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摘要：结合当前国内外主动铰接和被动铰接的结构特点和优缺点，介绍了土压平衡盾构机式主动铰接和被动铰接的设计特点。论述了主动铰接在掘进过程中解决主机“栽头”等问题的方式，同时举例阐述了两种铰接方式在工程的应用。
关键词：盾构机；主动铰接；被动铰接
引言
随着我国城市建设的不断发展，地铁项目的日益增多，隧道面临小曲线半径、上软下硬等复杂地质条件的限制，迫切需要各种各样的盾构机来满足施工需求[1]。铰接式盾构能够满足小曲线半径隧道施工，在特殊路径的条件下也能发挥独特优势[2]。本文介绍了以日本三菱为例的土压平衡盾构机主动铰接和以中铁装备为例的被动铰接的结构特点和对比分析，阐述了应用主动铰接系统进行姿态调整的优势，以及在中盾上设计一个撑靴稳定器的创新设计，解决换刀不便等问题。
在目前国内地铁施工中，所使用的盾构直径D一般都在6m多，而其长度L一般则为8m左右甚至更长，盾构机的灵敏度L/D通常达到1.3左右，难以在曲线段施工。为了提高盾构机的操作性能，通常将其分成前后两个部分，中间用千斤顶连接起来，形成一个铰接装置，这样可使盾构机的前后弯曲，以适应曲线段的掘进。铰接的结构形式有两种：一种是将铰接机构设置在由后体环梁到前体侧的结构（被动铰接型），另一种则是将铰接机构设置在由环梁到后面盾尾部的结构（主动铰接型）[3]。
1.主动铰接的设计特点
铰接式盾构日本发明，最早使用；紧随其后，在海瑞克、罗宾斯、维尔特等厂商的盾构机及TBM上，也采用了铰接千斤顶这一先进技术。铰接千斤顶根据其形式不同分为主动铰接和被动铰接，其布置形式有多种，前铰式、后铰式、中心铰和侧铰式[4]。
1.1主动铰接和被动铰接的特点和区别
主动铰接的推进千斤顶固定在盾构机的后体，推进千斤顶的推力作用在盾构机的后体（铰接环），再通过铰接千斤顶传递到盾构机的中盾，依靠铰接千斤顶的主动伸缩调节盾构机前后部分弯折的角度，从而实现盾构机转弯。主动铰接的工作方式是根据隧道曲线的半径调节铰接油缸的行程差；推进千斤顶的推力作用在盾体的后部再通过铰接千斤顶传递到主机前部。这种结构的特点是可以精确的控制铰接千斤顶的行程，能准确控制掘进机盾体前部与后部形成的角度[5]；缺点是操作相对烦琐。结构如下图1所示。
图1主动铰接示意图
主动铰接能使前盾主动改变掘进方向，使盾构机能更容易沿着设计中心线掘进，实现操作简单化。对于后体推压型主动铰接结构，其好处是显而易见的。由于作用在盾构机壳体上的土体摩擦阻力与壳体长度成正比，主动铰接型，使得盾构机前部长度尺寸缩短，土体摩擦阻力减少，铰接千斤顶的载荷也随之减少。
被动铰接是依靠外力使铰接千斤顶伸缩，从而使盾构机前后部分产生一定角度。掘进机的推进千斤顶油缸安装在盾体前部，推进千斤顶的推力直接作用在中盾上。其工作方式是根据隧道曲线的半径调节推进千斤顶的分区油压，形成铰接油缸的行程差；推进千斤顶的推力直接作用在盾体前部。这种结构的特点是转弯时操作相对简单，调节分区油压即可实现转弯，但只能同时伸长或缩短所有油缸，不能直接控制各个铰接行程，靠外力改变盾体前部与尾盾之间的角度，纠偏过急可能造成盾尾间隙过小，出现卡尾盾卡管片现象。结构如下图2所示。
图2被动铰接示意图
将铰接机构设置在由环梁到后面盾尾部的结构被仅用于前体推压的场合，但是在松弛的土层，当盾尾部作用大于土压力时，或者在曲线段施工、弯力矩作用在盾尾部时，由于土砂和水从盾尾柔性铰接密封渗入的危险性很高，故铰接密封的可靠性差。1.2土压平衡盾构机被动铰接和主动前铰接的设计特点
（1）推进千斤顶的推力
无论是主动型铰接还是被动型铰接，推进千斤顶的推力是相同的，都为：
推进油缸推力Ft：
实际盾构机在掘进过程中还受到刀具切削土体的贯入阻力、盾尾刷与管片的磨擦力和后配套的牵引阻力。因此，往往需要在以上计算结果乘以2～3倍的安全系数。
铰接油缸载荷Fj：
主动型铰接
被动型铰接
图3铰接装置前置
主动型铰接装置的特点如下：
（1）由于主动型千斤顶载荷大，其外形尺寸也大，布置的数量较多，使得盾体内空间拥挤，造成维修保养的不便；主动型铰接千斤顶载荷大，液压系统油压过高，液压油容易泄露，需要采用超高压液压元件。
（2）由于主动铰接不存在铰接处的开口，比被动型的推进千斤顶行程长，不会因为操作不当使铰接处开口过大，当推进油缸行程设计余量较小时，避免出现开口侧因掘进距离不够而使管片安装困难，减小卡盾风险，盾尾间隙良好，成型管片基本无碎裂现象。
