盾构施工姿态控制
广州轨道交通建设监理有限公司广州地铁设计院盾构技术研究所
王晖
wh3
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一、姿态控制的基本概念
二、姿态控制上易出现的问题及原因
三、影响盾构掘进姿态的要素 四、出现侵限时的处理措施
17:29姿态控制的基本概念
1、盾构机坐标控制系统模型
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偏航，通俗地讲就是偏离航向。严格的定义
是这样的，首先定义一个本体坐标，本体质心为原点O ，预定运动方向切线（或者说航向、轨迹切线）为x 轴，指向地心方向为z 轴，根据右手法则确定y 轴（即xOy 平面的法向）。有了坐标后如果本体绕x 、y 、z 轴转动，即相应地得到滚动角、俯仰角和偏航角，三个角度确定了物体的运动时姿态。在偏航角存在的情况下，物体发生偏航。
wh3 121212121
王晖, 2004-11-1
17:29假设盾构机前体中心A 和中体中心B 的坐标分别为(x A ,y A ,z A )、(x B ,y B ,z B )
AB B A S z z /)(−=俯仰角AB
B A S H H /)(−=水平趋势AB
B A S V V /)(−=垂直趋势17:29
2、姿态控制要达到的目的： （1）使盾构机沿着设计轴线前进
通过人工测量或自动导向系统测量盾构机姿态得知水平、垂直方向偏差以及水平和垂直方向趋势、滚动角等，当发生偏差时，通过改变分区千斤顶推力来调整。当偏差较大时，通过仿形刀(或超挖刀)、铰接装置
17:29 （2）使管片与盾构机之间保持良好姿态
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通过铰接千斤顶行程/行程差/（铰接角度）的
控制和正确的管片选型达到目的。
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二、姿态控制上易出现的问题及原因
1、测量问题导致偏差：
（1）自动导向系统发生偏差导致的轴线偏差。
输入数据错误、全站仪误差、隧道扭转引起的系统测量误差、测量系统故障。
（2）工程施工测量误差引起盾构姿态超出轴线控制范围内。
测量计算方法不正确、控制点偏差、导线测量误差、人工复测调整数据不及时等。
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2、操作失误造成的姿态差
（1）快速掘进时，千斤顶编组推力设定不合理，使盾构机快速偏离轴线；（2）纠偏过急
17:29 （3）盾构机大角度扭转
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17:29 （4）过大的铰接角度开启 对超挖的影响。
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对千斤顶撑靴的影响 对管片选型的影响 铰接渗漏
17:29 （5）超挖量不够
仿形/超挖刀未开启
软土不均地层中，边刀磨损量过大后未及时更换。
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3、管片选型错误造成的姿态偏差
管片选型的基本原理：调整管片与盾构机之
间的拟合性，使盾尾间隙均匀，盾尾壳与管片之间的交角变为最小。
转弯环安装在不同位置，对于盾尾间隙和千斤顶行程的调整量是不一致的，要根据管片点位数量计算不同点位时上下左右楔形量的调整，同时要考虑管片拼装时点位变化不会发生通缝。
17:29 管片选型错误造成盾构机姿态很差的情况
下，偏离轴线掘进。
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4、始发措施和姿态设定不当造成的轴线偏移 始发托架定位不当造成 反力架变形 曲线始发定向错误
17:29始发台定位方向错误
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5、异常地质条件
（1）地质软硬不均，导致盾构朝向软地层方向“滑移”，纠偏困难，盾构姿态越来越差，最终超出线路设计的轴线。
（2）地质软弱，盾构机停机时发生姿态变化。（3）边缘刀具磨损导致盾构机姿态变化。
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-200
-100
100
200
300
400
500
600
垂直偏差(前点)垂直偏差(后点)千斤顶上下压力差上下千斤顶行程差
垂直偏差(前点)6365686867635761708810312512613714816217218119021222022823424525627229131233034633763914104342447448438422412398380365356343331垂直偏差(后点)
