盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望

1、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望沙立中中鐵十九局軌道公司盾構(gòu)分公司 北京101300摘要：盾構(gòu)機(jī)主要應(yīng)用在隧道的開(kāi)掘中。盾構(gòu)機(jī)在我國(guó)隧道的開(kāi)掘中起到了非常重要的作用，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展，現(xiàn)在的盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)是集合多種技術(shù)的自動(dòng)化控制機(jī)械設(shè)備了。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)隧道的開(kāi)掘、支護(hù)，而且還有測(cè)量和糾正偏差的功能。我國(guó)現(xiàn)在正在大力的開(kāi)展地下工程的建設(shè)，從綜合情況來(lái)看我國(guó)盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)仍然不夠完善，所以為了能夠讓盾構(gòu)機(jī)更加安全、高效的運(yùn)行，那么完全實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制已經(jīng)成為了未來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要對(duì)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望進(jìn)行分析討論。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)；現(xiàn)狀；展望中圖分類(lèi)號(hào)

2、： C35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A一、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的概念和現(xiàn)狀盾構(gòu)機(jī)主要由盾體、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、尾部密封系統(tǒng)的組合而成。盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)是指利用盾構(gòu)機(jī)這種機(jī)械挖取地下隧道。盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的施工現(xiàn)狀是：（1）盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)幾乎不受地形、氣候等因素的影響，能夠在復(fù)雜的環(huán)境下工作，這是因?yàn)橛卸軜?gòu)機(jī)的支護(hù)，這對(duì)于繁華的大城市而言是非常實(shí)用的，這樣就能夠盡量不用破壞原有設(shè)施。對(duì)于那些施工環(huán)境復(fù)雜，交通不便的陸地城市，中間不跨越大型水域，并且隧道較長(zhǎng)的地方也適用。（2）機(jī)械、電氣化快速發(fā)展，使得盾構(gòu)機(jī)械在施工過(guò)程中自動(dòng)化、智能化，使得施工時(shí)間縮減，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。（3）

3、機(jī)械自動(dòng)化、智能化使得盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘長(zhǎng)距離、大直徑的的隧道時(shí)有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，還有就是地面的人文景觀(guān)能夠得到保護(hù)，對(duì)其周?chē)沫h(huán)境影響很小。二、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)（一）盾構(gòu)施工技術(shù)這種施工技術(shù)通過(guò)有效支撐地面土層壓力并利用鋼筒結(jié)構(gòu)在地層中快速推進(jìn)。安全系數(shù)和環(huán)保系統(tǒng)都很高，而且能保持快而穩(wěn)定的施工進(jìn)度。特別是在一些流砂、斷裂、堅(jiān)硬巖石及軟弱土質(zhì)并存的地質(zhì)條件下更具有適用性。在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下利用盾構(gòu)法進(jìn)行施工時(shí)，需要將盾構(gòu)機(jī)安裝在事先修建過(guò)的豎井中。在地層中運(yùn)行時(shí)，盾構(gòu)機(jī)每前進(jìn)一環(huán)，要在盾尾部支護(hù)下，安裝一環(huán)管片，同時(shí)在一環(huán)襯砌處圍空隙處壓注水泥砂漿。一環(huán)襯砌承擔(dān)了盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中

4、所承受的土壓力，最后再通過(guò)豎井將施工中挖出的土方運(yùn)出。（二）淺埋暗挖施工技術(shù)城市隧道施工過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到土壤松散的地質(zhì)環(huán)境，當(dāng)隧道直徑和深埋相當(dāng)或偏大時(shí)，要保證施工順利進(jìn)行，采用這種施工技術(shù)最為適宜。該技術(shù)充分利用了短時(shí)間內(nèi)土層的自穩(wěn)能力，通過(guò)一定的支護(hù)措施。它實(shí)質(zhì)是一種不開(kāi)槽施工技術(shù)，它的支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)。（三）鉆爆施工技術(shù)施工時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到堅(jiān)硬巖石地層，此時(shí)需要采用鉆爆施工技術(shù)。該技術(shù)主要用于隧道的開(kāi)挖和噴錨支護(hù)施工。為了保證施工的順利進(jìn)行，必須靈活選擇鉆爆技術(shù)，因?yàn)榫唧w的施工環(huán)境對(duì)鉆爆技術(shù)的要求不盡一致，必須根據(jù)具體情況適當(dāng)加以調(diào)整。（四）混合施工技術(shù)在隧道施工過(guò)程中，

