，因此对隧道施工的安全大大产生了影 响。上海地铁四号线过江段曾因出现挖穿黄浦江河床而产生坍塌，对工程造成 了无法弥补的影响，正是因为无法正确地把握盾构机行进的方向才会导致严重 的后果。因为传统的盾构机的工作姿态的检测仅仅是通过盾构机本身确定的， 并没有考虑到其挖掘的隧道，又由于人为根本无法判断隧道的行进方向，因此 我们提出了需要通过更加可靠、可行的盾构机工作姿态的检测方案。其中最为 可行的就是在检测盾构机工作姿态的同时考虑其挖掘的隧道，通过两者的有机 结合来确定盾构机的工作姿态。 因此，本文主要是通过设计检测初盾构机管片中心的位置，其管片为盾构 管片拼装机搭建的最初端的管片，与盾构机盾首中心的连线从而确认盾构机的 工作姿态。达到了f 确判断的盾构机的工作姿态的目的，保证了盾构的正确的 行进方向，提高了工作效率和施工的可靠性。 1 3 论文创新点 本文的创新点总结如下： 1 提出利用盾构施工过程中管片中心的位置来确认盾构机的工作姿态； 2 设计出适合盾构施工的恶劣环境下的检测装置； 3 实现整套设备的自动化和远程网络数据通讯及传输； 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题的背景、来源及其意义，根据盾构公司所给出的科研 项目的具体要求提出了自己论文的方向和研究的思路，最后对本论文的创新点 进行了归纳。 7 第2 章盾构管1 中检测方案设计 第2 章盾构管片中心检测方案设计 2 1 盾构法隧道概述 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿着隧道设计轴线开挖土 体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起到防护开 挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被简称为盾 构瞄1 。盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。 也就是使用盾构机，一边控制着开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道 掘进、出渣；并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而 修筑隧道的方法。 2 1 1 盾构机简介 1 8 1 8 年，英国工程师布伦诺尔设计出一种挖掘机，在泰吾士河底下挖掘隧 道。他观察过一种名叫凿船虫的蛀木软木动物，发现这种虫子利用圆管行硬壳 支撑孔洞四周的特朵铖，继续向前钻进。于是受到启发，制造了一个箱行铁壳( 称 为盾构) ，利用千斤顶在松软的土壤中向前推进。挖掘工人则在铁壳内一面挖掘， 一面在隧道内壁衬砖。这便是人类的第一台盾构机。 1 8 6 5 年，英国桥梁工程师巴洛发明一种盾构，并注册了专利，这种盾构是 圆筒行，直径较布仑诺尔设计的为小，不用砖铺砌隧道内壁，而用铁块砌块。 巴洛和工程师格雷特黑德利用这种盾构在一年之内凿通泰吾士河床下的第二条 隧道。格雷特黑德还改进了挖隧道技术，以压缩空气抵消外面的水压。1 8 9 0 年， 伦敦用这种技术建成了世界上第一条地下铁道。 盾构机的“盾 是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾形 刚壳。“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。 盾构机主体主要由刀盘、盾壳、驱动装置、螺旋输送机、管片拼装机、推 进油缸等几大部分组成。盾构的掘进是靠盾构前部的旋转掘削刀盘掘削土体， 掘削土体过程中必须始终维持掘削面的稳定；靠舱内螺旋输送机出土，靠中部 的推进千斤顶推进盾构前进；靠后部的管片拼装机拼装管片；随后再由尾部的 8 站2 t 盾幽管h 十* 自# 背后注浆系统向衬砌地层州的缝隙- 注入填允浆液，以便防i t 隧道i 地西】的 r 沉。