米智楠，潘柳萍，陳龍安，吳仁智

（同濟大學 機械工程學院，上海201804）

上海市中環(huán)線北虹路隧道工程在國內(nèi)首次采用了管幕內(nèi)箱涵液壓同步頂進施工技術(shù).箱涵斷面高7.85m、寬34.20m、全長126.00m，是目前世界上最大斷面、長度第2的管幕內(nèi)箱涵頂進工程［1］.國際上箱涵頂進施工技術(shù)的研究主要集中在英國和日本等國.這些技術(shù)作為穿越道路、鐵路、結(jié)構(gòu)物和機場等的非開挖技術(shù)，在英國、美國、日本和中國臺灣等都有廣泛應用，并取得了較好的效果.早在20世紀60年代英國就對箱涵頂進技術(shù)進行了研究，但還不完善，如未能解決地面沉降等問題［2－3］.1986年反拖動系統(tǒng)（anti－drag system，ADS）的成功研制標志著英國箱涵頂進技術(shù)走向成熟［4］.1999年英國Dorney橋的泄洪涵洞施工中成功應用了ADS系統(tǒng)，頂進的箱涵體斷面尺寸為寬23.0m、高9.5m［5］.2001年美國波士頓火車站地下汽車隧道也采用了ADS系統(tǒng)，頂進箱涵體的斷面尺寸為寬24.0m、高10.8m，總長度為106.8m［6］.2002年英國 M1公路15A 節(jié)點處也成功應用了ADS系統(tǒng)，將大型箱涵體順利頂進［7］.

日本將管幕與箱涵頂進研究相結(jié)合開發(fā)出前端推進技術(shù)（front jacking，F(xiàn)J）和無端自推進技術(shù)（endless self－advancing，ESA）等［8－9］.1991年日本近畿公路松原海南線送尾工程采用ESA技術(shù)推進大斷面箱涵，箱涵斷面尺寸分別為高7.33m、寬19.80 m、長47.00m.2000年大池成田線高速公路下的箱涵體施工采用了管幕結(jié)合FJ技術(shù)，并對管幕內(nèi)土體進行注漿加固.1989年日本鐵建公司采用管幕結(jié)合ESA箱涵推進技術(shù)承建臺北松山機場地下通道工程，箱涵的斷面尺寸分別為高7.5m、寬22.2m、長100.0m［10］.

ADS，ESA和FJ技術(shù)的共同點是先挖土后推進，這就需要對前方土體加固以保持工作面穩(wěn)定，同時箱涵推進時需要開挖導坑，鋪設軌道，箱涵逐節(jié)推進，因此，推力小，不需反力后備及反力架.北虹路隧道工程由于受到地面環(huán)境的限制，不能提供很大的預制場所，同時限于工程造價，管幕內(nèi)的土體也不能進行加固.該工程的這一特殊性決定箱涵的推進方式只能是先頂進后挖土.為保證這一特殊推進方式的順利實現(xiàn)，本文提出了一種新的關(guān)于箱涵頂進速度、姿態(tài)和液壓泵轉(zhuǎn)速控制等問題的綜合解決方案以滿足實際工程的需要.

1 同步頂進控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

液壓同步頂進控制系統(tǒng)可根據(jù)容柵傳感器檢測的箱涵位移信號和油壓傳感器的油壓（推力）信號實時修正頂進參數(shù)，通過變頻電機調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)輸出流量即可控制頂進液壓缸的推進速度實現(xiàn)箱涵的同步推進和負載均衡，也可控制兩側(cè)液壓缸的頂進量進行糾偏，調(diào)整箱涵頂進姿態(tài)，從而保證了箱涵以正確的姿態(tài)、按照預定的軌跡順利頂進.

