邵成猛

(中國鐵建十六局集團(tuán)有限公司,100018,北京∥高級工程師)

基于實測渣土輸出流量反饋的雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制探索

邵成猛

(中國鐵建十六局集團(tuán)有限公司,100018,北京∥高級工程師)

現(xiàn)有的盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)中,通常通過控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速改變渣土輸出流量實現(xiàn)對密封艙壓力的控制。為克服螺旋輸送機(jī)理論計算渣土流量與實際輸出流量存在的偏差對密封艙壓力精確控制產(chǎn)生的影響,在現(xiàn)有盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,在輸送渣土的皮帶機(jī)上安裝皮帶秤,以準(zhǔn)確實時測得螺旋輸送機(jī)的瞬時渣土輸出流量作為反饋信號構(gòu)成螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的控制閉環(huán),并與密封艙壓力的反饋信號構(gòu)成盾構(gòu)土壓平衡雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過仿真分析和現(xiàn)場試驗驗證了所建立控制系統(tǒng)的有效性。

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī); 土壓平衡控制; 密封艙壓力; 渣土輸出流量反饋

Author′s address China Railway 16th Bureau Group Co.,Ltd.,100018,Beijing,China

土壓平衡盾構(gòu)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的一種,在其工作過程中會引起土體擾動,從而改變地層的應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而造成地表變形,當(dāng)變形過大時會引發(fā)地表開裂、地面建筑物傾斜等施工事故。目前,控制盾構(gòu)工作過程中地表變形的基本方法是保證其密封艙土壓平衡[1-2]。

為了實現(xiàn)盾構(gòu)密封艙壓力的快速精確控制,許多學(xué)者對相應(yīng)的控制理論及方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]解釋了盾構(gòu)土壓平衡的實現(xiàn)過程,提出了兩種土壓平衡控制方法。文獻(xiàn)[4]基于PID(比例積分微分)控制器提出了密封艙壓力的控制方法。文獻(xiàn)[5]考慮盾構(gòu)與土體的耦合作用建立了密封艙壓力的控制機(jī)理模型,并提出了優(yōu)化控制算法。文獻(xiàn)[6]考慮推進(jìn)速度波動的影響提出了一種土壓平衡復(fù)合控制方法?，F(xiàn)有的盾構(gòu)土壓平衡控制方法中,通常都是通過控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速改變渣土輸出流量實現(xiàn)密封艙壓力的控制,但由于螺旋輸送機(jī)不一定時刻處于“滿載”狀態(tài),只通過其轉(zhuǎn)速不能精確得到渣土的輸出流量,這對密封艙壓力的精確控制會產(chǎn)生一定影響。

為克服螺旋輸送機(jī)理論計算渣土流量與實際輸出流量存在的偏差對密封艙壓力精確控制產(chǎn)生的影響,在現(xiàn)有盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,在輸送渣土的皮帶機(jī)上安裝皮帶秤,以準(zhǔn)確實時測得的螺旋輸送機(jī)的瞬時渣土輸出流量作為反饋信號構(gòu)成旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的控制閉環(huán),并與密封艙壓力的反饋信號構(gòu)成盾構(gòu)土壓平衡雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。為驗證所建立控制系統(tǒng)的有效性,進(jìn)行了仿真分析和現(xiàn)場試驗研究。

1 密封艙土壓平衡原理

土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)主要由盾體、刀盤、螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)裝置等構(gòu)成。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前部的密封擋板與刀盤、切口環(huán)以及螺旋輸送機(jī)形成密封艙。在工作過程中,推進(jìn)液壓缸驅(qū)動盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn),刀盤切削下的渣土填充密封艙和螺旋輸送機(jī)殼體內(nèi)的空間,形成的土壓來平衡開挖面土層的水土壓力,以保持開挖面土層的穩(wěn)定，防止地表變形,渣土通過螺旋輸送機(jī)排出盾體。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,需要使密封艙內(nèi)的土壓和開挖面的水土壓力保持動態(tài)平衡。如果密封艙內(nèi)的土壓大于開挖面的水土壓力,地表將發(fā)生隆起；反之,如果密封艙內(nèi)的土壓小于開挖面的水土壓力,地表將發(fā)生沉陷[3]。為實現(xiàn)土壓平衡,可通過實時調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)液壓缸的推力,使盾構(gòu)排土量和開挖量保持或接近平衡。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的描述,將密封艙看作一個封閉容器,進(jìn)入該容器的渣土流量取決于盾構(gòu)的推進(jìn)速度,而排出容器的渣土流量取決于螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速,密封艙的渣土流量連續(xù)性方程為:

