大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)土壓平衡控制技術(shù)探究

薛廣記，賈連輝，范 磊，諶文濤

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

隨著城市地下空間開發(fā)地不斷深入，矩形掘進(jìn)機(jī)已廣泛應(yīng)用于地鐵、地下過街通道、綜合管廊、地下停車場(chǎng)等地下空間開發(fā)領(lǐng)域，而城市矩形隧道多為淺覆土工況，這給矩形掘進(jìn)機(jī)施工地表沉降控制及掘進(jìn)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)帶來諸多挑戰(zhàn)[1]。矩形掘進(jìn)機(jī)施工引起地表沉降的因素眾多，主要包括“土倉壓力與掌子面不平衡”、“背土”、“盾體周邊注漿壓力”等[2]，其中“背土”現(xiàn)象可通過盾體、管節(jié)周邊的減摩泥漿克服[3～4]，“注漿壓力”控制地表沉降經(jīng)過多年來的發(fā)展也已成為較為成熟的技術(shù)[5]。而“土倉壓力平衡控制”在常規(guī)盾構(gòu)及小斷面矩形頂管較為成熟，但大矩形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工一般采用多刀盤、多個(gè)螺旋輸送機(jī)出渣形式，加之矩形斷面的特異性，給土壓平衡控制帶來了諸多不確定性，土倉壓力的驟然變大或變小會(huì)直接作用在開挖掌子面上，導(dǎo)致地表的隆起或沉降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。

對(duì)此，大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)土壓平衡控制技術(shù)尚待進(jìn)一步的研究，針對(duì)多刀盤開挖速度、多螺旋輸送機(jī)（后文簡稱螺機(jī)）出渣速度、頂推液壓缸推進(jìn)速度等參數(shù)如何匹配，對(duì)提高施工效率、控制地表沉降具有重要意義。

本文依托嘉興長水路下穿南湖大道通道工程，針對(duì)超大斷面矩形隧道，通過理論計(jì)算、針對(duì)性設(shè)計(jì)及工業(yè)性物理試驗(yàn)分析等手段對(duì)矩形掘進(jìn)機(jī)土壓平衡控制技術(shù)及應(yīng)用展開研究，以期為矩形掘進(jìn)機(jī)的土壓平衡施工控制提供參考。

1 工程概況

嘉興市長水路下穿南湖大道工程（施工效果圖見圖1），雙向雙線六車道，雙線隧道均長100.5m，寬14.8m，高9.426m，開挖面積達(dá)123m2，屬大斷面矩形隧道。穿越地質(zhì)為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，覆土5.68～6.54m，潛水位埋深在0～1.8m之間，并下穿燃?xì)夤芫€、電力管線、砼污水管、鋼給水管等管線。

圖1 長水路下穿南湖大道效果圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 土倉壓力影響因素分析

土壓平衡掘進(jìn)機(jī)施工壓力控制的基本原理是通過土倉建壓平衡掌子面壓力，具體來說：推進(jìn)液壓缸頂推設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)刀盤切削土層，并將刀盤開挖下來的渣土填滿土倉，利用刀盤后面的攪拌棒，強(qiáng)制混合土艙內(nèi)渣土，并借助掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓缸的推力通過隔板進(jìn)行加壓，產(chǎn)生泥土壓力，而推進(jìn)液壓缸的推進(jìn)力受負(fù)載決定，在給定某一油壓后，推進(jìn)力的大小仍隨土倉壓力的波動(dòng)而波動(dòng)。該土倉壓力可通過土壓傳感器進(jìn)行測(cè)量，并通過控制推進(jìn)速度、螺機(jī)轉(zhuǎn)速來控制，以保證掘削土量與排渣量相對(duì)應(yīng)，并使得土艙內(nèi)的渣土壓力與開挖面的水土壓力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡[6]。

基于上述原理，隧道掘進(jìn)機(jī)滿倉掘進(jìn)的前提條件下，土倉渣土壓力波動(dòng)主要受推進(jìn)速度、出渣速度、刀盤轉(zhuǎn)速影響。

1）推進(jìn)速度 在全斷面切削的狀態(tài)下，推進(jìn)速度直接影響進(jìn)入土倉的渣土量，在出渣速度一定的條件下，推進(jìn)速度越快，土倉內(nèi)渣土進(jìn)大于出，土倉壓力將變大，反之將導(dǎo)致土倉壓力變小。