同步頂進控制系統(tǒng)采用3級分層的集中控制方式，即遠程控制監(jiān)視層、中轉(zhuǎn)層和現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)層，如圖1所示.遠程控制監(jiān)視層是主控系統(tǒng)，包括1臺主控制器和主控計算機負責整個系統(tǒng)的任務管理和調(diào)度，箱涵頂進的全部控制操作均可在主控制器和主控計算機上進行.主控制器和主控計算機還可連接監(jiān)視計算機以監(jiān)控箱涵頂進的運行狀態(tài)，并通過交互的人機界面顯示和記錄箱涵當前的頂進狀態(tài)和控制參數(shù).中轉(zhuǎn)層位于中間，為中轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，包括2臺中轉(zhuǎn)控制器，每臺中轉(zhuǎn)控制器分別與5臺液壓泵站控制器相連接，同時也分別與2只容柵位移傳感器相連，接收容柵傳感器檢測的箱涵位移信號.現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)層包括液壓泵站控制器、液壓泵站、頂進液壓缸和油壓傳感器等.液壓泵站控制器共10臺.每個液壓泵站上安裝1臺液壓泵站控制器和1只油壓傳感器，共使用了10臺液壓泵站.液壓泵站控制器可與對應的中轉(zhuǎn)控制器實時交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)液壓泵站相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和上傳以及主控制器對液壓泵站的自動控制，也可以對液壓泵站進行手動控制，包括2只液壓泵（定量泵和變量泵）的啟動、頂進液壓缸的伸縮和流量的調(diào)節(jié)等.

圖1 同步頂進控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure diagram of synchronously jacking control system

在同步頂進控制系統(tǒng)中中轉(zhuǎn)控制器起著“中繼站”的重要作用.中轉(zhuǎn)控制器接收從液壓泵站控制器傳送的液壓缸狀態(tài)信號、油壓信號以及容柵傳感器檢測的箱涵測量點位移等數(shù)據(jù)外，同時與主控制器進行數(shù)據(jù)通信，向主控制器發(fā)送液壓缸狀態(tài)、油壓、箱涵測量點位移、當前步序號反饋、脈寬調(diào)制（PWM）值以及報警等信號；又從主控制器接收控制步序號、位移差值、比例－積分－微分（PID）初值及增益、變頻電機PWM調(diào)節(jié)值等控制信號，再通過數(shù)據(jù)分析處理分別向?qū)囊簤罕谜究刂破鬏敵隹刂菩盘?這樣通過中轉(zhuǎn)控制器可將比較多的測量信號和控制信號進行很好的協(xié)調(diào)，使控制效率和可靠性得到極大提高.

2 箱涵頂進液壓系統(tǒng)

箱涵頂進中共使用了10臺液壓泵站，112只推力均為2 500kN的頂進液壓缸，總推力達到280 000kN.10臺液壓泵站對稱布置，左、右側(cè)各5臺，分別為左側(cè)和右側(cè)7組頂進液壓缸提供壓力油.112只頂進液壓缸分為14組，左、右側(cè)各7組，每組包含8只液壓缸.每組頂進液壓缸采用并聯(lián)連接方式，分為上下2排，上排和下排均為4只頂進液壓缸.每臺液壓泵站可向1組或2組頂進液壓缸提供壓力液壓油.

10臺液壓泵站采用相同的液壓系統(tǒng).圖2為液壓泵站中的液壓系統(tǒng)原理簡圖，使用變頻技術(shù)對液壓泵驅(qū)動電機進行無級調(diào)速.箱涵頂進液壓系統(tǒng)屬于大功率調(diào)速系統(tǒng)，故采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)控制液壓泵的轉(zhuǎn)速取代節(jié)流調(diào)速回路，幾乎沒有節(jié)流損失和溢流損失，因而效率高，系統(tǒng)溫升小，減少系統(tǒng)發(fā)熱，提高節(jié)能效果.圖2中1為油箱；2為定量柱塞泵；3為變量柱塞泵；4和5為先導型電磁溢流閥，分別設定2個柱塞泵的最大出口壓力；6和7為單向閥，防止停機時液壓油回流和空氣進入系統(tǒng)；8為壓力表截止開關(guān)；9為壓力表；10為進油路和回油路擴展口的截止閥；11為電磁換向閥，控制頂進液壓缸12的運動方向，即伸缸和縮缸動作；13為定量柱塞泵的驅(qū)動電機；14為變量柱塞泵的驅(qū)動電機，也稱變頻電機；VVVF為變頻變壓控制器，即變頻器.