5、由于線(xiàn)路較長(zhǎng)，所以會(huì)遇到不同的地質(zhì)環(huán)境，這就需要在實(shí)際施工過(guò)程中根據(jù)所處的具體地質(zhì)條件來(lái)選擇適宜的施工技術(shù)，這就導(dǎo)致在整個(gè)施工過(guò)程中可能需要選擇幾種施工技術(shù)共同來(lái)完成工程的施工。利用幾種施工技術(shù)進(jìn)行綜合施工時(shí)，可以確保施工具有較好的靈活性，有利于施工質(zhì)量的提升，確保施工的順利進(jìn)行。（五）輔助施工技術(shù)（1）注漿法這種施工技術(shù)主要適宜于軟土層地質(zhì)條件，在各種隧道施工輔助技術(shù)中，它是一種較為常用的技術(shù)。隧道開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榈貙硬环€(wěn)固或滲漏水等原因?qū)е绿?、陷落或沉降，使用該技術(shù)能夠起到加固地層和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)防水性能的效果，因此能有效防止上述情況的發(fā)生。（2）高壓旋噴法技術(shù)的主要作用是加固地層，因此對(duì)淺

6、埋暗挖以及盾構(gòu)施工能起到很好的輔助作用，通常應(yīng)用在在軟弱地層地質(zhì)條件下。（六）盾構(gòu)掘進(jìn)測(cè)量與襯砌環(huán)片測(cè)量技術(shù)盾構(gòu)掘進(jìn)測(cè)量前應(yīng)完成導(dǎo)向系統(tǒng)初始測(cè)量，即計(jì)算隧道設(shè)計(jì)中線(xiàn)坐標(biāo)、測(cè)量后視托架及 TCA 托架的三維坐標(biāo)以及設(shè)置 VMT 初始參數(shù)。完成上述任務(wù)后進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)測(cè)量，由于盾構(gòu)掘進(jìn)利用的是激光導(dǎo)向系統(tǒng)，施工測(cè)量則是利用導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)的控制并對(duì)水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量取得的成果，其加權(quán)平均值即為起算數(shù)據(jù)。盾構(gòu)掘進(jìn)測(cè)量的內(nèi)容為盾構(gòu)井、盾構(gòu)拼裝、盾構(gòu)姿態(tài)以及襯砌環(huán)片四項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)量，運(yùn)用聯(lián)系測(cè)量方法及所測(cè)的線(xiàn)路中線(xiàn)點(diǎn)和測(cè)量控制點(diǎn)獲取測(cè)設(shè)值，其與設(shè)計(jì)值比較差應(yīng)控制在 3mm 以下，高程與設(shè)計(jì)值比較差應(yīng)控制在 2mm

7、 以下，平面偏離、高程偏離以及橫縱向的各項(xiàng)測(cè)量誤差限差均不能與設(shè)計(jì)值發(fā)生太大偏離，測(cè)定實(shí)時(shí)姿態(tài)時(shí)，應(yīng)選擇切口中心為特征點(diǎn)，盾構(gòu)本身方位角與軸線(xiàn)的方位角的比較差為方位角改正差，盾構(gòu)掘進(jìn)方向的修正以此為依據(jù)。盾構(gòu)掘進(jìn)測(cè)量完成后，最后還應(yīng)對(duì)襯砌環(huán)片進(jìn)行測(cè)量，可采用橫尺法測(cè)取其水平和垂直偏差，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，然后用全站儀測(cè)定貼片中心的三維坐標(biāo)，由此推算管環(huán)中心的三維坐標(biāo)。三、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的展望（一）建立以密封艙中壓力動(dòng)態(tài)的平衡為目標(biāo)的控制模型盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生地面沉降，這主要使因?yàn)槊芊馀搩?nèi)壓力失去平衡，有與缺乏對(duì)密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡的控制手段，所以還沒(méi)有形成這方面的實(shí)用性控制模型，未

