盾構(gòu)同步注漿和加泥／加水監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

李培培， 李 菊， 華雪賚， 康 盛

（1.上海市建設(shè)工程管理有限公司，上海200031；2.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海200023）

盾構(gòu)法是隧道施工的核心技術(shù)。盾構(gòu)施工的工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工序多。同時(shí)，隨著隧道施工的愈發(fā)復(fù)雜，施工過程中容易引發(fā)地面塌陷、隆起等事故，造成一系列的后果［1］。盾構(gòu)施工過程或多或少會(huì)對(duì)底層產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)地面建筑物穩(wěn)定性加深影響，要完全消除沉降是很困難的［2］，故對(duì)隧道盾構(gòu)挖掘重要過程進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控是十分重要的。

對(duì)盾構(gòu)同步注漿和加泥／加水過程進(jìn)行監(jiān)控，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)估盾構(gòu)掘進(jìn)中的危害和引起的變形等事故，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)施工過程加以監(jiān)控，可以動(dòng)態(tài)掌握運(yùn)行趨勢(shì)，進(jìn)而采取必要防范措施，并能積累供設(shè)計(jì)和施工所需的重要參數(shù)，指導(dǎo)以后的工程建設(shè)［3］。

1 沉降控制的關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土體變形可以大致分為5個(gè)階段：① 盾構(gòu)到達(dá)前，通常土體受到擠壓，有效應(yīng)力增加，地表表現(xiàn)為隆起或沉降；② 盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，受刀盤切削和平衡土壓力的影響，土體的應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化，孔隙水壓力上升，當(dāng)排土量較小或平衡土壓力較大時(shí)，地表表現(xiàn)為隆起，反之為沉降；③ 盾構(gòu)通過時(shí)，盾構(gòu)與土體之間的摩擦力改變土體應(yīng)力狀態(tài)，地表表現(xiàn)為隆起或沉降；④ 盾尾通過時(shí)，孔隙水壓力開始下降，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降；⑤ 當(dāng)為軟弱黏性土?xí)r，有時(shí)可以發(fā)現(xiàn)后續(xù)沉降，但在砂土及過于固結(jié)的硬質(zhì)黏性土中基本無后續(xù)沉降［4］。

開發(fā)盾構(gòu)同步注漿和加泥／加水監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就在于：在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，通過準(zhǔn)確的沉降控制數(shù)學(xué)模型，對(duì)盾構(gòu)不同的階段和工況進(jìn)行監(jiān)控，確保土壓的平衡，在此基礎(chǔ)上建立高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)。隧道施工對(duì)地表沉降影響的研究方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、隨機(jī)介質(zhì)理論法、彈塑性與黏彈塑性理論解析法、數(shù)值計(jì)算方法等。當(dāng)前，一般用于預(yù)計(jì)橫向沉降的大小與分布的預(yù)測(cè)地面變形的公式是Peck公式。底層損失概念和盾構(gòu)隧道施工階段的地面呈正態(tài)分布的沉降經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)為土層移動(dòng)由土體損失引起，假定土體不排水。體積不可壓縮，則沉降槽體積等于土體損失的體積，隧道施工引起的地表沉降槽曲線如圖1所示。

圖1 隧道施工引起的地表沉降槽曲線

橫向地面沉降估算公式為

式中，x為距隧道軸線的橫向水平距離，Smax為隧道軸線上方的最大地面沉降量；Vloss為盾構(gòu)隧道單位長(zhǎng)度土體損失量；i為地面沉降槽寬度系數(shù)，即沉降槽曲線拐點(diǎn)離隧道軸線的水平距離；η為體積損失率，一般情況下，黏性土層η＝1.3%～2.5%，砂層η＝0.15%～1.3%；R1為隧道半徑。

Peck公式在本軟件中得到了應(yīng)用，其曲線形狀與頂管實(shí)測(cè)地面沉降曲線較吻合，但參數(shù)i和Vloss較難準(zhǔn)確確定，其取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。

在本軟件中，i的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式有以下幾種。

式中，R為隧道外半徑；h為隧道軸線至地面深度；n＝0.8～1.0，土越軟，n取值越大。

式中，K為土質(zhì)黏度系統(tǒng)，對(duì)于砂性土K＝0.2～0.3，對(duì)于黏性土K＝0.4～0.7［5］。

由式（4）～（8）可見，在相同條件下采用不同的計(jì)算方法得到的i值相差較大，對(duì)地面沉降最大值和曲線形狀造成較大的影響。

為了解決此問題，建立了關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫，可以對(duì)土體損失參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過反算和合理推導(dǎo)可確定反彎點(diǎn)i處的沉降量約為0.618Smax，最大曲率半徑點(diǎn)的沉降量約為0.22Smax，沉陷斷面面積約為2.5iSmax。在有了符合實(shí)際情況、能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)沉降量的數(shù)學(xué)模型后，有效的地面沉降預(yù)防成為了可能，本套軟件的自動(dòng)控制原理亦是以此為依據(jù)。

