1.3 土压平衡盾构推进系统研究

土压平衡盾构是目前隧道施工运用比较广泛的盾构设备。因为土压平衡盾构具有成本相对较低、出土效率高、适用地层范围广等优点，所以在我国各类隧道施工中得到广泛的应用。目前上海、北京、南京等地铁施工中，基本上都采用土压平衡盾构，并取得了不错的效果。

土压平衡盾构是由日本在20世纪70年代初就开始开发的一种盾构。1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用。该盾构是由日本制造商IHI（石川岛播磨）设计的，其外径为3.72m，用它掘进了1.9km长的主管线。

以后很多制造厂商以土压盾构、压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构、受压的土壤盾构、泥压盾构，或泥浆状的土壤盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。所有这些名称的盾构基本上都应用了同一种系统——国际上称为“土压平衡系统”（EPB）。此系统可谓是闭胸挤压式及泥浆盾构的合成。如图1.5所示，土压平衡盾构主要分为三个关键部分：

1）切削系统。主要由刀盘及其安装在其上的刀具和刀盘驱动系统组成。刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构的最前部，用于切削土体，具有一定的开口率。不同的盾构具有不同的开口率，盾构开口率可以根据地质条件或掘进状况进行调节。刀盘也是盾构上直径最大的部分，一个带四根支撑幅条的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削地质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有超挖刀，盾构在转向掘进时，可操作超挖刀液压缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构的转向。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。刀盘驱动系统由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板的法兰上，它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现低速无级变速。刀盘驱动主要由若干组传动副和主齿轮箱组成。

2）推进系统。主要由推进液压缸和动力供给液压系统组成，在盾构内侧的周边位置均匀布置了由盾构隧道掘进直径和地质条件决定的几十台推进液压缸，推进液压缸一端安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过管片的反作用力可以提供给盾构向前的掘进力。为了减少控制的成本或复杂程度，通常将这些液压缸按上下左右分成B、D、C、A四区。掘进过程中，在操作室中可单独控制每一区液压缸的压力和流量，这样盾构就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构的轴线尽量吻合隧道设计轴线。

3）衬砌系统。主要由管片拼装机组成。管片拼装机是一套由液压系统驱动的六自由度机构，可以使用有线的或遥控的控制器操作管片拼装机，实现管片的准确拼装定位。管片拼装成型后，管环之间及管环的管片之间都必须密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。

盾构法修建隧道的最直接定义就是利用刀盘旋转切削土体并由液压缸推动盾构前进。盾构推进系统承担着整个盾构的机械推进任务，完成盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动。因此，对盾构推进系统的分析和设计非常重要，推进系统的设计直接影响到修建隧道的施工质量与工期。

