劉建春

上海上安機(jī)械施工有限公司 上海 200439

超大直徑盾構(gòu)機(jī)主體原地調(diào)頭的控制方法

劉建春

上海上安機(jī)械施工有限公司 上海 200439

以實(shí)際工程為例，介紹了超大直徑盾構(gòu)機(jī)在工作井內(nèi)平移、調(diào)頭的控制方法，對(duì)今后的超大直徑盾構(gòu)機(jī)完成一次掘進(jìn)后轉(zhuǎn)場(chǎng)進(jìn)行二次回推具有很好的借鑒意義。

超大直徑 盾構(gòu)機(jī) 原地調(diào)頭 控制方法

盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市選擇地下軌道交通作為緩解城市交通壓力的工具。在地鐵工程的建造過(guò)程中,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到接井后，必須在工作井內(nèi)平移到隔壁返回隧道的出發(fā)井位置，然后回轉(zhuǎn)180°，對(duì)準(zhǔn)返回隧道工作面進(jìn)行反向二次掘進(jìn)作業(yè)，這是一種常用的雙線隧道的施工方法。施工中如何精確控制盾構(gòu)機(jī)主體傾角及實(shí)現(xiàn)原地調(diào)頭作業(yè)有一定的技術(shù)難度，尤其是主體傾角的精確控制，需借助計(jì)算機(jī)才能很好實(shí)現(xiàn)。

1 工程概述

上海長(zhǎng)江西路隧道主體工程由南、北線兩條圓隧道組成，南線隧道盾構(gòu)機(jī)從浦東工作井始發(fā)向浦西方向掘進(jìn)施工，進(jìn)入浦西接收井后，在工作井內(nèi)盾構(gòu)機(jī)平移、回轉(zhuǎn)180°調(diào)頭、對(duì)位，再向浦東方向掘進(jìn)，從而完成北線圓隧道施工。本工程中涉及到的15.4m超大直徑盾構(gòu)機(jī)其外型尺寸較大，整體重量重，屬世界上最大的盾構(gòu)機(jī)之一，需要橫移至返回隧道位置，并完成旋轉(zhuǎn)調(diào)頭作業(yè)。由于工作井內(nèi)場(chǎng)地狹小，大大增加了施工作業(yè)的難度。

2 盾構(gòu)機(jī)主體移位調(diào)頭步驟

盾構(gòu)機(jī)由浦東向浦西掘進(jìn)施工，在浦西出口井處設(shè)立施工基礎(chǔ)，在盾構(gòu)機(jī)調(diào)頭場(chǎng)地內(nèi)鋪設(shè)約30mm厚的細(xì)砂找平層，然后在其上鋪設(shè)16mm厚的鋼板。盾構(gòu)出洞前將托架固定在隧道出口位置，并把托架調(diào)整成與盾構(gòu)掘進(jìn)角一致的角度，待盾構(gòu)機(jī)主體爬行至托架后，斷開(kāi)主體結(jié)構(gòu)與其它部件的連接，用電腦控制20臺(tái)頂升設(shè)備使托架同比例下降，直至托架落于水平地面；然后利用4臺(tái)推進(jìn)設(shè)備同步頂推，使帶有盾構(gòu)的托架平移至返回井的隧道入口位置；接著利用4臺(tái)推進(jìn)設(shè)備在托架的四個(gè)頂點(diǎn)成一定角度頂推托架使之繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°；最后再次利用電腦控制20臺(tái)頂升設(shè)備角度同比例上升使盾構(gòu)機(jī)主體與地面成一定掘進(jìn)角度，待后續(xù)結(jié)構(gòu)裝配完畢后繼續(xù)隧道的反向掘進(jìn)工程。

3 盾構(gòu)機(jī)主體托架

本盾構(gòu)機(jī)為超大型設(shè)備，體積大，重量重，其托架除滿足盾構(gòu)主體支承擱置外，還需要滿足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)與地面有4%坡度的傾斜、整機(jī)平移、和180°原地回轉(zhuǎn)的要求。為此，專門設(shè)計(jì)制作一件適應(yīng)上述工況要求的托架結(jié)構(gòu)體系，該托架共l2榀擱架，每榀擱架下設(shè)4組懸浮滑移裝置，兩端設(shè)置槽箱，其內(nèi)倒裝150t和250 t頂升液壓油缸，以完成盾構(gòu)機(jī)在到達(dá)與始發(fā)時(shí)頂升不同坡度狀態(tài)，結(jié)構(gòu)形式如圖1、2所示。

在托架兩端設(shè)置槽箱，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)主體荷載分布在單個(gè)槽內(nèi)倒置150t頂升液壓缸或250t頂升液壓缸，每個(gè)頂升缸可單獨(dú)動(dòng)作，也可通過(guò)電腦控制同比例動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)坡度調(diào)節(jié)要求。在調(diào)坡過(guò)程中托架繞一端旋轉(zhuǎn)，液壓缸頂部與托架、底部與地面均未發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，只產(chǎn)生滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因此結(jié)構(gòu)中需將該兩處摩擦副設(shè)計(jì)為圓弧接觸。此外，液壓缸和托架槽箱發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)中需按角度要求留夠足夠旋轉(zhuǎn)空間以防止干涉，槽箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)托架平移至返回隧道入口位置時(shí)，需將托架連同盾構(gòu)主體旋轉(zhuǎn)180°以反向進(jìn)行隧道掘進(jìn)作業(yè)。在托架四個(gè)頂點(diǎn)位置設(shè)計(jì)絞結(jié)頂推點(diǎn)，頂推液壓缸與托架對(duì)角線成一定角度，伸缸過(guò)程中依靠頂推力在垂直托架對(duì)角線上的分力形成旋轉(zhuǎn)力偶，從而使得托架逐步旋轉(zhuǎn)，托架頂點(diǎn)具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 托架槽箱結(jié)構(gòu)圖 圖4托架頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