保证掘自i 而的稳定、腊构沿设计路线的高精度推进( 即佶构的方向、姿 态控制) 、衬砌作业的顺利进行是盾构掘进技术的三大要素。 圈2 1 为盾构设备总布置图，主要出后壳结构、刀盘、管片拼装机、盾构f 斤顶、螺旋输送机，人行闸以及盾尾辩封装置等组成，简述如 西l 盾构诖各总布置圄 0 1 诧壹刀盘太轴承瓤齿喇0 4 盾壳0 5 雎装管0 6 皮带运翁机0 7 刀盘密封0 8 螺旋 输选机0 9 台片拼装机1 d 刀盘驱动油峙选1 1 人行闸1 z 盾构千斤丁噩( 双节) 1 3 盾尾密封1 4 超 挖刀1 5 晤挑千斤碌( 单节) 盾壳是一个用厚钢板焊接的圆柱形体，是盾构主体结构，要承受地 水、 土力、盾构千斤项推力以及各种施工负载，承和宣装各类机械设备，保护人员安 全操作盾壳又町分为切几环、支承环和盾尾一分。切口环和支承虾足预先在工 厂焊接成个半圆环结构，然后用螺栓拼装成两个圆环运到工地后再用蝶栓将切 口环和支承环联成一整体，并在螺栓拼接面外圈加薄层电焊以保持其密封性。盾 尾段采用加m m 钢板光壁圆筒与支环外壳对接焊，在盾尾后段再对接焊圈厚钢 板，利用两种钢板厚度筹形成的隙以便安装盾尾密封装置。沿盾尾外闱置6 条 第2 章盾构管”中柃测方案设计 凸块，每个凸块内装有三根管子，根为同步压浆管，一根为备用压浆管，另根为加 注盾尾油膏管。 刀盘是用来开挖泥土，同时也具有搅拌泥土的功能，刀盘采用典型面板式结 构，由条辐射形梁组成，在辐射梁的两侧、盘面中心和周边，装有各种切土刀片共 1 2 9 把其中有两把活动超挖刀片，由液压千斤顶作，最大超挖直径为6 4 8 5 m m 。刀 片的布置以使刀盘转动一周能复盖全开挖断面为则，大多数刀片用螺栓安装，可 在泥土室内检查和更换刀片，在刀盘面板和周边最受磨损的部位，加以硬质合金 交叉堆焊或复焊一块耐磨钢板，以增强刀盘的耐磨性。刀盘盘体由4 个悬臂式立 柱与传力环相联，传力环则由螺栓与组合滚柱轴承的大齿圈相联，刀盘的回转采 用8 台液压齿轮马达级行星减速器和小齿轮传动大齿圈来实现。大齿圈和8 个 小齿轮安装在同一箱体内，采用稀油飞溅润滑。刀盘传力环与壳体以及与中心人 行闸之间分别装有两列多唇口橡胶密封圈，每两道密封唇口之间装有自动压油 咀，以便及时注入油脂润滑，并可防止泥水侵入。在刀盘盘体背面装有搅拌臂，当 刀盘旋转时，可起搅拌泥土作用，并与后构密封隔板卜的固定臂之间形成剪切 效应，以防泥土块和阻塞现象。 盾构千斤顶沿支承环圆周均匀布置了2 2 台盾构千斤顶，是驱动盾构的动力。 其中顶部为3 台套筒式双节千斤顶，柱塞行程为1 8 6 0 m m ，可配合封顶块安装纵向 插入工艺需要，其余1 9 台为普通单节千斤顶，行程为1 2 0 0 m m 。3 台双节千斤顶采 用活塞面积补偿结构，使大小活塞顶力比达到15 7 1 4 3 = 1 0 9 ，基本上做到等推力 要求，大大提高了盾构的操纵性能。管片拼装机为环形结构，回转环由安装在盾 构支承环加强圈上双排滚轮支承，拼装机前后倾复力矩主要由双排侧向挡轮支 承，在举重钳夹持器对称位置上装有平衡块，能平衡二分之一回转负载。拼装机 回转由2 台齿轮液压马达和小齿轮带动固定在环形盘上的滚子链大齿圈来完成， 液压马达本身带制动装置，一旦液压失压，可自行紧急制动，保证了操作安全睛3 。 管片夹持是通过举重钳吊孔与拧在管片上的吊环孔用插销联接，同时有个用千 斤顶操作的压轮，顶压在管片上，使管片夹紧，并可操纵压轮来调整管片的偏斜。 管片平移、伸缩均由液压千斤顶操纵。除回转动力外，其余各千斤顶液压回路二 是一套独立的封闭系统，所有油箱、泵、阀原件全部固定安装在环盘体上，其所 需电源电缆由绕线机自动盘绕，大大简化了管线布置。 螺旋输送机由1 台液压马达驱动。泥土入口端装在盾构泥土室底部，通过密 封隔板向中心倾斜安装，倾斜角为3 3 。在泥土入口端的外壳沿轴向1 2 0 0 m m 和 1 0 第2 章盾构管片中榆测方案设计 底部1 5 0 。范围内面，堆焊硬质合金条纹，作为螺杆前端的支承面。