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1、软弱地层地铁盾构综合施工技术研究软弱地层地铁盾构综合施工技术研究中铁十局集团第三建设有限公司中铁十局集团第三建设有限公司二二一六年九月一六年九月技术研究报告zhiyi软弱地层地铁盾构综合施工技术研究11 绪论绪论1.11.1 研究目的与意义研究目的与意义进入 21 世纪以来随着国民经济和社会生产力的快速发展，发展中国家城市化进程不断加快，城市人口聚集与城市地面交通基础设施落后之间的矛盾日益凸显，为了缓解这一矛盾。现代化的城市建设逐渐开始发展立体式交通使得城市地下空间的开发和利用越來越多地受到人们的关注和重视。如今在土木与建筑工程领域的人们常说，19 世纪是桥的世纪，20 世纪是高层建筑的世纪，
2、21世纪将是地下空间的世纪。尤其是城市地下空间的开发与利用，将会得到空前的发展。盾构工法因其具有机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点，在城市地铁、市政、电力等地下隧道修建过程中得到了广泛应用。今后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的盾构，中国将成为世界上地下工程使用隧道掘进机最多的国家。因此，隧道盾构施工技术在我国的发展前景非常广阔。如何在地铁盾构区间的建设过程中保证周围环境的安全，无疑是地铁盾构区间设计与施工过程中最重要的内容。而实际在项目的实施过程中，由于城市用地的紧张，往往需要突破上述规定。由于特
3、殊情况,往往地铁暖道要在已建大型建构物边上穿越，或者在地铁隧道边上建设大型基坑甚至超深基坑，再或者在以建地铁陵道近距离处施工另一地铁随道，以上这些工程实施均存在许多未知风险，如何控制风险，保证安全是急需解决的问题。盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，己经有了很大的进步，因盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地表沉降，特别是在软土盾构隧道中尤甚。当地层位移和变形超过一定的限度时就会危及周围邻近建筑物及其基础和地下管线的安全，引起一系列岩土环境工程问题。如何减少施工对周围土体的扰动程度，最大限度地减少施工对周围坏境以及居民生活的影响一直是大家所
4、关心的问题。因此在软土地区对盾构施工技术研究意义是重大的。一方面，可以保证盾构区间隧道施工的安全。另一方面，对于类似在建的盾构区间的设计起到指导作用。软弱地层地铁盾构综合施工技术研究21.21.2 国内外研究现状国内外研究现状1.2.1 软土地层盾构机姿态控制技术国内外研究现状软土地层盾构机姿态控制技术国内外研究现状近些年來，随着自动化技术的迅猛发展与广泛应用，国内外一些学者对盾构机掘进姿态的自动控制进行了研究。目前这些研究还主要集中在少数盾构技术发达的国家,如德国、日本、法国等。由于我国盾构设计和制造起步较晚，盾构技术的发尚处于研发与逐步国产化阶段，国内学者对位姿控制理论的系统研究成果还相对
5、较少。1.2.1.21.2.1.2 基于模糊理论的盾构机姿态控制理论基于模糊理论的盾构机姿态控制理论由于盾构在掘进过程中随时受到掘进工况和掘进机运行工况等不确定因素的影响，盾构推进的轨迹实际上会像蛇行走一样时起时伏，左右偏差地前进，称作“蛇形” 。由于难以准确地建立盾构在推进过程中的数学模型,传统的控制方法难以在盾构的姿态控制中得到应用但是，模糊控制摆脱了对精确数学模型的依赖,模仿人的逻辑推力和决策过程,把专家或熟练操作者的操作和控制经验程序化。因此,随着盾构施工经验的累积和模糊控制理论的发展,模糊控制便广泛应用于盾构机姿态控制这一类难以建立精确数学模型的过程。L.A.Zadeh 于 1964