(1)

式中:

qi——密封艙渣土的輸入流量;

qo——密封艙渣土的輸出流量;

Cepm——密封艙的泄漏系數(shù);

pe——密封艙土壓力;

po——外界壓力(包括盾體前方的土壓力和水壓力);

Ve——密封艙容積;

βe——渣土的體積彈性模量;

D——盾構(gòu)外徑;

v——盾構(gòu)推進(jìn)速度;

ηs——螺旋輸送機(jī)排土效率;

d1——螺旋輸送機(jī)葉片直徑;

d2——螺旋軸半徑;

Ts——螺旋輸送機(jī)葉片螺距;

nm——螺旋輸送機(jī)驅(qū)動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速;

ig——螺旋輸送機(jī)減速機(jī)減速比。

忽略密封艙泄漏渣土的體積,可得到盾構(gòu)密封艙土壓力變化差值為:

(2)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,土壓傳感器實時測量密封艙內(nèi)的土壓,并與給定的土壓值進(jìn)行比較,以調(diào)整盾構(gòu)的推力或螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速,完成密封艙壓力的閉環(huán)控制,實現(xiàn)土壓平衡。盾構(gòu)的推進(jìn)液壓缸上裝有位移傳感器,對所測得的位移信號進(jìn)行差分后反饋到主控制器,實現(xiàn)對盾構(gòu)推進(jìn)速度的閉環(huán)控制。螺旋輸送機(jī)上裝有轉(zhuǎn)速傳感器,可實時測得螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于螺旋輸送機(jī)不一定時刻處于“滿載”狀態(tài),只通過其轉(zhuǎn)速不能精確得到渣土的輸出流量,為實時測量螺旋輸送機(jī)輸出渣土的流量,在輸送渣土的皮帶機(jī)上安裝了皮帶秤。皮帶秤是采用杠桿原理設(shè)計的,在皮帶機(jī)的皮帶下面安裝杠桿裝置,皮帶上面的物料通過杠桿裝置的承載面時,會對承載面產(chǎn)生一定的壓力,杠桿裝置將該壓力傳送到稱重傳感器,結(jié)合皮帶機(jī)的實時速度,即可得到皮帶機(jī)上渣土的瞬時流量,從而得到螺旋輸送機(jī)輸出渣土的瞬時流量。通過對螺旋輸送機(jī)輸出渣土流量的實時測量,完成對螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。盾構(gòu)土壓平衡控制原理如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)土壓平衡控制原理圖

2 雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)設(shè)計

實際盾構(gòu)的推進(jìn)速度是根據(jù)土層條件確定的,并受到盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整等要求的影響,因此,盾構(gòu)推進(jìn)速度的調(diào)整不能僅依據(jù)土壓平衡的要求。通常采用控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)土壓平衡控制。根據(jù)文獻(xiàn)[6],設(shè)計了一種采用速度反饋的螺旋輸送機(jī)電液控制系統(tǒng),得螺旋輸送機(jī)的速度控制方程nm=Nm(i,TL,ps,pa)(其中i為比例電磁鐵輸入控制電流,TL為螺旋輸送機(jī)負(fù)載扭矩,ps為控制系統(tǒng)供油壓力,pa為變量泵殼體壓力)。