箱涵頂進液壓系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速與變量泵組成液壓動力源.由于許多液壓泵都規(guī)定了最低轉(zhuǎn)速，當需要較小流量時，可通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量進行控制，維持合理的轉(zhuǎn)速；當流量大于液壓泵最小設定值后，則通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速進行控制.變頻調(diào)速是異步電動機高效調(diào)速的主要方法之一，即能實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速，又可根據(jù)負載的特性通過適當調(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系保證電動機運行在高效區(qū)間.

變頻調(diào)速方式不同于傳統(tǒng)的變排量調(diào)速方式，它通過改變電機的電源頻率和電壓來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，即在給定的控制信號電壓下，變頻器輸出對應頻率和對應電壓的正弦交流電，從而達到控制執(zhí)行機構(gòu)速度的目的.變量柱塞泵的驅(qū)動電機由變頻器控制，采用VVVF方式調(diào)節(jié)泵的輸出流量，即通過控制變頻器的輸入電壓來控制變頻器的輸出頻率實現(xiàn)對變量泵驅(qū)動電機14調(diào)速的目的.變頻器的輸入電壓的調(diào)整是通過PWM來實現(xiàn)的，進而控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)變量柱塞泵流量的調(diào)節(jié).這樣通過微控制器的PWM硬件電路可實現(xiàn)對變量泵輸出流量的自動控制.

3 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

3.1 容柵位移傳感器

箱涵的位移由自制的容柵傳感器檢測.與電容傳感器不同，容柵傳感器具有多對電極，采用變面積原理工作，可用于大位移測量，分辨率為1μm，量程達20m，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、價格低廉等特點，可替代絕對式編碼器.容柵傳感器的功耗很低，正常工作電流小于10μA，1粒紐扣電池可保證容柵傳感器工作1年以上.容柵傳感器的發(fā)射極和反射極構(gòu)成多對電容器，其電容ci（x）是移動距離x的函數(shù)，其中i為等效的電容器數(shù)量，i＝1，2，…，n.發(fā)射極上施加方波脈沖電壓激勵信號ui（t）.由于接收極與反射極的相互覆蓋面積不隨位移而變化，到達接收極的輸出信號uo（x，t）為

式（1）為容柵傳感器的基本通式［11］.

3.2 變量泵調(diào)速電路抗干擾措施

變量泵的流量調(diào)節(jié)是通過PWM信號實現(xiàn)的.微控制器輸出的PWM信號經(jīng)過2階阻容（RC）濾波后轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入電壓.不同占空比的PWM信號對應變量泵不同的輸出流量.RC低通濾波網(wǎng)絡可將高頻干擾信號濾除以保證調(diào)速電路可靠工作.圖3是2階RC低通濾波網(wǎng)絡原理圖，其中，Ui（s）為輸入電壓，Uo（s）為輸出電壓，C1，C2為電容，R1，R2為電阻，I1（s），I2（s）為電阻上的電流，其傳遞函數(shù)為

圖3 RC低通濾波網(wǎng)絡原理Fig.3 Diagram of RC low－pass filtering

3.3 油壓檢測隔離措施

頂進液壓缸的壓力由油壓傳感器檢測.由于油壓傳感器和變頻器都安裝在液壓泵站上，變頻器工作時其內(nèi)部逆變電路的高速開關(guān)動作將產(chǎn)生較強的干擾信號.因此，采用線性光耦隔離電路隔離干擾信號同時保證電路具有較好的線性度，使輸入電流與輸出電壓一一對應.線性光耦兩側(cè)分別使用2塊不同的直流－直流（DC－DC）電源模塊供電，避免共地干擾.

4 控制策略

箱涵頂進同步控制策略采用雙目標控制策略，即位移同步和負載（油壓）均衡，其中以位移同步控制為主要目的，輔之以負載均衡控制.箱涵頂進同步控制策略是根據(jù)容柵傳感器檢測到的箱涵4個角位移值和液壓泵站上的油壓傳感器檢測到的壓力值按照限步長的PID控制算法調(diào)整PWM輸出值以控制變頻器輸出頻率，進而調(diào)節(jié)變量泵輸出流量，以實現(xiàn)壓力和位移的同步控制.

