盾构管片中心检测装置的设计

摘要：随着社会和经济的发展，越来越多的地铁、铁路、公路工程等需要进行隧道工程的建设，为了能建成更高质量的隧道，我们需要以盾构管片中心检测来实现根据盾构形成的隧道质量来确定盾构机的工作姿态。因此，本文就对盾构机管片中心检测装置的设计进行研究。

关键词：盾构；盾构机；管片中心；检测装置；设计；测量

中图分类号：TS736+.2 文献标识码：A 文章编号：

随着人类文明的发展，隧道工程越来越受到人们所重视，特别是在地下轨道诞生之后，城市轨道建设需要建立更多的隧道工程，现今，地下交通运输已经成为了全世界不可或缺的运输方式。隧道工程的质量直接影响到地下轨道交通运输的进行，因此，如何使隧道工程变得更高质量、安全性更高就成为了全世界的共同课题。要想提高隧道工程的质量首要的就是要对盾构机的工作姿态作出准确的测量。以往的盾构机工作姿态的测量通常是通过盾构机的盾首和盾尾两者各自的中心来确定的，这种方法可以使盾构机的工作姿态在一定程度上被反映出，但由于这种方式并没有同时把盾构机开发的隧道质量考虑进去，因此测量的结果不够准确。然而盾构机工作姿态检测的主要目的为了使盾构机能够开发出更高质量的隧道，而不单单为了确定盾构机工作的状态。因此，我们要以盾构管片中心检测来实现根据盾构形成的隧道质量来确定盾构机的工作姿态。本文就对盾构技术、盾构机和盾构管片的特点进行阐述，提出盾构管片中心检测装置的设计方案以及分析设计方案的可行性。目的是希望通过本文的设计方案，实现能够在考虑盾构机形成的隧道质量的前提下，对盾构机的工作姿态进行测量。

1盾构技术

盾构技术是最常用的一种地下开挖隧道的施工方法。盾构施工是在保证地面不会受影响而坍塌的前提下，使用盾构机在地下安全地进行开挖作业。在盾构施工正式开始之前，为了将盾构机吊入隧道设置安装，首先要在隧道的一端开挖基坑或竖井，然后使用盾构机按照设计线路向另一基坑或竖井方向掘进。盾构技术相比其他地下开挖方式有减少人力物力、经济性强、高度自动化、气候影响不大、施工期短、能做到一次成洞、对地面影响小等优势。盾构施工的工序可分为稳定开挖面、挖掘和排土、衬砌三个步骤。对于部分开挖面的岩体比较稳定的情况，可以不采取稳定开挖面的措施。而当遇上开挖面设在松软含水地层或地下线路等设施埋深达到10m或更深处时，使用盾构技术时就需要满足以下条件，在开挖隧道时，盾构直径应该要大于覆土的深度，以便于设置足够的基础埋深。

2 盾构机

盾构隧道掘进机，简称盾构机，盾构机是最常见的开挖隧道的装置，现今的盾构掘进机具有多样功能，包括开挖土壤、衬砌隧道、排出废土、导向、测量、纠正等功能，技术涉及面范围广阔，包括机械学、地质学、电气学、力学、测量学等，是集机、电、光、传感、信息传输于一身的科学结晶。为了提升盾构机的施工可靠性，对于不同的地质环境因素，我们要根据实际情况选取或组建合适的盾构机。目前，盾构掘进机已经在全世界范围内被广泛使用，使用领域极广，包括除了地铁、公路、铁路之外的城轨铁路，还有市政水电等工程都要使用到盾构机。对于盾构机的工作原理，简单来说就是将一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行开挖。该圆柱体组件的壳体即护盾，护盾对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。开挖、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。

3 盾构管片

盾构管片是盾构施工的重要装配构件之一，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片是盾构法隧道的永久衬砌结构，盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。盾构管片的生产通常采用高强抗渗混凝土，以确保可靠的承载性和防水性能，生产主要利用成品管片模具在密封浇灌混凝土后即可成型。盾构管片的拼装方式是在盾构推进结束后，迅速拼装管片成环，除特殊场合外，大都采取错缝拼装。在纠偏或急曲线施工的情况下，有时采用通缝拼装。一般从下部的标准(A型)管片开始，依次左右两侧交替安装标准管片，然后拼装邻接(B型)管片，最后安装楔形(K型)管片。拼装时，若盾构千斤顶同时全部缩回，则在开挖面土压的作用下盾构会后退，开挖面将不稳定，管片拼装空间也将难以保证。因此，随管片拼装顺序分别缩圆盾构千斤顶非常重要。

