曹麗娟，李守巨，上官子昌

(1.大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧大連 116023;2.大連理工大學工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧大連 116024;3.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧大連 116023)

0 引言

盾構機是超大型高科技施工裝備，因其掘進速度較快、施工安全性好、工程質量和經濟效益高、有利于環(huán)境保護和勞動強度較低而被應用于地鐵、隧道等工程領域;由于其能在含水飽和的松軟地層中開挖隧道，在地下工程施工中也得到了迅速發(fā)展。繼英國在20世紀60年代研制出的泥水加壓盾構之后，日本研制出了土壓平衡式盾構機［1］。土壓平衡盾構機由于適用的地質范圍廣和掘進性能好而得到廣泛的應用。

盾構機在掘進隧道施工過程中，總會對盾構機周圍的土體造成一定的擾動，使得一定范圍內土體的應力狀態(tài)發(fā)生變化，嚴重時會引起地表變形。盾構機密封艙壓力分布以及掘進參數的不同，將對盾構機周圍土體造成不同程度的擾動，土體應力應變將呈現不同的狀態(tài)，使地表的變形程度也不相同。如何通過設定盾構機施工參數，在保證開挖面穩(wěn)定的同時，減小對地層的擾動，并且使盾構機掘進過程中能耗最低，這些都是盾構機設計與施工中的重要課題。

土壓平衡盾構機密封艙維持適當的壓力是保證掘進工作面的穩(wěn)定性和控制地表變形的關鍵，盾構機密封艙壓力控制是一個典型的時變動力系統辨識和控制問題。圖1是盾構機密封艙土壓力分析的簡化模型。

圖1 EPB盾構機的簡化模型Fig.1 Simplified model of EPB shield

1 盾構機密封艙壓力優(yōu)化設置

1.1 土壓平衡盾構機的組成及工作原理

土壓平衡盾構機主要由盾體、刀盤及其驅動系統、螺旋輸送機系統、推進系統、管片拼裝系統、同步注漿系統以及盾尾密封裝置等構成。與普通盾構不同的是在盾構中部增設一道密封隔板，將盾構開挖面與隧道分開，使密封隔板與開挖面土層之間形成一個密封土艙，刀盤在密封土艙中切削的渣土積累到一定數量時，渣土經刀槽進入密封艙的阻力增大。土壓平衡盾構機正是利用密封艙的土壓力與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，使開挖面保持穩(wěn)定，而不致由于開挖面的土壓力低于外界壓力而坍塌或高于外界壓力而隆起。也就是說，土壓平衡盾構機是通過盾構機推進油缸的推進，使油缸的推力通過壓力擋板傳給密封艙內被刀盤切下的土體，形成一定壓力的土體支撐掌子面，而不像通過其他開挖方式的盾構機，其掌子面依靠另外的介質支撐;因此，保持刀盤切削下來的流入密封艙中的渣土量與從螺旋輸送機輸排出去的渣土量相平衡才能保證開挖工作的順利進行。

1.2 盾構機密封艙壓力控制存在的問題

目前，盾構機密封艙壓力控制存在的主要問題包括:1)一般根據經驗來選取密封艙壓力值設定，缺少足夠的理論依據，導致地表變形控制不理想;2)由于掘進工作面的土壓力無法直接測量，一般采用密封隔板的觀測土壓力作為掘進面內的土壓力值，沒有考慮由于刀盤開口率的變化引起的這2個界面之間的壓力差，缺少密封艙土壓力與掘進工作面土壓力之間的映射關系的研究;3)密封艙壓力控制缺少完備的力學模型，如密封艙系統的動力方程、輸出方程、量測方程和參考模型等;4)缺少密封艙土壓力與控制變量之間關系的模型，無法從力學本質上仿真密封艙土壓力隨控制變量改變而動態(tài)變化的特性;5)密封艙壓力控制模型沒有考慮到地層的隨機特性和壓力觀測信息的不確定性等問題，無法準確表征密封艙系統的非線性、時變、時滯和不確定的動力特性，控制模型的魯棒性和穩(wěn)定性較差。