931021071101131121069283106134134146160174184195208228237246253259268278293308324345362377391408431450468478348147749432419402388
千斤顶上下压力差1316-12-25-23-47-57-188614111770-1-3-7-42026-55-33-35-54-80-84-2910196357575732561091266672273-41-62-45-65-62-84上下千斤顶行程差25-1612107-21-12-108
77-61
-23
915
07
42
-8-2-3-3
0410910554355322292622
80
3-1-6-2
垂直趋向
-7-9-10-10-11-12-12-7-5-1-1-2-2-2-3-3-3-3-4-4-4-4-5-3-3-2011000011
-2-5-7-11-14-16-16-17-16-15-15-14
110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156
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三、影响盾构掘进姿态的要素
1、推进千斤顶编组压力、行程
2、铰接千斤顶压力、行程（铰接开启角度）
3、盾尾间隙、管片选型
4、仿形刀/超挖刀开启方式（超挖量）
5、掘进速度
6、注浆管理
7、轴线偏差
8、水平（垂直）趋势、滚动角 9、盾构机姿态测量 10、成型管片轴线测量
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四、盾构掘进的姿态控制措施
1、加强测量管理，通过多级测量校核来确保
隧道控制轴线测量成果的正确。
2、盾构掘进施工中，除了依靠盾构自动测量系统指导施工外，要加强人工测量来校核自动测量系统的误差，有效降低施工环境等外界因素引起的测量误差。盾构机姿态的人工测量复核成型隧道的轴线复测
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17:29 生产制造商在中体上设置姿态检测点，并提
供姿态检测点与前/中体中心的相对关系数据。 通过至少三个检测点的测量，计算出盾构机前/中体偏移量。
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3、千斤顶编组压力与行程控制
预控：根据自动测量系统和人工复测结果，
对盾构机姿态有个基本的判断，结合设计线性，对下一环推进的千斤顶分区行程差有个基本的预估值。
掘进过程的控制：刚推进时分区千斤顶行程/推进过程千斤顶行程变化量/分区油压
不同线性条件和地质条件下的最优趋势选定
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4、缓慢纠偏和掘进速度控制
在姿态出现较大偏差时，切忌快速掘进，应
平稳地中、慢速掘进，以利及时调整纠偏方式。
纠偏要缓慢，考虑盾构姿态的滞后性
寻求最适合的趋势及维持趋势所需的千斤顶分区压力
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5、严格控制铰接千斤顶行程及行程差/铰接
开启角度
（1）适应掘进线型、行程和行程差不宜过大，需要适当的收紧；
（2）当压力过大或行程与行程差无法控制时采用刚性连接。
（3）对于主动铰接，应注意岩层中的超挖角度设定不宜过大。
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6、仿形刀的开启
利用仿形刀减少纠偏方向的阻力，以利纠偏
7、调整合适的土仓压力
通过的适当的土仓压力，达到沉降控制和推
力降低的目的。
8、软弱不均地层的刀具磨损控制和超挖控制。
及时检查刀具的磨损情况，对于磨损严重的
刀具，及时更换。
9、通过刀盘反转控制扭转角过大情况发生。
17:29 10、合理的管片选型 11、注浆点位的合理选择 12、盾构机壳体上的注浆措施选用 13、保证施工的连续性、平稳性，注意摸清不同地层盾构机停机时姿态变化的规律 14、存在上浮时的预控措施 15、做好始发和接收的水平方向控制、栽头控制17:29出现侵限时的处理措施
1、停止掘进，通过准确及时的人工测量判断
轴线侵限情况。
2、结合前期掘进参数情况、管片选型情况，
分析姿态异常的原因，以指导后续施工。
3、及时报告工点设计和设计总体，对侵限的
严重程度加以判断，对下一步推进给出指导
性意见。
4、恢复掘进过程，缓慢纠偏。
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