主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用.doc

主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用鹏禾主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社,于翔(中铁二十三局城市轨道交通工程有限公司,四川成都610110)摘要:介绍ROBBINS公司生产的EPB6260盾构机主动铰接系统的结构和工作原理以及在盾构施工过程中管片选型原则,方法,详细阐述了盾构机与管片姿态调整的具体方法和科学依据,以及姿态调整对工程质量的重要性.通过姿态调整,盾构施工安全平稳,盾构姿态良好,通过提前预知下几环管片,盾构施工效率明显提高.此种方法的使用对隧道施工和设备制造有参考价值.关键词:主动铰接;姿态调整;管片选型;盾构机;隧道中图分类号:U445.39文献标识码:B文章编号:16723953(2011)01-006805随着城市地铁施工的全面开展,盾构以其安全快速等诸多优势而逐渐普及.我单位在成都二号线土建十八标施工中采用了美国ROBBINS公司生产的EPB6260土压平衡盾构机.这台盾构机采用主动铰接系统,此系统对盾构机安全,平稳,快速的进行姿态调整提供了保障.本文主要阐述主动铰接系统的特点,原理以及应用主动铰接系统进行姿态调整和管片选型的方法.1盾构机姿态调整的必要性通常而言,盾构机在施工过程中,盾构机中心线难免会与隧道的设计中心线有偏差,这种偏差称为盾构机姿态.为了提高工程质量且使工程符合设计要求,盾构机操作手会尽量减小盾构机与隧道没计中心线的偏差,减小盾构机与设计中心线偏差的过程称为姿态调整.1.1偏差原因偏差出现的原因主要是由盾构机推进偏离造成的,但管片在拼装过程中形成的误差也会造成隧道一定的偏离.隧道如果出现偏差,通常通过盾构机配合使用曲线管片进行姿态调整.本标段使用的盾构机为主动铰接型土压平衡盾构机,设有小曲率半径掘进的铰接千斤顶,可以有效的对盾构机的掘进进行姿态调整.1.2姿态调整的原则盾构方向控制的基本原则如下:偏离量增大之收稿日期:201011-23作者简介:李全社(197O),男,高级工程师,主要从事TBM和盾构机技术管理方面的工作前及早修正;遵循偏离量的管理值和允许值,确定偏离修正方针;避免蛇形纠偏.1.3姿态调整要求为了把施工时的实际偏离量控制在规定的允许偏离量以内,首先应确定偏离量的管理值(允许值的5O-80为目标),并在该目标范围内修正偏离量进行推进管理.盾构机纠偏时必须确定连续修正偏离的意识,否则将会出现纠偏过量的情况.见图1.+80iilin偏离允许值:O偏离管理值.一.一一.一.50mlI1.一.一.一.一.8Omill图1盾构偏离修正图在已经发生偏离的场合下进行盾构姿态调整,则因盾构与外周面土体的摩擦增大,周围地层将发生扰动,致使沉降.所以,在方向控制时,必须先掌握盾构现在在推进方向上的偏离量;其次按可以把偏离量拉回到管理值以内的原则设定方向修正量,如果预设方向修正会超过管理值,可以使用主动铰接进行方向控制.2主动铰接特点在目前国内地铁施工中,所使用的盾构直径D一般都在6m多,而其长度L一般则为8m左右甚至更长,盾构机的灵敏度L/D通常达到1.3左右,难以在曲线段施工.为了提高盾构机的操作性能,通常将其分成前后两个部分,中间用千斤顶连接起来,形成一个铰接装置,这样可使盾构机的前后弯曲,以适应曲线段的掘进.国防交通工程与技术囵2第l期?成果与应用?主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等铰接千斤顶的两端分别和盾构机的前后部用铰销连接,由于铰接千斤顶沿盾构圆周布置,其两端的铰销处都装有球铰,以保证铰接千斤顶轴线与盾构机轴线之问有一定的摆动角度.铰接的结构形式有两种:一种是将铰接机构设置在由后体环梁到前体侧的结构(被动铰接型),另一种则是将铰接机构设置在由环梁到后面盾尾部的结构(主动铰接型).2.1前体被动铰接型各种方式的铰接都有各自不同的特征,前体推压型是盾构千斤顶单向推压,故在拼装的管片内侧容易发生拉伸弯矩,管片易损坏.