1.3 土壓平衡盾構機的土艙內壓力控制方法研究

為了研究設定土壓平衡盾構的土艙內壓力值的理論方法以達到穩(wěn)定地層的目的，很多學者在這方面做了大量工作。Ronaldo等［2］研究了土體彈塑性本構模型的屈服面特性;Woodward［3］做了基于Lade-Duncan破壞準則的土壓力系數確定問題方面的工作;Bernat等［4］利用有限元數值模擬方法，提出了預測盾構機掘進引起的地表沉降方法;Mashimo等［5］提出了確定作用在隧道襯砌上土壓力荷載方法;Anagnostou等［6］研究了土壓平衡盾構機掘進過程中工作面穩(wěn)定性條件;Benmebarek等［7］研究了作用在擋土墻被動土壓力的數值模擬方法。國內外對盾構機密封艙土壓力優(yōu)化設置和控制問題進行了大量的研究工作，取得了一定的進展，但如何優(yōu)化設置密封艙的土壓力仍然缺少理論依據。Shangguan［8］基于 Rankine的土壓力理論，研究了掘進工作面土壓力問題，并通過有限元數值模擬，建立了掘進工作面土壓力與密封艙隔板可觀測的土壓力之間的關系，從理論上解決密封艙壓力的優(yōu)化設置問題。

2 土層力學參數識別方法研究進展

2.1 土層力學參數反演分析研究

土層力學參數主要有壓縮模量、重度、內摩擦角、端阻力系數、側阻力系數、抗壓強度、彈性模量、泊松比等。研究土層力學參數識別方法有助于盾構法施工掘進參數的合理確定。

為了便于將刀盤切削下來的渣土通過螺旋輸送機快速排出，土壓平衡盾構將刀盤切削下來的棄土送入前端密封艙內，通過攪拌或注入膨潤土或水等改性劑后攪拌成塑流化的渣土以增加其流動性，以便順利地通過螺旋輸送機向外排土，同時使工作面保持適當穩(wěn)定的壓力。土壓平衡盾構的這種排土方式具有處理簡單和可靠性較高的特性，因而得到了廣泛的應用。密封艙內經改性處理的渣土，是一種不同于原狀土體的比較復雜的顆粒集合體，它既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料，其突出特點就是其渣土顆粒之間充滿改性劑和具有良好的流動性。盡管連續(xù)介質的假設與實際情況不相符，目前大多的數值計算方法都是用連續(xù)介質力學的思路去分析和研究渣土的力學性狀;因此，應從微細觀角度研究渣土這種具有獨特的不同于原狀土體材料的連續(xù)介質的應力－應變性狀。

盾構機穿越土層的物理力學參數將直接影響到盾構機的掘進參數和掘進工作面的穩(wěn)定性。實時掌握掘進土層的力學參數對于優(yōu)化盾構機的掘進參數和有效控制地表變形是至關重要的。但是，獲得土層變化信息不適于用鉆孔取芯的方法，這是由于刀盤在掘進過程中不停轉動。Kim等［9］研究了土體類型、隧道尺寸和施工方法對掘進工作面穩(wěn)定性的影響，討論了盾構機推力與工作面土壓力、刀盤扭矩的關系，提出了工作面穩(wěn)定的計算方法，根據現場觀測數據分析了土層物性參數對刀盤扭矩、貫入度、密封艙壓力的影響，為地層物性參數反演提供了可以借鑒的依據。國內外的一些公司在地鐵工程施工中，對采自施工現場的觀測數據進行實時分析和反分析，并且設定了密封艙壓力的上下限值和報警值，把刀盤扭矩、推進速度、貫入度和刀盤磨損與土層力學性能聯系起來［10－11］。為了實時掌握掘進工作面前方土層的物理力學參數的變化，Kneib等［12］提出了地震層析成像方法，通過安裝在刀盤上的信號接收器實時探測掘進工作面及其前方土層的力學性能，以解決地層參數識別問題。目前，地震層析成像方法存在的主要問題有信號噪聲問題、信息實時處理問題、地震波傳播特性表征問題、過高的費用問題以及存在多解性問題等。Zhou等［13］提出了根據盾構機的掘進參數進行地層分類和辨識模型，該模型以神經網絡為基礎，根據現場實測的盾構機掘進參數判斷當前巖層為哪一類，用以指導盾構機掘進施工。刀盤在掘進過程中不停轉動使掘進工作面的壓力無法直接觀測，而這個參數對于控制地表變形是最重要的。為了解決這一課題，在密封艙的隔板上安設若干個壓力傳感器盒，用以實時監(jiān)測密封艙內的壓力變化情況。理論研究表明:密封艙隔板的壓力并不等于掘進工作面的壓力，二者之間存在壓力差，這個壓力差的大小與渣土力學參數及刀盤開口率之間存在映射關系。因此，只要實時觀測密封艙隔板的一系列觀測點的壓力，然后根據掘進工作面壓力與隔板壓力之間的映射關系，采用數值模擬就可以間接掌握掘進工作面壓力的變化情況，進而控制地表變形。

