王春凱

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院, 上海 200125 )

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盾構(gòu)姿態(tài)控制研究

王春凱

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院, 上海 200125 )

盾構(gòu)姿態(tài)控制的好壞與盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量的優(yōu)劣是密切相關(guān)的，為了研究盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾構(gòu)姿態(tài)控制的關(guān)鍵因素，并掌握其與盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾構(gòu)姿態(tài)控制提供理論依據(jù)，通過對(duì)某工程施工過程中大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理，得出盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)變化的規(guī)律；通過數(shù)學(xué)關(guān)系的推導(dǎo)，得到推力油缸行程差和盾構(gòu)切口豎向偏差量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將工程項(xiàng)目中實(shí)測(cè)的推力油缸行程差與盾構(gòu)切口豎向偏差量數(shù)據(jù)相對(duì)照。研究表明： 盾構(gòu)推進(jìn)過程中切口始終處于不斷調(diào)整之中；推得油缸行程與偏差量的對(duì)應(yīng)關(guān)系和實(shí)際情況非常吻合；通過推得的推力油缸行程與盾構(gòu)姿態(tài)相互關(guān)系，以期為施工優(yōu)化提供依據(jù)。

盾構(gòu)隧道； 姿態(tài)參數(shù)； 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)； 姿態(tài)控制

0 引言

隨著軌道交通的大力發(fā)展，越來越多的地下隧道得以建設(shè)，大量盾構(gòu)隧道施工得到開展，盾構(gòu)法施工經(jīng)驗(yàn)也得到積累。施工中盾構(gòu)姿態(tài)的控制對(duì)于盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量具有重要意義，盾構(gòu)姿態(tài)的控制越來越受到從業(yè)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[1]介紹了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制方法；文獻(xiàn)[2]研究了盾構(gòu)姿態(tài)控制的技術(shù)要求，以及盾構(gòu)姿態(tài)與管片姿態(tài)的相互影響；文獻(xiàn)[3]提出了盾構(gòu)姿態(tài)走勢(shì)論，研究了管片姿態(tài)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的影響。總體來看盾構(gòu)姿態(tài)研究主要有盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)測(cè)量和盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整這2個(gè)方面的內(nèi)容。其中，盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)測(cè)量主要從研究姿態(tài)測(cè)量方法和提高測(cè)量精度等方面進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[4]提出了以盾構(gòu)中心和管片中心連線來定義盾構(gòu)姿態(tài)，提高了姿態(tài)測(cè)量精度，并研究了測(cè)量裝置；文獻(xiàn)[5]揭示了激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理，研究了提高激光導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量精度的工作原理；文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)了姿態(tài)參數(shù)估計(jì)誤差與測(cè)量誤差之間的線型關(guān)系，設(shè)計(jì)了測(cè)量點(diǎn)優(yōu)化選擇算法。而盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整大多從模糊控制理論出發(fā)，將姿態(tài)控制程序化，文獻(xiàn)[7]引入模糊控制理論，設(shè)計(jì)了適用于盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整的模糊控制器；文獻(xiàn)[8]研究了基于雙閉環(huán)反饋?zhàn)詣?dòng)控制盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡的方法，進(jìn)一步建立了推進(jìn)速度控制的模糊PID模型，以推進(jìn)液壓缸速度控制實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡；文獻(xiàn)[9] 研究了基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的盾構(gòu)掘進(jìn)決策支持系統(tǒng)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)建立土艙壓力分布模型，并進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。

本文從新的角度出發(fā)，立足于盾構(gòu)掘進(jìn)中的盾構(gòu)姿態(tài)控制，依托某實(shí)際工程中收集的盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)作為研究對(duì)象，取推力油缸行程作為關(guān)鍵因素，以推力油缸的行程變化推導(dǎo)姿態(tài)參數(shù)的變化，以便為姿態(tài)控制提供理論依據(jù)。

1 盾構(gòu)推進(jìn)中的姿態(tài)變化

1.1 盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)

盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)，是施工中反饋回來的盾構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，主要包括刀盤切口的水平、豎向偏差量和中盾尾部的水平、豎向偏差量以及盾構(gòu)本體前后的偏差比值。盾構(gòu)狀態(tài)參數(shù)通過激光導(dǎo)向系統(tǒng)(VMT)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[10-11]，并提供完整的隧道掘進(jìn)記錄。施工中若發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)偏離設(shè)計(jì)軸線，則需進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。

盾構(gòu)刀盤切口、中盾尾部的水平及豎向偏差量是施工過程中較為重要的參數(shù)，直觀地反映了盾構(gòu)在推進(jìn)過程中相對(duì)軸線的偏差量。現(xiàn)定義豎向、水平向的偏差量方向以坐標(biāo)正方向?yàn)檎?，如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)方向示意圖