4.1 位移同步控制

位移同步控制是根據(jù)4個容柵傳感器的檢測值先確定箱涵左、右兩側(cè)的位移量，然后對左、右兩側(cè)的位移量取算術(shù)平均值作為箱涵位移基準（即箱涵中間部位的位移量）以實現(xiàn)箱涵左右兩側(cè)位移的同步.箱涵的4個角上各安裝有1只容柵傳感器，即左側(cè)上、下2個傳感器和右側(cè)上、下2個傳感器.箱涵的左側(cè)位移量dL定義為左側(cè)上、下2個容柵傳感器檢測值的算術(shù)平均值，同樣定義dR為箱涵的右側(cè)位移量.以箱涵中間部位的位移量作為箱涵位移基準，與箱涵左、右兩側(cè)的位移量相比較，位移差值大表明箱涵該側(cè)頂進速度快，采用PID控制算法，降低該側(cè)5個液壓泵站的PWM控制值使變頻器的輸出頻率變小，減小變量泵的輸出流量，降低頂進速度.反之，增大控制值.這樣，根據(jù)容柵傳感器的位移檢測值相應調(diào)節(jié)PWM的控制值，實現(xiàn)箱涵左右兩側(cè)位移的同步.

4.2 負載（油壓）均衡控制

由于箱涵體積較大且各個液壓泵站和頂進液壓缸的性能存在差異，在箱涵頂進過程中各組液壓缸所承受的頂力各不相同，因此液壓泵站的工作壓力存在不均勻性.主控制器根據(jù)檢測的油壓反饋值對相應的液壓泵站進行PWM調(diào)節(jié).具體來說，對于工作油壓偏高的液壓泵站，適當減小相應的PWM調(diào)節(jié)值，降低變頻器的輸出頻率，達到降低其輸出壓力的目的；對于工作油壓偏低的液壓泵站，則適當加大PWM調(diào)節(jié)值，增加變頻器的輸出頻率，達到加大其輸出壓力的目的.負載均衡控制中的PWM值小于位移同步控制的PWM值，以位移同步控制為主要目的.總之，根據(jù)油壓傳感器反饋回來的油壓檢測值調(diào)節(jié)相應的PWM值以實現(xiàn)液壓泵站負載（油壓）的均衡化，達到各組液壓缸承受的頂力基本相等，實現(xiàn)油壓同步調(diào)節(jié).

5 測試結(jié)果

現(xiàn)場采集的液壓泵站工作壓力等數(shù)據(jù)表明了控制策略的有效性.從圖4可知，油壓高的液壓泵站，其油壓呈現(xiàn)下降趨勢，即PWM值適當減?。挥蛪旱偷囊簤罕谜?，其油壓則呈現(xiàn)增大的趨勢，即PWM值適當增大.從圖中還可知，第5臺和第6臺液壓泵站的油壓接近零值，說明這2組液壓泵站沒有使用.圖5是箱涵頂進過程中切口平面和尾部平面的偏差實測值，左右偏差均在±40mm以內(nèi)，實現(xiàn)了箱涵的同步頂進.

6 結(jié)論

圖4 液壓泵站油壓檢測值Fig.4 Values of oil pressures

液壓同步頂進控制系統(tǒng)采用層次化的結(jié)構(gòu)使控制效率和可靠性得到較大提高；變頻無級調(diào)速液壓回路取代傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速回路幾乎沒有節(jié)流損失和溢流損失，因而效率高，系統(tǒng)溫升??；通過PWM方式控制變頻電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)輸出流量的自動調(diào)節(jié)；設計了具有較強抗干擾能力的硬件電路；采用雙目標控制策略（位移同步和負載均衡）使多組液壓缸協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)了頂進位移和速度以及油壓的有效控制，推力、頂進速度和姿態(tài)可測可控.工程實測數(shù)據(jù)表明，頂進過程中箱涵切口平面和尾部平面的偏差均控制在±40mm之內(nèi).該系統(tǒng)保證了管幕內(nèi)大斷面、長距離的箱涵頂進得以順利實現(xiàn).

圖5 偏差實測曲線Fig.5 Displacement differences curves

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