2.2 土層力學參數的數值模擬與研究

朱偉等［14］對比室內三軸試驗和顆粒流程序雙軸數值試驗結果，確定了顆粒流模擬砂土的細觀參數，并對盾構隧道垂直土壓力的松動效應進行了顆粒流模擬，分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直徑和不同圍巖時作用在管片上的土壓力、土體位移和土體顆粒接觸力的變化情況。史旦達等［15］以Toyoura砂室內高應力一維壓縮試驗結果為基礎，利用二維顆粒流方法中的接觸黏結模型生成簇顆粒單元來模擬實際砂土的顆粒破碎特性。利用數值試驗不僅能得到宏觀的顆粒破碎現象，而且還能通過分析內部接觸力的變化和對黏結破裂位置的追蹤來研究顆粒破碎的細觀演化規(guī)律，從而可進一步探討顆粒破碎的細觀力學機制。

目前大多數研究者采用試錯法確定顆粒離散元模型參數，即通過反復改變模型參數，使數值實驗得到的宏觀特性與真實實驗結果一致。這種方法雖然能夠得到較為滿意的模擬結果，但在調整參數較多時需要大量時間并且估計的模型參數往往不是最優(yōu)［16］。Franco等［17］以實際貫入實驗和相應離散元數值實驗的相對能量差最小為目標函數，用單純形優(yōu)化方法和數值模擬相結合的求解方法估計砂土顆粒離散元模型中的彈簧剛度和摩擦系數。周健等［18］基于顆粒流理論，引入不同的顆粒接觸連接本構模型，分別建立了砂土和黏性土的顆粒流模型，基本再現了砂土和黏性土試樣應力－應變關系。

3 盾構機密封艙壓力控制方法研究

土壓平衡式盾構機由推進液壓缸向前推進時，刀盤旋轉切削下來的渣土充滿密封土艙，同時螺旋輸送機向外輸出渣土，排出的渣土量必須適當，以此保證存留在密封艙內的渣土的土壓力能與開挖面土層的水土壓力相平衡。排出的渣土量可通過調整螺旋輸送機的轉速控制或通過調整盾構推進液壓缸的推進速度控制進土量，使盾構排土量和進土量保持或接近平衡，以此來維持開挖面地層的穩(wěn)定以及防止地表變形。

3.1 盾構機密封艙壓力控制模型研究

為了解決盾構機密封艙壓力控制問題，國內外的學者進行了大量的理論研究和模型試驗以及現場試驗研究，取得了一系列研究進展。魏建華等［19］以土壓平衡盾構施工現場實際觀測數據闡述了盾構機開挖面穩(wěn)定機制，分析了密封艙土壓力的設定與控制方法。王洪新等［20］基于模型試驗結果，推導土壓平衡盾構的3個基本方程式，進而得到土壓平衡盾構2個總平衡方程式，建立土壓平衡盾構掘進的數理模型，并利用現場掘進數據，統計歸納出刀盤扭矩、刀盤轉速、土艙壓力間的經驗關系式。胡國良等［21］介紹了土壓平衡式盾構機土壓控制實驗，采用自整定PID對盾構密封艙內的土壓力進行了實時控制。陳立生等［22］提出了在環(huán)境變化時調整土艙壓力的新思路，并針對土艙壓力控制標準的不確定性，分析了土艙壓力波動的原因后，形成了采用土壓平衡比控制盾構平衡狀態(tài)的輔助方法。

土壓平衡盾構機密封艙壓力與隧道的埋深、土層的物理力學性質和刀盤的開口率以及盾構機的推力有關。目前國內外經常采用的密封艙壓力設置計算方法是Sramoon建議的主動土壓力與水壓力之和，再加上10 kPa的波動壓力［23－24］;但該方法存在的最大問題是沒有考慮到從掘進工作面到密封艙隔板的壓力降低，實際上是過高地設置了密封艙壓力，由此帶來的問題是導致盾構機推力增加，刀盤與渣土之間的摩擦阻力增大。Koyama［25］將掘進工作面的土水壓力近似為梯形分布，給出了土壓力與水壓力分開計算模式(soilwater separated)和土壓力與水壓力整體計算模式(soilwater integrated)。Bernat等［26］基于土體的非線性本構模型，數值模擬了盾構機與土體之間的相互作用，提出了地表變形分階段模擬預測方法，將數值模擬結果與現場觀測結果進行了比較分析，模擬結果與觀測結果比較接近。