6、 年提出了模糊控制理论,桑原洋等 1988 年首次在盾构机方向控制上应用该理论,提出了卑向推进度的概念。采用单推度来定量表征盾构千斤项工作模式,定义如下:=工作千斤顶的力臂长度之和单推度工作千斤顶的条数臂长最大值式中的单推度与工作千斤顶的条数无关,与纠偏总推力有关。桑原洋等采用这种方向模糊控制器进行了实例试验,使用该方法的结果与从实验结果确认的熟练操作员的控制规律基本吻合。验证了模糊控制在盾构掘进控制中的适用性。仓两丰 1991 年在日本福市高速铁道 1 号线延伸部施上中应用了模糊自动控制进行掘进管理,取得了比较满意的效果。奥村等人 发了应用模糊神经网络(FNN)控制盾构机掘进方向的系统系统由
7、自动测量系统和控制系统组成。在控制系统设计中,为了谋求不失适应土质等掘进条件变化的全部自动化,所以设计为可以自动调整隶属函数的形式。浦泽仪、江良嘉宏等介绍了应用于某深长隧道施工中的基于人工智能和模软弱地层地铁盾构综合施工技术研究3糊理论的控制系统。在国内此课题的研究比较少,现有研究大多数都是集中在怎么样用好国外的设备,保证施工质量和效率方面。目前,掘进装备的姿态控制主要由操作人员根据掘进装备当前的位姿偏差进行人上调整来实现,纠偏效果取决于盾构司机的经验。所以控制效果势必受到操作者个人技能、身体条件、情绪状况等因素的影响,使控制效果难以保障。胡瑕等研发了上海地铁二号线隧道轴线控制系统,该系统也采
8、用了模糊控制,其中的推理法采用的是管野模糊推理法,但该系统仅是一个咨询系统,并没有参与对系统油压的实时控制。李惠平等对盾构机的姿态控制进行了模糊方法的研究。针对盾构控制的特点,提出一种“先分后和”的模糊控制器的设计方法,这一方法可以大大减少控制规则的数量,从而极大的减少了确定这些规则的工作量,而且使控制器的性能于调节,仿真结果表明了方法的有效性。但是,只是理论上的研究,并没有应用于具体的实际施上中。周奇才等结合模糊控制理论,设计出了盾构智能化的姿态控制器。该控制器在理论推导千斤顶推力的基础上,寻求工程历史数据的规律,得出地质条件与盾构千斤顶压力的关系。从而,在实际施工程中,根据探测和测量的实时
9、数据,给出直观的输出控制量,使得盾构机位姿的控制更为及时、准确,有效的提高了盾构施上的精度。杨宏燕等建立了盾构方向控制模型,并且基于现有的盾构机掘进方向的模糊纠偏控制不能适应各种不同的工况条件而导致无法达到纠偏线形渐近性和纠偏过程缓慢性的要求的问题,提出了两种控制方法:a、发明了一种利用虚拟轨迹对地下盾构机掘进方向控制的方法;b、发明了一种将盾构机方向误差和方向误差变化作为纠偏控制器输入的方法在提出控制模型基础上开发了盾构机掘进方向计算机辅助控制软件,并且成功麻用于工程。这对提高国产盾构信息化施上水平具有一定的参考价值。周奇才等设计了盾构施工中的远程监控系统的硬件软件,并且成功应用于,并且成功
10、应用于施工实践建立基于远程监控技术及其现代计算机技术相结合的全新的远程监控系统,实现施工参数的监控与控制、3D 动画显示等功能,极大地提高了施工信息化程度和管理化水平。软弱地层地铁盾构综合施工技术研究4沈斌等建立了盾构推进姿态实时监测和控制系统一 “盾构一号软件” 。软件使用数控的思想和方法,设置了系统编组库和修正参数库,对盾构姿态偏差实行区位划分,通过智能计算,提供纠偏力矩的控制参数,最终实现盾构推进姿态的控制。但是,实现数控盾构推进系统必须得到“硬件驱动”模块的支持,从而,开发通用的盾构“硬件驱动”模块意义重大。1.2.1.31.2.1.3 基于建模方法的盾构机姿态控制理论基于建模方法的盾
11、构机姿态控制理论盾构掘进姿态的高精度控制一直是隧道工程施工的重点,它直接关系到隧道质量与施工成败。要实现高水平的姿态实时控制,除必须具备高精度的盾构姿态测量手段外,如何实施高精度控制手段是关键。从而,基于姿态精确测量的基础上建立推进过程的姿态控制模型,并且基于模型的基础上提出相应的控制方法己经成为盾构机位姿实时控制的必然趋势。虽然目前在这方面的研究比较少,但已经取得了可喜的成就,为大型掘进装备的全自动化施上奠定了基础。在盾构机推进系统的运动特征建模方面,日本处于领先地位。洒井邦登等人年采用卡尔曼滤波理论(Kalman Filter Theory)进行盾构机运动特性的预测和控制,提出了相应的掘进
