土压平衡盾构机土舱压力PID控制技术

1、土压平衡盾构机土舱压力 PID 控制技术一、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、、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