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盾构轴线控制轴线控制，即及时纠正盾构机推进中产生的轴线偏离，使推进轴线时时刻刻与计划路线保持一致。近年来各种自动测量系统和盾构千斤顶操作无人化的轴线控制系统大量问世。自动化、省力化已是当前的社会需求。将来这些新的系统必然得以有效的广泛地应用。不过这里需要说明的是，即使利用计算机自动化系统测量的场合下，管理者也必须很好地理解测量、轴线控制原理，以便对测量结果进行核校及对轴线修正的判断。1修正偏离的原则盾构轴线控制的基本原则如下：①偏离量增大之前及早修正；②在场地条件受限不能修正，只能按现时轴线掘进的场合下，通常可提前10～20m控制偏离量。③遵循偏离量的管理值和允许值，确立偏离修正方针。图1示出的是盾构轴线控制、偏离修正图。为了把施工时的实际偏离量控制在规定的允许偏离量以内，首先应确定偏离量的管理值(允许值的50％～80％为目标)，并在该目标范围内修正偏离进行推进管理。必须确立连续修正偏离的意识，但是，如果不明确修正到什么时候，什么程度的方针，则会像图1示出的那样出现反复偏离。图20.4.1盾构偏移修正图如果在已经发生偏离的场合下修正盾构轴线，则因超挖和盾构外周面摩擦的增大周围地层将发生扰动，致使沉降。从防止沉降的观点出发，希望减小偏离量。在轴线控制时，必须先掌握盾构现在在推进轴线上的偏离量，其次按可以把偏离量拉回到管理值以内的原则设定轴线修正量，即使超过管理值也可以考虑先修正几米的原则进行轴线控制。2盾构轴线控制2．1决定轴线修正量在决定盾构轴线修正量时，应进行盾构位置、轴线变化的模拟，必须明确偏离修正的方针。设盾构推进微小距离△L时，对应的轴线变化角为θ，则对应计划线形的偏离量的变化为δ，由图2可知，δ可按下式计算：δ=δ1+δ2(1)δ1=(δh0一δt0)·△L／L(2)δ2=δp+L1·sinθ(3)δp=R·(1一cosθ)(4)=ΔL·(1一cosθ)／{2·sin(θ／2)}式中：δ1——偏离计划轴线差的变位量；δ2——轴线修正的变位量；δh0——掘削面现时偏离量；δt0——盾尾现时的偏离量；δp——盾构旋转位置的变位量。必须注意盾构的实际掘进轴线与其姿态、轴线是不一致的。特别是纵断面轴线的盾构高程变化，由盾构自重与地压力的关系可知，盾构的轴线与实际掘进的轴线存在一定的差异。在预测盾构位置时，应选用包含这种变化的模型决定轴线修正量。在掌握盾构变化时，应考虑给出某轴线修正量时偏离量变化的实绩值。为此，应作出描绘盾构偏离状态的图面，分析倾向作必要管理。随后用计算机分析处理这种倾向，以定下步的推进管理。图2盾构位置预测方法2．2轴线控制方法盾构机的轴线控制，有控制推进千斤顶群的工作模式(以下简称模式法)和控制千斤顶推进压力(以下简称压力法)两种方法。1．模式法模式法是靠选择推进千斤顶群的工作模式实现轴线控制的方法。这是一种根据测得的水平、竖直两轴线上的姿态偏差，选择所谓的最佳推进千斤顶的工作模式。即让千斤顶群中的部分千斤顶工作，另一部分千斤顶停止工作，以此同时修正上述两个轴线姿态偏差的方法。该方法存在如下一些问题。①当要求停止推进的千斤顶再次工作时，盾构机必须从停止掘进一直等到该千斤顶触及管片，即必须间歇一段时间，所以工作效率低。②控制属阶跃性控制，另外因需水平轴线和竖直轴线同时纠偏，故控制精度不高。③因千斤顶模式选择属经验技术，故操作人员的技术因素致使偏差存在较大的起伏。④自动控制时，必须输人以操作人员经验判断为基础的参数，所以初期调整需要一定时间。2．压力法(1)压力法系统概况压力控制推进系统是为了克服模式法的上述弊病而开发的一种较为理想的轴线控制系统。该系统把盾构机的推进千斤顶，像图3那样分成多组，各组千斤顶推力的变化特点是连续变化，而不是阶跃性变化。这种控制方式具有如下优点。图3千斤顶分组状况①因为输入千斤顶操作点即推进千斤顶的合力点容易，故设定目标轴线容易，所以即使经验不足的操作员也可正确控制盾构机的姿态。