蔡大為

（陜西引紅濟(jì)石工程建設(shè)有限公司，陜西 眉縣 722300）

引紅濟(jì)石引水隧洞雙護(hù)盾TBM姿態(tài)控制

蔡大為

（陜西引紅濟(jì)石工程建設(shè)有限公司，陜西 眉縣 722300）

小直徑雙護(hù)盾TBM姿態(tài)控制是隧洞施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)。通過對(duì)TBM導(dǎo)向系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)量原理分析，結(jié)合引紅濟(jì)石引水隧洞工程實(shí)際，提出TBM姿態(tài)控制的基本要求、控制標(biāo)準(zhǔn)以及控制方法。雙護(hù)盾TBM在引紅濟(jì)石引水隧洞工程，通過總結(jié)TBM的姿態(tài)控制方法和措施，可有效解決設(shè)備對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性不足的問題。

雙護(hù)盾TBM；導(dǎo)向系統(tǒng)；測(cè)量；控制方法

引紅濟(jì)石引水隧洞采用雙護(hù)盾TBM施工，成洞直徑3.0 m。受隧洞凈空、地層軟硬不均、設(shè)備操作等因素影響，對(duì)TBM掘進(jìn)姿態(tài)控制造成很大困難，極易產(chǎn)生掘進(jìn)偏差。當(dāng)偏差超過一定限界時(shí)就會(huì)使盾尾間隙變小，致使管片局部受力惡化，造成管片開裂、管片安裝錯(cuò)臺(tái)較大，隧洞凈空侵限，繼而導(dǎo)致后配套拖拉困難，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)TBM結(jié)構(gòu)件破壞而無法繼續(xù)掘進(jìn)。本文在對(duì)TBM姿態(tài)測(cè)量原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行了合理改造，并結(jié)合工程實(shí)際，總結(jié)提出了小直徑雙護(hù)盾TBM姿態(tài)控制的方法和措施。

1 PPS導(dǎo)向系統(tǒng)

1.1 原設(shè)計(jì)情況

引紅濟(jì)石雙護(hù)盾TBM初步設(shè)計(jì)PPS通視窗口設(shè)置在右上角，全站儀通過主機(jī)室上方的狹窄空間一直通視至前盾位置的兩個(gè)馬達(dá)棱鏡，實(shí)時(shí)檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)最前方機(jī)頭的姿態(tài)，再根據(jù)盾體間的相對(duì)關(guān)系推算出支撐盾、尾盾的姿態(tài)情況。但由于通視空間狹小，右側(cè)機(jī)械設(shè)備極多，TBM姿態(tài)稍有偏差就會(huì)出現(xiàn)無法通視的不利情況。因此設(shè)計(jì)調(diào)整將全站儀放置在主機(jī)室前方管片處，前視及后視距離相應(yīng)縮短。調(diào)整后的PPS導(dǎo)向系統(tǒng)，雖解決了通視問題，但在實(shí)際掘進(jìn)過程中，由于全站儀靠前，掘進(jìn)換步造成的管片震動(dòng)，嚴(yán)重影響測(cè)量精度，同時(shí)由于全站儀無法通過主機(jī)室，最短搬站距離不到2m，搬站次數(shù)越多，累計(jì)誤差也就越大，待導(dǎo)線測(cè)量時(shí)，掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)便出現(xiàn)了較大的偏差。

1.2 改造情況

由于后續(xù)掘進(jìn)過程中TBM頻繁卡機(jī)，著手對(duì)TBM設(shè)備性能進(jìn)行提升改造，進(jìn)而提高對(duì)復(fù)雜圍巖地質(zhì)的適應(yīng)性。在此期間，對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)本臺(tái)TBM的設(shè)計(jì)情況，右側(cè)的設(shè)備及結(jié)構(gòu)件較多，通視條件差，左側(cè)則通視條件較好，原改造方案設(shè)想將通視窗口改至左側(cè)，以緩解原設(shè)計(jì)帶來的無法通視的問題。但在改造實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)，受盾體結(jié)構(gòu)件影響，通視窗口僅為Φ25 cm的圓，通視條件仍然無法得到徹底的改善。因此結(jié)合本工程實(shí)際，經(jīng)仔細(xì)研究，按照采用測(cè)量尾護(hù)盾姿態(tài)+前護(hù)盾行程傳感系統(tǒng)反推前盾姿態(tài)的思路，將傾斜儀與1#、2#自動(dòng)棱鏡安裝在支撐護(hù)盾上，通過測(cè)量支撐護(hù)盾與尾護(hù)盾的姿態(tài)，再通過支撐護(hù)盾與前護(hù)盾相連的三根行程油缸長(zhǎng)度，計(jì)算出前盾姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM姿態(tài)的控制。

