引红济石引水隧洞双护盾TBM姿态控制

蔡大为

（陕西引红济石工程建设有限公司，陕西 眉县 722300）

引红济石引水隧洞双护盾TBM姿态控制

蔡大为

（陕西引红济石工程建设有限公司，陕西 眉县 722300）

小直径双护盾TBM姿态控制是隧洞施工的重点及难点。通过对TBM导向系统、姿态测量原理分析，结合引红济石引水隧洞工程实际，提出TBM姿态控制的基本要求、控制标准以及控制方法。双护盾TBM在引红济石引水隧洞工程，通过总结TBM的姿态控制方法和措施，可有效解决设备对复杂地质条件适应性不足的问题。

双护盾TBM；导向系统；测量；控制方法

引红济石引水隧洞采用双护盾TBM施工，成洞直径3.0 m。受隧洞净空、地层软硬不均、设备操作等因素影响，对TBM掘进姿态控制造成很大困难，极易产生掘进偏差。当偏差超过一定限界时就会使盾尾间隙变小，致使管片局部受力恶化，造成管片开裂、管片安装错台较大，隧洞净空侵限，继而导致后配套拖拉困难，严重时出现TBM结构件破坏而无法继续掘进。本文在对TBM姿态测量原理分析的基础上，对导向系统进行了合理改造，并结合工程实际，总结提出了小直径双护盾TBM姿态控制的方法和措施。

1 PPS导向系统

1.1 原设计情况

引红济石双护盾TBM初步设计PPS通视窗口设置在右上角，全站仪通过主机室上方的狭窄空间一直通视至前盾位置的两个马达棱镜，实时检测掘进机最前方机头的姿态，再根据盾体间的相对关系推算出支撑盾、尾盾的姿态情况。但由于通视空间狭小，右侧机械设备极多，TBM姿态稍有偏差就会出现无法通视的不利情况。因此设计调整将全站仪放置在主机室前方管片处，前视及后视距离相应缩短。调整后的PPS导向系统，虽解决了通视问题，但在实际掘进过程中，由于全站仪靠前，掘进换步造成的管片震动，严重影响测量精度，同时由于全站仪无法通过主机室，最短搬站距离不到2m，搬站次数越多，累计误差也就越大，待导线测量时，掘进机姿态便出现了较大的偏差。

1.2 改造情况

由于后续掘进过程中TBM频繁卡机，着手对TBM设备性能进行提升改造，进而提高对复杂围岩地质的适应性。在此期间，对导向系统进行改造。根据本台TBM的设计情况，右侧的设备及结构件较多，通视条件差，左侧则通视条件较好，原改造方案设想将通视窗口改至左侧，以缓解原设计带来的无法通视的问题。但在改造实施过程中发现，受盾体结构件影响，通视窗口仅为Φ25 cm的圆，通视条件仍然无法得到彻底的改善。因此结合本工程实际，经仔细研究，按照采用测量尾护盾姿态+前护盾行程传感系统反推前盾姿态的思路，将倾斜仪与1#、2#自动棱镜安装在支撑护盾上，通过测量支撑护盾与尾护盾的姿态，再通过支撑护盾与前护盾相连的三根行程油缸长度，计算出前盾姿态，实现对TBM姿态的控制。

1.3 姿态测量原理

利用PPS导向系统进行测量，并将支撑盾与前盾之间安装的三根行程油缸长度通过传感器实时导入PPS系统和TBM的PLC系统，结合油缸相对位置关系和设备间的相对关系，推算出TBM的整体姿态。三根行程油缸的相对位置关系见图1。

图1 三根行程油缸的相对关系

测量原理：根据全站仪测量出尾盾及支撑盾的绝对坐标、滚动值、俯仰值及水平导向值后，根据与支撑盾、前盾相连的三根行程油缸的长度可推算出前盾的姿态，包括前盾的绝对坐标、水平导向值及俯仰值等。

1.3.1 前盾导向值

根据左右两根行程油缸的长度差计算出前盾相对于支撑盾（先假定支撑盾的导向值为0）的水平导向值，然后结合支撑盾自身的导向值，最终确定前盾的导向值。若向右为“+”， 计算前盾导向值=支撑盾导向值+（左-右）/2.65。

1.3.2 前盾俯仰值

根据左右两根行程油缸的平均值与顶部行程油缸的长度差计算出前盾相对于支撑盾（先假定支撑盾的俯仰值为0）的高程俯仰值，然后结合支撑盾自身的俯仰值，最终确定前盾的俯仰值。计算前盾俯仰值=支撑盾俯仰值+[（左+右）/2-顶]/2.515。

1.3.3 前盾水平绝对值

根据前盾的导向值及行程油缸的平均伸缩长度，计算出前盾相对于支撑盾（先假定支撑盾的水平绝对值为0）的水平偏差值，然后结合支撑盾自身的水平绝对值，最终确定前盾的水平绝对值。计算前盾水平绝对值=支撑盾水平绝对值+前盾导向值×｛5.57+[(左+右)/2+顶]/2｝。