将铰接机构设置在由环梁到后面盾尾部的结构被仅用于前体推压的场合,但是在松弛的土层,当盾尾部作用大于土压力时,或者在曲线段施工,弯力矩作用在盾尾部时,由于土砂和水从盾尾柔性铰接密封渗入的危险性很高,故铰接密封的可靠性差.见图2.2.2后体主动铰接型在将铰接机构设置在由后体环梁到前体侧的结构中,铰接密封被安装在紧紧地固定在机体后体环两部上的双重结构的平板上.此外,为了防止土砂混入到密封部,通过长期注入密封油脂,来提高密封的可靠性.见图3.一圈图2前体被动铰接型图3后体主动铰接型在本工程考虑到工程质量以及盾构机铰接密封部的可靠性,故采用扁平后体推压型主动铰接结构.2.3主动铰接的优点主动铰接能使前盾主动改变掘进方向,使盾构机能更容易沿着设计中心线掘进,实现操作简单化.对于后体推压型主动铰接结构,其好处是显而易见的.由于作用在盾构机壳体上的土体摩擦阻力与壳体长度成正比,主动铰接型,使得盾构机前部长度尺寸缩短,土体摩擦阻力减少,铰接千斤顶的载荷也随之减少.3管片选型在盾构施工过程各个环节中,管片选型尤为重国防交通工程与技术要.由于盾构隧道难以严格按照设计轴线前进,会产生一定量的偏移(包括轴线位置的偏移和掘进方向的偏移),在盾构推进质量控制项目中,控制盾构掘进更重要,这就需要管片姿态能够满足盾构纠偏的需要,能够随时和盾构机姿态保持一致.在盾构机头部姿态调整时,盾尾管片姿态也同样需要纠偏,以保证管片前进方向和盾构机头前进方向保持一致.其主要作用如下:(1)保证管片环与环之间平顺连接,控制环间平整度.(2)保证管片在盾壳内拼装时不受盾壳影响,盾尾间隙均衡,控制管片拼装后的椭圆度.(3)保证管片受力均衡,不产生局部应力集中,控制管片裂角.(4)保证管片只受到压力作用,避免受剪,受弯产生管片裂缝,进而影响隧道防水效果.利用曲线环管片不同的拼装方式来调整管片姿态,使之能够和盾构机头姿态保持一致可以有效的控制隧道的姿态.成都地铁盾构隧道内径5400mm,外径6000mm,环宽1500mm,厚300mm,环向分6块,具体为3块标准块(B,B,B.),2块邻接块(L,I)和1块封顶块;管片环与环之间采用错缝拼装方式,管片端面采用平面式.见图4.为适应曲线段施工及施工纠偏等需要,管片有3种类型,即标准环,左曲环和右曲环.曲线环的楔形量为38mm,针对不同的曲线半径,以标准环和楔形环按一定比例组合.6eF5e1eB1B2图4标准环管片设计图(单位:mm)3.1管片选型原则由盾构施工特殊性,管片选型主要依就如下几个原则:(1)在清楚盾尾问隙,油缸行程差,盾构机姿态情况下进行管片选型.囵2011第1期?成果与应用?主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等(2)在某处盾尾间隙小于等于10mm时,选择曲线环管片进行管片纠偏,以最大块放在盾尾间隙最小的地方选择拼装点位.(3)从盾构机测量数据显示得知,推进油缸行程差大于38mm时,选择曲线环管片调整行程差,以最大块放在行程差最大的地方选择拼装点位.(4)在调整盾构姿态时,清楚管片中心线与盾构姿态,防止管片组合中曲线环过多,造成管片姿态纠偏过量.3.2盾构机与管片中心线的判定E.别要做到管片选型符合掘进要求,首先要清楚盾构机,设计中心线,管片中心线之间的关系,利用它们之间的关系做到提前预知下环管片.在管片选型前,主要关注盾尾间隙,已施工隧道中心线与盾构机,设计中心线等几个参数.见图5,图中z为设计中心线,Z为管片中心线,Z为盾构机中心线,L为油缸行程,a为隧道中心线与盾构机夹角,为设计中心线与盾构机夹角,0为设计中心线与成型隧道中心线夹角.盾尾间隙II.一.I巴1I成一一一a隧I道r一IJ一rI图5管片姿态图3.2.1盾构机中心线的判定方法在盾构机推进过程中,PPS一直为操作手提供着盾构机姿态的信息,通过PPS测量数据,可以很容易得到盾构机与设计中心线夹角,以垂直方向为例,见图6.图6盾构姿态示意图盾构机长度8.77m,A为盾尾与设计中心线偏差,A为刀盘偏差,A1,A.可从PPS上读取.由相似三角形原理可以推导:si邶一A/E8.77+8.77A./(A一A2)=(A1一A2)/8.77,=arcsinE(A1一A)/8.77.式中,为盾构机与设计中心线夹角;A为盾尾与设计中心线偏差;A:为刀盘与设计中心线偏差.