4 盾构管片中心检测装置的设计

盾构管片中心检测这种盾构机工作姿态测量方式的原理是对盾构管片的内表面进行周向扫描，用扫描所得的数值进行曲线拟合，曲线拟合是指选择适当的曲线类型来拟合观测数据，并用拟合的曲线方程分析两变量间的关系，然后计算出盾构管片的中心所在位置。盾构管片中心检测的第一步，就是先要对圆周中心进行扫描，测量出管片中心的大地坐标；然后利用倾角和激光测距两种传感器感应得出中心的角度和距离等信息，再把得出的数值传输到可以直接发出操控命令的计算机进行曲线拟合，通过坐标换算，最后可以得出盾构管片中心的大地坐标。盾构管片中心检测的设计如下图一所示。

图一 管片中心检测装置

5 周向扫描测量装置

盾构管片中心检测中的周向扫描测量需要有一部周向扫描仪来完成。用于盾构管片中心检测的周向扫描仪需要包含三项功能：旋转扫描、角度测量和距离测量：

旋转扫描，应该将激光测距仪安装在精密电控旋转台上对管片内表面进行旋转扫描。在选择高精度电控旋转台时，应选用穿透式结构的，并且拥有台转式转轴的型号，因为这样可以更加方便可靠地与激光测距仪连接运作。

角度测量，一般选用电子倾角传感器，并与高精度电控旋转台配合使用。

距离测量，对于盾构施工现场环境来说，应该选择非接触式的测量方式。而适合盾构管面测量的范围需求的非接触式测量方法有超声测距和激光测距两种，两者相比之下，激光测距比超声测距的测量点更小、精度更高，因此我们选用激光测距方法。

周向扫描仪的设置如下图而所示。

图二 周向扫描仪

5 自动控制系统和计算机通信系统

自动控制系统是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统主要由：被控对象，控制器，执行机构和变送器四个部分组成。通过自动控制系统的设置，我们就能够在检测盾构管片中心时实现测量和数据传输的自动化。自动控制系统的主要功能为角度采集、数据采集、激光测距仪测量控制、扫描驱动控制，还有事先上位机的通信。由于盾构施工环境比较复杂，因此选用PLC控制器最为可靠。自动控制系统的电气系统如下图三所示。

因为在盾构施工现场进行检测有一定的危险性，因此为了保证安全地进行检测并采集数据，我们在信息传输的设计时需要用到计算机串行通信的方式。上位计算机和PLC控制器之间通过同一无线通信网络进行通信，具体做法是在网络总线和上位计算机之间设置两个无线通信适配器。由于上位计算机和PLC控制器都能与网络进行通信，所以通信适配器应尽量选择透明的。计算机的通信系统如下图四所示。

图三 自动控制系统的电气系统图

图四 上位计算机和PLC控制器的通信网络拓扑图

7 盾构管片中心检测装置设计方案的可行性分析

从理论上和前人实践经验证明，在测量确定盾构管片中心的大地坐标时应采用曲线拟合是可行的。而以盾构管片中心检测装置设计的实际需要来说，根据盾构机工作的复杂环境，检测盾构管片中心时采用高度自动化、高可靠性的控制装置来完成是正确的。只要通过对盾构施工地点的反复勘察和调研，确保盾构管片中心检测装置完成数据的收集与传输，那么盾构管片中心检测工作就能顺利完成。因此证明，以上的盾构管片中心检测装置设计方案设计确实是可行的。

8 结束语

总而言之，本文阐述了盾构技术、盾构机、盾构管片的特点，设计出盾构管片中心检测装置、周向扫描测量装置、自动控制系统和计算机通信系统，并进行了盾构管片中心检测装置设计方案的可行性分析，目的就是为了改善目前盾构机工作姿态的测量大部分都是在没有考虑盾构机挖掘形成的隧道质量的前提下进行的，只是纯粹运用盾构机自动导向系统来测量盾构机的工作姿态的现状。通过本文中设计的盾构管片中心检测装置获得的盾构管片中心大地坐标，配合原有的盾构机盾首中心的大地坐标，得出盾构机的工作姿态，能够在考虑盾构挖掘隧道质量的基础上，更好地控制盾构机的工作姿态，从而能够使得盾构机的工作更加稳定和完善，有效地提高了隧道工程的质量，最大程度上降低隧道发生意外的几率，避免不必要的生命财产损失。我们在使用盾构管片中心检测装置进行测量的过程，要将每次的过程和结果做好记录，以便积累经验，还要向国内外优秀的盾构机管片中心检测技术借鉴，总结出更加测量更加准确更加可靠的盾构机管片中心检测技术，制作出更好的盾构机管片中心检测装置，从而使我国的隧道工程质量得到更大的提升，保障人们的生命财产安全，并为社会、经济的发展出一份力。

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