②因为通常全部千斤顶参加推进，纠偏时靠追加给工作千斤顶上的压力完成，无千斤顶停止工作的现象，故效率高。③尽管千斤顶上的推力存在一定的梯度，但推力变化平滑，所以管片上偏载荷极小。④因为水平轴线和竖直轴线可以单独控制，所以使用一般的PID控制，即可方便地实现自动控制。(2)必要推力的检测与控制因为使用电磁比例阀可以方便地实现千斤顶的压力控制，所以以往有人提出过这种盾构机的轴线控制的方案。但是，由于地层硬度、土砂装入状况及组装管片的约束等原因，致使千斤顶的推力长期不断的变化，故给实用化带来了一定的难度。这里给出边检测推力边控制推力的检测控制法可以克服上述缺点。该控制方法的系统构成如图4所示。图4控制万法①测量盾构机的掘进姿态，并把测量结果送入运算装置。②在运算装置中算出盾构机的姿态与目标轴线的偏差，进而计算修正该偏差的各个千斤顶所需的推力的分布状况，并把结果送入控制装置。③在控制装置中把推力最大的一组千斤顶的压力控制阀设定在规定的最大压力值上，并把该组定为推力检测组。④使盾构机按所定的速度掘进，根据检测到的油压泵的油压，求出盾构机必要的推力。⑤由修正姿态所需推力分布状况和检测出来的推力分布状况，计算各组千斤顶的目标推力值(设定最大压力的一组除外)，按维持该目标推力值的原则控制各组千斤顶的压力。连续反复上述操作，则盾构机不仅可以推持姿态修正的推力分布，同时还能使其合力符合必要的推力的条件要求。(3)推力分布的计算方法推力分布可由千斤顶操作点的轴线角θ和单推强度γ求得。像图5所示出的那样，把θ轴线的延长线与圆(千斤顶作用点构成的圆)的交点的推力记作最大。从图5可以看出推力呈坡度正比于γ的圆筒状分布，则各个千斤顶的推力可由其相应的位置求取。图5推力分布状况及计算方法(4)千斤顶操作点可以像图6那样，由盾构机水平角度和竖直角度相对目标角的偏差θxθy，求出水平分量x和竖直分量y。该系统可由以下的控制计算公式求出。式中：θx、θy——分别为姿态偏角(°)；PBx、PBy——比例带(％)；Tix、Tiy——积分时间(s)。2．3推进中的轴线变化管理轴线修正量，就平面轴线而言，通常是把轴线角度变化量或者掘削面一盾尾偏离量的变化量，换算成左右推进千斤顶行程的变化量(见图7)。对纵断轴线而言，同样是换算成上下千斤顶的行程变化量，或者利用顷斜计给出纵向变化量。图6千斤顶操作点计算方法图7轴线修正量的计算方法推进中的轴线变化，可通过行程计测得的左右推进千斤顶的行程差；陀螺方位角的变化、倾斜计的纵向角等参数的变化掌握。监视这些推进数据与目标值的对比结果，改变千斤顶的模式控制盾构的轴线。在软地层急弯曲线施工等状况下，由于地层耐力不足的原因，轴线也会稍有变化；在横滑状态下盾构也会向曲线外侧偏离。这种情形下，暂时停止推进，重新测量确认盾构机的位置。3管片组装的管理在修正盾构轴线的同时，还必须慎重地进行管片组装管理。如果管片与盾尾板的间隙减小，则会对盾构推进带来以下种种不利影响。①对管片组装作业构成障碍，严重时无法组装。②进行无理组装，则隧道的真圆度下降，同时接头错位、缝隙增大，致使漏水。③由于管片和盾尾的挨近，致使推力上升，在RC管片的场合下，容易致使管片自身出现裂纹等损伤。因此，推进完了及管片组装完了时，均应测量尾隙，为了满足盾构轴线修正的需要，必须使用楔形管片修正管片的轴线。像图8示出的那样，即使在直线段，如果上下，左右的行程存在差异，则推进时一侧的尾隙会慢慢变小，最后失去尾隙。因此应准备好修正用的楔形管片。曲线段使用的楔形管片必须充分讨论曲率的楔形量、形状(是单楔、还是双楔)及组装模式等。图8倾斜管片轴线的修正4、盾构推进时轴线控制方法4．1盾构纵坡的控制盾构推进过程中的纵坡的控制方法有两种：一种是变坡法，一种是稳坡法推进。1、变坡法：是指在每一环推进施工中，用不同的盾构推进坡度进行施工，最终达到预先指定的纵坡。