从盾构的诞生到如今盾构施工的大量采用，国内外对盾构推进系统的研究从没有停止过。国外主要研究包括：20世纪80年代美国Nelson等人通过对布法罗地下隧道施工中盾构掘进产生的振动振幅和频率进行了测量和研究，并采用质点峰值速度和频率对振动进行描述和研究；国外学者Flanagan也对盾构掘进时产生的振动进行了分析；由于盾构掘进所需推力巨大和盾构作业环境的极其复杂性，因此目前工程中所用的盾构推进系统都采用液压系统来实现动力的传递、分配及控制。液压系统的液压油具有可压缩性，故盾构在掘进过程中，刀盘就如同安装在一个巨大的弹簧上，随着液压缸的向前推进，液压弹簧的刚度不断减小，给盾构施工带来较多的问题，1983年英国道路运输研究实验室R.A.Snowdon等人对推进系统变刚度与系统推力、刀具切深、刀具间距、切削比能的关系进行了研究；2001年日本学者西林聖武对盾构掘进过程中推进系统所需推力进行了深入的研究；2002年法国学者A.L.Pellet-Beaucour等人通过实验测试，对微型盾构掘进时推进系统所需克服的摩擦阻力影响因素进行了深入研究；Yeh I等人对盾构推进系统的控制进行了深入的研究；Vinai R等人对盾构掘进过程中掘进参数的影响进行了研究。国内主要研究包括：2005年北京交通大学的宋克志将比能概念用于整个刀盘，研究刀盘的切割比能，并将其理论应用到实际工程中，并获得了与切割比能有关的推进参数优化结论，但其没有考虑变刚度的影响情况；浙江大学的杨华勇教授带领他的团队从整个设备受到的载荷特点考虑，针对推进系统的液压控制方法进行了研究，并取得了丰硕的成果；中铁隧道的郑志敏对给定地质条件下，推进系统参数配置进行了探讨；中铁隧道的贾连辉等人对ϕ6.39m的复合土压平衡盾构的推进系统进行了设计与控制分析；2008年Mo等人通过推进系统姿态调整对管片施工质量影响进行深入分析；北京交通大学的谭忠盛等人对盾构掘进时推进系统姿态控制及管片防裂损技术进行了研究；同济大学的徐前卫等人通过盾构缩尺实验研究了推进系统掘进参数及其他参数的内在联系；同济大学的周奇才等人通过研究专家系统并将其应用于推进系统自动控制领域，上海隧道工程股份有限公司的傅德明对推进系统推力与其他盾构施工参数之间的关系进行了深入的实验研究，朱中意在上海轨道交通设计改造项目中，工程项目隧道直径由6.2m扩大为6.6m，扩径后盾构适应性与原盾构存在较大差别，工程详细介绍了基于原有的盾构对其进行扩径改造方案，为后续盾构施工改造提供工程经验。邓聪颖、余海东等通过对盾构推进系统进行模型简化，构建了推进系统分区模型，对分区推进系统力学性能进行研究，提出采用不同的分区形式实现盾构的适应性设计，以达到推进系统在复杂地质条件下降低突变负载对推力的影响，减少偏载和推力。

因此，归结以上国内外研究方向主要集中在以下几点：①盾构推进系统掘进过程中，各个掘进参数的相关性研究；②推进系统参数的优化设计；③根据给定的地质条件和施工要求，对推进系统推力参数进行估算，为推进系统设计提供理论依据；④推进系统的液压系统设计与控制；⑤推进系统的自动控制研究。而国内外研究较少涉及盾构推进系统本身的力学模型，推进系统掘进过程中结构与力传递关系，掘进中结构与振动关系等方向。

推进系统是盾构中的重要组成部分，对提高盾构施工质量有决定性的影响。盾构的推进系统由液压设备和盾构液压缸组成。液压缸数量由设计总推力和液压缸的类型决定，其直径宜小不宜大，故采用高压液压系统提供动力，其位置一般均匀地安装在盾壳支撑环的内周，方向与隧道轴线平行。由于盾构在地下工作，掘进过程中会受到土层中的各种阻力，为确保盾构能够正常掘进，首先必须由推进系统克服推进过程中所遇到的各种阻力。考虑盾构具有大功率、变负载和动力远距离传递与控制等特点，推进系统都采用液压系统来实现动力的传递、分配与控制。

对于未来盾构推进系统的发展方向主要集中在以下四点：

1）目前盾构掘进速度一般为0.06m/min，因此需要进一步提高推进系统液压缸推进速度至0.1m/min。

2）开发出能够实现全时掘进的盾构推进系统。

3）研制开发在大坡度、小曲率半径线路上施工的盾构。现代城市交通拥挤问题，带动了轨道交通建设的飞速发展，在轨道交通线路的选择上，由于受规划及地面建筑物的制约，轨道交通的线形越来越复杂。路线规划人员在隧道路线设计时，要尽量避开地面上古建筑和深基础的高层建筑，这就使得盾构需要小半径的曲线掘进。而小半径的曲线掘进，容易引起推进系统过大偏载，最后导致推进系统后方的管片被压溃。

