盾构前铰接控制系统设计与研究

2015-08-02李太运LITaiyun中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

建筑机械化 2015年5期

关键词：盾构

李太运/LI Tai-yun（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

Shield Equipment& Project 盾构工程

盾构前铰接控制系统设计与研究

李太运/LI Tai-yun
（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

[摘要]针对后铰接式盾构很难满足小转弯半径隧道施工要求的工况，本文设计了前铰接盾构结构及电液控制系统，分析了前铰接盾构的特点，并建立了控制参数的数学模型。计算铰接装置铰接角度，从而方便施工调向控制。

[关键词]盾构；前铰接控制系统；小半径

1 概论

目前，我国正处于大规模基础设施建设时期，尤其是交通设施建设如火如荼。在城市中，以地铁为龙头的地下空间综合利用和开发，受既有建筑物和有限空间的限制，出现了大量复杂线型（如小半径、大纵坡）或复合近接（小净距、下穿铁路、立交、叠交）的隧道工程，使得轨道交通的形式越来越复杂。虽然小半径隧道线性不好，但在许多项目建设应用的却越来越多。马来西亚吉隆坡地铁隧道要求150m的转弯半径，后铰接盾构很难满足这种施工要求。针对复合地层而言，日式盾构的前铰接控制也很难满足施工要求。因此研发一套适合于复合地层小曲线的前铰接系统将很有社会应用价值。

2 前铰接盾构的定义

目前按照盾构的铰接形式如图1所示，可分为直筒式、铰接式，其中铰接式又分为后铰接式（被动铰接）、前铰接式（主动铰接）、多铰接式。

前铰接机械结构是在中盾上的链接中盾前部和中盾后部的装置，其将中盾盾体分成两部分，用多个液压油缸将分割部分链接，通过液压油缸的行程差来实现盾构本体的弯曲调向。

3 前铰接转向系统优越性

图1 盾构铰接装置的分类

在隧道施工过程中不可避免会出现曲线施工，盾构曲线施工过程中，由于盾体为刚性，因此不能与设计曲线完全吻合，所以只能采用折线拟合设计曲线。施工曲线半径越小，盾构的主机本身越长，曲线的拟合难度越大。采用铰接装置可以增加盾构的转弯的灵活度，减少土体的摩擦力和盾构对土体的扰动。对于小曲线盾构转弯施工，前铰接可以根据开挖隧道的曲线半径调整好盾构中盾前部与中盾后部的中折角度，掘进过程中将开挖面的隧道预先开挖成型，减少掘进过程中的前进阻力，并且在换刀时刀盘还有一定的回收空间便于土压仓内换刀，故前铰接装置在小半径曲线施工应用中具有绝对的优越性，如图2所示。

图2 前铰接的优越性

4 前铰接液压控制系统

根据计算和经验，1台土压平衡盾构前铰接型的铰接液压油缸的设计总载荷通常需要达到推进油缸推力的80%以上，而后铰接形式的铰接油缸所需的拉力仅占推进缸推力的25%左右。由于主动型的铰接油缸载荷大，布置的数量相对较少，因此铰接油缸外形尺寸比较大。根据管片的不同设计，推进缸的布置也不相同，铰接缸的布置也随之改变，由于推进缸和铰接缸需要分开布置，因此使得盾构的内部空间较为拥挤。图3为铰接油缸的分布图和液压系统控制图。为了便于监测和控制刀盘的位置，我们根据象限将铰接油缸分为4个区，分别为上、下、左、右4个区间，每个区间设有一个带传感器的铰接油缸并且对称分布，这样即简化了铰接控制，也方便监测盾体前部与后部的弯曲角度，便于导向系统的测量。

图3 前铰接液压控制系统

5 前铰接控制系统数学模型

由于结构设计和保护铰接部分的机械结构和密封，前铰接控制程序加入了许多限定条件，防止较大幅度的铰接动作对铰接密封和铰接结构的伤害。根据主动铰接装置的结构设计，将前铰接装置机械模型简化为简单的几何模型，图4所示为铰接角度与铰接油缸行程差的几何模型。其中d1为左右带传感器铰接油缸的中心距离，d2为上下带传感器铰接油缸的中心距离，θ1为铰接装置左右铰接角度，θ2为铰接装置上下铰接角度。

图4 铰接角度与铰接油缸行程差的几何模型

通过分析简化的数学模型参数，可以根据铰接油缸的行程和带传感器铰接油缸的位置关系，计算出铰接装置前部与后部的弯曲角度（上下铰接角度和左右铰接角度），如图5所示。在施工过程中可以根据隧道的转弯半径调节铰接装置的铰接角度，从而方便隧道盾构小弯曲半径的施工调向控制。

图5 铰接角度与油缸行程差关系

根据土压平衡盾构在曲线施工时的最小转弯半径和最大爬坡度，通过对结构转弯和爬坡能力的模拟，得知铰接装置满足最小转弯半径和最大爬坡度时的铰接角度，根据最大铰接角度和对铰接装置的保护得到如下铰接活动区域，如图6所示。通过计算软件辅助完成前铰接控制理论的计算。

图6 铰接的动作范围

根据铰接活动区域图可知：左右转弯处于最大铰接角度时，左右油缸行程差为154mm（转弯角度1.6°），而上下油缸必须控制行程差小于41mm（俯仰角度0.5°）；上下爬坡处于最大铰接角度时，上下油缸最大行程差为83mm（俯仰角度1°），而左右油缸必须控制行程差小于77mm（转弯角度0.8°）。图中并集部分为铰接的活动范围。在曲线施工的操作中，如超出上述范围时，铰接密封容易损坏。当出现此种情况时联锁机构启动，这时必须进行回直操作。

6 前铰接控制系统设计

根据主动铰接装置的设计和数学模型，设计主动铰接的控制模型，选择简单液压阀四区联动控制模式，达到最优控制目的，即根据象限对称控制调节，如向左转弯，左半部分油缸回收，右半部油缸伸出。基于这种控制模式设计简便的控制界面，如图7所示。这种控制模式的优点是液压系统设计简单，电气控制简便，并且不会出现铰接油缸的困油现象。研发的四区联动的控制模式使调向更为灵活。

为了防止刀盘的卡死，在对铰接装置进行操作时，必须满足一定的操作条件，其中首要条件为刀盘启动和铰接泵启动。在进行铰接转弯调向时，上、下、左、右调向，全伸、全缩操作时，也必须满足一定的保护条件。