8、來(lái)要以密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)，建立控制模型，采用先進(jìn)的控制技術(shù)，對(duì)密封艙壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，避免出現(xiàn)地面沉降。（二）掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制現(xiàn)有的土壓平衡盾構(gòu)法主要是在施工的過(guò)程中，根據(jù)地面的沉降、密封艙壓力變化等對(duì)刀盤(pán)、排渣等進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)整，在這種情況下所有的子系統(tǒng)都是手工調(diào)節(jié)，獨(dú)立工作的。這種調(diào)整方式比較落后，為了能夠讓掘進(jìn)系統(tǒng)中眾多的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制，就要研究各控制參數(shù)與密封艙壓力之間的關(guān)系和各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)整個(gè)掘進(jìn)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。（三）運(yùn)動(dòng)軌跡的位姿變化和動(dòng)態(tài)規(guī)劃現(xiàn)有的盾構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡在沒(méi)有詳細(xì)施工記錄的情況下，在復(fù)雜的地質(zhì)情況中很難預(yù)測(cè)控制盾構(gòu)系統(tǒng)的位姿，盾構(gòu)機(jī)在

9、位姿控制上沒(méi)有完成的約束系統(tǒng)對(duì)位姿進(jìn)行控制，所以未來(lái)要分析影響盾構(gòu)機(jī)位姿的因素，建立完整的控制模型，達(dá)到糾偏功能，從而實(shí)現(xiàn)位姿自動(dòng)控制的可能。（四）集成和優(yōu)化控制系統(tǒng)盾構(gòu)法的控制系統(tǒng)要將刀盤(pán)、推進(jìn)、排渣、管片拼裝等子系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，提高其節(jié)能性。讓盾構(gòu)機(jī)可以在任何的地質(zhì)情況下都能進(jìn)行掘進(jìn)設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及信息融合，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制一體化的集成系統(tǒng)。四、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的施工管理（一）提高盾構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)人員的水平施工前，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理人員進(jìn)行管理知識(shí)培訓(xùn)，確保管理人員掌握管理技能。同時(shí)，在工程施工過(guò)程中，要求監(jiān)理人員重視現(xiàn)場(chǎng)的施工管理工作，對(duì)盾構(gòu)工程施工中的隱蔽工程等進(jìn)行

10、驗(yàn)收，并如實(shí)記錄監(jiān)理日志，完善施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)理工作。在盾構(gòu)工程施工前，應(yīng)確保施工人員全面掌握工程施工技術(shù)。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工人員進(jìn)行質(zhì)量安全教育，以確保盾構(gòu)工程施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。此外，對(duì)一些特殊工種，例如焊工進(jìn)行培訓(xùn)，并要求他們持證上崗。（二）嚴(yán)把盾構(gòu)施工材料質(zhì)量在選取原材料時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：第一，水泥。選擇抗?jié)B性能較高的水泥品種，且水灰比較低，降低混凝土混合物需水用量，并要求水泥的抗壓強(qiáng)度、細(xì)度、安定性、凝結(jié)時(shí)間等滿(mǎn)足盾構(gòu)施工的要求；第二，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的管片進(jìn)行外觀(guān)檢查，確保管片外觀(guān)無(wú)明顯的裂縫，并對(duì)管片的受力性能進(jìn)行檢測(cè)，確保其可以承受隧道上部土體的壓力，并滿(mǎn)足隧道防滲水的基本要求；第三，外加劑。在混凝土中摻加合適的外加劑，例如早強(qiáng)劑、減水劑等，以提高混凝土的早強(qiáng)、抗裂性能。結(jié)束語(yǔ)總而言之，盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)可以讓盾構(gòu)機(jī)更加安全和高效的進(jìn)行施工，但是在盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)中或多或少的會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，希望所有人員可以共同努力，克服技術(shù)上的難題，在實(shí)際工作中不斷的對(duì)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行探索，讓盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)可以發(fā)揮更加強(qiáng)大的功能。參考文獻(xiàn)：1于德海，張濤，姜諳男.復(fù)雜條件下地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程的影