即盾构机中心线与设计中心线之间夹角一arcsin(A1一A2)/s.773.3.2.2管片中心线的判定方法管片中心线是指已成型管片的中心线.管片和盾构机姿态是否一致主要通过盾构推进千斤顶的行程差来判断,一般根据上下左右4个方向的盾构千斤顶伸长差即可判断出管片姿态的优良,在隧道中心线与设计中t5线差别较大时就应该采用曲线管片调整管片姿态.盾构机推进油缸共有4个行程计量油缸,推进油缸行程差是指上下油缸行程差和左右油缸行程差.以上下油缸行程差举例,见图7,6.为管片横切面与推进油缸垂线的夹角,L.为盾构机顶部油缸的行程,L为盾构机底部油缸行程,油缸行程差一般不超过50mm,Z为隧道中心线,Z为盾构机中心线,油缸与管片横切面接触点距离为5.7m,由相似三角形原理可推得斜边6一arcsinE(L一L)/5.7.由隧道中心线与盾构机中心线特性可知,隧道中心线z垂直于管片横切面,盾构机中心线Z垂直于盾构机横切面.则口=be=arcsinr(L.一L)/5.7.式中,a为隧道中心线与盾构机中心线夹角;L,L分别为两边油缸行程.3.2.3管片中心线与设计中心线夹角管片中心线与设计中心线夹角用表示,由图5可知,一a+.由以上计算可得,管片中心线与设计中心线夹角一arcsin(AA)/8.77-+arcsin-(L2一L1)/5.7.3.3管片任意点位角度计算为降低成本,曲线管片模具只有2种:右曲环型,左曲环型.隧道在转弯过程中,是根据曲线环管片各位置的楔形量不同实现隧道转弯,如图8.Z2Z1图7油缸行程差示意图图8曲线环转弯机理国防交通工程与技术囫2011第l期?成果与应用?主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等3.3.1单环曲线管片计算如图9所知,尺为管片的外径6m,y为曲线管片任意点位的转弯角度,19mm为曲线环管片单边的最大楔形量,曲线管片的任意点处楔形量.y是y的正切函数,则曲线环任意点位A的楔形量计算公式:Y一3tan).由于管片拼装点位限制,隧道只能拼装有限的点位,而各个点位的楔形量是已知的,见表1,根据上下左右曲线环楔形量,可以反算曲线管片的旋转角度,即y=arctan(y/3).式中,y为曲线管片任意点位的转弯角度;为曲线管片的任意点处楔形量.表1曲线环各点位楔形量mm3.3.2曲线管片组合的计算在进行管片姿态调整时,既要满足调整量的大小,又要满足错缝拼装的要求,螺栓孔的位置要求,这样往往一环管片达不到调整的目的,需要进行曲线管片排列组合,才能使管片和盾构姿态保持一致,组合后隧道任意点的转弯角度即为各环管片在该点转弯角度的和,即:),一:arctan(y/3).3.4应用举例在直线段掘进过程中,在一环管片掘进拼装完成后,油缸右边比左边行程多45mm.此时PPS显示盾构机水平前点为一3mm,水平后点为一2Ommo根据以上数据,盾构机与设计中心线夹角一arcsin(AA)/8.7730.11.;隧道中心线与盾构机中心线夹角a=arcsin(L一L)/5.7一0.45.;管片中心线与设计中心线夹角一口+口一0.56.根据表1及),一arctan(y/3),曲线环管片不同拼装点位在水平和垂直位置的转弯角度:1点与点钟位置水平旋转角度为O.35.,2点与1O点钟位置水平旋转角度为0.21.由以上计算数据可知,管片中心线与设计中心线夹角为0.56.根据管片选型原则可以预知,在即将掘进的3环管片应该选择左曲1点,左曲2点,直线1点或1O点.4主动铰接的应用盾构机在掘进过程中,由于每组推进油缸推力不同以及掌子面地层软硬不均,盾构姿态会逐渐发生变化,如果不及时调整掘进参数,可能造成盾构机与设计中心线偏差过大,影响质量.所以在掘进过程中,PPS反馈姿态参数发生变化,应立即调整掘进参数,保持盾构机沿着设计中心线平稳,安全的进行施工.4.1主动铰接的使用根据主动铰接的特点,盾构在直线段和轻微调整姿态时,主动铰接一般不建议使用.使用主动铰接后,施工隧道会与原隧道中心线产生一定角度的偏差.而在一定曲率半径的阶段施工时,主动铰接可以帮助操作手较轻松完成操作.对不同曲率半径时,铰接油缸行程差选择不同,见图10.厂一厂_0图9计算示意图图10主动铰接角度计算示意图以使用铰接油缸向左转弯为例,a为右面铰接油缸伸长量,b为左面铰接油缸伸长量,为铰接角度,左右铰接油缸距离为4700mm.