CN109026041A - 一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于隧道工程技术领域的一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，系统上圆形隔板与盾体固接，刀盘切割岩石和土壤通过螺旋输送机输送出来，液压千斤顶的右端通过撑靴顶在管片上，并通过管片上反作用力推动整个盾构向前掘进，推进系统内所有液压缸均匀布置。本发明这种新型盾构推进系统控制方法，是根据盾构掘进时的地质力学参数计算出弧度角θ和方位角φ，由此来控制环形、等距、连续布置在推进系统内的液压缸群的启或停。该控制方法可实时调整液压缸的分布，从而解决盾构掘进的偏载问题。

Description

一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体是一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，可适用各种复杂地质条件的新型可控推进系统。

背景技术

盾构是一种用于隧道开挖的大型工程机械，具有施工速度快、不受气候及地面交通影响及一次快速成型等优点。近年来国内一、二线城市地铁建设基本采用盾构进行隧道施工，盾构已广泛应用于我国各类城市及工程隧道建设中。

在盾构的各个子系统中盾构推进系统是盾构的关键子系统，其主要承担着整个盾构的推进任务，盾构施工时推进液压缸一端作用在盾体上以克服盾构掘进负载，另一端顶推在后方已安装好的管片上，通过管片的反作用力实现整个盾构向前掘进。现有盾构推进系统，由十几或几十根液压缸等间距均匀布置而成，为防止盾构掘进过程中底部液压缸产生较大偏载，目前所采用的四分区控制盾构推进系统，在液压缸数量分配上，多采用下分区的液压缸数量比上分区的数量多的原则，从而使得下区液压缸能够承受更大的压力，实现下区各液压缸受力均匀。

盾构在实际施工过程中，要获取施工岩土对象足够准确的力学数据信息通常较为困难，掘进时盾构与地层之间的作用具有随机性，而现有的四分区盾构推进系统，由于各区液压缸数量固定，因此不能较好的解决盾构面对实时地质条件、刀盘自重、纠偏及变向引起的偏载现象。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提出了一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，其目的是为了解决盾构系统面对实时地质条件、刀盘自重及变向引起的偏载现象。

本发明包括刀盘（1）、盾体（2）、圆形隔板（3）、液压换向阀（4）、液压缸（5）和液压控制系统其特征在于，所述的刀盘（1）安装在盾体（2）的最前端，是掘进系统切割岩土的主要构件，刀盘（1）在掘进时切割的岩土通过螺旋输送机（8）输出；所述的盾体（2）后端和圆形隔板（3）固定链接，所述的液压缸（5）的左端衬垫在耐压硬质橡胶块与圆形隔板3固接，液压缸（5）的伸缩由液压换向阀（4）控制，所述的液压换向阀（4）由液压控制系统控制其阈值；所述的液压缸（5）的右端通过撑靴（6）顶在管片（7）上，并通过管片（7）上反作用力推动整个盾构向前掘进；推进系统上呈环形、等距、连续均匀布置着若干个液压缸（5），组成液压缸群。

进一步，特征在于所述的液压换向阀的开启是根据盾构掘进时的地质条件力学参数，计算出弧度角θ和方位角φ，由此确定，推进系统内一连续布置非工作液压缸的数量和位置，其中弧度角θ的大小确定非工作液压缸的数量，方位角φ确定非工作液压缸的位置，推进系统弧度角θ范围外的液压缸处于正常工作状态。

进一步，特征在于所述的液压缸（5）由液压换向阀（4）控制，通过计算得到在不同地质条件下的弧度角θ和方位角φ，由此控制液压换向阀（4）的阈值，不同地质条件下的弧度角θ和方位角φ是不一样的，位于盾构设备上下地质软硬差距越大，弧度角θ的值就越大；反之，则弧度角θ的值就越小。

更进一步，特征在于所述的液压换向阀（4）在复杂地质条件下，根据盾构掘进地质差异，控制弧度角θ内液压缸（5）不工作，在常见上软下硬地层下，弧度角θ内液压缸（5）处于非工作状态，其余液压缸自动分成A、B、C、D、E五个区，由于地质上软下硬，所以从上至下各个分区液压缸数量依次增多；通过上述布局以达到推进系统推力分布均匀的目的，从而减少偏载。

根据盾构掘进地质力学参数，得到盾构不同的外部载荷，代入已建立好的数学模型，通过计算可以得出弧度角θ和方位角φ及5个分区数据，将其数据信息传送给液压控制系统控制液压缸的工作状态，从中可以实时调整盾构在掘进过程中液压缸的受力分布，从而提高盾构推进系统的受力，均匀分布特性。

利用Soildworks建立具有特定弧度角θ、方位角φ的盾构三维模型，导入相应外部载荷到ADAMS中对盾构进行动力学仿真，验证了这种新型控制方法确实可以及时矫正盾构推进过程产生的偏载。