螺旋片采用 2 0 m m 厚钢板绕制焊接在螺杆轴上，螺距为6 0 0 m m ，叶片直径为7 0 0 r a m ，入口端长度 1 2 0 0 m m 范围内为双叶片其余为单叶片另外在螺杆上端装有一圈反向螺旋叶片使 排土更为利，并有利于保护轴承密封。所有螺旋叶边缘均堆焊耐磨合金条纹。为 了方便在井或隧道内拆装、维修工作，螺旋杆和外壳设计成三段联接式。在螺旋 机排土口装有液压排土闸门，另外在排土闸门后面沿皮带运输机方向，加装一个 排土溜管，使排土顺势畅流，连续地后方排送。人行闸在盾构中心，设有一个进入 泥土室的人行闸，闸体由钢板卷制成圆筒形结构，装有两道闸门。盾构在正常掘 进中，靠泥土室一边的第一道闸门处于常关闭状态，是泥土室密封隔板的一个组 成部分。而第二道闸门则处于常开状态，当人员必须进入泥土室时，应先向泥土 室内加入预定的气压，用以支护开挖面土层，接着人员进入人行闸并关闭第二道 闸门，逐渐向人行闸内加入气压，待闸内气压与泥土室内气压相等时，第一道闸 门两边压力相等，故处于自由状态，人员即习随意从气闸室进入泥土室，此时第 二道闸门则处于受压状态。反之，当人员从泥土室返回时，应将第一道闸门关闭， 并逐渐减小人行闸气压，直至与大气压相等，随后打开第二道闸门。两道闸门均 朝泥土室方向开启，可提高受压时密封效果。第一道闸门还装有开门保险栓，当 有人进入泥土室内工作时，需确保第一道闸门始终处于开启状态田3 。盾尾密封为 防止地层中的泥水和衬砌外围的浆液从盾尾间隙中漏入盾构，设有两道钢丝刷 盾尾密封装置，钢丝刷外框板与盾尾壳板焊接固定，盾构掘进时，在两道钢丝刷 密封装置之间，及时注入密封油膏，以提高密封效果，并减少了钢丝刷密封与衬 砌管片外表的磨擦。液压系统盾构各组成机构均采用液压驱动，其中管片拼装机 各千斤顶液压回路采用封闭独立系统，安装在拼装机盘体上。鸳它各机构液压回 路设计成一个总系统，油箱总容积为6 7 7 9 l ，最高油位时为6 0 0 0 l ，鼓低油位时为 3 5 0 0 l ，油箱设独立循环冷却系统，可有效控制油温上升。对盾构千斤项、螺旋输 送机和皮带运输机驱动，均采用电液比例调速泵，该类油泵在低压状态时，要由 先导控制系统进行流量控制，控制压力7 m p a 。 刀盘回路采用7 台手动变量油泵工作时定量供油并联，最高工作压力2 3 m p a ， 额定工作压力1 6 m p a ，供给8 台齿轮液压马达驱动刀盘回转，刀盘的旋转速度是通 过开关7 台油泵的工作台数进行调节的，当盾构停止掘进时，刀盘亦停止工作，盾 构即可转入拼装阶段。此时第7 号刀盘油泵即转入盾构千斤顶回路，操纵盾构千 斤顶伸缩以配合管片拼装机工作的需要，工作压力降为5 m p a 。超挖刀与排土闸门 第2 章盾构管片中榆测方案设计 回路此两机构共同使用1 台手动变量泵，最高工作压力1 6 m p a ，分别通过各自的电 磁阀进行操作。超挖刀共有两把，使用时只任选一把工作，然后接上快速软管，一 旦换刀工作时，应重新将供油软管换接到另一把超挖刀系统上。在螺旋输送机排 土闸门回路上，接入了一氮气罐蓄能器，工作压力为8 1 6 m p a ，当紧急事故时， 可打开氮气罐上的单向截流阀，由蓄能器供给压力油操纵闸门关闭，以防盾构泥 土室压力骤降而引起地表沉陷。盾构千斤顶回路盾构推进采用1 台电液比例调 速泵，最高工作压力3 2 m p a 。2 2 台盾构千斤顶共分成4 组，底部一组为7 台千斤 顶，其余顶部和左、右三组各为5 台千斤顶，每组千斤顶前设一电磁比例减压阀， 用来调节每组千斤顶的工作压力。当盾构推进时，根据施工指令，调节各组千斤 顶不同压力，借此纠正或控制盾构前进的方向，改变了以往用增减千斤顶工作台 数的操作方法，从而提高了盾构的操纵性能。另外根据工作需要，盾构千斤顶也 同样可以单独操作。在每组千斤顶中，有l 台千斤顶装有行程指示器，可显示盾 构推进姿态。当盾构推进中，若该类装有行程指示器的千斤顶未被选入工作，但 为了要显示盾构推进姿态，则该类千斤顶可通过跟踪回路( 工作压力6 m p a ) ，与 其它工作千斤顶同步跟踪n 们n l l 。