土压平衡盾构机土舱压力PID控制技术
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摘要：近年来,随着国内城市轨道交通系统的不断完善,地下铁路的隧洞成型施工中盾构施工技术得到越来越广泛的应用,随着盾构法施工在地下隧道工程中的广泛应用,隧道盾构施工对周围环境的影响,特别是地面沉降问题受到越来越多的关注。所以如何更有效利用和创造地下空间已成为当今城市现代化建设的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择。
中图分类号：X924文献标识码： A
一、前言
随着城市地区地下交通网络的高速发展，出现了大量土压平衡盾构施工的隧道工程。大量工程实践表明，土压平衡盾构掘进施工过程中，开挖面稳定控制对于降低盾构推进对周围土体的影响具有重要意义。土压平衡盾构掘进施工中，土舱压力的设定对于控制盾构施工对周围环境的影响意义重大。因此，设置合理的施工土舱压力，提高盾构隧道在施工过程中的稳定性，对于控制地表沉降、提高掘进速度、降低掘进成本有着非常重要的意义。
二、土压平衡盾构机概述
土压平衡盾构机主要由盾壳、刀盘、螺旋输送机、盾构千斤顶、管片拼装机以及盾尾密封装置等构成,它是在普通盾构基础上,在盾构中部设置一道密封隔板,把盾构开挖面与隧道截然分开,使密封隔板与开挖面土层之间形成一个密封泥土舱,刀盘在泥土舱中工作。同时,密封舱隔板装有螺旋输送机,当盾构由盾构千斤顶向前推进时,由刀盘切削下来的泥土充满泥土舱和螺旋输送机壳体内的全部空间,同时依靠充满的泥土来支护开挖面土层的水土压力,开挖下来的泥土通过螺旋输送机排出盾体。土压平衡盾构机是一种通过控制密封土舱压力以维持开挖面稳定和向前推进的隧道掘进机械。处于土压平衡盾构前部的密封舱中的土压力是盾构掘进过程中一个极为关键的控制参数,其值的大小关系到开挖面的稳定和地面的变形。如果密封舱内的土压力大于开挖面的水土压力,地表将发生隆起;反之,如果密封舱内的土压力小于开挖面的水土压力,地表将发生沉陷。
三、土压平衡控制原理
土压平衡盾构机土舱压力pid控制技术，刀盘转速采用开环的控制，通过比例变量泵进行调节（如图1所示）。控制比例变量泵的排量来实现刀盘转速的连续调节。盾构机推进系统和螺旋输送机转速的控制是采用闭环控制的。可以根据实际掘进情况采用三种操作模式的一种来进行调节土舱压力。以第一种操作模式即推进速度保持，控制螺旋输送机的转速调节排土量大小，实现设定土仓压力的稳定为例来说明。土仓内的土压经土压计测量后通过A/D转换送到控制系统，在控制系统中把测量到的土压值与土压设定值进行比较处理，确定出偏差，通过D/A 转换成电流信号，增大或减小比例变量泵中电磁比例阀的控制电流信号。控制电流信号经放大，直接控制电磁比例阀进而控制主驱动变量泵排量的变化，从而控制螺旋输送机的液压马达的转速作对应的变化，使得螺旋输送机的转速（即泥土排出量）也随之增大或减少，实现土仓压力的稳定。
图1 土压控制原理框图
四、土舱压力控制技术
1、土舱压力的设定与控制
当土压平衡盾构机在掘进时,刀盘切削下的土体进入土舱,土体在压力舱形成一定的土压力,该压力值由安装在前盾承压隔板的土压传感器测得并传送给PLC控制器。该控制器将测得的土压力与设定的土压力值比较后输出电信号调控液压控制系统中的比例流量阀,以此改变螺旋输送机转速,从而维持压力舱内土压力与设定压力吻合,保持开挖面的稳定。