本发明与现有技术相比较的有益效果在于：

其一，一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，采用液压换向阀控制液压缸，改善推力传递特性，解决了盾构系统面对实时地质条件、自重、变向等载荷改变时引起的偏载现象，增大了盾构的地质适用范围。

其二，本系统与传统推进系统相比，盾构系统在掘进可以灵活应对不同的地质条件，盾构系统中的推进系统液压缸推力更均匀，有效的避免管片破裂。

其三，盾构系统过程中推进系统通过控制部分液压缸非工作，可以达到最大程度的节能目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的掘进时结构示意图；

图4为本发明掘进过程主视图；

图中：1－刀盘，2－盾体，3－圆形隔板，4－液压换向阀，5－液压缸，6－撑靴，7－管片，8－螺旋输送机，9－非工作液压缸群，10－工作液压缸群。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，主要包括刀盘1、盾体2、圆形隔板3、液压控制阀4、液压缸5、圆形隔板3上有耐压硬质橡胶块、液压缸5由液压换向阀4控制伸缩，液压缸5左端衬垫耐压硬质橡胶块与圆形隔板3固接，右端通过撑靴（6）顶在管片（7）上，刀盘1切割岩石和土壤通过螺旋输送机8输送出，液压缸5的右端通过撑靴6顶在管片7上。

如图2所示，若干个液压缸呈环形、等距、连续均匀布置在系统上，弧度角θ内的液压缸处于非工作状态，其余液压千斤顶分为A、B、C、D、E五个分区，推进系统单独控制每个分区的液压缸群工作。

如图2和3所示，盾构机处于上软下硬复杂地层下掘进，弧度角θ内液压缸群9，未被激活处于非工作状态，弧度角θ外液压缸群10，被激活处于正常工作状态，整个推进系统，除了弧度角θ内液压缸不工作，其余液压缸分成5个区工作，在上软下硬的地层条件下，各个分区内液压缸数量依次增多，在此可控推进系统布局下，可解决掘进过程中由地质条件、盾构自重及变向产生偏载的现象。

如图4所示，在不同地质下盾构掘进时，具有不同外部载荷，代入已经建立好的数学模型，控制了部分液压缸不工作，即上述中不工作液压缸，不工作液压缸群的范围由弧度角θ表示，其位置由方位角φ表示。

本发明采用液压换向阀控制推进液压缸，通过计算可以得出弧度角θ和方位角φ，及5个分区数据，传送给液压控制系统，控制系统的液压缸的工作状态。从中可以实时调整盾构在掘进过程中液压缸的受力分布，从而提高盾构推进系统的受力，均匀分布特性，提高盾构系统对地层的适应性。

基于本发明中的实施例的基础上，本技术领域的技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，包括刀盘（1）、盾体（2）、圆形隔板（3）、液压换向阀（4）、液压缸（5）和液压控制系统其特征在于，所述的刀盘（1）安装在盾体（2）的最前端，是掘进系统切割岩土的主要构件，刀盘（1）在掘进时切割的岩土通过螺旋输送机（8）输出；所述的盾体（2）后端和圆形隔板（3）固定链接，所述的液压缸（5）的左端衬垫在耐压硬质橡胶块与圆形隔板3固接，液压缸（5）的伸缩由液压换向阀（4）控制，所述的液压换向阀（4）由液压控制系统控制其阈值；所述的液压缸（5）的右端通过撑靴（6）顶在管片（7）上，并通过管片（7）上反作用力推动整个盾构向前掘进；推进系统上呈环形、等距、连续均匀布置着若干个液压缸（5），组成液压缸群。

2.根据权利要求1所述的一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，其特征在于，所述的液压换向阀的开启是根据盾构掘进时的地质条件力学参数，计算出弧度角θ和方位角φ，由此确定，推进系统内一连续布置非工作液压缸的数量和位置，其中弧度角θ的大小确定非工作液压缸的数量，方位角φ确定非工作液压缸的位置，推进系统弧度角θ范围外的液压缸处于正常工作状态。

3.根据权利要求1~2之一所述的一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，其特征在于，所述的液压缸（5）由液压换向阀（4）控制，通过计算得到在不同地质条件下的弧度角θ和方位角φ，由此控制液压换向阀（4）的阈值，不同地质条件下的弧度角θ和方位角φ是不一样的，位于盾构设备上下地质软硬差距越大，弧度角θ的值就越大；反之，则弧度角θ的值就越小。

4.根据权利要求1~2之一所述的一种用于抗偏载的盾构推进系统控制方法，其特征在于，所述的液压换向阀（4）在复杂地质条件下，根据盾构掘进地质差异，控制弧度角θ内液压缸（5）不工作，在常见上软下硬地层下，弧度角θ内液压缸（5）处于非工作状态，其余液压缸自动分成A、B、C、D、E五个区，由于地质上软下硬，所以从上至下各个分区液压缸数量依次增多；通过上述布局以达到推进系统推力分布均匀的目的，从而减少偏载。