根據(jù)式(2),可得到圖2所示密封艙土壓平衡控制系統(tǒng)的方框圖。圖中,is為螺旋輸送機(jī)變量泵起點控制電流,Gbf為反饋系數(shù)。

圖2 密封艙土壓平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析與試驗研究

為驗證所提出的基于渣土實測輸出流量反饋的雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)的有效性,進(jìn)行了仿真分析,并進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究。對于螺旋輸送機(jī)速度控制環(huán)節(jié),進(jìn)行由0到20 r/min階躍響應(yīng)信號的跟蹤仿真；對于盾構(gòu)密封艙土壓平衡控制系統(tǒng),進(jìn)行由0到20 kPa階躍響應(yīng)信號的跟蹤仿真。仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 螺旋輸送機(jī)速度控制階躍響應(yīng)

圖4 密封艙壓力控制階躍響應(yīng)

由圖3和圖4可以看出,對螺旋輸送機(jī)速度控制環(huán)節(jié)和盾構(gòu)密封艙土壓平衡控制系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)測試時,雖然都會產(chǎn)生一定的波動,但經(jīng)過一定時間都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；螺旋輸送機(jī)速度控制環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)時間約為0.55 s,盾構(gòu)密封艙土壓平衡控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時間約為2.23s。

對所提出的土壓平衡控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗測試。該盾構(gòu)機(jī)的直徑為6.41 m,推進(jìn)速度為5 cm/min,所在工作土層的土密度為1.9 t/m3,設(shè)定密封艙理想土壓為200 kPa。將本土壓平衡控制系統(tǒng)的試驗結(jié)果與普通土壓平衡控制系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行對比分析,如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)密封艙土壓控制誤差

從圖5可以看出,采用基于渣土實測輸出流量反饋的雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)時,盾構(gòu)密封艙土壓控制的最大誤差為0.805 kPa；采用普通土壓平衡控制系統(tǒng)時,盾構(gòu)密封艙土壓控制的最大誤差為1.07 kPa。相對于普通控制系統(tǒng),本文所提出的土壓平衡控制系統(tǒng)的控制誤差有了較大程度的減小,驗證了該方法的有效性。

4 結(jié)語

為克服螺旋輸送機(jī)理論計算渣土流量與實際輸出流量存在的偏差對密封艙壓力精確控制產(chǎn)生的影響,對現(xiàn)有盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),在輸送渣土的皮帶機(jī)上安裝皮帶秤,以準(zhǔn)確實時測得螺旋輸送機(jī)的瞬時渣土輸出量,并提出了基于渣土實測輸出流量反饋的雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制。

對該盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和試驗研究。對于螺旋輸送機(jī)速度控制環(huán)節(jié),其階躍響應(yīng)時間約為0.55s,對于盾構(gòu)密封艙土壓平衡控制系統(tǒng),其階躍響應(yīng)時間約為2.23s。在現(xiàn)場試驗研究中,將所提出的土壓平衡控制系統(tǒng)的試驗結(jié)果與普通土壓平衡控制系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗證了所提出方法的有效性。在此基礎(chǔ)上,將對本盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗,進(jìn)一步優(yōu)化方案,以實際解決土壓平衡盾構(gòu)施工出土量控制難的問題,從根本上減小盾構(gòu)施工引起的地層損失率。

[1] SUCHATVEE S,HERBERT H E.Artificial neural networks for predicting the maximum surface settlement caused by EPB shield tunneling [J].Tunnelling and Underground Space Technology,2006(21):133-150.

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Earth Pressure Balance Control Based of Double Closed Loop Shield Tunneling Machine on the Feedback of Output Flow Muck

SHAO Chengmeng

In the existing earth pressure balance control system, the pressure control of capsule is commonly achieved by changing the revolving speed of screw conveyer. To overcome the negative influences of the offset between theoretical calculation of sediment flow and actual output flow of screw conveyer on the precision pressure control of capsule, the existing earth pressure balance control system is improve by installing a belt weigher on belt conveyer to achieve real-time measurement of the muck output flow of screw conveyer. The feedback of muck output flow and the capsule pressure feedback signal constitute a double closed loop control of the earth pressure balance control system. Simulations and field tests have verified the effectiveness of the proposed method.

shield tunneling machine; earth pressure balance control; earth pressure in capsule; feedback of muck output flow

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.01.013

2015-04-13)