12、方向控制方法。通过自回归序列对系列数据进行处理预测盾构机的特性,建立了掘进的不正常运动和盾首中心位置变化之间的物理关系的回归模型,通过两个模型参数辨识和地质情况的相关分析,发现盾构机的特性和地质的硬度和弹性系数有很强的相关性,并且通过运用自回归模型(Auto regressive(AR) Model)预测盾构机的运动特性和油紅的运动偏差之间的关系来反馈预测控制模型。但是,由于卡尔曼滤波理论非常繁解,并且要进行大量的回归工作,所以它的应用范围受到很大的限制。清水贺之等人于 1992 年 始应用现代控制理论对盾构机的控制进行了一系列研究,他们从研究盾构机在土中的运动特性入手,通过模型实验,建立描述
13、盾构机运动的线性数学模型,并采用极点配置法进行控制系统的设计。通过对模型试验结果的分析,可得到盾构机的位置、扭转角与盾构千斤顶产生的扭矩之间的关系,最后得到盾构在土中运动的运动模型。基于以上数学模型进行自动控制系统设计,但是结果并不令人满意。因为根据试验结果显示,盾构的位置、扭转角与盾构千斤顶产生的扭矩之间的关系用线性來描述显得有些粗糖,并且系数的精确确定很困难;在不同的工程、地质情况下,系数是不同的,这就使得该模型的通用性软弱地层地铁盾构综合施工技术研究5比较差。所以,并没有被应用到实际的施工中,仅限于理论研究。在盾构机掘进过程中,姿态控制措施的实现具有一定的滞后效应，也就是说,盾构机推进操
14、作方式的变化与其自身发生线路变化之间存在一个时间上、距离上的滞后。为了防止过大偏离的发生必须进行超前操作,在到达变线区间之前预先对操作方法进行调整,目前,还只是完全凭借操作员的经验来提前发出姿态控制指令,具有很大的任意性,河海大学岩土所谈小龙等在分析盾构法險道施工中盾构机受力情况的基础上,引进盾构机运动力学模型,解释盾构推进姿态参数即x、y、z 和 y、p、r和盾构载荷参数的相互关系。运动力学模型的实现可通过建立如下式所示的数学方程来实现。1234(, )0yprf ffffxyzt 其中,f1,f2,f3,f4,f5表示盾构机主要受力载荷,分别为盾构机的自重力、盾尾作用力、千斤顶作用力、正面
15、土体阻力、盾构机壳周围土体作用力; x、y、z 分别为盾构机在三维空间内运动的各方向上的位移变化; y、p、r分别为水平方向上的偏转角,垂直方向上的俯仰角和自身的回转角;t 为时间变量。计算采用日本长岗大学杉本教授开发的计算软件 3DSSPC,预测出盾构机在各个时刻的运动轨迹。通过现场资料实测值与计算值对模型进行了验证,结果表明,实测数据与理论计算值是比较接近和吻合的,反映了模拟的有效性以及计算值的合理性。并应用此模型研究了盾构机行为控制与运动响应之间的滞后效应,得到一些结论,为盾构施工中的姿态控制提供了有意义的依据。1.2.2 软土地层盾构施工引起地表沉降控制技术研究软土地层盾构施工引起地表
16、沉降控制技术研究在与其他各种隧道施工法相互竞争中,盾构法克服了众多困难,取得了斐然的成绩。英国和其他一些国家在 20 世纪 20 年代就开始重视对“在软弱地层中开挖隧道产生地面沉陷和地层变形”问题的研究工作。许多工程技术人员为此进行了大量研究工作,使对地层运动的预测能力,有了一定的发展,积累了不少控制由于盾构施工引起的地表沉降的方法。在城市地铁隧道的兴建中,影响地表沉降的因素很多,地表沉降的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关,而且还受工程地质及水文地质条件的影响。Ghsboussi(1978 年)讨论了在隧道工程中用有限元法模拟地层位移的可能性。他在有限元分析中模拟了应力条件、隧道开挖和衬砌设置的各个阶段。计算结果表明,二维平面应变分析是模软弱地层地铁盾构综合施工技术研究6拟地层移动的有效和简单的方法。Ito （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