4 控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、動(dòng)力源模塊、測(cè)量反饋模塊、傳感模塊和相應(yīng)的配套軟件組成，通過(guò)CAN串行通信協(xié)議組建局域網(wǎng)。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和顯示并給出相應(yīng)的動(dòng)作指令；動(dòng)力源模塊即泵站控制單元，負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)給出的指令并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行元件；測(cè)量反饋模塊定時(shí)采集傳感器傳回的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；傳感模塊包含測(cè)量位移的位移傳感器和測(cè)量油壓的壓力傳感器。整套系統(tǒng)綜合運(yùn)用國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。

控制系統(tǒng)每隔80m s對(duì)每個(gè)頂升液壓缸的位移和壓力進(jìn)行掃描，將測(cè)量的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)分析每組數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，泵站控制單元把計(jì)算機(jī)給出的執(zhí)行指令和調(diào)節(jié)指令進(jìn)行疊代運(yùn)算后分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)頂升液壓缸，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的目的。

圖5 自動(dòng)控制調(diào)節(jié)原理圖

5 盾構(gòu)機(jī)調(diào)平和調(diào)角

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出隧道時(shí)需要一定的角度，即需要支承結(jié)構(gòu)（托架）能夠根據(jù)工程要求調(diào)定相應(yīng)的角度，本工程中需設(shè)定的角度為 4%（見(jiàn)圖 6、7）：

圖6 支承結(jié)構(gòu)工作圖

控制采用20臺(tái)頂升液壓缸，在相應(yīng)的軸線位置處放置相應(yīng)噸位的頂升設(shè)備，根據(jù)力矩平衡原理可得：

頂升液壓缸的頂推力和重力平衡：

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)主體各部件的位置分布，計(jì)算所得每個(gè)頂升點(diǎn)的相應(yīng)頂升荷載，以此作為液壓系統(tǒng)設(shè)定依據(jù)。采用電腦控制調(diào)坡過(guò)程中，當(dāng)離地調(diào)平后，每個(gè)頂升液壓缸的實(shí)際荷載與計(jì)算值相近，具體如表1所示：

本工程中軸線 1、3、5、6、7處放置 150t頂升液壓缸，軸線 8、9、10、11、12處放置250t頂升液壓缸，在調(diào)整角度的過(guò)程中支承結(jié)構(gòu)繞前端面h1旋轉(zhuǎn)，單側(cè)10個(gè)頂升液壓缸的頂升距離h始終成一比例，即：

頂升液壓缸的流量q：

式中：a——液壓缸無(wú)桿腔面積；

v——液壓缸速度。

表1 頂升液壓缸的實(shí)際荷載

4臺(tái)泵站規(guī)格和型號(hào)相同，其流量qi和變頻器的頻率fi成正比：

頂升液壓缸的額定頂升能力是在相同壓力下計(jì)算出來(lái)的，因此其面積關(guān)系：

綜上所述，旋轉(zhuǎn)中h1點(diǎn)不動(dòng)，可得知：

因此，通過(guò)控制泵站變頻器的頻率能夠?qū)崿F(xiàn)整體構(gòu)件的均角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。圖8是實(shí)際控制中對(duì)20臺(tái)頂升設(shè)備的截圖示意，從圖9、10上可以看出，各頂推點(diǎn)在此時(shí)的頂升高度成線性關(guān)系，和理論計(jì)算相符，電腦同步控制達(dá)到預(yù)期效果。

6 盾構(gòu)機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)頭

采用電腦控制4臺(tái)頂升液壓缸同步頂推支承結(jié)構(gòu)使之繞中心旋轉(zhuǎn)。頂升設(shè)備通過(guò)后座產(chǎn)生支反力，每次伸縮缸結(jié)束后重新將液壓缸后端置于新的反力支座。為減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，支座的焊接工作可提前準(zhǔn)備，則需要后座的焊接位置避開(kāi)滑移時(shí)液壓缸的經(jīng)過(guò)位置，此外，為了保證液壓缸的頂推力，支座的外偏比例不宜過(guò)大。經(jīng)模擬驗(yàn)算得出液壓缸的初始中心線與推點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心的夾角為105°時(shí)為最合適位置。此時(shí)，支座與液壓缸的最短距離為41mm，滑移力：

旋轉(zhuǎn)位置及各點(diǎn)分布如圖11、12所示：

圖11 焊接反力座位置圖

7 實(shí)際應(yīng)用

從工程實(shí)例出發(fā)，結(jié)合長(zhǎng)江西路隧道的具體情況，詳細(xì)介紹了盾構(gòu)機(jī)主體調(diào)頭移位過(guò)程中的控制方法，實(shí)際應(yīng)用取得了較好的效果，對(duì)今后大型盾構(gòu)機(jī)調(diào)頭工程具有較好的借鑒意義。

TU 741.1

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1672-9323（2014）02-0066-03

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