1.3 姿態(tài)測(cè)量原理

利用PPS導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，并將支撐盾與前盾之間安裝的三根行程油缸長(zhǎng)度通過傳感器實(shí)時(shí)導(dǎo)入PPS系統(tǒng)和TBM的PLC系統(tǒng)，結(jié)合油缸相對(duì)位置關(guān)系和設(shè)備間的相對(duì)關(guān)系，推算出TBM的整體姿態(tài)。三根行程油缸的相對(duì)位置關(guān)系見圖1。

圖1 三根行程油缸的相對(duì)關(guān)系

測(cè)量原理：根據(jù)全站儀測(cè)量出尾盾及支撐盾的絕對(duì)坐標(biāo)、滾動(dòng)值、俯仰值及水平導(dǎo)向值后，根據(jù)與支撐盾、前盾相連的三根行程油缸的長(zhǎng)度可推算出前盾的姿態(tài)，包括前盾的絕對(duì)坐標(biāo)、水平導(dǎo)向值及俯仰值等。

1.3.1 前盾導(dǎo)向值

根據(jù)左右兩根行程油缸的長(zhǎng)度差計(jì)算出前盾相對(duì)于支撐盾（先假定支撐盾的導(dǎo)向值為0）的水平導(dǎo)向值，然后結(jié)合支撐盾自身的導(dǎo)向值，最終確定前盾的導(dǎo)向值。若向右為“+”， 計(jì)算前盾導(dǎo)向值=支撐盾導(dǎo)向值+（左-右）/2.65。

1.3.2 前盾俯仰值

根據(jù)左右兩根行程油缸的平均值與頂部行程油缸的長(zhǎng)度差計(jì)算出前盾相對(duì)于支撐盾（先假定支撐盾的俯仰值為0）的高程俯仰值，然后結(jié)合支撐盾自身的俯仰值，最終確定前盾的俯仰值。計(jì)算前盾俯仰值=支撐盾俯仰值+[（左+右）/2-頂]/2.515。

1.3.3 前盾水平絕對(duì)值

根據(jù)前盾的導(dǎo)向值及行程油缸的平均伸縮長(zhǎng)度，計(jì)算出前盾相對(duì)于支撐盾（先假定支撐盾的水平絕對(duì)值為0）的水平偏差值，然后結(jié)合支撐盾自身的水平絕對(duì)值，最終確定前盾的水平絕對(duì)值。計(jì)算前盾水平絕對(duì)值=支撐盾水平絕對(duì)值+前盾導(dǎo)向值×｛5.57+[(左+右)/2+頂]/2｝。

1.3.4 前盾高程絕對(duì)值

根據(jù)前盾的俯仰值及行程油缸的平均伸縮長(zhǎng)度，計(jì)算出前盾相對(duì)于支撐盾（先假定支撐盾的水平絕對(duì)值為0）的高程偏差值，然后結(jié)合支撐盾自身的高程絕對(duì)值，最終確定前盾的高程絕對(duì)值。計(jì)算前盾高程絕對(duì)值=支撐盾高程絕對(duì)值+前盾俯仰值×｛5.57+[(左+右)/2+頂]/2｝。

2 姿態(tài)控制

2.1 姿態(tài)控制的基本要求

（1）TBM水平方向的姿態(tài)始終向設(shè)計(jì)軸線‘0’靠攏；TBM豎直方向的姿態(tài)始終保持略微高昂的抬頭趨勢(shì)（按照設(shè)計(jì)的縱向坡度：1/890）。在調(diào)向過程中根據(jù)PPS實(shí)時(shí)顯示的測(cè)量數(shù)據(jù)、掌子面圍巖狀況不斷調(diào)整四組油缸（上下、左右）的推力，監(jiān)視前護(hù)盾行程油缸的推進(jìn)長(zhǎng)度，當(dāng)TBM姿態(tài)出現(xiàn)偏差中軸線位置時(shí)，必須向中軸線方向調(diào)整。