当盾构推进行程( 1 m ) 完成以后，盾构即可转入 拼装阶段，此时盾构千斤顶供油泵即转为供给管片拼装机回转液压马达工作，工 作压力降为1 8 m p a ，而盾构千斤顶配合管片拼装工作需要而改由刀盘7 号泵供油。 其目的是减少一台电液比例调速泵。管片拼装机回转回路如上所述当盾构进入 拼装阶段时，盾构千斤顶供油泵即转入供给拼装机回转液压马达工作，由于该泵 具有比例调速功能，故可通过操纵开关计电器，即可进行调速和微动，可提高拼 装效率。拼装机千斤顶回路采用封闭式独立回路，工作压力1 4 m p a ，在密封油箱内 设有调节活塞以平衡各千斤顶工作时油量的变化。螺旋输送机回转回路采用1 台液压马达驱动螺杆旋转，由2 台电液比例速泵并联供油，工作压力为2 8 5 m p a 。 皮带运输机回路由1 台电液比例调速泵供油，带动滚筒油马达运转，工作压力为 l o m p a 。 2 1 2 盾构施工技术的特点 盾构掘进机是世界上最先进的隧道掘进设备，被广泛应用于地铁、公路、铁 路、输气、输水等大型工程建设。我国是自2 0 世纪5 0 年代才开始引进采用盾 构法修建隧道工程的。虽然起步很晚，但由于注意参考和借鉴国外成功的经验和 1 2 第2 章盾构管片中检测方案设计 失败的教训，所以发展很快，特别是近十年来随着我国城市地铁建设的发展，盾构 技术得到了又一轮发展。 盾构是一种在不破坏地面的情况下进行地下掘进和衬砌的全断面施工设 备。盾构机外形与隧道横截面相同，但尺寸比隧道尺寸稍大的钢桶压入地中构成 保护掘削机的外壳，此外壳与壳内各类作业机械、作业空间的组合体称为盾构机 ( 简称盾构) 。实际上盾构是一种既能支撑地层的压力，又能在地层中掘进和完成衬 砌施工的机具。具体构造包括：切削刀盘驱动系统、盾构推进系统、拼装机系统、 螺旋输送机系统、加泥控制系统、盾尾密封系统、动力台车及配套设备系统等 七部分n 2 1 。 在日本隧道盾构新技术一书中看到关于盾构机的分类如下：按照隧道标准规 范盾构篇，盾构机按开挖面和作业室之间隔墙构造可分为全开敞式和半开敞式及 密封式三种。具体分类：全开敞式有手掘式、半机械式、机械式；半开敞式有 挤压式；密封式有泥水式、土压式；土压式又分土压式和泥土加压式；泥土加 压式又分泥土加压式和泥浆式。其适用范围为泥水式盾构机适用的地质范围很 大，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。开挖的土砂以泥浆的方式输送到地面 进行分离为土粒和泥水，对泥水进行质量调配后再输送到开挖面。其分离设备设 置在地面，占用面积很大，近来使用受到局限。土压盾构机适用于可用切削刀开挖 且含砂量少的塑性流动性软粘土。泥土加压式盾构机装备有注入添加材料促进 开挖土砂塑性流动的机构，和强力搅拌添加材料及开挖砂土的搅拌机构，添加材 料有膨润土、c m c 、粘土、高吸水树脂、发泡剂等，可根据土质选用。这种盾构 机适用范围广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂、砂砾、卵石等土层，以 及这些土层的互层。在泥土加压式盾构机刀盘后面设有强制搅拌整个土室的搅 拌叶，在开挖土砂中添加膨润土、c m c 、粘土或起泡材料，使开挖土砂变成塑性流 动性和防渗性的泥土，这种泥土充满土室和螺旋输送机，使与开挖面土压和水压 平衡，稳定开挖面口引。这种盾构机的刀盘轮辐形的面板式的开敞结构，容易进行土 压管理，适用于大范围的土质。泥浆盾构机主要是使开挖土添加材料后变成泥浆， 其主要适用于巨砾层。很少使用。 