盾构机超挖量间接测量系统分析及应用

范广学

摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，对当前盾构机所采用的流量计和串联检测液压缸2种超挖量间接检测方法，分析其液压控制系统原理，推导出各自的超挖量计算模型。综合考虑传感器测量误差和累计测量误差，研究分析2种检测方法的误差来源及误差消除措施。分析结果表明，串联检测液压缸方法能够有效消除累计测量误差，且位移传感器的测量精度较流量计要高很多，其超挖量检测精度明显高于流量计检测方法。

关键词：盾构机；超挖量；间接检测；误差分析；检测精度

引言

超挖刀系统是盾构机的重要组成部件，是为盾构机曲线掘进、转弯、纠偏而设计，通过超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。

1盾构超挖的数值模拟

在地铁区间隧道盾构施工的过程中，常出现盾构机前方的刀盘超挖其正上方的土体，引起上方土体的坍塌，导致地面出现较大的沉降。为了研究盾构超挖与地面沉降之间的关系，采用在隧道拱顶施加给定位移A1=δ的方法模拟超挖。为了对比，本文建立四个二维模型：隧道直径D均为6m，覆土厚度依次为10m、14m、18m、22m；取模型上表面为地面，下表面取至隧道底面下12m，约为2D，X轴方向各取至隧道侧面左右24m，为4D。因此，模型长度均取54m，高度分别取为28m、32m、36m、40m。地层结构由上到下依次为粉质粘土、中粗砂、砾砂；注浆层厚度为120mm；模型侧面和底面取位移边界条件，侧面限制水平位移，底面固定，模型上表面为地表，取为自由边界。如图1所示，即为覆土厚度为14m的模型，计算中的土层信息根据岩土工程勘察报告，以及浆液、管片的物理力学性质参数如表1和表2所示。单元类型：注浆层采用平面单元来模拟，管片采用梁单元模拟，均视为弹性材料；岩土体材料模型采用摩-库仑准则，也用平面单元来模拟。施工过程动态模拟的实现：首先模拟原始地应力状态，施加重力场，让土体在初始应力条件下平衡，并将土体的初始位移置零；然后钝化隧道内的土体，施作浆液和管片，再将浆液硬化，模拟整个施工过程。最后，在隧道的拱顶施加5~50cm的强制位移做对比分析。

2液压控制系统原理及分析

目前盾构机超挖刀位移检测装置分为2种，直接检测和间接检测。直接测量是在超挖刀液压缸上安装位移传感器，如铁建重工生产的盾构机，但信号需要通过旋转接头传递，存在信号衰减和干扰问题，难以保证测量准确度，因此很少采用。间接测量主要有2种设计方案。一种是在超挖刀液压缸其中一个油路上串联流量计，如日本小松生产的盾构机，通过检测液压油的流量和时间，计算油液体积变化，间接检测超挖刀液压缸的伸出量。换向阀1实现液压缸的伸缩控制，当超挖刀伸出/缩回时，右/左位接入系统。单向节流阀2调节液压缸的伸缩速度，液压锁3实现液压缸位移的锁定。流量计4与超挖刀液压缸6有杆腔串联，超挖刀液压缸伸出/缩回时，通过流量计测得进入液压缸的流量，计算出液压缸有杆腔体积变化，除以有杆腔有效面积，即可间接计算出超挖刀的位移量。另一种方案是在超挖刀液压缸油路有杆腔串联一个检测液压缸，利用超挖刀液压缸和串联的检测液压缸之间流量相等的原理，间接测量超挖刀液压缸的位移。中铁装备和德国海瑞克生产的盾构机多采用该方案。当超挖刀伸出时，电磁换向阀1右位接入系统，同时电磁换向阀8得电。油液经主电磁换向阀1、单向节流阀2、平衡阀3、旋转接头4进入超挖刀液压缸无杆腔。超挖刀液压缸有杆腔的油液经旋转接头4、平衡阀3、换向阀8右位，进入检测液压缸无杆腔，将超挖刀液压缸的有杆腔和检测液压缸的无杆腔之间串联起来。检测液压缸有杆腔的油液经单向阀和主电磁换向阀1或电磁换向阀8回油箱。当超挖刀缩回时，主电磁换向阀1左位接入系统，同时电磁换向阀8失电。油液经主电磁换向阀1左位、电磁换向阀8左位、平衡阀3、旋转接头4进入超挖刀液压缸的有杆腔。超挖刀液压缸无杆腔的油液，经旋转接头4、平衡阀3、主电磁换向阀1回油箱。当超挖刀液压缸完全缩回后，超挖刀液压缸有杆腔油压升高，顺序阀9打开，油液进入检测液压缸小腔；检测液压缸大腔油液经电磁换向阀8及单向阀回油箱，直到检测液压缸完全缩回。

