因受環(huán)境保護和地面設(shè)施的制約，對隧道施工法及其施工工藝的要求越來越高，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)工作面實際壓力的變化及時調(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預(yù)先設(shè)定土倉內(nèi)壓力值，在施工中根據(jù)地表沉降情況再進行調(diào)整來穩(wěn)定地層，是一種“滯后式”的土壓糾正。由于開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，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時調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速是關(guān)系到土壓平衡盾構(gòu)可靠掘進的關(guān)鍵技術(shù)問題，也是一個技術(shù)難點問題。
1.螺旋輸送機液壓系統(tǒng)設(shè)計
采用液壓驅(qū)動及控制的螺旋輸送機可根據(jù)密封倉內(nèi)土壓力反饋信號及變量泵比例控制螺旋輸送機轉(zhuǎn)速，從而有效地控制密封倉內(nèi)土壓并使其與開挖面水土壓力相平衡。同時，螺旋輸送機出泥口閘門的可靠啟閉是隧道施工的安全保證。
螺旋輸送機電機正常啟動完畢后，系統(tǒng)處于推進狀態(tài)，且刀盤主驅(qū)動系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)、出泥口閘門處于開啟狀態(tài)下，才能對螺旋輸送機進行正轉(zhuǎn)控制；螺旋輸送機的反轉(zhuǎn)控制則必須在聯(lián)鎖解除狀態(tài)下方可進行。另外，螺旋輸送機電機正常啟動完畢后，方可對出泥口閘門進行啟閉控制。系統(tǒng)壓力油通過三位四通電磁換向閥，液控單向閥進入液壓缸的無桿腔，推動液壓缸的活塞桿向前運動?；钊麠U向前推進時，出泥口閘門打開，其開口量逐漸增大。位移傳感器用來實時檢測液壓缸的推進位移，當檢測到的推進位移等于預(yù)先設(shè)定的位移時，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)中的行程開關(guān)用來提供出泥口閘門液壓缸的極限位置信號，可起到安全保護作用。
系統(tǒng)中馬達的轉(zhuǎn)速由安裝在其輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器實時檢測，轉(zhuǎn)速傳感器檢測得到控制參數(shù)輸出量，經(jīng)過整形、比較和增益調(diào)整放大，通過比例放大控制器控制主驅(qū)動泵的比例控制閥，使主驅(qū)動泵排量相應(yīng)地成比例變化，從而達到所需螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)正常工作時，二位二通電磁換向閥得電處于關(guān)閉狀態(tài)，壓力油通過單向閥和截止球閥進入蓄能器，此時蓄能器進行充壓蓄能。
在斷電或突發(fā)性的故障停機狀態(tài)，為了防止發(fā)生噴涌事故，應(yīng)能保證螺旋輸送機出泥口閘門的可靠關(guān)閉，以確保土倉內(nèi)的土壓保持平衡。系統(tǒng)突然斷電時，二位二通電磁換向閥斷電，油路導(dǎo)通，此時蓄能器充當泵的功能。長時間停機時，應(yīng)及時關(guān)閉管路上的截止球閥以防由于泄漏引起閉合壓力過低，造成密封不良的現(xiàn)象。溢流閥和卸荷球閥起安全保護作用，可防止蓄能器超壓。
2.螺旋輸送機排土控制策略
土壓平衡盾構(gòu)用于城市地下施工時，為了控制地表沉降，減小地表變形，一個重要因素是要保持密封倉內(nèi)的進土量和排土量相匹配。通常采取兩種控制模式，一種是控制進土量的推進控制模式，即通過土壓檢測，改變推進速度控制進土量，此時螺旋輸送機轉(zhuǎn)速事先設(shè)定；另一種是控制排土量的排土控制模式，即通過土壓檢測，改變螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速控制排土量，此時盾構(gòu)推進速度事先設(shè)定。
土壓平衡式盾構(gòu)機的排土控制模式根據(jù)所處的地質(zhì)地層情況及實踐經(jīng)驗事先設(shè)定好目標土壓和推進速度，同時通過密封倉內(nèi)的土壓傳感器的實測值來實時調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，從而達到理想的排土量。當土壓力超過目標土壓設(shè)定的上限時，螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速增大，加大排土量；當土壓力低于目標土壓設(shè)定的下限時，螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速降低減少排土量；當土壓力位于目標土壓設(shè)定的范圍內(nèi)時，螺旋輸送機以定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)排土。
實際盾構(gòu)施工時，土壓平衡自動控制一般采用PID控制，但PID控制對參數(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，由于目標值的變化、不可預(yù)測的外擾、控制對象的慢時變性都會導(dǎo)致系統(tǒng)特性的變化，使原來整定的PID參數(shù)無法保證對系統(tǒng)進行很好的控制。
3.總結(jié)
采用土倉壓力電反饋及比例反饋液壓控制技術(shù)，能控制盾構(gòu)掘進時對土體的擾動，減小地表沉降，使盾構(gòu)螺旋輸送機液壓系統(tǒng)能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)地層，提高了系統(tǒng)可靠性。
對盾構(gòu)密封倉內(nèi)土壓力進行實時檢測，采用自整定PID控制策略實現(xiàn)了螺旋輸送機轉(zhuǎn)速的實時控制，可使密封倉內(nèi)土壓力控制在設(shè)定范圍，基本實現(xiàn)自動排土控制，為土壓平衡盾構(gòu)實際施工中自動排土控制提供了一種控制參考依據(jù)。(圖/文www.w177.cn)
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