2 沉降控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

盾構(gòu)同步注漿和加泥／加水監(jiān)控系統(tǒng)是加泥式土壓平衡盾構(gòu)的配套系統(tǒng)。主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、配電設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)各類變送器等組成，對(duì)同步注漿和加泥／加水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由設(shè)在盾構(gòu)及車架內(nèi)的3臺(tái)PLC（包括1臺(tái)人機(jī)界面）等組成，3臺(tái)PLC通過MELSECNET／H 總線構(gòu)成 PLC網(wǎng)絡(luò)，并通過MELSECNET／H總線與盾構(gòu)主PLC相連進(jìn)行通信。3臺(tái)PLC分別設(shè)置在盾構(gòu)機(jī)頭1號(hào)控制柜內(nèi)（PLC1）、1號(hào)車架同步注漿控制柜內(nèi)（PLC2）、4號(hào)車架加泥控制柜內(nèi)（PLC3）；另外，1臺(tái)人機(jī)界面設(shè)置在盾構(gòu)控制室內(nèi)。

3 沉降控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

人機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)數(shù)據(jù)監(jiān)視和盾構(gòu)操作控制臺(tái)的功能。設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的變送器將同步注漿、加泥／加水管路的各種參數(shù)及同步注漿泵的各種狀態(tài)、加泥泵的各種狀態(tài)和配電回路的狀態(tài)等各種運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)通過3臺(tái)PLC各自的輸入模塊，實(shí)時(shí)地采集到PLC中，然后顯示在人機(jī)界面上。盾構(gòu)機(jī)同步注漿加泥加水控制系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)同步注漿加泥加水控制系統(tǒng)界面

4 沉降防止系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行

在盾構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了控制最大沉降量、最大彎曲半徑等指標(biāo)在公差范圍內(nèi)，依據(jù)前面的算法，通過對(duì)同步注漿控制、加泥／加水自動(dòng)控制、工藝參數(shù)的調(diào)整來滿足工藝要求。

4.1 同步注漿控制系統(tǒng)

軟件特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了同步注漿系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并以此控制系統(tǒng)沉降量。

同步注漿系統(tǒng)自動(dòng)控制方式就是系統(tǒng)不斷地對(duì)外部條件進(jìn)行判斷，一旦外部條件成立，系統(tǒng)將自動(dòng)地啟動(dòng)一組控制模式的集合。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的管路壓力或流量比率隨盾構(gòu)推進(jìn)速度自動(dòng)進(jìn)行注漿；當(dāng)推進(jìn)結(jié)束后自動(dòng)對(duì)注漿口進(jìn)行清洗。注漿啟停流程如圖4所示，自動(dòng)控制有以下2種方式可選擇。

（1）壓力控制方式：根據(jù)設(shè)定的1號(hào)支路、2號(hào)支路壓力，分別對(duì)注漿泵輸出注漿量進(jìn)行比例－積分－微分（Proportion Integration Differentiation，PID）自動(dòng)控制；

（2）流量比率控制方式：根據(jù)設(shè)定的1號(hào)支路、2號(hào)支路流量比率，隨盾構(gòu)掘進(jìn)速度分別對(duì)注漿泵輸出注漿量進(jìn)行PID自動(dòng)控制。

圖4 注漿啟停流程圖

同步注漿量計(jì)算是通過注漿泵柱塞的往返次數(shù)來計(jì)算注漿量。

計(jì)算公式：

式中，V注漿為總注漿量；V注漿1為盾構(gòu)上部（1、4號(hào)注漿口）注漿量；V注漿2為盾構(gòu)下部（2、3號(hào)注漿口）注漿量；k1，k2為調(diào)整系數(shù)，范圍在0.9～1；n1為V注漿1注漿泵柱塞往返次數(shù)；n2為V注漿2注漿泵柱塞往返次數(shù)。

通過及時(shí)、足量的同步注漿操作，可以直接減小盾構(gòu)施工中對(duì)土層造成的地層損失Vloss，從而直接減少地面最大沉降量Smax，最終減少盾構(gòu)施工引起的總體沉降量。根據(jù)周文波提出的沉降量估算公式，半徑為6m的仙霞路隧道在施工時(shí)，每減少0.1%的土層損失率，沉降量就能減少5～10mm。