由于神經網絡具有學習功能，一些學者將神經網絡技術引入到盾構機密封艙壓力控制研究中。Li等［27］建立了基于模糊自適應PID控制器的盾構機控制系統，該控制系統包括密封艙壓力模擬子系統、螺旋輸送機模擬子系統和壓力控制子系統組成，實現了對密封艙壓力的有效控制。Yang等［28］和曹麗娟等［29］分別將密封艙渣土簡化為理想的塑性材料，以刀盤進土體積與螺旋輸送機排土體積相平衡為基礎，數值模擬仿真和實驗室試驗研究了土壓平衡盾構機密封艙壓力控制問題。Yeh［30］提出了基于神經網絡的主動控制方法。王洪新等［31］系統地總結了土壓平衡盾構機掘進時的平衡控制理論，論述了面板式刀盤作用下2種平衡狀態(tài)的不等價性，加深了對土壓平衡盾構平衡狀態(tài)的認識和理解。

3.2 盾構機密封艙控制機制方法

盾構機密封艙壓力控制的核心問題之一是建立其機制模型，根據機制模型對未來的狀態(tài)作出正確的預測，進而通過優(yōu)化調整可控變量(螺旋輸送機轉速、盾構機推力和推進速度)實現密封艙壓力的實時控制。盾構機密封艙土壓力控制，在國內外集中在實驗室模型試驗和數值仿真研究，根據模擬實驗的觀測數據分析密封艙土壓力與螺旋輸送機轉數的關系。楊洪杰等［32］在軟土、砂土和砂礫土層中進行盾構機模型的掘進試驗，研究了實驗模型周圍土壓力變化和刀盤開口率變化對密封艙內外土壓力的影響。劉東亮［33］對密封艙土壓力影響因素和控制方法進行了分析，并且討論了掘進工作面的主動土壓力和被動土壓力問題，提出了密封艙土壓控制流程圖。徐前衛(wèi)等［34］和朱合華等［35］根據相似理論和模型試驗方法建立了土體－盾構機系統的相似關系，通過對實驗數據的分析整理，得出了土壓平衡盾構機參數之間關系曲線。胡新朋提出了在富水軟土地層密封艙壓力設置原則，對密封艙壓力過高或者過低引起的地表隆起或沉降進行了定性分析。張庭華［36］和施虎等［37］對土壓平衡盾構機土艙壓力控制進行了技術研究，胡國良等［38－39］和劉博等［40］建立了土壓平衡盾構機密封艙土壓力控制模型和系統仿真分析。

盾構機在掘進過程中由于地層的力學性能在不斷變化或者盾構機施工參數的變化，導致密封艙的壓力時常發(fā)生波動變化，有時會超出設定的壓力范圍。密封艙土壓力系統的辨識和控制模型的研究，對于有效控制地表變形和保證盾構安全施工是非常重要的;而建立對于非線性、時變、時滯和不確定的密封艙土壓力系統的控制模型仍然是一個沒有很好解決的關鍵問題，而且國內在這方面的研究也比較缺乏。因此，無論在非線性系統控制的理論研究，還是在盾構機密封艙土壓力控制模型工程應用上都非常迫切需要解決這一課題。

4 結論與展望

盾構施工中密封艙的壓力控制直接影響掘進工作面的穩(wěn)定性和地表是否變形。密封艙土壓力優(yōu)化設定是盾構機掘進過程中一個極為關鍵的控制參數，不僅直接關系到掘進工作面的穩(wěn)定和地表的隆起或沉陷，也影響到盾構施工的效率和刀具的使用壽命。合理地確定密封艙的工作壓力對于有效控制地表的沉陷與隆起，對于保證盾構機的施工安全和連續(xù)作業(yè)是非常重要的。通過測量密封艙隔板的土壓力，然后采用數值模擬方法建立在不同刀盤開口率條件下掘進工作面壓力與密封艙觀測壓力之間的映射關系，從理論上解決密封艙壓力的優(yōu)化設置問題。神經網絡具有的以L2范數逼近任意非線性系統的能力和學習能力，使得辨識器對于盾構機密封艙土壓力系統的環(huán)境(包括土層力學參數的擾動、觀測噪聲、被控系統的時變和時滯特性等)具有自適應性，因而可將神經網絡應用到盾構施工中密封艙的壓力控制中去，從而達到對不確定、不確知系統進行有效辨識和控制。對土艙壓力系統建立控制數學模型，能更有效地提高控制精度和加快調整速度，是未來盾構機土艙壓力控制方法的方向。

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