2）出渣速度 大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)排渣系統(tǒng)采用單個(gè)螺機(jī)很難滿足出渣的要求，會(huì)造成土倉積渣；因此可采用兩臺(tái)或更多臺(tái)螺旋輸送機(jī)聯(lián)合控制出渣，螺旋輸送機(jī)的出渣速度不僅影響了土倉的整體壓力大小，而且多臺(tái)螺機(jī)的不同轉(zhuǎn)速設(shè)置對(duì)左右土倉的壓力均衡性也將產(chǎn)生影響，不僅會(huì)影響大斷面開挖掌子面的局部失穩(wěn)，還會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)偏離（圖2）。

圖2 左右土倉壓差導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)偏離

3）刀盤轉(zhuǎn)速 超大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)一般采用多刀盤聯(lián)合開挖的切削形式，如圖3所示，通過多刀盤的前后布置，實(shí)現(xiàn)矩形斷面的全斷面切削，同時(shí)刀盤后面板布置的攪拌棒能夠在將切削進(jìn)入土倉的渣土與注入的改良劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢杈鶆颍怪蔀榫哂幸欢魉苄缘脑?。刀盤切削攪拌轉(zhuǎn)速的提高有助于土倉渣土改良，使整個(gè)土倉具有較為規(guī)律的土壓微環(huán)境。

圖3 刀盤布置形式

2.2 土倉壓力波動(dòng)規(guī)律探究

2.2.1 刀盤切削出土量計(jì)算

左小龍道：你想，我從小想做個(gè)指揮，合唱團(tuán)指揮，現(xiàn)在有這個(gè)機(jī)會(huì)，我們有地方，我們有這么大的地，可以訓(xùn)練，還能發(fā)展，還有這么多弟兄，平時(shí)做什么都聽你的，我……我們就把這個(gè)雕塑園搞得像一個(gè)小的國家一樣，說不定還能搞出個(gè)些什么產(chǎn)業(yè)來，我們就能賺到錢，當(dāng)然，賺錢不賺錢不是最重要的，最重要的是，這不能只有野雞野鴨啊，這里有多么好的土壤。

由于設(shè)備采用全斷面開挖，刀盤在單位時(shí)間內(nèi)的切土量如公式1所示。

其中，Q1為刀盤切土量，m3/h；S為開挖面積，m2；v為掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度，m/h；k為渣土的松方系數(shù)，一般取1.2～1.5。

對(duì)于該大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)，S=123m2，設(shè)計(jì)最大推進(jìn)速度v1=2.4m/h，松方系數(shù)k取1.5，則可以計(jì)算該設(shè)備每小時(shí)的切土量為442.8m3。

值得注意的是，掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度設(shè)定時(shí)，應(yīng)與刀盤切削速度相匹配，為防止刀具本體磨損，需滿足單把刀具的貫入度低于刀具合金齒高，在刀盤刀具一定的情況下，由此可推算出掘進(jìn)機(jī)的最大推進(jìn)速度，如公式2所示。

其中，v1為推進(jìn)速度，m/h；P為刀盤貫入度，mm/r；n0為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2.2 螺旋輸送機(jī)出渣能力計(jì)算

大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)橫向跨度大，開挖量大，土倉存在渣土滯排問題，矩形掘進(jìn)機(jī)一般采用2臺(tái)或多臺(tái)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行出渣，其出渣能力主要取決于螺機(jī)直徑及螺機(jī)轉(zhuǎn)速，總出渣能力為

其中，Q2為螺機(jī)的總排土量，m3/h；D為螺旋葉片直徑，m；d為螺桿直徑，m；l為螺旋節(jié)距，m；t為葉片厚度，m；n為螺旋最大轉(zhuǎn)速，r/h；j為充填系數(shù)，一般取90%；m為螺機(jī)數(shù)量。

針對(duì)本項(xiàng)目大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)最大442.8m3/h的推進(jìn)出渣需求，該設(shè)備配置3臺(tái)筒徑為700mm的螺機(jī)，螺旋葉片直徑0.688m；螺桿直徑0.18m；l為螺旋節(jié)距0.63m；葉片厚度0.045m；螺旋最大轉(zhuǎn)速為762r/h，則設(shè)備的最大出渣能力為462m3/h。安全余量為1.04，而實(shí)際松方系數(shù)較小，由此可見，螺機(jī)的最大出土量大于設(shè)備開挖量，滿足最快掘進(jìn)需求。

2.2.3 推進(jìn)速度與螺機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)關(guān)系

在矩形掘進(jìn)機(jī)實(shí)際施工過程中，推進(jìn)速度及出渣速度基本不會(huì)處于某一恒定值，而是實(shí)時(shí)變化的，為保證開挖土倉渣土量及土倉壓力的穩(wěn)定，掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度及螺機(jī)轉(zhuǎn)速需滿足一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能控制土倉進(jìn)、排渣土量的平衡。

