盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望

1、盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望沙立中中鐵十九局軌道公司盾構分公司 北京101300摘要：盾構機主要應用在隧道的開掘中。盾構機在我國隧道的開掘中起到了非常重要的作用，隨著我國經(jīng)濟以及機械自動化的發(fā)展，現(xiàn)在的盾構機已經(jīng)是集合多種技術的自動化控制機械設備了。它不僅能夠實現(xiàn)隧道的開掘、支護，而且還有測量和糾正偏差的功能。我國現(xiàn)在正在大力的開展地下工程的建設，從綜合情況來看我國盾構機的自動控制技術仍然不夠完善，所以為了能夠讓盾構機更加安全、高效的運行，那么完全實現(xiàn)盾構機自動控制已經(jīng)成為了未來必然的發(fā)展趨勢。本文主要對盾構機自動控制技術現(xiàn)狀與展望進行分析討論。關鍵詞：盾構機自動控制技術；現(xiàn)狀；展望中圖分類號

2、： C35文獻標識碼： A一、盾構機自動控制技術的概念和現(xiàn)狀盾構機主要由盾體、刀盤驅動系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、尾部密封系統(tǒng)的組合而成。盾構機自動控制技術是指利用盾構機這種機械挖取地下隧道。盾構機自動控制技術的施工現(xiàn)狀是：（1）盾構機自動控制技術幾乎不受地形、氣候等因素的影響，能夠在復雜的環(huán)境下工作，這是因為有盾構機的支護，這對于繁華的大城市而言是非常實用的，這樣就能夠盡量不用破壞原有設施。對于那些施工環(huán)境復雜，交通不便的陸地城市，中間不跨越大型水域，并且隧道較長的地方也適用。（2）機械、電氣化快速發(fā)展，使得盾構機械在施工過程中自動化、智能化，使得施工時間縮減，降低了勞動強度。（3）

3、機械自動化、智能化使得盾構機自動控制技術在挖掘長距離、大直徑的的隧道時有非常明顯的優(yōu)勢，還有就是地面的人文景觀能夠得到保護，對其周圍的環(huán)境影響很小。二、盾構機自動控制技術（一）盾構施工技術這種施工技術通過有效支撐地面土層壓力并利用鋼筒結構在地層中快速推進。安全系數(shù)和環(huán)保系統(tǒng)都很高，而且能保持快而穩(wěn)定的施工進度。特別是在一些流砂、斷裂、堅硬巖石及軟弱土質并存的地質條件下更具有適用性。在這種復雜地質條件下利用盾構法進行施工時，需要將盾構機安裝在事先修建過的豎井中。在地層中運行時，盾構機每前進一環(huán)，要在盾尾部支護下，安裝一環(huán)管片，同時在一環(huán)襯砌處圍空隙處壓注水泥砂漿。一環(huán)襯砌承擔了盾構機在推進過程中

4、所承受的土壓力，最后再通過豎井將施工中挖出的土方運出。（二）淺埋暗挖施工技術城市隧道施工過程中，有時會遇到土壤松散的地質環(huán)境，當隧道直徑和深埋相當或偏大時，要保證施工順利進行，采用這種施工技術最為適宜。該技術充分利用了短時間內(nèi)土層的自穩(wěn)能力，通過一定的支護措施。它實質是一種不開槽施工技術，它的支護結構是一種密貼型薄壁支護結構。（三）鉆爆施工技術施工時，有時會遇到堅硬巖石地層，此時需要采用鉆爆施工技術。該技術主要用于隧道的開挖和噴錨支護施工。為了保證施工的順利進行，必須靈活選擇鉆爆技術，因為具體的施工環(huán)境對鉆爆技術的要求不盡一致，必須根據(jù)具體情況適當加以調(diào)整。（四）混合施工技術在隧道施工過程中，

5、由于線路較長，所以會遇到不同的地質環(huán)境，這就需要在實際施工過程中根據(jù)所處的具體地質條件來選擇適宜的施工技術，這就導致在整個施工過程中可能需要選擇幾種施工技術共同來完成工程的施工。利用幾種施工技術進行綜合施工時，可以確保施工具有較好的靈活性，有利于施工質量的提升，確保施工的順利進行。（五）輔助施工技術（1）注漿法這種施工技術主要適宜于軟土層地質條件，在各種隧道施工輔助技術中，它是一種較為常用的技術。隧道開挖過程中，會因為地層不穩(wěn)固或滲漏水等原因導致坍塌、陷落或沉降，使用該技術能夠起到加固地層和增強結構防水性能的效果，因此能有效防止上述情況的發(fā)生。（2）高壓旋噴法技術的主要作用是加固地層，因此對淺

