李太運/LI Tai-yun（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

Shield Equipment& Project 盾構工程

盾構前鉸接控制系統(tǒng)設計與研究

李太運/LI Tai-yun
（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

[摘 要]針對后鉸接式盾構很難滿足小轉彎半徑隧道施工要求的工況，本文設計了前鉸接盾構結構及電液控制系統(tǒng)，分析了前鉸接盾構的特點，并建立了控制參數(shù)的數(shù)學模型。計算鉸接裝置鉸接角度，從而方便施工調(diào)向控制。

[關鍵詞]盾構；前鉸接控制系統(tǒng)；小半徑

1 概 論

目前，我國正處于大規(guī)?；A設施建設時期，尤其是交通設施建設如火如荼。在城市中，以地鐵為龍頭的地下空間綜合利用和開發(fā)，受既有建筑物和有限空間的限制，出現(xiàn)了大量復雜線型（如小半徑、大縱坡）或復合近接（小凈距、下穿鐵路、立交、疊交）的隧道工程，使得軌道交通的形式越來越復雜。雖然小半徑隧道線性不好，但在許多項目建設應用的卻越來越多。馬來西亞吉隆坡地鐵隧道要求150m的轉彎半徑，后鉸接盾構很難滿足這種施工要求。針對復合地層而言，日式盾構的前鉸接控制也很難滿足施工要求。因此研發(fā)一套適合于復合地層小曲線的前鉸接系統(tǒng)將很有社會應用價值。

2 前鉸接盾構的定義

目前按照盾構的鉸接形式如圖1所示，可分為直筒式、鉸接式，其中鉸接式又分為后鉸接式（被動鉸接）、前鉸接式（主動鉸接）、多鉸接式。

前鉸接機械結構是在中盾上的鏈接中盾前部和中盾后部的裝置，其將中盾盾體分成兩部分，用多個液壓油缸將分割部分鏈接，通過液壓油缸的行程差來實現(xiàn)盾構本體的彎曲調(diào)向。

3 前鉸接轉向系統(tǒng)優(yōu)越性

圖1 盾構鉸接裝置的分類

在隧道施工過程中不可避免會出現(xiàn)曲線施工，盾構曲線施工過程中，由于盾體為剛性，因此不能與設計曲線完全吻合，所以只能采用折線擬合設計曲線。施工曲線半徑越小，盾構的主機本身越長，曲線的擬合難度越大。采用鉸接裝置可以增加盾構的轉彎的靈活度，減少土體的摩擦力和盾構對土體的擾動。對于小曲線盾構轉彎施工，前鉸接可以根據(jù)開挖隧道的曲線半徑調(diào)整好盾構中盾前部與中盾后部的中折角度，掘進過程中將開挖面的隧道預先開挖成型，減少掘進過程中的前進阻力，并且在換刀時刀盤還有一定的回收空間便于土壓倉內(nèi)換刀，故前鉸接裝置在小半徑曲線施工應用中具有絕對的優(yōu)越性，如圖2所示。

圖2 前鉸接的優(yōu)越性

4 前鉸接液壓控制系統(tǒng)

根據(jù)計算和經(jīng)驗，1臺土壓平衡盾構前鉸接型的鉸接液壓油缸的設計總載荷通常需要達到推進油缸推力的80%以上，而后鉸接形式的鉸接油缸所需的拉力僅占推進缸推力的25%左右。由于主動型的鉸接油缸載荷大，布置的數(shù)量相對較少，因此鉸接油缸外形尺寸比較大。根據(jù)管片的不同設計，推進缸的布置也不相同，鉸接缸的布置也隨之改變，由于推進缸和鉸接缸需要分開布置，因此使得盾構的內(nèi)部空間較為擁擠。圖3為鉸接油缸的分布圖和液壓系統(tǒng)控制圖。為了便于監(jiān)測和控制刀盤的位置，我們根據(jù)象限將鉸接油缸分為4個區(qū)，分別為上、下、左、右4個區(qū)間，每個區(qū)間設有一個帶傳感器的鉸接油缸并且對稱分布，這樣即簡化了鉸接控制，也方便監(jiān)測盾體前部與后部的彎曲角度，便于導向系統(tǒng)的測量。