4.2 加泥／加水自動(dòng)控制系統(tǒng)

（1）加泥／加水泵的控制

加泥／加水系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)螺桿泵，第1臺(tái)泵對(duì)1、4號(hào)注入口進(jìn)行壓注，第2臺(tái)泵對(duì)2、3號(hào)注入口進(jìn)行壓注。2臺(tái)螺桿泵分別由2臺(tái)30KVA變頻器進(jìn)行牽引，并通過變頻調(diào)速來控制加泥量。

（2）加泥／加水管路壓注控制

加泥／加水管路系統(tǒng)由2個(gè)支路，每個(gè)支路再分成2個(gè)分支路，即1號(hào)加泥／加水支路連接1、4號(hào)分支路，2號(hào)加泥／加水支路連接2、3號(hào)分支路。每個(gè)分支路連接一個(gè)注入口。當(dāng)要對(duì)某一注入口進(jìn)行壓注時(shí)，相應(yīng)的管路電動(dòng)閥和手動(dòng)閥應(yīng)處于開足狀態(tài)?？刂频囊罁?jù)是土層穩(wěn)定系數(shù)N，計(jì)算方法為

式中，n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取0.7；r為地層密度；H為地面至開挖面中心的距離；p為開挖面支護(hù)壓力，是加泥／加水系統(tǒng)主要的控制對(duì)象；Cu為地層的不排水抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所獲得的其他參數(shù)將穩(wěn)定系數(shù)控制在最優(yōu)的1～2。

加泥量計(jì)算是通過設(shè)置在加泥管路上的流量計(jì)測(cè)出的流量與時(shí)間的乘積得到，計(jì)算公式為

式中，V1為1號(hào)支管加泥量；V2為2號(hào)支管加泥量；K1為調(diào)整系數(shù)，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定；△t為某一時(shí)刻的一段時(shí)間；L1為某一時(shí)刻1號(hào)支管流量；L2為某一時(shí)刻2號(hào)支管流量。

（3）加泥／加水系統(tǒng)控制方式

加泥／加水系統(tǒng)的自動(dòng)控制方式：根據(jù)設(shè)定的盾構(gòu)掘進(jìn)速度與加泥量的比率自動(dòng)地對(duì)注入口進(jìn)行壓注；當(dāng)推進(jìn)結(jié)束后自動(dòng)停止對(duì)注入口的壓注。自動(dòng)控制就是系統(tǒng)不斷地對(duì)外部條件進(jìn)行判斷，當(dāng)外部條件一旦成立，系統(tǒng)自動(dòng)將啟動(dòng)一組控制模式的集合開始對(duì)土室進(jìn)行加泥／加水。加泥控制有助于維持開挖面的穩(wěn)定。開挖面穩(wěn)定程度亦可控制地層損失率。根據(jù)公式估算，開挖面穩(wěn)定系數(shù)位置在1～2時(shí)，可以將土層損失率控制在1%以下。加泥／加水控制流程如圖5所示。

圖5 加泥／加水控制流程

4.3 參數(shù)調(diào)整及保護(hù)

為了及時(shí)控制盾構(gòu)的沉降和曲率，本系統(tǒng)可對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、在線調(diào)整及進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)（見表1）。

表1 調(diào)整及保護(hù)的參數(shù)

對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，可以確保系統(tǒng)在自動(dòng)進(jìn)行防沉降操作時(shí)不產(chǎn)生超限動(dòng)作，避免對(duì)土層、隧道造成不可預(yù)測(cè)的影響。在實(shí)際施工中，一般將各油壓、液壓上限控制在1MPa，若出現(xiàn)注漿不足的情況，系統(tǒng)將自動(dòng)通過增長(zhǎng)注漿時(shí)間等動(dòng)作來進(jìn)行補(bǔ)償，確保各參數(shù)不超過危險(xiǎn)值。

5 輔助控制系統(tǒng)

在同步注漿、加泥系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償下，可以基本防止隧道開挖對(duì)地面造成的沉降。為了進(jìn)一步應(yīng)對(duì)隧道開挖時(shí)可能發(fā)生的各種情況，還開發(fā)了一系列輔助功能，這些功能對(duì)盾構(gòu)挖掘的質(zhì)量控制起到了輔助控制的作用。