令Q1=Q2，即

針對(duì)本項(xiàng)目開挖面積及螺機(jī)參數(shù)一定的條件下，需滿足螺機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度225k倍的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中k值可根據(jù)試掘進(jìn)實(shí)測(cè)來定。即為保證土倉壓力平衡，在調(diào)整掘進(jìn)速度的同時(shí)匹配調(diào)節(jié)螺機(jī)轉(zhuǎn)速來控制土倉渣土進(jìn)出平衡。

2.3 土倉壓力控制

為實(shí)時(shí)掌握土倉各位置壓力，方便實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)掘進(jìn)參數(shù)，在土倉隔板上中下、左中右位置均布置了19個(gè)壓力傳感器，如圖4黑點(diǎn)所示。

圖4 壓力傳感器布置圖

2.3.1 推進(jìn)壓力、推進(jìn)速度復(fù)合控制

推進(jìn)液壓缸的推進(jìn)壓力由負(fù)載決定，在掘進(jìn)機(jī)滿倉掘進(jìn)的過程中，推進(jìn)力由開挖掌子面水土壓力載荷決定。掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)受到的阻力是沿著圓周非均勻分布的，并且呈左右兩邊對(duì)稱，上小下大分布。在推進(jìn)油缸布置的時(shí)候，底部油缸數(shù)量需要比頂部多，左右兩邊的油缸成對(duì)稱布置。為了簡化頂進(jìn)系統(tǒng)的控制方式，降低操作難度，設(shè)置有油缸單獨(dú)選擇控制及全選控制兩種模式。

為了提高矩形掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)過程中推力響應(yīng)速度、姿態(tài)控制精度，降低施工能耗；同時(shí)提高土倉壓力的控制精度，減少系統(tǒng)的超調(diào)，單純的壓力控制系統(tǒng)或速度控制系統(tǒng)無法滿足推進(jìn)與節(jié)能要求，對(duì)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了基于壓力、流量和位移的復(fù)合控制系統(tǒng)?？紤]到系統(tǒng)屬于大功率應(yīng)用，為避免能量損失，提高系統(tǒng)輸出與真實(shí)負(fù)載功率的匹配度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。采用內(nèi)環(huán)位置檢測(cè)反饋，外環(huán)壓力、流量檢測(cè)反饋的雙閉環(huán)電液比例控制方法，其系統(tǒng)控制邏輯如圖5所示。

圖5 變量泵壓力、流量復(fù)合控制邏輯圖

由于頂推系統(tǒng)每個(gè)推進(jìn)液壓缸單元的控制邏輯一致，因此以其中一組推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行元件為例進(jìn)行介紹。圖6為推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖，以變量柱塞泵為動(dòng)力元件，匹配比例調(diào)速閥和比例溢流閥，組成流量、壓力無級(jí)調(diào)節(jié)動(dòng)力源，以滿足頂推系統(tǒng)壓力流量復(fù)合控制要求，通過改變液壓泵的控制阻尼參數(shù)，縮短液壓泵的響應(yīng)時(shí)間，提升載荷順應(yīng)性。在掘進(jìn)過程中，通過頂推液壓缸的內(nèi)置位移傳感器檢測(cè)速度，PLC自動(dòng)比對(duì)檢測(cè)信號(hào)與給定信號(hào)，把偏差信號(hào)反饋給泵，通過泵的調(diào)節(jié)使推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度與給定的信號(hào)相匹配，進(jìn)而使設(shè)備按照給定的信號(hào)進(jìn)行掘進(jìn)。同時(shí)通過比例溢流閥可遠(yuǎn)程設(shè)置壓力切斷值。泵的流量輸出與輸入的控制電流成比例關(guān)系，但當(dāng)系統(tǒng)壓力超過壓力切斷值時(shí)，系統(tǒng)壓力自動(dòng)切斷，泵排量回?cái)[至最小，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力保護(hù)。

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖

通過壓力流量復(fù)合泵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，壓力流量的超調(diào)量較小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變強(qiáng)，運(yùn)用閉環(huán)的控制系統(tǒng)不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且閉環(huán)控制擁有反饋系統(tǒng)，可以對(duì)輸出實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制精度高。壓力流量復(fù)合泵控負(fù)載控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的響應(yīng)速度迅速，能夠快速感知負(fù)載，提高頂推系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的順應(yīng)性。