土压平衡盾构机的土压由PID自动调节控制,即采用闭环补偿控制系统,见图2。刀盘切下的土体进入土仓,形成土压,前盾承压隔板安装的土压传感器监测到土压力值传送到PLC,PLC计算出测量值与设定值之间的差值e（e是指控制器输入与设定值之间的误差）,通过PID控制,自动调整螺旋机转速,使e值趋向于零。当e值大于零时, PLC发出指令,增加螺旋机转速,提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态;反之,当e值小于零时, PLC会降低螺旋机转速,以减少偏差,保持土仓内土压平衡,使盾构机正常掘进。
图2闭环补偿控制系统图
2、施工中土压力的及时调整
土舱压力应随隧道上覆土厚度的变化而变化,但如单凭理论土压来设定土舱压力显然不合适。由于土层的复杂性,地面超载作用力的大小及建筑物基础结构的不准确性,另外,盾构机内部的土压传感器和自动模式控制器存在系统误差,造成了土压力设定值的计算结果不可能十分准确。目前,主要通过预先在盾构施工的轴线上布置地面变形监测点,盾构施工中用精密水准仪每天2次对机头前30m的监测点进行观测,并把监测点的高程变化及时反馈盾构操作者,以便及时调整设定土压力,直至地面不发生大的沉隆为准。所以,盾构前方地面沉降监测结果可直接反映土压力设定值与自然土压力的吻合程度。在实际施工中,可根据地表沉隆要求控制盾构机前的地面沉隆量在-2~（+2）mm,如隆起过大则应适当调低压力设定值,如发生沉降则应适当调高压力设定值。
3、协调好推进速度、螺旋机转速和土舱压力之间的关系
土压平衡式盾构,施工中可采用自动土压控制装置,通过装在盾构机土舱隔壁上的土压计对掘进中的土压进行监测,利用装在后续台车上的操作盘内PLC计算出与操作目标值(管理土压值)的差值,通过PID控制,自动调整螺旋机转速的控制指令值。计测土压(左右土压的平均值)高于目标值时增加回转速度,反之减少回转速度。
五、土体状态的控制方法
1、在盾构选型时应根据施工范围内地质、水文情况,选定符合要求盾构机的刀盘系统、搅拌系统、排土系统等。例如刀盘系统决定着地层的破碎机理,其中刀盘刀具的数量、布置形式、种类、开口率、开口孔隙的规格、刀盘辐条的钢结构形式、刀盘转速等对进入土舱内土体的影响最大。刀盘的扭矩大小和土压计精度、耐久性也非常重要。
2、加入添加剂对土体进行改良
现在使用的盾构机均在刀盘、土舱内壁、螺旋输送机设计了注入孔。可根据现场的地质、水文情况,采取注水、注泥,添加膨润土、泡沫等措施,再通过刀盘开挖搅拌作用,使注入的材料与开挖下的泥土混合,而将土舱内的泥土转变为具有流动性好和不透水性的泥土,能及时充满泥土舱和螺旋机体内全部空间,随着盾构的不断推进而顺利的由螺旋机排土口排出,同时还能防止地下水的涌出。
3、根据不同地质情况选用不同类型的土压平衡式盾构机
为了使这种盾构机能更好地适应不同土质施工要求,在国外,不少盾构制造厂商根据自己的经验,结合不同的施工条件和地质要求,采用不同的开挖面稳定装置和排土方式,设计成不同类型的土压平衡盾构,使其能适应从松软黏性土层到砂砾土层范围内的各种土层,能较好地稳定开挖面地层,减少和防止地面变形,提高隧道施工质量。如加水型、泥浆型、加泥型等针对性更强的土压平衡盾构,目的就是为了更好的建立土压平衡。
六、结束语
综上所述，土压平衡盾构机土舱中压力设定与控制对于有效控制地表变形、减小对隧道施工周边环境和建筑物的影响十分重要。在施工过程中应时刻注意土舱压力,适当调整PID系数,可以有效准确控制土舱压力。
参考文献：
[1] 胡国良 何贤剑：《土压平衡式盾构机土舱压力控制仿真分析》，《煤矿机械》，2009年07期
[2] 陈立生 王洪新：《土压平衡盾构平衡控制的新思路》，《上海建设科技》，2008年05期
[3] 上官子昌 李守巨 孙伟 栾茂田 刘博：《土压平衡盾构机密封舱土压力控制方法》，《煤炭学报》，2010年03期
[4] 刘博 李守巨：《土压平衡盾构机密封舱土压力控制研究》，《哈尔滨工业大学学报》，2011年S1期