采用盾构法施工的主要优点有盾构施工时所需要顶进的是盾构机本身，故在 同一土层顶进时顶力基本不变，因此盾构法施工不受顶进长度限制；操作安全，可 在盾构的支持下挖土和衬砌；盾构法施工时对环境影响小，因施工速度快，较少影 响交通及扰民，保护绿化环境，改善了工人作业环境；盾构法施工时经济损失小， 第2 章盾构管片中检测方案设计 无噪音、空气、振动污染问题，成本较低；如采用平衡式盾构施工可不降低地下 水施工，避免了因降水造成地面下沉，再加上合理调整盾构施工参数，能控制正面 土体稳定，另外可加强衬砌背面空隙的填充，可控制地表的沉降；穿越河底或海底 时，施工不影响航道，也不受气候的影响；自动化程度高，劳动强度低，施工速度较 快。 盾构机可以用于地铁、水底隧道、城市污水管道、电厂进排水管道、污水 处理厂截流干道及城市综合管廊等，国内盾构法施工工程的市场具有很大的潜 力。盾构法施工的基本条件有以下几个方面：线位上允许建造用于盾构进出洞 和出渣进料的工作井；隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m ；相对均质 的地质条件；如果是单洞则要有足够的线间距；洞与洞及洞与其他建( 构) 筑物之 间所夹土( 岩) 体加固处理的最小厚度为水平方向1 0m ，竖直方向1 5m ；从经济角 度讲，连续的施工长度不小于3 0 0m 。 根据不同的施工要求和施工情况，对于盾构机的选用也是非常重要的。其 选择依据的重要性主要有：土质条件、岩性( 抗压、抗拉、粒径、成层等各参数) ； 开挖面稳定( 自立性能) ；隧道埋深、地下水位；4 ) 设计隧道的断面；环境条件、沿 线场地( 附近管线和建( 构) 筑物及其结构特性) ；衬砌类型；7 ) 工期；8 ) 造价；9 ) 宜用的 辅助工法；设计路线、线形、坡度；电气等其他设备条件n4 1 。 综合盾构机的特性与选型的依据。盾构机选型时先要看该盾构机是否有利 于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因素，同时还必须将宜用 的辅助工法也加以考虑。只有这样才能选择出一种较为合适的盾构机。 盾构法施工是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。盾构机是 一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道施工机 械。现代盾构机的自动化程度越来越高，就象是一个能够自如地在地下打洞造壳 的“地老鼠”。盾构机的选型显得尤为重要，只有针对不同的工程、不同的地质 特点进行合理的选型，才能使盾构机更好地适应工程施工要求，并实现较高的经 济效益u 引。 其中常见的土压平衡式盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构，这种盾构 是在局部气压盾构和泥水加压盾构的基础上发展起来的。该盾构的前端有一个 全断面切削刀盘，在盾构中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出口在 密封舱外。其施工方法是保持开挖面的稳定，在切削刀盘后面的密封腔内充满 开挖下来的土砂，并保持一定的土压力。 1 4 蚺2 幸* 构甘j ，中榆i m 月n* h * # 女自 # “自$ j i j i 三 圈22 上压平衡盾构法施l1 艺流程图 区别f 明挖法等隧道施工技术，盾构施工技术自如下的特点： ( 1 ) 1 对城市的】f 常功能及川围环境的影响很小，不受地面交堪、河道、航运、 潮汐、季节、7 弋候等条件的影响，能够较经济台理地保证隧道安全施工。除在 盾构竖井处需要。定的施工场地外，隧道沿线不需要施工场地；施工中几乎没 有噪声和振动，对周闱环境没有干扰；在松软地层中丌挖埋置源度较大的长 距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、军事等斤面的优越性。 f 2 1 2 盾构机是适合于某一特定区间的专 j 设备。盾构机必须根槲施t 隧道的 断面人小、埋深条件、地萆围岩的基本条件进行设计、制造或改造。 ( 3 ) 3 施工精度要求高。管片的制作精度几下相当于机械制造的程度，目前每 片的误差要求在05 m m 以内：在盾构施工过程中对隧道轴线的偏