（2）TBM在軟巖或斷層破碎帶掘進(jìn)時(shí)必須始終保持正的豎直姿態(tài)，且TBM在豎直方向上必須保持稍微向上的趨勢(shì)值，預(yù)防刀盤低頭。

（3）特別注意更換邊刀后掘進(jìn)第一個(gè)循環(huán)時(shí)盡量不要調(diào)向。

2.2 調(diào)向控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 水平方向

（1）水平的趨勢(shì)角即是導(dǎo)向值，刀盤的水平導(dǎo)向值以支撐盾顯示的趨勢(shì)角結(jié)合行程油缸長(zhǎng)度換算的導(dǎo)向值為準(zhǔn)。

（2）無論水平方向偏差絕對(duì)值達(dá)到何種程度，TBM水平導(dǎo)向值不允許超過±1.5%，即在任何情況下，PPS顯示屏左上角的趨勢(shì)角對(duì)應(yīng)換算的導(dǎo)向值都不允許超過±1.5%。

（3）每一完整的掘進(jìn)循環(huán)調(diào)向值不允許超過5‰，即從本循環(huán)掘進(jìn)初始至掘進(jìn)完成過程中導(dǎo)向值的變化量不允許超過5‰。

（4）至少保證每調(diào)向一次后，以該姿態(tài)掘進(jìn)至少兩個(gè)循環(huán)，即若在本循環(huán)掘進(jìn)過程中，將導(dǎo)向值由1.000%調(diào)至0.500%后，應(yīng)保持以0.500%的導(dǎo)向值至少再掘進(jìn)兩個(gè)循環(huán)后方可調(diào)向，也可在這三個(gè)循環(huán)內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)的調(diào)向量，嚴(yán)禁連續(xù)以最大調(diào)向量對(duì)每循環(huán)進(jìn)行調(diào)向操作。

（5）在PPS搬站完成后，隧洞偏差絕對(duì)值由“-”突變到“+”，即從搬站前偏左突變?yōu)榘嵴竞笃业那闆r下，嚴(yán)禁在很短的掘進(jìn)距離內(nèi)使水平導(dǎo)向值由“+”變?yōu)椤?”的急切調(diào)向行為，仍要嚴(yán)格執(zhí)行以上調(diào)向規(guī)定，使導(dǎo)向值逐步緩慢變化。在這種工況條件,導(dǎo)向值還處于正值的情況下，掘進(jìn)過程中的絕對(duì)偏差還會(huì)持續(xù)增大，這屬于正常情況，主司機(jī)只要把握住調(diào)向原則即可。在將導(dǎo)向值調(diào)至極限后（-1.500%），保持此導(dǎo)向趨勢(shì)不變進(jìn)行掘進(jìn)，直到掘進(jìn)偏差絕對(duì)值在50 mm以內(nèi)后，開始回調(diào)導(dǎo)向值至0.000%左右掘進(jìn)。若是出現(xiàn)搬站前后偏差由偏右突變至偏左的情況，調(diào)向操作方法照此類推。

（6）不必刻意追求隧洞中線的“零偏差”，只要中線偏差絕對(duì)值在100 mm以內(nèi)時(shí)，即可保持導(dǎo)向值為0.000%左右掘進(jìn)。

（7）在常規(guī)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)TBM方向不易控制的情況下，切忌盲目換步，必須退回重新掘進(jìn)或采取其它輔助掘進(jìn)措施進(jìn)行掘進(jìn)，務(wù)必保證掘進(jìn)偏差趨勢(shì)在可控范圍內(nèi)。

（8）主司機(jī)要認(rèn)真總結(jié)在不同導(dǎo)向值情況下與各主推油缸行程差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，積累施工經(jīng)驗(yàn)，要努力達(dá)到在PPS暫時(shí)出現(xiàn)故障的情況下，可以據(jù)此經(jīng)驗(yàn)掘進(jìn)5環(huán)后中線偏差仍然受控的水平。

2.2.2 豎直方向

（1）高程的趨勢(shì)角即是坡度，以支撐盾顯示的趨勢(shì)角結(jié)合行程油缸換算的坡度值為準(zhǔn)。

（2）高程控制與水平控制的方法與措施一樣，在此不再贅述，高程偏差值要努力控制在0～60 mm的范圍內(nèi)。

（3）主司機(jī)要不斷總結(jié)TBM沿隧洞理論中線掘進(jìn)的最佳坡度和在不良地質(zhì)條件下合理的掘進(jìn)坡度（隧洞設(shè)計(jì)縱坡為1.1‰，上坡掘進(jìn)），尤其要注意防止TBM“抬頭”和“低頭”的情況發(fā)生，一旦發(fā)生單循環(huán)高程偏差超限后，在掌子面地質(zhì)條件允許的前提條件下必須退回重新掘進(jìn)。

