盾构掘进姿态控制重要技术概述

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1、盾构掘进姿态控制重要技术概述第1章绪论1.1引言两千七百多年前，人类便开始修建用于引水和防御的隧道，其中一些隧道至今还在发挥作用。十九世纪以来，城市人口急剧增长及人类活动范围的扩大使地下空间的开发利用逐渐受到重视，作为地下空间开发的关键技术，險道施工技术在交通运输、市政工程、采矿工程和国防建设等领域发挥了巨大作用。隧道施工技术经过长期发展，逐渐形成了明挖法、钻爆法、新奥法和盾构法等一系列成熟的隧道施工方法，其中，盾构法具有安全环保、优质高效、劳动强度低、对周围环境影响小及自动化程度高等特点，尤其在人口密度大、地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较深时，盾构拥有较高的经济技术

2、优越性，因此现在越来越多的隊道由盾构掘进实现根据掘进地层的不同，盾构法施工中使用的隨道掘进装备主要可以分为硬岩掘进机和盾构掘进机（简称盾构）两类。盾构是在可移动钢结构支撑和保护下完成地层开挖、测量导向、界面支护、管片拼装和邊土输送等掘进作业，专用于软土隊道施工的大型复杂装备，主要由盾壳、刀盘系统、推进系统、管片拼装系统、排法系统、电气控制、测量导向及后配套系统组成[4]。根据开挖面稳定方式和排法方式的不同，应用最为广泛的盾构可以分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构两大类。.1.2盾构技术发展概况根据现有资料分析，普遍认为盾构隧道施工方法是由修建泰晤士河隧道的法国工程师MarcI

3、sambardBrunei发明并最早使用的。MarcIsambardBrunei和ThomasCochrane于1818年申请了第一台盾构专利，这是隧道施工的开创性进展，该盾构用于泰晤士河底隧道的挖掘，图1.3为盾构在泰晤士河底施工的场景图，隨道从1825年开始施工，在施工过程中经历了多次出现漏水和洪水事故，多名隧道工人丧生，MarcIsambardBrunei本人在1828年的洪水事故中也差点丧生，几经坎坷，隧道终于在经历多次停工和复工后，于1843年开通。在盾构发展历史上，有以下里程碑式事件。1876年，英国人JohnDickinsonBrunton和GeorgeBr

4、unton合作申请第一个机械化盾构专利，标志着机械盾构的诞生[14]。1896年，Haag首次申请了泥水式盾构的德国专利，标志着泥水盾构的产生[1、1967年日本人研制成功第一台采用水力出土的泥水加压式盾构[16]。1974年，日本石川岛播磨重工设计制造出一台外径为3.72m的土压平衡盾构，该盾构在东京含水碟层中开挖了1900m长的主管线，这是土压平衡盾构的第一次工程应用[17，18]。由于土压平銜盾构系统可靠性高，不需要复杂的泥水处理设备，使得各盾构公司十分重视土压平衡盾构技术，这也使土压平衡盾构得到快速发展。1985年，德国p;Freytag和海瑞克公司申请了复合盾构

5、的专利，研制成功采用膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水气平衡盾构[19]。1993年,海瑞克公司研制的第一台直径7.4m的复合盾构在巴黎得到应用。.第2章钟对特定隧道设计轴线的盾构推进机构关键参数设计2.1盾构推进机构自由度分析众所周知，不受任何约束的刚体在空间具有六个自由度，包含三个正交的平动和三个正交的转动。盾构掘进机在地层中的运动特性是由地层对盾构的约束力、推进液压叙的推进力、盾构自身重力等作用综合决定的。由于地层对盾构的约束作用并不是刚性的约束，I而是提供被动的地层约束力，因此，如果将整个盾构看作一个整体，在驱动力的作用下盾构可以将地层挤压变形从而实现六个自由度的运动，

6、但是实际上盾构还要受到推进机构这个并联机构的约束。根据上面的分析，在推进液压紅工作压力为零的情况下，盾构推进并联机构对盾构不存在约束作用，因此盾构在地层中仍然具有6个自由度。盾构的6个自由度是否具有确定的运动状态是我们关心的问题，地层约束是一种特殊的约束，其对盾构的约束力为被动约束力，盾构毎个自由度的运动都会受到地层的约束作用。在稳态情况下，根据地层约束力的特性和力、力矩平衡条件，可以得到以下关系。..2.2盾构推进机构工作空间与盾构最小转奪半径分析盾构分为普通盾构和铰接式盾构，普通盾构的壳体为一个整体，管片轴线和盾构轴线之间允许的夹角较小，盾构的灵敏度较小，比较适用于随

7、道设计轴线比较平直、转弯半径较大的随道工程；絞接式盾构壳体一般分为由铁接机构连接的前体和后体两部分，由于两部分可以相对转动，使得管片轴线和盾构轴线之间允许的夹角较大，盾构的灵敏度较大，因此在转弯半径较小隨道工程中应用广泛对盾构推进机构工作空间进行分析，揭示盾构工作空间与盾构结构参数的内在联系，不仅能够对盾构当前位姿条件下的运动可能性进行判断，还可以针对隧道设计轴线对盾构关键结构参数进行设计。通过前文的分析可知，盾构掘进机推进机构具有6个自由度，但是由于受到推进液压行程、推进液压叙安装和盾尾间隙等因素的约束作用，盾构推进机构只能