1.3.4 前盾高程绝对值

根据前盾的俯仰值及行程油缸的平均伸缩长度，计算出前盾相对于支撑盾（先假定支撑盾的水平绝对值为0）的高程偏差值，然后结合支撑盾自身的高程绝对值，最终确定前盾的高程绝对值。计算前盾高程绝对值=支撑盾高程绝对值+前盾俯仰值×｛5.57+[(左+右)/2+顶]/2｝。

2 姿态控制

2.1 姿态控制的基本要求

（1）TBM水平方向的姿态始终向设计轴线‘0’靠拢；TBM竖直方向的姿态始终保持略微高昂的抬头趋势（按照设计的纵向坡度：1/890）。在调向过程中根据PPS实时显示的测量数据、掌子面围岩状况不断调整四组油缸（上下、左右）的推力，监视前护盾行程油缸的推进长度，当TBM姿态出现偏差中轴线位置时，必须向中轴线方向调整。

（2）TBM在软岩或断层破碎带掘进时必须始终保持正的竖直姿态，且TBM在竖直方向上必须保持稍微向上的趋势值，预防刀盘低头。

（3）特别注意更换边刀后掘进第一个循环时尽量不要调向。

2.2 调向控制标准

2.2.1 水平方向

（1）水平的趋势角即是导向值，刀盘的水平导向值以支撑盾显示的趋势角结合行程油缸长度换算的导向值为准。

（2）无论水平方向偏差绝对值达到何种程度，TBM水平导向值不允许超过±1.5%，即在任何情况下，PPS显示屏左上角的趋势角对应换算的导向值都不允许超过±1.5%。

（3）每一完整的掘进循环调向值不允许超过5‰，即从本循环掘进初始至掘进完成过程中导向值的变化量不允许超过5‰。

（4）至少保证每调向一次后，以该姿态掘进至少两个循环，即若在本循环掘进过程中，将导向值由1.000%调至0.500%后，应保持以0.500%的导向值至少再掘进两个循环后方可调向，也可在这三个循环内完成一个循环的调向量，严禁连续以最大调向量对每循环进行调向操作。

（5）在PPS搬站完成后，隧洞偏差绝对值由“-”突变到“+”，即从搬站前偏左突变为搬站后偏右的情况下，严禁在很短的掘进距离内使水平导向值由“+”变为“-”的急切调向行为，仍要严格执行以上调向规定，使导向值逐步缓慢变化。在这种工况条件,导向值还处于正值的情况下，掘进过程中的绝对偏差还会持续增大，这属于正常情况，主司机只要把握住调向原则即可。在将导向值调至极限后（-1.500%），保持此导向趋势不变进行掘进，直到掘进偏差绝对值在50 mm以内后，开始回调导向值至0.000%左右掘进。若是出现搬站前后偏差由偏右突变至偏左的情况，调向操作方法照此类推。

（6）不必刻意追求隧洞中线的“零偏差”，只要中线偏差绝对值在100 mm以内时，即可保持导向值为0.000%左右掘进。

（7）在常规掘进过程中出现TBM方向不易控制的情况下，切忌盲目换步，必须退回重新掘进或采取其它辅助掘进措施进行掘进，务必保证掘进偏差趋势在可控范围内。

（8）主司机要认真总结在不同导向值情况下与各主推油缸行程差的对应关系，积累施工经验，要努力达到在PPS暂时出现故障的情况下，可以据此经验掘进5环后中线偏差仍然受控的水平。

2.2.2 竖直方向

（1）高程的趋势角即是坡度，以支撑盾显示的趋势角结合行程油缸换算的坡度值为准。

（2）高程控制与水平控制的方法与措施一样，在此不再赘述，高程偏差值要努力控制在0～60 mm的范围内。

（3）主司机要不断总结TBM沿隧洞理论中线掘进的最佳坡度和在不良地质条件下合理的掘进坡度（隧洞设计纵坡为1.1‰，上坡掘进），尤其要注意防止TBM“抬头”和“低头”的情况发生，一旦发生单循环高程偏差超限后，在掌子面地质条件允许的前提条件下必须退回重新掘进。

2.2.3 滚动值

由于小直径TBM主机段设备件布置紧凑，前盾、支撑盾滚动值超限将极易导致扭矩油缸、主推油缸、行程油缸、1#皮带机等设备结构件发生“干涉”破坏，后果不堪设想。因此，要求在掘进过程中适时关注前盾、支撑盾的滚动值变化情况，一旦发现滚动值超限时，及时进行纠偏调整。此外,为确保PLC系统的人机界面、PPS显示滚动值的真实性，需要定期对前盾、支撑盾滚动值进行复核、矫正。