以某盾構(gòu)區(qū)間施工為背景，整理盾構(gòu)在該區(qū)間掘進(jìn)過程中切口、中盾尾部的水平及豎向的偏差量，如圖2—5所示。

圖2 盾構(gòu)切口豎向偏差量

圖3 盾構(gòu)中盾尾部豎向偏差量

通過上述實(shí)測(cè)水平、豎向偏差量的整理發(fā)現(xiàn)，整體上盾構(gòu)刀盤切口和中盾尾部的豎向偏差量變化趨勢(shì)是一致的，即切口或中盾尾部的豎向偏差量可以代表盾構(gòu)的豎向偏差狀態(tài)；而2個(gè)位置的水平偏差量差別較大，從切口位置可以看出盾構(gòu)水平向以設(shè)計(jì)軸線為中心，處于不斷調(diào)整中。

圖4 盾構(gòu)切口水平偏差量

圖5 盾構(gòu)中盾尾部水平偏差量

在盾構(gòu)的掘進(jìn)過程中，姿態(tài)調(diào)整對(duì)于施工來說非常重要，直接影響到盾構(gòu)施工質(zhì)量以及后續(xù)隧道的運(yùn)營(yíng)安全[12-13]。

1.2 盾構(gòu)姿態(tài)變化過程

盾構(gòu)的推進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，作用在盾構(gòu)上的力可分解為前進(jìn)方向的推力、水平方向的扭矩和豎向的扭矩。推力使得盾構(gòu)向前推進(jìn)，水平及豎向的扭矩使盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生變化，這種變化包括角度的變化和位置的變化，如圖6和圖7所示。盾構(gòu)角度的變化是指盾構(gòu)與設(shè)計(jì)軸線的夾角變化，位置變化指盾構(gòu)形心相對(duì)于設(shè)計(jì)軸線的偏移[14]。

(a) (b)

(c) (d)

角度的變化可用如下過程表示：

1)盾構(gòu)與設(shè)計(jì)軸線之間的初始夾角為θi0(i=y,p)，下標(biāo)y表示水平方向，p表示豎直方向；

2)在推進(jìn)油缸產(chǎn)生的糾偏扭矩作用下，盾構(gòu)角度變化到θi1(i=y,p)；

3)以此角度向前推進(jìn)dz；

4)盾構(gòu)的受力平衡狀態(tài)被打破，角度發(fā)生變化至θi2(i=y,p)。

圖7 位置變化圖

盾構(gòu)的位置偏離變化量為

Δζi=ξi2-ξi1=θidz(i=y,p)。

(1)

由上圖可以看出位置的變化受到角度的控制，只有盾構(gòu)與設(shè)計(jì)軸線之間有夾角時(shí)，才可能發(fā)生位置的變化。

2 推力油缸對(duì)姿態(tài)控制的作用

盾構(gòu)的前進(jìn)是通過千斤頂?shù)耐屏?shí)現(xiàn)的，即油缸的伸長(zhǎng)使得盾構(gòu)向前推進(jìn)[15]。而對(duì)于已發(fā)生偏差的盾構(gòu)，需進(jìn)行姿態(tài)的糾偏，使盾構(gòu)行走路線與設(shè)計(jì)軸線盡可能一致，這同樣也是依靠調(diào)整油缸的行程來實(shí)現(xiàn)的。因此，合理選擇推力油缸使用區(qū)域、個(gè)數(shù)等，對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的糾偏至關(guān)重要。

首先對(duì)盾構(gòu)的推力油缸分布作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，以海瑞克盾構(gòu)為例，該盾構(gòu)共有30個(gè)推力油缸，分為20組，分布于A、B、C、D 4個(gè)區(qū)，其中A、C區(qū)分別有8個(gè)推力油缸，B、D區(qū)分別有7個(gè)推力油缸。油缸的行程為2 000 mm，在30 MPa的工作壓力下最大推力達(dá)到34 200 kN。盾構(gòu)的推力油缸分布如圖8所示。

圖8 推力油缸分布示意圖

為使問題簡(jiǎn)化，這里將4個(gè)區(qū)的油缸簡(jiǎn)化為上下左右4點(diǎn)，即以這4點(diǎn)的油缸行程代表各區(qū)的行程量。其中，上、下油缸影響盾構(gòu)的豎向姿態(tài)，左、右油缸影響盾構(gòu)的水平姿態(tài)。由于其對(duì)稱性，本文只選取豎向截面，分析上下、油缸行程發(fā)生變化對(duì)盾構(gòu)豎向姿態(tài)的影響。盾構(gòu)推進(jìn)如圖9所示，圖9中M點(diǎn)代表正上方的油缸，N點(diǎn)代表正下方的油缸。

圖9 盾構(gòu)推進(jìn)示意圖

在盾構(gòu)豎向偏差量的變化中，推力油缸行程差的調(diào)整起到主要作用。當(dāng)M油缸行程變化量大于N油缸時(shí)，盾構(gòu)切口“低頭”; 反之當(dāng)N油缸行程大時(shí)，盾構(gòu)切口“抬頭”。