5.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

對(duì)需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以推進(jìn)環(huán)為單位作為一個(gè)文件進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)以每推進(jìn)2cm存儲(chǔ)一次，并存儲(chǔ)本環(huán)中的最大值或最小值，對(duì)所有存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均需帶時(shí)標(biāo)。通過歷史數(shù)據(jù)的回溯，可以在施工中隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)控制用的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行及時(shí)的修正，對(duì)Peck公式中的主要參數(shù)n與i進(jìn)行修訂，確保施工過程正常進(jìn)行，施工地區(qū)地表沉降得到有效控制。

5.2 數(shù)據(jù)查詢功能

對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件可采用環(huán)號(hào)或日期、時(shí)間進(jìn)行搜索和查詢。主要用于人工修正公式誤差或進(jìn)行歷史記錄查詢用。

5.3 報(bào)警功能

本系統(tǒng)對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行告警、存儲(chǔ)。各類告警應(yīng)在操作界面有聲光指示。當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)告警，在操作界面相應(yīng)的燈光閃爍，并發(fā)出聲告警；確認(rèn)后，燈光變?yōu)槌Ａ粒ü收线€存在），聲告警消失；當(dāng)故障消失，告警燈熄滅。各類告警以表格方式存儲(chǔ)，并對(duì)所有告警均需帶時(shí)標(biāo)。各類告警如表2所示。

5.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面主要用于人機(jī)交互，采用多畫面方式進(jìn)行對(duì)同步注漿系統(tǒng)、加泥／加水系統(tǒng)監(jiān)控的顯示、設(shè)置和操作。其畫面至少應(yīng)包括：同步注漿系統(tǒng)監(jiān)控主畫面、加泥／加水系統(tǒng)監(jiān)控主畫面、系統(tǒng)告警表畫面、同步注漿系統(tǒng)和加泥／加水系統(tǒng)一次配電回路狀態(tài)畫面、同步注漿系統(tǒng)和加泥／加水系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面、同步注漿系統(tǒng)和加泥／加水系統(tǒng)表報(bào)畫面等。每一畫面一般包括監(jiān)控畫面和畫面切換按鈕區(qū)。監(jiān)控畫面主要有：工藝流程圖、表格、顯示窗口、控制按鈕、參數(shù)設(shè)置窗口等；畫面切換按鈕區(qū)主要有：各畫面的切換按鈕。人機(jī)界面在提供交互操作的同時(shí)，也提供防沉降自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況參數(shù)，以及實(shí)時(shí)檢測(cè)到的沉降情況參數(shù)。這些數(shù)據(jù)提供給操作者，作為防沉降系統(tǒng)運(yùn)行狀況的判斷依據(jù)，以便操作者判斷系統(tǒng)工作狀況，在必要時(shí)刻進(jìn)行人工干預(yù)。同步注漿控制人機(jī)界面如圖6所示。

表2 各類告警

圖6 同步注漿控制人機(jī)界面

6 結(jié) 語

本軟件成功應(yīng)用在上海仙霞路隧道開挖工程中，其監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為盾構(gòu)掘進(jìn)方案的決策提供了有效依據(jù)。根據(jù)這套監(jiān)控系統(tǒng)，在盾構(gòu)同步注漿和加泥、加水施工過程中，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)，對(duì)開挖過程進(jìn)行了合理控制，并對(duì)各種異常狀況及時(shí)報(bào)警，通過存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分析整個(gè)施工情況，提供必需的參考數(shù)據(jù)［3］。在實(shí)際施工中，把使用Peck公式預(yù)測(cè)地面沉降量，并將不進(jìn)行防沉降修正情況下地面的沉降情況與實(shí)測(cè)沉降量進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)沉降情況明顯好于預(yù)期。圖7是在施工進(jìn)行到第80環(huán)時(shí)的沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的比較。

圖7 沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

首次應(yīng)用該監(jiān)控系統(tǒng)的上海仙霞路隧道工程項(xiàng)目于2010年順利完成隧道挖掘施工，完工后實(shí)測(cè)地表沉降量基本小于預(yù)測(cè)值（見圖7），表明該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中具有充分的有效性。該系統(tǒng)項(xiàng)目與總工程于2010年月12月同步完成驗(yàn)收。通過在線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)隧道盾構(gòu)挖掘進(jìn)程中的同步注漿和加泥／加水的控制，使土層損失量控制在0.107 8%內(nèi)，地面沉降控制在11mm內(nèi)，滿足工程的質(zhì)量要求。所以，本系統(tǒng)能有效的控制隧道施工對(duì)地表沉降的影響。

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