2.2.3 滾動(dòng)值

由于小直徑TBM主機(jī)段設(shè)備件布置緊湊，前盾、支撐盾滾動(dòng)值超限將極易導(dǎo)致扭矩油缸、主推油缸、行程油缸、1#皮帶機(jī)等設(shè)備結(jié)構(gòu)件發(fā)生“干涉”破壞，后果不堪設(shè)想。因此，要求在掘進(jìn)過程中適時(shí)關(guān)注前盾、支撐盾的滾動(dòng)值變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)值超限時(shí)，及時(shí)進(jìn)行糾偏調(diào)整。此外,為確保PLC系統(tǒng)的人機(jī)界面、PPS顯示滾動(dòng)值的真實(shí)性，需要定期對(duì)前盾、支撐盾滾動(dòng)值進(jìn)行復(fù)核、矯正。

2.3 姿態(tài)控制輔助措施

TBM掘進(jìn)過程中，姿態(tài)控制以PPS導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)值為主。若PPS導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)行異常，改為人工導(dǎo)向測(cè)量時(shí)，可借助垂球、鋼卷尺等工具進(jìn)行油缸行程差、安裝機(jī)與1#皮帶橋左右及上下間距、1#皮帶橋底部行走梁與底管片中心水溝高差、支撐盾撐靴油缸與皮帶橋高差以及刀盤、支撐盾、尾盾相對(duì)關(guān)系等數(shù)據(jù)，為TBM掘進(jìn)姿態(tài)控制提供參考。

2.3.1 人工復(fù)測(cè)

外伸縮盾左上側(cè)10#主推油缸靠近前盾處固定一線繩垂球，分別在線繩上下打兩個(gè)結(jié)作為測(cè)量參照點(diǎn)，利用TBM停機(jī)期間，通過卷尺分別量取線繩兩打結(jié)處至前盾長(zhǎng)度后，通過坡度計(jì)算公式計(jì)算前盾坡度值。

前盾、支撐盾滾動(dòng)值可通過垂球或水平尺進(jìn)行人工校核。

行程油缸的長(zhǎng)度也需要經(jīng)常進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)和10根主推油缸的長(zhǎng)度進(jìn)行比較。

2.3.2 人機(jī)界面、PPS顯示坡度、滾動(dòng)值比較

TBM掘進(jìn)過程中，測(cè)量值班工程師要隨時(shí)掌握PPS導(dǎo)向系統(tǒng)、人機(jī)界面顯示的坡度、滾動(dòng)值變化，發(fā)現(xiàn)偏差超限時(shí)，務(wù)必進(jìn)行人工測(cè)量復(fù)核，及時(shí)修正、糾偏，確保PPS導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2.3.3 手動(dòng)測(cè)量模式

由于雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)與管片安裝同步，因此在管片安裝期間，受安裝機(jī)及管片的遮擋，全站儀無法瞄準(zhǔn)馬達(dá)棱鏡，在掘進(jìn)過程中無法實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)姿態(tài)，因此可通過PPS系統(tǒng)手動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，即換步完成后測(cè)量出TBM的完整姿態(tài)后，在下個(gè)循環(huán)的掘進(jìn)過程中，可假定支撐盾在撐靴的穩(wěn)定作用下不會(huì)發(fā)生任何改變，由PPS系統(tǒng)鎖定支撐盾數(shù)據(jù)后，改為手動(dòng)輸入該數(shù)據(jù)后全站儀則可不自行瞄準(zhǔn)馬達(dá)棱鏡便可獲取支撐盾及尾盾數(shù)據(jù)，再根據(jù)行程油缸的長(zhǎng)度變化自動(dòng)計(jì)算出前盾的所有姿態(tài)。該種模式在硬巖掘進(jìn)中基本無誤差。在軟巖中，由于撐靴不一定能撐緊巖壁，可能會(huì)導(dǎo)致支撐盾在掘進(jìn)過程中發(fā)生位移，即假定支撐盾姿態(tài)不發(fā)生變化的前提并不成立，從而導(dǎo)致前盾的姿態(tài)在恢復(fù)測(cè)量后出現(xiàn)偏差，需要通過不斷嘗試、總結(jié)得到姿態(tài)控制的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2.3.4 數(shù)值控制法