（3）主动铰接的推进千斤顶固定在TBM的后部，顶推点与管片中心的偏心距较小。
（4）主动铰接和被动铰接装置都可以进行水平和垂直方向的弯曲，但主动铰接的弯曲角度较大，最大达9°，可以适应小半径的曲线。
（5）由于作用在盾体上的土的摩擦力与壳体的长度成正比，主动前铰接装置，由于铰接装置前置，缩短了单护盾TBM前部的长度，土体摩擦力减小，铰接千斤顶的载荷也随之减小。
2.主动铰接在工程中的应用
盾构机在掘进过程中，由于每组推进油缸推力不同，以及掌子面地层软硬不均，盾构姿态会逐渐发生变化，如果不及时调整掘进参数，可能造成盾构机与设计中心线偏差过大，影响施工质量。所以在掘进过程中，PPS反馈姿态参数发生变化，应立即调整掘进参数，保持盾构机沿着设计中心线平稳安全的进行施工。
根据主动交接的特点，盾构在直线段和轻微调整姿态时，主动交接一般不建议使用。使用主动交接后，施工隧道会与原隧道中心线产生一定角度的偏差。而在一定曲率的阶段施工时，主动铰接可以帮助操作手轻松完成姿态调整。对不同曲率半径时，铰接油缸行程差选择不同。操作手通过分区调整推进油缸4个区域的压力，实现盾构机的姿态调整。
下面以实际工程为例说明主动铰接的优势在工程项目中的应用。引洮供水一期工程7＃隧道全长17286m，单护盾TBM共需完成掘进17116m；地质主要为砂质泥岩、泥质粉砂岩，局部为砂岩、砂砾岩，泥质胶结为主。隧道横断面型式为圆型，净断面尺寸（直径）D＝4.96m，本工程采用一台具有主动前铰接式单护盾TBM施工，采用预制六边形钢筋混凝土管片衬砌。
图4引洮供水项目前铰接装置
该工程隧道穿越地质都为软岩，在局部还遇到底板较软的地质条件，导致设备主机“载头”的风险。鉴于此施工风险，充分利用了设备主动前铰接解决主机在底板较软的地质中“栽头”风险。下图5和图6是主动铰接解决主机栽头问题的工作方式。
图5中为TBM经过的地质条件稳定，TBM铰接油缸无行程差，设备处于正常掘进模式状态。
图6为主机穿越底板较软的地质条件，为保证主机不“栽头”，需将上下铰接油缸调整成上短下长的形式，采用分区控制铰接油缸的行程来实现主机“载头”风险。
图5TBM铰接油缸无行程差图示
图6铰接油缸存在行程差图示
3.被动铰接在工程中的应用
以德国生产的盾构机为代表的，采用的是被动式铰接型式，俗称“活铰”，这种型式的铰接，一般设置在盾构机的前段与盾尾的连接处，每组铰接千斤顶的液压回路是互相连通的，保持有相同的千斤顶压力，在推进的过程中可以进行“放松”和“拉紧”的操作，一般情况下处于“锁定”状态下，但其锁定状态与主动式铰接的锁定有着本质上的区别，不是靠硬性机械连接，而是靠闭合液压回路的进出油路来起到锁定作用，每组铰接千斤顶的液压回路还是保持互相连同，受外力较大的铰接千斤顶行程会相应的逐渐伸长，受外力较小的铰接千斤顶行程会相应缩短，这种铰接型式可以非常有效的起到保护管片的作用，可以适应各种形式的掘进轴线要求，具有较高的机动性，比较适应较大的变坡以及小半径隧道的施工工况，能够有效的保证管片的成环质量及隧道的整体质量。
然而，由于盾尾始终处于游离状态，所以盾尾的姿态主要取决于管片的姿态，操作手在进行盾构姿态调整中，只能对其切口的高程及平面进行调整，所以如果要将盾构机的姿态调整到理想的状态，就要综合考虑切口、铰接、盾尾以及管片的相对姿态与位置，对操作手的综合素质有较高的要求，同时由于铰接部位的频繁运动，会造成铰接密封部件的较大磨损，很容易造成盾构机铰接部位密封件损坏以及的漏水漏浆，影响掘进工作的正常进行。
4.结论
主动铰接结构和被动铰接结构都各有其特点，本文结合主动铰接和被动铰接的结构特点和应用特点分析了在盾构机施工过程中姿态调整的应用。主动铰接因其在处理主机“栽头”的优势，处理小转弯半径方面的明显优势以及盾尾柔性密封可靠性较好的结构特点被市场广泛应用。但是要实现掘进设备安全、可靠，高效的运作，还需要科学的施工管理，铰接装置仅作为一种辅助手段，必须施工完美配合，才可发挥铰接的优势。
参考文献：
[1]陈馈，洪开荣，吴学松等.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2009：62-68.0
[2]王梦恕.不同地质条件下的盾构与TBM选型[J].隧道建设，2006，26（2）：1-3，8.
[3]杨乃刚.盾构机中的铰接装置[J].建筑机械，2003，（4）.
[4]张涛，徐鹏程等.盾构机中的铰接装置[J].市政技术，2011，（2）.
[5]李全社，于翔.主动交接系统在盾构姿态调整中的应用[J].国防交通工程与技术，2011.68-72