3误差量分析

1）流量计法测量误差分析使用流量计的盾构机超挖量间接测量方法，误差主要有测量误差和累计误差两部分。测量误差从超挖量的计算公式分析，其计算精度主要取决于流量计的检测精度，精度最高的容积式流量计测量误差也在0.05％以上。由于液压缸在重复伸缩的过程中，存在一定程度的内泄，液压缸多次伸缩动作后，测量位移与实际位移也会存在较大的累积误差，准确度会逐步降低。2）串联检测液压缸法测量误差分析串联检测液压缸的盾构机超挖量间接测量方法，由于超挖刀收回时液压缸完全缩回，可以消除累计误差，因此测量误差主要为计算误差。超挖量的计算精度主要取决于位移传感器的检测精度。传感器的测量误差小于0.02%，重复误差不超过满量程的±0.001%。虽然液压缸在伸缩的过程中存在一定程度的内泄，但是由于系统的顺序动作设计，可以保证超挖刀液压缸的完全缩回，消除累计误差。这种检测方法精度较高，目前被广泛采用。

4社会效益和产业化前景

通过盾构机液压缸的有效研制开发，可使我国在液压缸的关键技术方面得以突破，在设计水平、产品质量、技术含量、产品性能、加工工艺等方面提高一个档次。使液压缸性能达到或接近国际先进水平，可替代进口液压缸用于盾构机配套。我国1966年生产出第一台直径3.4m的掘进机，20世纪70年代进人工业性试验阶段，试制出SJ55，SJ58，SJ64，EJ30型掘进机。80年代进人实用性阶段，研制出SJ58A，SJ58B，SJ40/45，EJ30/32，EJ50型掘进机，某隧道工程股份有限公司等于2004年9月完成盾构机样机“先行号”的制造，并于当年10月在某进行首个地铁工程的工程应用。我国盾构机与国外盾构机相比较，在技术性能和可靠性等方面还有一定的差距，尤其在液压缸为主要元件的液压系统技术性能、产品品质、智能化、缸阀集成化等方面需差距较大，制约了掘进机的国产化进程。为此，进行盾构机系列液压缸的研制开发，就是针对液压缸研究、设计、制造存在的薄弱环节，对关键技术、关键工艺、制造装备、检测手段等实施集中攻关，并加以创新突破，迎头赶上国际先进水平。随着中国经济社会的快速发展，中国有兴建地铁等隧道工程需求的城市越来越多，国产隧道掘进机系列液压缸产品制造技术取得突破并实现产业化，实现隧道掘进机关键零部件的自主创新、加大盾构机液压件制造的国产化比例，无疑将能更好地为日益壮大的中国城市地下交通建设事业提供服务，将产生重大的社会效益。

5结束语

对目前盾构机常用的流量计检测和串联检测液压缸2种超挖量间接检测方法进行了对比分析，研究了2种方法的检测原理和误差形成机理及误差来源，得出以下结论。（1）流量计检测方法的误差来源主要是流量计的测量误差和累计测量误差。实际工作中，流量计的测量误差难以消除，而且该方法又缺少消除累计误差的有效措施，因此超挖量检测精度较低，且检测精度会随着累计误差的增大而进一步降低。（2）串联检测液压缸方法可有效消除累计测量误差，其误差来源是位移传感器的测量误差。由于位移传感器的测量精度比流量计的测量精度高很多，因此该方法的检测精度要明显高于流量计检测方法。

参考文献

[1]璩继立，许英姿，等.盾构施工引起的地表横向沉降槽分析[J].岩土力学，2006，27（2）：313~316.

[2]刘建航，侯学渊.盾构法隧道.北京：中国铁道出版社，1991