由于行程油缸的長(zhǎng)度通過行程傳感器和特殊模塊導(dǎo)入至PPS系統(tǒng)，但當(dāng)PPS系統(tǒng)故障后可能存在無法讀取行程油缸的情況，導(dǎo)致前盾的數(shù)據(jù)無法測(cè)量出來，此時(shí)根據(jù)不同的姿態(tài)控制目標(biāo)（導(dǎo)向值或絕對(duì)值）均可通過數(shù)值控制法進(jìn)行控制。

（1）導(dǎo)向值數(shù)值控制法。由于支撐盾所有姿態(tài)及行程油缸均能夠?qū)崟r(shí)顯示，只是無法實(shí)時(shí)結(jié)合，因此在TBM整體導(dǎo)向值均較大的情況下，需要控制前盾的導(dǎo)向值。因此根據(jù)前面章節(jié)中敘述的計(jì)算方法控制好TBM前盾的導(dǎo)向值即可。表1可以快速對(duì)應(yīng)行程油缸與相對(duì)于支撐盾的導(dǎo)向值（含水平和高程），便于主司機(jī)能迅速找到對(duì)應(yīng)的控制數(shù)值。

表1 油缸行程差與導(dǎo)向值、坡度對(duì)應(yīng)表

PPS導(dǎo)向系統(tǒng)無法連續(xù)工作時(shí)，上述油缸行程差與導(dǎo)向值、坡度對(duì)應(yīng)關(guān)系可為TBM掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制提供參考。

（2）絕對(duì)值數(shù)值控制法。在TBM整體導(dǎo)向值均較小的情況下，主司機(jī)可根據(jù)TBM的實(shí)際情況進(jìn)行絕對(duì)值的控制，根據(jù)換步之后的支撐盾姿態(tài)以及前盾姿態(tài)，通過控制行程油缸差指導(dǎo)下個(gè)循環(huán)的期望控制絕對(duì)值數(shù)據(jù)。

①前盾水平絕對(duì)值數(shù)值控制法。前盾水平絕對(duì)值數(shù)值控制計(jì)算方法，油缸行程差△=[(換步后掘進(jìn)前前盾絕對(duì)偏差+期望調(diào)向數(shù)據(jù)-換步后掘進(jìn)前支撐盾絕對(duì)偏差)/(此次預(yù)期掘進(jìn)長(zhǎng)度+5.57)-支撐盾導(dǎo)向值]×2.65。

②前盾高程絕對(duì)值數(shù)值控制法。前盾水平絕對(duì)值數(shù)值控制計(jì)算方法，油缸行程差△=[(換步后掘進(jìn)前前盾絕對(duì)偏差+期望調(diào)向數(shù)據(jù)-換步后掘進(jìn)前支撐盾絕對(duì)偏差)/(此次預(yù)期掘進(jìn)長(zhǎng)度+5.57)-支撐盾俯仰值)]×2.515。

必須以換步后掘進(jìn)前的姿態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)，即換步后的姿態(tài)必須提供準(zhǔn)確及時(shí)。向左調(diào)向?yàn)椤?”，向右調(diào)向?yàn)椤?”,向上調(diào)為“+”，向下調(diào)為“-”。水平方向油缸行程差△=（左-右）；高程方向油缸行程差△=（左+右）/2-頂。

3 結(jié)語

雙護(hù)盾TBM在引紅濟(jì)石引水隧洞工程歷時(shí)9年，穿越大小斷層300多條，克服圍巖特大變形、突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)獨(dú)頭掘進(jìn)9398 m，為小直徑雙護(hù)盾TBM在水利工程施工方面積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，特別是在整個(gè)施工過程中，通過持續(xù)不斷的總結(jié)TBM的姿態(tài)控制方法和措施，有效解決了設(shè)備對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性不足的關(guān)鍵難題，為今后TBM施工技術(shù)的成熟和發(fā)展具有非常重要的意義。

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1673-9000（2017）05-0133-03

2017-05-10

蔡大為（1972-），男，陜西岐山人，工程師，主要從事水利水電工程項(xiàng)目管理工作。