2.3.2 多螺旋輸送機(jī)協(xié)同控制

大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)橫向跨度大，土倉左右壓力平衡控制難度高，對(duì)排渣系統(tǒng)的排渣均勻性提出了新要求。由于多個(gè)螺機(jī)同時(shí)對(duì)土倉渣土進(jìn)行排渣工作，每個(gè)螺機(jī)的速度都會(huì)影響土倉壓力的平衡，如果每個(gè)螺機(jī)依然采用單個(gè)控制的傳統(tǒng)控制方法必然會(huì)引起土倉壓力的波動(dòng)，不利于維持土倉壓力的平衡。使用Fluent對(duì)土倉渣土流場(chǎng)壓力進(jìn)行分析，多螺機(jī)單獨(dú)控制時(shí)出渣口存在壓差。為了提高土倉全斷面壓力均衡性，實(shí)現(xiàn)多螺機(jī)的自動(dòng)控制，摒棄傳統(tǒng)的單螺機(jī)控制方法，對(duì)多螺機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。

為消減土倉左右壓差，設(shè)計(jì)多螺機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)的大數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和PLC的穩(wěn)定輸出特性，將計(jì)算機(jī)和PLC進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為多螺旋輸送機(jī)出渣提供了一個(gè)新的控制方法。上位機(jī)通過OPC通信協(xié)議與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，將各位置土倉壓力、各位置螺機(jī)轉(zhuǎn)速等設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)采集并發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)將比較運(yùn)算后的參數(shù)發(fā)給控制器，然后控制器完成對(duì)多螺機(jī)的控制，通過多螺機(jī)的協(xié)調(diào)控制減小各部位土倉壓力差及自身壓力波動(dòng)。圖7是控制實(shí)現(xiàn)框圖。

圖7 多螺機(jī)控制框圖

值得一提的是，基于上述螺機(jī)控制原理及多螺機(jī)布置形式，在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行左右調(diào)向時(shí)，可通過設(shè)置左右螺機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行左右土倉壓差控制，配合掘進(jìn)機(jī)糾偏油缸，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的輔助糾偏控制。

綜上，通過多通道螺機(jī)互饋出渣與掌子面平衡頂推設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了土倉壓力穩(wěn)定、均衡控制，有效控制地表沉降、并為主機(jī)姿態(tài)控制提供了新思路。

3 工程應(yīng)用情況

該土壓平衡控制技術(shù)已成功應(yīng)用于大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)，并已完成嘉興長水路下穿南湖大道工程試驗(yàn)段施工。設(shè)備較好地完成了掘進(jìn)任務(wù)，并創(chuàng)造了矩形隧道15m級(jí)掘進(jìn)機(jī)施工的世界紀(jì)錄。

在施工試掘進(jìn)過程中實(shí)測(cè)該地質(zhì)條件及改良方式下的松方系數(shù)k為1.25，施工中各螺機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)匹配推進(jìn)速度，基本滿足螺機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度280倍（利用公式4計(jì)算所得）的對(duì)應(yīng)關(guān)系（如圖8所示），實(shí)時(shí)保證土倉渣土進(jìn)排土量基本保持一致，使得土倉壓力能夠平穩(wěn)實(shí)時(shí)平衡掌子面壓力，其上中下壓力平均維持在0.7bar、1.35bar、1.75bar，如圖9所示，與此同時(shí)，螺機(jī)的協(xié)調(diào)控制也較好的控制了左右土倉的渣土壓力的均衡性，使其基本保持一致。地表沉降控制在規(guī)范要求以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)施工要求。

圖8 螺機(jī)轉(zhuǎn)速隨推進(jìn)速度變化曲線

圖9 左右側(cè)、上中下土壓監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)論與討論

以嘉興長水路下穿南湖大道15m級(jí)矩形頂管項(xiàng)目為依托，對(duì)適用于大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)壓力平衡控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1）闡述了影響土倉壓力波動(dòng)的因素；通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，探索出壓力平衡條件下的螺機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的相關(guān)關(guān)系模型。

2）通過多通道互饋出渣與掌子面平衡頂推設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了土倉壓力穩(wěn)定、均衡控制，有效控制地表沉降、并為主機(jī)姿態(tài)控制提供了新思路。

該大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)土壓平衡控制技術(shù)的突破及成功應(yīng)用，為大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)及施工控制提供借鑒的同時(shí)，也再次證實(shí)了矩形頂管工法廣泛的斷面適應(yīng)性及應(yīng)用前景。