机械工程师论文发表盾构机过小曲率半径的姿态控制及纠偏技术
由于盾构机是一种很笨重的机具，盾构施工中一个很重要的技术要求就是控制盾构掘进姿态符合设计线路，故盾构机掘进方向的控制是盾构法施工中一个非常重要的环节。而小半径转弯更是盾构施工技术控制的一个难题，小半径转弯会对盾构操作及纠偏带来诸多的难题。下面就以广佛地铁12标西鹤段350m 半径转弯为例，分析一下小半径转弯盾构机操作与纠偏的方法。
《化工设备与管道》是经国家科学技术部批准出版的专业技术期刊，创刊于1964年，曾用名《化工设备简讯》、《化工设备设计》，是国内同类期刊中历史最为悠久的知名期刊之一，曾多次获得上海市、原化工部、中国石油和化学工业协会等多项部省级荣誉与奖励。
一、工程概况
珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段项目施工12标西朗站～鹤洞站盾构区间土建工程地处广州市市区的西南，荔湾区鹤洞路上方。西鹤区间起止里程为YCK20+726.368～ YCK21+390.603m，线路总长664.435m，线路由2段直线和2段曲线构成，曲线半径分别为350m和450m。该区间隧道全部在鹤洞路下穿越，道路两侧建筑物较多。由于盾构主要在鹤洞路下穿越,区间隧道正上方建筑物仅有4栋。根据地质勘察报告，对于盾构机通过的地层情况，两个区间左右线隧道主要穿越的地层为〈7〉〈8〉〈9〉层为主，隧道覆土部分主要为〈1〉、〈2-1〉、< 6 >号地层，隧道顶部主要位于〈7〉强风化岩层、〈8〉中风化岩层、〈9〉微风化岩层，隧道底板主要位于〈7〉强风化岩层、〈8〉中风化岩层、〈9〉微风化岩层。
二、导向系统简介
盾构机采用PPS激光自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。自动导向系统主要由激光经纬仪、激光靶、控制箱、计算机、盾构掘进软件及其它配套硬件和软件组成。
随着盾构机推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位，保证推进方向的准确可靠。为此，必须根据盾构机掘进的速度，适时进行后视基准点的移站，保证导向系统的正常工作;每周进行不少于两次人工测量，以校核自动导向系统实测数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构机掘进方向的正确。
三、盾构操作方向控制
滚动控制：采用使盾构刀盘反转的方法，纠正滚动偏差。允许滚动偏差≤±3°，当超过3°时，盾构机报警，提示操纵者必须切换刀盘旋转方向，进行反转纠偏。
竖直方向控制：控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，它与盾构机姿态变化量间的关系非常离散，主要靠人的经验来掌握。当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。
水平方向控制：与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大左侧千斤顶的推进压力，右偏时则加大右侧千斤顶的推进压力等来进行调整，使盾构沿着设计平面线路方向掘进。
四、小曲率半径盾构掘进姿态调整与纠偏
在实际施工中，由于管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值;在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差;在线路变坡段或急弯段掘进过中，有可能产生较大的偏差，这时程就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差。在小半径曲线段，由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟和。以致盾构机操纵及纠偏受更多技术参数的制约，而怎样合理地把这些参数科学的统一起来，是影响盾构机顺利通过小半径曲线的关键，下面就这些参数对盾构机操作与纠偏的影响进行阐述。
1、盾构机掘进过程中各参数对盾构姿态的影响
1) 油缸分区压力差对盾构机姿态的影响
在盾构机通过小曲率半径施工过程中时常会出现一侧推力比另一侧大而推进油缸的速度却是推力小的一侧比推力大的一侧的要快，这时很明显盾构机的趋势会向推力较大的一侧偏移，即盾构机向设计轴线相反方向偏移。这就说明盾构机油缸分区压力差不够，继续增加该侧压力增大压力差至合理数值该现象即可解决。
2) 铰接油缸行程差对盾构机姿态的影响
在盾构机过小曲率半径施工过程中预设合理的铰接油缸行程行程差是最重要的控制盾构机姿态和进行纠偏的手段之一。曲线施工盾构机通常会经历以下个阶段：直线段-直缓段-圆曲率段-缓直段-直线段，随着盾构机进入不同的阶段铰接油缸的行程差也应相应的做出改变。如盾构机在直缓段时应逐步增大铰接油缸行程差以使盾构机姿态与设计曲线相吻合;盾构机在圆曲率段时只需保持适当的铰接油缸行程差并根据实际情况微量调整即可;盾构机在缓直段时则需逐步减小铰接油缸行程差。在实际施工过程中我们可以根据隧道在在该段的曲率半径并结合盾构机铰接油缸的相关尺寸计算得出相应的铰接油缸行程差预设值。在操作过程中我们通常应使铰接油缸预设值略大于计算值，这样可使盾构机沿曲率方向的内圆前进，有利于盾构机姿态控制及纠偏的进行。