3 推力油缸與姿態(tài)控制的對(duì)應(yīng)關(guān)系

假定初始情況下盾構(gòu)中心軸線與水平軸線偏差角度為α，上推進(jìn)油缸行程為L(zhǎng)1，下推進(jìn)油缸行程為L(zhǎng)2，上、下2個(gè)油缸的中心距為Ds，盾構(gòu)前盾長(zhǎng)度為L(zhǎng)f。令上油缸伸長(zhǎng)至L1′，下油缸伸長(zhǎng)至L2′，則上油缸行程差ΔL1=L1′-L1，下油缸行程差ΔL2=L2′-L2。油缸行程變化前后盾構(gòu)軸線的夾角為β，那么刀盤切口中心豎向變化量為Δh，其關(guān)系如圖10所示。

圖10 油缸行程與姿態(tài)關(guān)系

由上述幾何關(guān)系得到兩軸線的夾角

(2)

那么刀盤切口中心的豎向變化量

(3)

當(dāng)ΔL2-ΔL1>0時(shí)，則夾角β大于0，盾構(gòu)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，Δh為正值，盾構(gòu)“抬頭”；反之，當(dāng)ΔL2-ΔL1<0時(shí)，則夾角β小于0，盾構(gòu)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，Δh為負(fù)值，盾構(gòu)“低頭”。

類似刀盤切口中心豎向變化量的計(jì)算方法，依照對(duì)稱性，可得到刀盤切口中心水平變化量的計(jì)算方法。

4 姿態(tài)控制對(duì)應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述關(guān)系，現(xiàn)取某盾構(gòu)施工時(shí)某一環(huán)內(nèi)的盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)與油缸行程參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。該盾構(gòu)前盾長(zhǎng)度Lf=1 710 mm，盾構(gòu)上、下2個(gè)油缸的中心距Ds=5 700 mm。盾構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集頻率為間隔10 s，即每隔10 s獲取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)整理可得到每一時(shí)刻盾構(gòu)中心軸線與水平軸線偏差角度α和盾構(gòu)上、下油缸行程，分別如圖11和圖12所示。

圖11 盾構(gòu)中心軸線與水平夾角

圖12 各個(gè)時(shí)刻油缸行程

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用式(2)和式(3)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻刀盤切口中心的夾角β和豎向變化量Δh。為更直觀地觀察盾構(gòu)切口在掘進(jìn)這一環(huán)的過程中姿態(tài)的變化情況，將計(jì)算得到的每一時(shí)段的變化量進(jìn)行累加，以該環(huán)初始時(shí)刻變化量為0，得到掘進(jìn)這一環(huán)過程中切口中心的豎向變化累計(jì)量。并且整理采集系統(tǒng)得到的每一時(shí)刻切口豎向調(diào)整量，得到實(shí)測(cè)的調(diào)整累計(jì)量，將兩者進(jìn)行比較，如圖13所示。

圖13 累計(jì)豎向調(diào)整量對(duì)比

Fig. 13 Calculated accumulated vertical deformation vs. measured data

結(jié)果顯示，無論計(jì)算值或?qū)崪y(cè)值都表明，盾構(gòu)在掘進(jìn)這一環(huán)時(shí)切口發(fā)生了向上的調(diào)整。依照幾何關(guān)系推得的刀盤切口中心豎向變化計(jì)算方法，與實(shí)際情況非常吻合。

5 結(jié)論與討論

本文主要得到以下結(jié)論：

1) 由于平曲線和豎曲線的存在，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中無法完全沿著設(shè)計(jì)軸線前行，會(huì)在豎向與水平向產(chǎn)生一定的偏差量，對(duì)施工階段及后期運(yùn)營(yíng)影響較大。

2) 無論是豎向或水平向，刀盤切口始終以設(shè)計(jì)軸線為軸，處于不斷調(diào)整中。

3) 本研究依照幾何關(guān)系建立推力油缸行程與盾構(gòu)切口中心偏差量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為盾構(gòu)施工優(yōu)化提供理論依據(jù)。

4) 盾構(gòu)姿態(tài)變化是多因素控制的動(dòng)態(tài)平衡，本文就推力油缸行程推導(dǎo)與姿態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系展開了研究，建議進(jìn)一步就多種因素組合下姿態(tài)控制進(jìn)行理論分析，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)操作。

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Analysis of Shield Attitude Control Technology

WANG Chunkai

(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute, Shanghai 200125, China)

The shield attitude control is the key to construction quality of shield tunnel. The shield attitude variation rules during shield tunneling are obtained based on measured data; and then the relationship between the thrusting cylinder stroke and the vertical deviation of cutterhead is obtained. The study results show that: 1) The cutterhead is adjusted during shield advancing. 2) The relationship between the thrusting cylinder stroke and the vertical deviation of cutterhead obtained coincides with actual situation perfectly and is reliable.

shield tunnel; attitude parameter; measured data; attitude control

2015-03-19;

2016-04-19

王春凱(1985—)，男，上海人，2010年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，道路與鐵道工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail： tcwck28@hotmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.017

U 455.3

A

1672-741X(2016)11-1389-05