4）自动化程度较低，控制精度不高。现有的大型盾构推进系统，为降低控制复杂程度或成本，通常将所有均匀布局的推进液压缸分成多个分区，常见的四分区按上下左右分成B、D、C、A四区。目前分区数目的理论研究和工程实践主要有：于睿坤等在法国盾构的基础上，对直径为6.8m含22台液压缸的推进系统分为四个分区，考虑到盾构自重，在下分区分配了更多的液压缸，左右分区液压缸数量相等。同时基于此考虑，庄欠伟等也将32个液压缸的推进系统分为6、8、10、8的分布。此外，也有不一定按照下多上少分区理论进行设计，王朝义在成都地铁1、2号线中，基于该工程中上下两个分区受到负载变化比较大，对30台液压缸的四分区系统分为8、7、8、7，如图1.6所示，且该项目中为了控制方便，采取单双交叉分布的液压缸布局。本书最后一章，德国杜塞尔多夫地铁项目中，使用28台液压缸，分为14对液压缸均匀分布于护盾内部，且将液压缸分为2、2、3、2、2、3分区，此工程施工过程处于富水砂卵石地层，六分区系统相对于四分区系统，人员操作控制上更困难，但对负载适应性更强。

盾构掘进过程中，由盾构司机根据施工地质条件和隧道设计路线，单独控制每区液压缸的压力和速度，以实现盾构姿态调整，保证盾构的掘进路线符合隧道的设计线形。而目前对于盾构施工隧道的贯通误差标准有严格的限制，这就要求盾构司机能够更加科学的实时控制盾构推进系统姿态或者盾构设计厂家提高盾构控制的自动化程度。对于以上关于盾构推进系统集中发展方向的四点中，前两点是对提高盾构施工效率的要求，而后两点则是对于提高盾构施工质量的要求。因此，需要对盾构推进系统进行深入的理论研究，以解决上述问题。

目前，盾构推进系统由于缺少精确的力学建模，因此，对应自动控制系统的研发和应用比较缓慢。现有盾构推进系统的控制主要依靠操作室内盾构司机的经验判断进行的。所以，目前大多数起辅助作用的盾构自动控制系统都是基于专家系统开发的。为深入研究盾构在土层中掘进的力学行为，并开发出更加实用的自动控制系统，2002年日本学者Sugimoto和Mitsutaka等人对盾构所受外载荷的产生进行了详细分析和分类，并构建了盾构的运动学模型，并根据该模型对盾构在掘进时的动态行为进行了模拟仿真，随后2004年河海大学岩土所的谈小龙等人应用该盾构运动学模型对盾构推进系统的滞后控制进行了研究。总的来说，这些学者主要研究了土体与盾构的力学作用，对盾构的力学行为进行了研究，并未对盾构推进系统的力学模型进行构建与分析。

由于缺少推进系统的力学建模，因此对于推进系统力传递特性的研究很少，如前所述，国内外研究方向主要集中在盾构推进系统中液压系统的设计与控制上。由于盾构施工环境的复杂性和恶劣性，推进系统的动力主要由液压系统提供。然而，盾构施工一般是在几千吨乃至几万吨的推力下进行，因此，液压缸中液压油的可压缩性就不能被忽略。早期英国学者对推进系统中液压油可压缩性产生的变刚度，推进系统切削比能，刀具间距和法向力的关系进行了研究。目前还未见相关文献对于液压油可压缩性引起系统变形以及该变形对系统控制精度的影响进行研究与分析的。

对于推进系统的振动，如前所述美国Nelson等人通过对布法罗地下隧道施工中盾构掘进产生的振动振幅和频率进行了测量和研究，并提出了振动的描述方法，但并未对振动产生的原因进行分析。对于推进系统由于液压油可压缩性产生的变刚度与系统振动固有频率的关系目前还未见相关研究。系统振动模型的构建是研究系统振动的前提和关键。振动模型不是简单地将系统中的部件进行简化，而是要考虑每个部件的简化是否影响到系统的分析和脱离实际。对于整个系统而言，质量是可以忽略且不影响系统振动分析的中间连接部分都简化成弹簧阻尼的方式，而其他部件看作是刚体。振动模型构建后就应该是建立系统的振动微分方程。对于简单的振动系统，应用牛顿法建立系统的振动微分方程较为简单，而对于复杂的系统应用拉格朗日方程建立系统的振动微分方程比较方便。这里对于振动的主要研究方法是将每台液压缸简化为一套弹簧阻尼器，液压缸的前端盾构部分和液压缸所顶的管片看作是不变形的刚体，所有液压缸的质量对于整个盾构推进系统可以忽略不计。