3) 掘进速度对盾构机姿态的影响
在实际操作过程中我们发现过快的掘进速度不利于盾构机在小曲率段的掘进，盾构机的姿态及纠偏都难于控制。总的来说，盾构机过小半径曲线时要慢行，掘进速度严格控制在15～25mm/min 范围内，太快和太慢都不利于盾构机的操作与纠偏。特别值得一提的是，盾构机在掘进过程中不要走走停停，要做到掘进的连续性，缓慢连续纠偏。#p#分页标题#e#
4) 土仓压力对盾构机姿态的影响
土仓压力是盾构机掘进过程中最重要的参数之一，当土仓压力低于设定压力时，可能会导致掌子面塌陷;若土仓压力大于设定压力时，则会引起刀盘扭矩或推力的增大、刀盘启动扭距超限，掘进速度下降，增加泥饼形成的几率等，所以，设置合理的土仓压力对于盾构掘进顺利的进行是相当关键的。除此之外，保持适当的土仓压力可以为盾构机在掘进过程中提供适当的反推力，这种反推力将使盾构机姿态向良好的方向发展。
5) 刀盘转速及扭矩对盾构机姿态的影响
刀盘的转速要满足的条件便是与掌子面的充分切削，基本操作原则是黏土层用低转速，硬岩用高转速，同时注意推力的调整，以提高或降低刀盘对土体的惯入度。如过在硬岩中掘进时掘进速度过快或刀盘转速设置过低都将使刀盘扭矩大大增加，这将使得盾构机的滚动加剧，严重时将会引起管片滚动甚至盾构机机体滚动，造成事故。
2、 盾构机姿态调整与方向控制的注意事项
盾构机偏离设计轴线时必须要进行纠偏，纠偏必须有计划有步骤的进行，切忌一出现偏差就猛纠猛调，具体措施如下：
1) 盾构机在每环掘进过程中应尽量使盾构机姿态变化控制在±5mm以内。一旦趋势变化量超过±2mm/m就需及时进行纠偏，以免造成较大的趋势变化量，不利于纠偏的进行。
2) 应根据各段地质条件的不同合理的对掘进参数进行调整。
3) 合理的选取管片，避免人为因素对盾构机姿态造成过大影响。提高管片拼装质量，避免因此而引起的对盾构机姿态的调整。
4) 在掘进过程中时刻注意滚动角的变化，并及时调整刀盘的转动方向，使其值减少。切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，速度过快可能造成管片受力状态突变，而使管片损坏。刀盘应低速启动后，再逐渐增大达到预定的转速。
5) 在纠偏过程中，掘进速度要放慢，油缸分区压力差不应过大，否则管片因偏压将可能产生错台或者破裂。
6) 每环铰接油缸行程差调节量不得过大，一般不宜大于10mm。
3、 盾构机纠偏的实现步骤
在实际操作过程中我们发现在盾构机偏离中心轴线后实施纠偏过程中会呈现出以下几个步骤：
1) 继续偏离中心轴线阶段
从我们认识到盾构机偏离中心轴线开始纠偏的那刻起，盾构机还会继续偏离中心轴线一段距离，但其偏移方式一般为整机偏移，具体表现方式为盾构机刀盘偏差与盾尾偏差之差的绝对值基本为一恒定值。在该阶段掘进时盾构司机切忌心浮气躁，不得急纠偏，否则会造成管片错台，开裂等不良后果。
2) 小摆头，大摆尾阶段
当盾构机继续偏移到一定程度后刀盘偏差将稳定在一个范围内，盾尾快速向刀盘方向靠拢，其具体表现形式为刀盘偏差小幅度变化，且刀盘偏差与盾尾偏差之差的绝对值逐渐减小并趋近于0。此时即为在各种纠偏措施的共同作用下，盾构机主机的趋势已经改善，盾构机主机趋势逐渐设计轴线趋于平行。
3) 大摆头，小摆尾阶段
当盾构机主机趋势逐渐与设计轴线拟合或与设计轴线趋于平行时，用于纠偏一侧的油缸的有效推力将逐渐增加，推力损失大幅度减少，这样将大大利于盾构机主机趋势向更有利的方向发展。其主要表现形式是盾尾偏差小幅度变化，刀盘偏差向设计轴线快速靠拢。盾构机刀盘偏差与盾尾偏差之差的绝对值将逐渐增大。一般当盾构机刀盘处中心轴线与隧道设计轴线重合时我们还应继续纠偏，使盾构机进入小曲率段的内圆约2cm处。如左转弯时我们应尽量使盾构机偏差保持在-20mm处掘进;而右转弯时则应使盾构机偏差保持在+20mm处掘进。当纠偏处于该阶段时应特别注意刀盘偏差的控制，每环变化量不得过大，一般不宜超过8mm。如果前点变化过大, 使得一侧的土严重超挖, 并使土的内聚力增加, 另一侧出现很大空隙, 而这个空隙暂时是无法添充的, 当盾构机停止掘进时, 由于一侧的内力释放, 就会使得前点向另一侧偏移,掘进时姿态会再次出现偏移。当盾构机中心线进入小曲率段的内圆后约2cm处时纠偏已基本结束，此时需要做的就是稳定这个姿态，使盾构机保持这个姿态继续前行。
五、结论
在采取了上文所诉的一系列技术措施后整条隧道轴线均控制在-50～50mm范围之内。总之，为使盾构机顺利通过小半径曲线，要深入现场，仔细观察盾构掘进中的各参数，总结参数之间的相互联系，不断探索行之有效的操作方法，才能攻克难关，保证隧道的顺利贯通。
参考文献：
[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京: 中国建筑工业出版社,2004.
[2]董宇.浅析盾构机过小半径曲线段的操作与纠偏[J].科技资讯，2009.
[3]竺维彬，鞠世健等.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社,2005.