6、埋暗挖以及盾構施工能起到很好的輔助作用，通常應用在在軟弱地層地質條件下。（六）盾構掘進測量與襯砌環(huán)片測量技術盾構掘進測量前應完成導向系統(tǒng)初始測量，即計算隧道設計中線坐標、測量后視托架及 TCA 托架的三維坐標以及設置 VMT 初始參數(shù)。完成上述任務后進行盾構掘進測量，由于盾構掘進利用的是激光導向系統(tǒng)，施工測量則是利用導線點的控制并對水準控制點進行重復測量取得的成果，其加權平均值即為起算數(shù)據(jù)。盾構掘進測量的內(nèi)容為盾構井、盾構拼裝、盾構姿態(tài)以及襯砌環(huán)片四項內(nèi)容的測量，運用聯(lián)系測量方法及所測的線路中線點和測量控制點獲取測設值，其與設計值比較差應控制在 3mm 以下，高程與設計值比較差應控制在 2mm

7、 以下，平面偏離、高程偏離以及橫縱向的各項測量誤差限差均不能與設計值發(fā)生太大偏離，測定實時姿態(tài)時，應選擇切口中心為特征點，盾構本身方位角與軸線的方位角的比較差為方位角改正差，盾構掘進方向的修正以此為依據(jù)。盾構掘進測量完成后，最后還應對襯砌環(huán)片進行測量，可采用橫尺法測取其水平和垂直偏差，再根據(jù)實際情況進行調(diào)整，然后用全站儀測定貼片中心的三維坐標，由此推算管環(huán)中心的三維坐標。三、盾構機自動控制技術的展望（一）建立以密封艙中壓力動態(tài)的平衡為目標的控制模型盾構機在掘進時可能會產(chǎn)生地面沉降，這主要使因為密封艙內(nèi)壓力失去平衡，有與缺乏對密封艙壓力動態(tài)平衡的控制手段，所以還沒有形成這方面的實用性控制模型，未

8、來要以密封艙壓力動態(tài)平衡為目標，建立控制模型，采用先進的控制技術，對密封艙壓力實現(xiàn)自動控制，避免出現(xiàn)地面沉降。（二）掘進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制現(xiàn)有的土壓平衡盾構法主要是在施工的過程中，根據(jù)地面的沉降、密封艙壓力變化等對刀盤、排渣等進行單獨的調(diào)整，在這種情況下所有的子系統(tǒng)都是手工調(diào)節(jié)，獨立工作的。這種調(diào)整方式比較落后，為了能夠讓掘進系統(tǒng)中眾多的子系統(tǒng)進行協(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系和各個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。實現(xiàn)整個掘進控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。（三）運動軌跡的位姿變化和動態(tài)規(guī)劃現(xiàn)有的盾構系統(tǒng)運動軌跡在沒有詳細施工記錄的情況下，在復雜的地質情況中很難預測控制盾構系統(tǒng)的位姿，盾構機在

9、位姿控制上沒有完成的約束系統(tǒng)對位姿進行控制，所以未來要分析影響盾構機位姿的因素，建立完整的控制模型，達到糾偏功能，從而實現(xiàn)位姿自動控制的可能。（四）集成和優(yōu)化控制系統(tǒng)盾構法的控制系統(tǒng)要將刀盤、推進、排渣、管片拼裝等子系統(tǒng)進行集成控制，優(yōu)化盾構機的掘進性能，提高其節(jié)能性。讓盾構機可以在任何的地質情況下都能進行掘進設備的實時檢測以及信息融合，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制一體化的集成系統(tǒng)。四、盾構機自動控制技術的施工管理（一）提高盾構自動控制技術人員的水平施工前，需要對現(xiàn)場管理人員進行管理知識培訓，確保管理人員掌握管理技能。同時，在工程施工過程中，要求監(jiān)理人員重視現(xiàn)場的施工管理工作，對盾構工程施工中的隱蔽工程等進行

10、驗收，并如實記錄監(jiān)理日志，完善施工現(xiàn)場的監(jiān)理工作。在盾構工程施工前，應確保施工人員全面掌握工程施工技術。同時，要加強對現(xiàn)場的施工人員進行質量安全教育，以確保盾構工程施工質量符合設計要求。此外，對一些特殊工種，例如焊工進行培訓，并要求他們持證上崗。（二）嚴把盾構施工材料質量在選取原材料時，需要注意以下幾點：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度、細度、安定性、凝結時間等滿足盾構施工的要求；第二，對進場的管片進行外觀檢查，確保管片外觀無明顯的裂縫，并對管片的受力性能進行檢測，確保其可以承受隧道上部土體的壓力，并滿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，例如早強劑、減水劑等，以提高混凝土的早強、抗裂性能。結束語總而言之，盾構機自動控制技術可以讓盾構機更加安全和高效的進行施工，但是在盾構機自動控制技術中或多或少的會出現(xiàn)一些不可預料的風險，希望所有人員可以共同努力，克服技術上的難題，在實際工作中不斷的對盾構機自動控制技術進行探索，讓盾構機自動控制技術可以發(fā)揮更加強大的功能。參考文獻：1于德海，張濤，姜諳男.復雜條件下地鐵盾構施工過程的影