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因受環(huán)境保護(hù)和地面設(shè)施的制約，對(duì)隧道施工法及其施工工藝的要求越來(lái)越高，尤其是城市及穿越江河海底等土質(zhì)地層中的隧道施工，盾構(gòu)施工法已成為首選，對(duì)其施工造成的地表沉降的控制是衡量現(xiàn)代盾構(gòu)施工技術(shù)水平的關(guān)鍵因素之一。
現(xiàn)代盾構(gòu)施工控制地表沉降最基本的方法是土壓平衡技術(shù)，要求根據(jù)工作面實(shí)際壓力的變化及時(shí)調(diào)整排土量，保證工作面有合適的支撐壓力。目前常用的方法是通過(guò)預(yù)先設(shè)定土倉(cāng)內(nèi)壓力值，在施工中根據(jù)地表沉降情況再進(jìn)行調(diào)整來(lái)穩(wěn)定地層，是一種“滯后式”的土壓糾正。由于開(kāi)挖面上土層的原始應(yīng)力比較復(fù)雜，這種預(yù)先設(shè)定與滯后調(diào)整的結(jié)果會(huì)使地面產(chǎn)生較大隆起或塌陷，地層穩(wěn)定和地表沉降控制的效果在很大程度上取決于施工人員的經(jīng)驗(yàn)，施工質(zhì)量難以保證。因此，如何根據(jù)工作面土壓或地表變形實(shí)時(shí)調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速是關(guān)系到土壓平衡盾構(gòu)可靠掘進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。
1.螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用液壓驅(qū)動(dòng)及控制的螺旋輸送機(jī)可根據(jù)密封倉(cāng)內(nèi)土壓力反饋信號(hào)及變量泵比例控制螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，從而有效地控制密封倉(cāng)內(nèi)土壓并使其與開(kāi)挖面水土壓力相平衡。同時(shí)，螺旋輸送機(jī)出泥口閘門的可靠啟閉是隧道施工的安全保證。
螺旋輸送機(jī)電機(jī)正常啟動(dòng)完畢后，系統(tǒng)處于推進(jìn)狀態(tài)，且刀盤主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)、出泥口閘門處于開(kāi)啟狀態(tài)下，才能對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)控制；螺旋輸送機(jī)的反轉(zhuǎn)控制則必須在聯(lián)鎖解除狀態(tài)下方可進(jìn)行。另外，螺旋輸送機(jī)電機(jī)正常啟動(dòng)完畢后，方可對(duì)出泥口閘門進(jìn)行啟閉控制。系統(tǒng)壓力油通過(guò)三位四通電磁換向閥，液控單向閥進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)液壓缸的活塞桿向前運(yùn)動(dòng)?；钊麠U向前推進(jìn)時(shí)，出泥口閘門打開(kāi)，其開(kāi)口量逐漸增大。位移傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓缸的推進(jìn)位移，當(dāng)檢測(cè)到的推進(jìn)位移等于預(yù)先設(shè)定的位移時(shí)，三位四通電磁換向閥斷電處于中位，液壓缸的活塞桿固定在設(shè)定位置。系統(tǒng)中的行程開(kāi)關(guān)用來(lái)提供出泥口閘門液壓缸的極限位置信號(hào)，可起到安全保護(hù)作用。
系統(tǒng)中馬達(dá)的轉(zhuǎn)速由安裝在其輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)得到控制參數(shù)輸出量，經(jīng)過(guò)整形、比較和增益調(diào)整放大，通過(guò)比例放大控制器控制主驅(qū)動(dòng)泵的比例控制閥，使主驅(qū)動(dòng)泵排量相應(yīng)地成比例變化，從而達(dá)到所需螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)正常工作時(shí)，二位二通電磁換向閥得電處于關(guān)閉狀態(tài)，壓力油通過(guò)單向閥和截止球閥進(jìn)入蓄能器，此時(shí)蓄能器進(jìn)行充壓蓄能。
在斷電或突發(fā)性的故障停機(jī)狀態(tài)，為了防止發(fā)生噴涌事故，應(yīng)能保證螺旋輸送機(jī)出泥口閘門的可靠關(guān)閉，以確保土倉(cāng)內(nèi)的土壓保持平衡。系統(tǒng)突然斷電時(shí)，二位二通電磁換向閥斷電，油路導(dǎo)通，此時(shí)蓄能器充當(dāng)泵的功能。長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉管路上的截止球閥以防由于泄漏引起閉合壓力過(guò)低，造成密封不良的現(xiàn)象。溢流閥和卸荷球閥起安全保護(hù)作用，可防止蓄能器超壓。
2.螺旋輸送機(jī)排土控制策略
土壓平衡盾構(gòu)用于城市地下施工時(shí)，為了控制地表沉降，減小地表變形，一個(gè)重要因素是要保持密封倉(cāng)內(nèi)的進(jìn)土量和排土量相匹配。通常采取兩種控制模式，一種是控制進(jìn)土量的推進(jìn)控制模式，即通過(guò)土壓檢測(cè)，改變推進(jìn)速度控制進(jìn)土量，此時(shí)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速事先設(shè)定；另一種是控制排土量的排土控制模式，即通過(guò)土壓檢測(cè)，改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制排土量，此時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)速度事先設(shè)定。
土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的排土控制模式根據(jù)所處的地質(zhì)地層情況及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)事先設(shè)定好目標(biāo)土壓和推進(jìn)速度，同時(shí)通過(guò)密封倉(cāng)內(nèi)的土壓傳感器的實(shí)測(cè)值來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到理想的排土量。當(dāng)土壓力超過(guò)目標(biāo)土壓設(shè)定的上限時(shí)，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速增大，加大排土量；當(dāng)土壓力低于目標(biāo)土壓設(shè)定的下限時(shí)，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速降低減少排土量；當(dāng)土壓力位于目標(biāo)土壓設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，螺旋輸送機(jī)以定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)排土。
實(shí)際盾構(gòu)施工時(shí)，土壓平衡自動(dòng)控制一般采用PID控制，但PID控制對(duì)參數(shù)的整定要求非常高，參數(shù)的好壞將直接影響到調(diào)節(jié)品質(zhì)，參數(shù)整定是PID控制中比較困難的部分。另一方面，由于目標(biāo)值的變化、不可預(yù)測(cè)的外擾、控制對(duì)象的慢時(shí)變性都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)特性的變化，使原來(lái)整定的PID參數(shù)無(wú)法保證對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行很好的控制。
3.總結(jié)
采用土倉(cāng)壓力電反饋及比例反饋液壓控制技術(shù)，能控制盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)，減小地表沉降，使盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)地層，提高了系統(tǒng)可靠性。
對(duì)盾構(gòu)密封倉(cāng)內(nèi)土壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用自整定PID控制策略實(shí)現(xiàn)了螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，可使密封倉(cāng)內(nèi)土壓力控制在設(shè)定范圍，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排土控制，為土壓平衡盾構(gòu)實(shí)際施工中自動(dòng)排土控制提供了一種控制參考依據(jù)。(圖/文pfbhh.com)