圖3 前鉸接液壓控制系統(tǒng)

5 前鉸接控制系統(tǒng)數(shù)學模型

由于結構設計和保護鉸接部分的機械結構和密封，前鉸接控制程序加入了許多限定條件，防止較大幅度的鉸接動作對鉸接密封和鉸接結構的傷害。根據(jù)主動鉸接裝置的結構設計，將前鉸接裝置機械模型簡化為簡單的幾何模型，圖4所示為鉸接角度與鉸接油缸行程差的幾何模型。其中d1為左右?guī)鞲衅縻q接油缸的中心距離，d2為上下帶傳感器鉸接油缸的中心距離，θ1為鉸接裝置左右鉸接角度，θ2為鉸接裝置上下鉸接角度。

圖4 鉸接角度與鉸接油缸行程差的幾何模型

通過分析簡化的數(shù)學模型參數(shù)，可以根據(jù)鉸接油缸的行程和帶傳感器鉸接油缸的位置關系，計算出鉸接裝置前部與后部的彎曲角度（上下鉸接角度和左右鉸接角度），如圖5所示。在施工過程中可以根據(jù)隧道的轉彎半徑調(diào)節(jié)鉸接裝置的鉸接角度，從而方便隧道盾構小彎曲半徑的施工調(diào)向控制。

圖5 鉸接角度與油缸行程差關系

根據(jù)土壓平衡盾構在曲線施工時的最小轉彎半徑和最大爬坡度，通過對結構轉彎和爬坡能力的模擬，得知鉸接裝置滿足最小轉彎半徑和最大爬坡度時的鉸接角度，根據(jù)最大鉸接角度和對鉸接裝置的保護得到如下鉸接活動區(qū)域，如圖6所示。通過計算軟件輔助完成前鉸接控制理論的計算。

圖6 鉸接的動作范圍

根據(jù)鉸接活動區(qū)域圖可知：左右轉彎處于最大鉸接角度時，左右油缸行程差為154mm（轉彎角度1.6°），而上下油缸必須控制行程差小于41mm（俯仰角度0.5°）；上下爬坡處于最大鉸接角度時，上下油缸最大行程差為83mm（俯仰角度1°），而左右油缸必須控制行程差小于77mm（轉彎角度0.8°）。圖中并集部分為鉸接的活動范圍。在曲線施工的操作中，如超出上述范圍時，鉸接密封容易損壞。當出現(xiàn)此種情況時聯(lián)鎖機構啟動，這時必須進行回直操作。

6 前鉸接控制系統(tǒng)設計

根據(jù)主動鉸接裝置的設計和數(shù)學模型，設計主動鉸接的控制模型，選擇簡單液壓閥四區(qū)聯(lián)動控制模式，達到最優(yōu)控制目的，即根據(jù)象限對稱控制調(diào)節(jié)，如向左轉彎，左半部分油缸回收，右半部油缸伸出。基于這種控制模式設計簡便的控制界面，如圖7所示。這種控制模式的優(yōu)點是液壓系統(tǒng)設計簡單，電氣控制簡便，并且不會出現(xiàn)鉸接油缸的困油現(xiàn)象。研發(fā)的四區(qū)聯(lián)動的控制模式使調(diào)向更為靈活。

為了防止刀盤的卡死，在對鉸接裝置進行操作時，必須滿足一定的操作條件，其中首要條件為刀盤啟動和鉸接泵啟動。在進行鉸接轉彎調(diào)向時，上、下、左、右調(diào)向，全伸、全縮操作時，也必須滿足一定的保護條件。

圖7 鉸接控制界面

7 結 語

隨著地下空間的發(fā)展，小曲線半徑的隧道將會得到廣泛應用。馬來西亞成功采用復合式前鉸接控制系統(tǒng)完成了150m小曲線半徑的施工。隨著城市基礎設施的大力發(fā)展，城市地鐵空間的限制愈來愈多，前鉸接盾構將會越來越受市場歡迎，其將會給社會帶來更大的社會效益。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0050-03

［收稿日期］2015-01-12

Design and research of anterior articulated shield control system