1）推进系统设计要求

在成都特殊复杂地层盾构实际施工中，地层地质条件复杂且有诸多不可预见状况发生，使推进系统控制变得复杂。盾构实现隧道的开挖，主要由以下两个运动完成：一是刀盘切削，二是盾体的推进。刀盘的切削、盾体的推进均依靠支承环内大体等距布置的推进油缸作用于管片从而提供反作用力。为有效控制盾构推进过程中引起的地表沉降，实现盾构姿态调整的需求，适应工程施工等条件，推进系统的设计有以下要求：

①为盾构前进提供足够的动力。

②控制盾构的前进速度，与出渣速度相配合，实现土压平衡状态。

③能够控制盾构的姿态，实现盾构的纠偏及转向要求。

④适应管片的尺寸及操作要求。

⑤从整体角度考虑，满足盾构的总体功能设计、综合施工作业要求。

以下从盾构推进系统的油缸的规格参数、外形尺寸和数量的计算、成都部分线路推进油缸的布置方案以及推进油缸的控制等方面对推进系统的选型设计做阐述。

2）推进油缸的选型

①推进油缸的推力计算。

式中　P——液压系统压力（kPa）；

D——推进油缸的内径（m）。

首先根据盾构外径、盾尾铰接和超前注浆机等设备的安装要求，计算推进油缸的外径，外径计算公式如下：

式中　Dw——盾尾内径（m）；

Dg——管片中心圆直径（m）；

δ0——油缸外壁与盾壳内壁安装间隙（m）。

取油缸壁厚δ，油缸内径D=D0-2δ。

为了避免推进油缸的安装和盾尾铰接部分发生干扰，设计盾体容许的油缸布置外界限不能超过盾尾最小直径处；同时，为了保证管片的受力点，油缸的推力中心应与管片的中心相对应。

②推进油缸的长度计算。

确定推进油缸的长度是确定盾构壳体的长度及其他结构设计布置的前提条件。

推进油缸的长度为：

式中　S——推进油缸行程（m）；

l1——缸底尺寸和导向套尺寸（m）；

l2——油缸安装尺寸（m）；(www.daowen.com)

l3——铰接端安装尺寸（m）。

推进油缸行程为管片环宽、封顶块搭接悬出长度、预留间隙之和，如下式：

式中　l4——管片环宽（m）；

l5——封顶块搭接悬出长度（m）；

a——预留间隙（m）。

推进油缸长度在满足行程要求的情况下，应尽量短，以减少盾构的长度，有利于盾构的转向。相应的，油缸的安装尺寸和导向尺寸在满足油缸伸出的强度、刚度、稳定性的条件下，根据液压油缸外形尺寸的设计规范进行设计。

③推进油缸的个数：

式中　F——油缸的总推力（kN）；

F1——单个油缸的推力（kN）。

3）推进油缸布置方案

盾构在正常掘进过程中，推进油缸直接作用在管片上，考虑到管片的结构形式、分布方位、受力点布置、管片组装施工方便性等因素，推进油缸的布置方案可以有以下几种（图3-6）：单油缸均匀分布、双油缸布置、单双缸间隔布置。当油缸数量较少时，选择单油缸均匀分布；当油缸较多时，为简化控制，选择双油缸布置。但如何选取油缸的布置方式除取决于推进系统油缸的数目外，还应考虑管片的尺寸及结构形式，并且其分布状况应总体上满足均匀性要求。

图3-6　推进油缸的布置方案

以成都地铁18号线推进系统的布置为例，该线推进系统包括38根推进油缸，分顶部（A组）、右上（B组）、右下（C组）、底部（D组）、左下（E组）、左上（F组）6个组。在推进时，推进油缸伸出，撑靴作用到管片上提供盾构前进的反力。6组油缸的压力可以独立调节，推进速度由一个流量控制阀调节。通过调整每组油缸的推进压力和速度可实现盾构纠偏和调向。推进系统油缸的分组如图3-7所示，其中6个位置的油缸安装有位移传感器（相比较4分区设计有更好的拼环质量）。施工人员在控制室内可以实时监控每组油缸的行程和压力。

推进油缸活塞杆前端与撑靴通过球轴承和碟形弹簧连接，撑靴可以在侧向力的作用下自由转动4°。撑靴表面和油缸垫板能保证推力均匀缓和地作用在管片上，防止管片损坏。

成都地铁1号线三期采用中铁装备65#盾构机（图3-8），中铁装备65#盾构机共30个推进油缸分为4组，油缸行程为2 150 mm，伸出速度为0～80 mm/min。中铁装备65#盾构机可提供37 000 kN推力，满足各类风化岩及小卵砾层掘进需求。调整每组油缸的不同推进速度和推力可对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。

图3-7　推进油缸典型分组控制示意

图3-8　中铁装备65#盾构机油缸布置

4）盾构推进系统的控制

①土压的控制：盾构在土压平衡工作状态下，刀盘开挖下来的渣土充满土舱，在推进油缸的推力作用下，通过土舱隔板进行加压，产生土压。土压作用于整个开挖面，抵抗开挖面的土压和水压，使开挖面保持稳定。因此，土压舱内的土压控制是保证开挖面稳定的关键因素。土舱内土压是通过安装在土舱隔板上分布在不同位置的土压传感器进行测量的，通过对土舱内土压的测量从而获取开挖面稳定控制所需的信息。土舱内土压的控制可通过控制开挖量、排渣量、推力和推进速度来实现。在保持开挖量、排渣量一定的情况下，通过控制推进油缸的推力和推进速度来调节土舱内的土压，推进速度加快，则土舱内的土压上升，反之则下降，从而使土压舱内的土压与开挖面的土压和水压相平衡，保证开挖面的稳定。在推进油缸上安装速度传感器，连续地调整推进油缸的推进速度，土舱内的土压可随盾构千斤顶推进速度的改变而变化。

②盾构姿态控制：由于地层变化频繁、软硬交错，盾构机掌子面经常通过软硬不均地层，造成刀盘受力不均，从而使盾构产生偏转、抬头、低头等姿态改变的现象，导致盾构的掘进轴线与隧道设计轴线发生偏离。为了纠正盾构姿态，将推进油缸进行分组，每组推进油缸分别安装行程传感器，并可以单独调整每组推进油缸的推力和推进行程，这样就可以实现盾构左转、右转、抬头、低头或直行。采用激光导向系统对盾构的姿态进行监控，操作者根据反馈信息调节每组推进油缸的压力，及时地调整盾构的姿态，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量贴合隧道设计轴线。