由等腰三角形余弦定理:cos01一(n一6)/44.18.设ab为左右铰接油缸伸长行程差,以X表示,则0一arccosE(44.18一X)/44.18.根据罗宾斯图纸可以知道,盾构机前盾加刀盘中心的长度为5378mm,设隧道设计中心线曲率半径为y,在半径y的圆弧上弧长5378mm的夹角为a,则由圆的弧长定理可以得出:a一308.3/y.使用主动铰接在圆曲线进行施工时,为了使盾构机能沿着设计中心线向前掘进,则:0一a.arccos(44.18一X)/44.18一308.3/y,X一44.1844.18cos(308.3/Y).式中,X为铰接国防交通工程与技术困20l1第1期?成果与应用?主动铰接系统在盾构姿态调整中的应用李全社等油缸行程差,y为隧道设计曲率半径.4.2分区压力调整在盾构进行姿态调整时,操作手最常用也最重要的是进行分区压力调整,罗宾斯盾构机推进油缸分为4个区域,见图11.这4个区域的分区压力控制着盾构机左转,右转,抬头或低头.$23b24M13,6第2鲜第4组图ll油缸分组情况图4组分区压力以阶梯法进行调整.以向左转为例,盾构机在向左转的过程中,第2组分区压力为主,第2组分区压力要大于第1组和第3组,远远大于第4组.分区压力呈从右向左逐级减小的趋势.5结束语以罗宾斯盾构机为例,结合主动铰接的特点以及盾构机的具体尺寸,详细阐述了姿态调整的具体方法和科学依据,以及姿态调整的重要性.经常进行姿态调整不仅提高了工程质量,保证盾构机严格按照设计中心线进行施工,而且提高了施工速度.姿态调整是盾构施工必须掌握的核心技术之一,在施工过程中,应建立姿态调整方案,科学设定掘进参数,规避蛇形调整,以降低隧道施工过程中的质量风险;加强质量监测,认真积累姿态调整过程中的经验,采取及时高效的措施处理存在的姿态初期预警.参考文献1田建华.隧道盾构曲线管片拼装技术在纠偏中的应用c3/t京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集.北京:北京市市政工程总公司,2005:1271292朱学炎.常用数学公式图形与用表I-M.上海:上海科学技术出版社,19893姚晶.三角函数M.上海:上海教育出版社,1980ApplicationoftheActivelyHingedSystemtotheAdiustmentofthePositionoftheShieldLiQuanshe,YuXiang(MunicipalRailTransitEngineeringCo.Ltd.,23rdBureauGroupoftheRailwayBuildingCorporationofChina,Chengdu610110,China)Abstract:ThestructureandworkingprinciplesoftheactivehingedsystemofType-EPB6260shieldmadebytheROBBINSCompany,thesection-selectingprinciplesintheshieldconstructionprocessandmethodsaredealtwithindetailinthepaper,withemphasisplacedonthespecificmethods,scientificgrounds,andtheimportanceofthepositionadjustmenttOthequalityoftheproject.Throughthepositionadjustment,theshieldconstructionisperformedsafelyandsmoothlyandtheshieldpostureisfoundgood.Andthroughpredictingthenumberofthefollowingsegments,theefficiencyoftheshieldconstructionisobviouslyimproved.Theuseofthismethodfortunnelconstructionandequipmentmanufactureisofsomereferent