2.3 姿态控制辅助措施

TBM掘进过程中，姿态控制以PPS导向系统显示姿态值为主。若PPS导向系统运行异常，改为人工导向测量时，可借助垂球、钢卷尺等工具进行油缸行程差、安装机与1#皮带桥左右及上下间距、1#皮带桥底部行走梁与底管片中心水沟高差、支撑盾撑靴油缸与皮带桥高差以及刀盘、支撑盾、尾盾相对关系等数据，为TBM掘进姿态控制提供参考。

2.3.1 人工复测

外伸缩盾左上侧10#主推油缸靠近前盾处固定一线绳垂球，分别在线绳上下打两个结作为测量参照点，利用TBM停机期间，通过卷尺分别量取线绳两打结处至前盾长度后，通过坡度计算公式计算前盾坡度值。

前盾、支撑盾滚动值可通过垂球或水平尺进行人工校核。

行程油缸的长度也需要经常进行复核，同时和10根主推油缸的长度进行比较。

2.3.2 人机界面、PPS显示坡度、滚动值比较

TBM掘进过程中，测量值班工程师要随时掌握PPS导向系统、人机界面显示的坡度、滚动值变化，发现偏差超限时，务必进行人工测量复核，及时修正、纠偏，确保PPS导向系统运行正常。

2.3.3 手动测量模式

由于双护盾TBM掘进与管片安装同步，因此在管片安装期间，受安装机及管片的遮挡，全站仪无法瞄准马达棱镜，在掘进过程中无法实时显示掘进姿态，因此可通过PPS系统手动进行测量，即换步完成后测量出TBM的完整姿态后，在下个循环的掘进过程中，可假定支撑盾在撑靴的稳定作用下不会发生任何改变，由PPS系统锁定支撑盾数据后，改为手动输入该数据后全站仪则可不自行瞄准马达棱镜便可获取支撑盾及尾盾数据，再根据行程油缸的长度变化自动计算出前盾的所有姿态。该种模式在硬岩掘进中基本无误差。在软岩中，由于撑靴不一定能撑紧岩壁，可能会导致支撑盾在掘进过程中发生位移，即假定支撑盾姿态不发生变化的前提并不成立，从而导致前盾的姿态在恢复测量后出现偏差，需要通过不断尝试、总结得到姿态控制的相关经验。

2.3.4 数值控制法

由于行程油缸的长度通过行程传感器和特殊模块导入至PPS系统，但当PPS系统故障后可能存在无法读取行程油缸的情况，导致前盾的数据无法测量出来，此时根据不同的姿态控制目标（导向值或绝对值）均可通过数值控制法进行控制。

（1）导向值数值控制法。由于支撑盾所有姿态及行程油缸均能够实时显示，只是无法实时结合，因此在TBM整体导向值均较大的情况下，需要控制前盾的导向值。因此根据前面章节中叙述的计算方法控制好TBM前盾的导向值即可。表1可以快速对应行程油缸与相对于支撑盾的导向值（含水平和高程），便于主司机能迅速找到对应的控制数值。

表1 油缸行程差与导向值、坡度对应表

PPS导向系统无法连续工作时，上述油缸行程差与导向值、坡度对应关系可为TBM掘进过程中姿态控制提供参考。

（2）绝对值数值控制法。在TBM整体导向值均较小的情况下，主司机可根据TBM的实际情况进行绝对值的控制，根据换步之后的支撑盾姿态以及前盾姿态，通过控制行程油缸差指导下个循环的期望控制绝对值数据。

①前盾水平绝对值数值控制法。前盾水平绝对值数值控制计算方法，油缸行程差△=[(换步后掘进前前盾绝对偏差+期望调向数据-换步后掘进前支撑盾绝对偏差)/(此次预期掘进长度+5.57)-支撑盾导向值]×2.65。

②前盾高程绝对值数值控制法。前盾水平绝对值数值控制计算方法，油缸行程差△=[(换步后掘进前前盾绝对偏差+期望调向数据-换步后掘进前支撑盾绝对偏差)/(此次预期掘进长度+5.57)-支撑盾俯仰值)]×2.515。

必须以换步后掘进前的姿态作为标准，即换步后的姿态必须提供准确及时。向左调向为“-”，向右调向为“+”,向上调为“+”，向下调为“-”。水平方向油缸行程差△=（左-右）；高程方向油缸行程差△=（左+右）/2-顶。

3 结语

双护盾TBM在引红济石引水隧洞工程历时9年，穿越大小断层300多条，克服围岩特大变形、突泥涌水等地质灾害，实现独头掘进9398 m，为小直径双护盾TBM在水利工程施工方面积累了宝贵经验，特别是在整个施工过程中，通过持续不断的总结TBM的姿态控制方法和措施，有效解决了设备对复杂地质条件适应性不足的关键难题，为今后TBM施工技术的成熟和发展具有非常重要的意义。

TV554

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1673-9000（2017）05-0133-03

2017-05-10

蔡大为（1972-），男，陕西岐山人，工程师，主要从事水利水电工程项目管理工作。