邵成猛

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司,100018,北京∥高級(jí)工程師)

基于實(shí)測(cè)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(guó)鐵建十六局集團(tuán)有限公司,100018,北京∥高級(jí)工程師)

現(xiàn)有的盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)中,通常通過(guò)控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速改變?cè)凛敵隽髁繉?shí)現(xiàn)對(duì)密封艙壓力的控制。為克服螺旋輸送機(jī)理論計(jì)算渣土流量與實(shí)際輸出流量存在的偏差對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)得螺旋輸送機(jī)的瞬時(shí)渣土輸出流量作為反饋信號(hào)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(hào)構(gòu)成盾構(gòu)土壓平衡雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)程中會(huì)引起土體擾動(dòng),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(guò)大時(shí)會(huì)引發(fā)地表開(kāi)裂、地面建筑物傾斜等施工事故。目前,控制盾構(gòu)工作過(guò)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(shí)現(xiàn)盾構(gòu)密封艙壓力的快速精確控制,許多學(xué)者對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(dòng)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(guò)控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速改變?cè)凛敵隽髁繉?shí)現(xiàn)密封艙壓力的控制,但由于螺旋輸送機(jī)不一定時(shí)刻處于“滿載”狀態(tài),只通過(guò)其轉(zhuǎn)速不能精確得到渣土的輸出流量,這對(duì)密封艙壓力的精確控制會(huì)產(chǎn)生一定影響。

為克服螺旋輸送機(jī)理論計(jì)算渣土流量與實(shí)際輸出流量存在的偏差對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)得的螺旋輸送機(jī)的瞬時(shí)渣土輸出流量作為反饋信號(hào)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(hào)構(gòu)成盾構(gòu)土壓平衡雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。為驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)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(pán)、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(pán)、切口環(huán)以及螺旋輸送機(jī)形成密封艙。在工作過(guò)程中,推進(jìn)液壓缸驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn),刀盤(pán)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(lái)平衡開(kāi)挖面土層的水土壓力,以保持開(kāi)挖面土層的穩(wěn)定，防止地表變形,渣土通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出盾體。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,需要使密封艙內(nèi)的土壓和開(kāi)挖面的水土壓力保持動(dòng)態(tài)平衡。如果密封艙內(nèi)的土壓大于開(kāi)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(kāi)挖面的水土壓力,地表將發(fā)生沉陷[3]。為實(shí)現(xiàn)土壓平衡,可通過(guò)實(shí)時(shí)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(kāi)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(gè)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(dòng)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(guò)程中,土壓傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)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(duì)所測(cè)得的位移信號(hào)進(jìn)行差分后反饋到主控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)得螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于螺旋輸送機(jī)不一定時(shí)刻處于“滿載”狀態(tài),只通過(guò)其轉(zhuǎn)速不能精確得到渣土的輸出流量,為實(shí)時(shí)測(cè)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(jì)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(guò)杠桿裝置的承載面時(shí),會(huì)對(duì)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(shí)時(shí)速度,即可得到皮帶機(jī)上渣土的瞬時(shí)流量,從而得到螺旋輸送機(jī)輸出渣土的瞬時(shí)流量。通過(guò)對(duì)螺旋輸送機(jī)輸出渣土流量的實(shí)時(shí)測(cè)量,完成對(duì)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(jì)

實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)土壓平衡控制。根據(jù)文獻(xiàn)[6],設(shè)計(jì)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(diǎn)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(yàn)研究

為驗(yàn)證所提出的基于渣土實(shí)測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)研究。對(duì)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(hào)的跟蹤仿真；對(duì)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(hào)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(duì)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(cè)試時(shí),雖然都會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng),但經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(shí)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(shí)間約為2.23s。

對(duì)所提出的土壓平衡控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)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(yàn)結(jié)果與普通土壓平衡控制系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)測(cè)輸出流量反饋的雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制系統(tǒng)時(shí),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(shí),盾構(gòu)密封艙土壓控制的最大誤差為1.07 kPa。相對(duì)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(yàn)證了該方法的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

為克服螺旋輸送機(jī)理論計(jì)算渣土流量與實(shí)際輸出流量存在的偏差對(duì)密封艙壓力精確控制產(chǎn)生的影響,對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)得螺旋輸送機(jī)的瞬時(shí)渣土輸出量,并提出了基于渣土實(shí)測(cè)輸出流量反饋的雙閉環(huán)盾構(gòu)土壓平衡控制。

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

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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)