优点：可根据管片与盾构的相对位置，采用先抬后压或先压后抬的措施来完成提高盾构高程和降低盾构高程，推进结束时盾构坡度调整至与隧道轴线坡度相近，因此盾构四周间隙不受因盾构与管片间折角的影响，便于拼装；缺点：盾构坡度变化较大，加大了盾构周围土体的扰动。2、稳坡法：是指盾构每推一环用一个纵坡进行推进，以符合纠坡要求。优点：对土体扰动比较小。操作员可根据上环稳坡法推进时，推进坡度与高程的变化关系确定当前环的推进坡度。缺点：在盾构稳坡法推进过程中，特别是在软土地层，盾构与隧道间往往会存在一个夹角，因此，盾构推进结束时，盾构与管片间的夹角会影响管片的四周间隙，影响管片的拼装。4．2平面直线段推进过程中的轴线控制一般情况下，当盾构直线段推进时，左右千斤顶行程差值不会很大，其差值往往是因为计程设备的读数误差所产生的，因此直线段推进具有轴线控制比较简单，只要考虑千斤顶行程差与盾构姿态的关系，无需考虑轴线变化时，盾构推进应该做怎样的调整。具体操作要点如下：（1）在土质比较均匀以及盾构姿态良好的情况下，保持盾构左右区域油压不变，千斤顶左、右区长度差值变化不会很大，盾构将能保持良好的姿态。（2）在土质比较复杂或者土质突然变化的情况下，保持相同的区域油压往往会产生意想不到的姿态变化，因此，这种情况下，必须注意左右千斤顶的长度差的变化量，并及时加以调整。（3）在推进过程中如发现小幅度长度差值变化时，直接进行千斤顶油压的调整，使千斤顶长度差值与前一环保持一致，如发现千斤顶行程差与前一环变化很大时，说明此时盾构姿态已经偏离轴线，必须向反方向推进相同长度后再加以调整。如前一环推进行程差为“0”时，推进过程中发现千斤顶左行程比右行程长30cm，在这种情况下必须调大右区油压（减小左区油压），使盾构千斤顶右行程比左行程长30cm后，最后再调整左右区域油压使千斤顶行程差复原为“0”。4、3平面曲线段推进轴线纠偏的控制：1）盾尾与管片间的间隙控制小曲线半径段内盾构与管片间的间隙控制不仅会影响到管片的拼装质量，也会影响盾构轴线的控制，如各区域间隙分布均匀，将便于盾构进行纠偏，但在纠偏时千斤顶长度差值不可过大，防止盾构尾与管片产生挤压、摩擦作用，引起管片碎裂。如当盾构向左进行纠偏时，必须考虑管片左右侧的间隙量，如左侧间隙量太小，在纠偏时不可过猛（2）左右油压差值及左右千斤顶长度差值的控制在小曲线半径轴线推进过程中，调整左右油压的差值是完成左右纠偏量的主要方法，在具体的纠偏过程中，操作员可根据左右千斤顶的长度差来判断盾构现状是否将完成预计的纠偏量（根据上一环的报表、千斤顶左右长度差及当前推进环的设计轴线变化），当盾构切口刚由直线段进入曲线段（缓和曲线段进入圆弧曲线段）时，由于盾尾管片还未进行曲线段管片的拼装，即管片还未作超前量调整，应通过增加左右千斤顶长度的差值来使盾构正好处于曲线段设计轴线的切线位置，而在同一曲线段推进时，管片的超前量调整正好起到一个调整盾构推进方向的作用，如盾构姿态良好，保持原有的千斤顶差值即能使盾构保持良好姿态。小曲线路半径段推进出现的一系列难点1、小曲线半径内侧管片外弧紧贴盾构外壳当盾构由直线段进入曲线段时，往往会出现管片超前于盾构机转弯，隧道内侧的盾尾间隙就相对较小，如不采取有效措施将会造成小曲线半径内侧管片紧贴盾构外壳的现象，导致盾尾跟管片间产生挤压，使管片产生变形、碎裂由于小曲线路半径内侧管片对盾尾的限制作用，在纠偏时盾尾平面变化将很小，但这样也同时造成了管片外弧面的碎裂，小曲线内侧管片外弧紧贴盾构外壳时的推进难点：1、盾构纠偏会造成盾尾与管片间的挤压磨擦作用，使小曲线半径内侧管片外弧碎裂或管片产生变形，形成竖鸭蛋形状；2、一次纠偏量不可过大，而且又要防止盾构逐渐偏离轴线的现象，因此纠偏量要做到适中；3、左右油压不可相差太悬殊，左右油压相差越悬殊，盾尾对管片外弧造成的摩擦力越大，当外弧向前方作用的摩擦力大于作用于小曲线半径内侧管片环面上的千斤顶作用力时，管片会被盾尾外拉开裂。解决小曲线内侧管片外弧紧贴盾构外壳的方法：1、采用超挖刀；对隧道断面，小曲线半径内侧部分进行超挖，从而达到盾构纠偏的效果。2、采用绞接千斤顶；通过绞接千斤顶来改