大斷面箱涵液壓同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)

米智楠，潘柳萍，陳龍安，吳仁智

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201804）

上海市中環(huán)線北虹路隧道工程在國(guó)內(nèi)首次采用了管幕內(nèi)箱涵液壓同步頂進(jìn)施工技術(shù).箱涵斷面高7.85m、寬34.20m、全長(zhǎng)126.00m，是目前世界上最大斷面、長(zhǎng)度第2的管幕內(nèi)箱涵頂進(jìn)工程［1］.國(guó)際上箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)的研究主要集中在英國(guó)和日本等國(guó).這些技術(shù)作為穿越道路、鐵路、結(jié)構(gòu)物和機(jī)場(chǎng)等的非開(kāi)挖技術(shù)，在英國(guó)、美國(guó)、日本和中國(guó)臺(tái)灣等都有廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果.早在20世紀(jì)60年代英國(guó)就對(duì)箱涵頂進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究，但還不完善，如未能解決地面沉降等問(wèn)題［2－3］.1986年反拖動(dòng)系統(tǒng)（anti－drag system，ADS）的成功研制標(biāo)志著英國(guó)箱涵頂進(jìn)技術(shù)走向成熟［4］.1999年英國(guó)Dorney橋的泄洪涵洞施工中成功應(yīng)用了ADS系統(tǒng)，頂進(jìn)的箱涵體斷面尺寸為寬23.0m、高9.5m［5］.2001年美國(guó)波士頓火車站地下汽車隧道也采用了ADS系統(tǒng)，頂進(jìn)箱涵體的斷面尺寸為寬24.0m、高10.8m，總長(zhǎng)度為106.8m［6］.2002年英國(guó) M1公路15A 節(jié)點(diǎn)處也成功應(yīng)用了ADS系統(tǒng)，將大型箱涵體順利頂進(jìn)［7］.

日本將管幕與箱涵頂進(jìn)研究相結(jié)合開(kāi)發(fā)出前端推進(jìn)技術(shù)（front jacking，F(xiàn)J）和無(wú)端自推進(jìn)技術(shù)（endless self－advancing，ESA）等［8－9］.1991年日本近畿公路松原海南線送尾工程采用ESA技術(shù)推進(jìn)大斷面箱涵，箱涵斷面尺寸分別為高7.33m、寬19.80 m、長(zhǎng)47.00m.2000年大池成田線高速公路下的箱涵體施工采用了管幕結(jié)合FJ技術(shù)，并對(duì)管幕內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固.1989年日本鐵建公司采用管幕結(jié)合ESA箱涵推進(jìn)技術(shù)承建臺(tái)北松山機(jī)場(chǎng)地下通道工程，箱涵的斷面尺寸分別為高7.5m、寬22.2m、長(zhǎng)100.0m［10］.

ADS，ESA和FJ技術(shù)的共同點(diǎn)是先挖土后推進(jìn)，這就需要對(duì)前方土體加固以保持工作面穩(wěn)定，同時(shí)箱涵推進(jìn)時(shí)需要開(kāi)挖導(dǎo)坑，鋪設(shè)軌道，箱涵逐節(jié)推進(jìn)，因此，推力小，不需反力后備及反力架.北虹路隧道工程由于受到地面環(huán)境的限制，不能提供很大的預(yù)制場(chǎng)所，同時(shí)限于工程造價(jià)，管幕內(nèi)的土體也不能進(jìn)行加固.該工程的這一特殊性決定箱涵的推進(jìn)方式只能是先頂進(jìn)后挖土.為保證這一特殊推進(jìn)方式的順利實(shí)現(xiàn)，本文提出了一種新的關(guān)于箱涵頂進(jìn)速度、姿態(tài)和液壓泵轉(zhuǎn)速控制等問(wèn)題的綜合解決方案以滿足實(shí)際工程的需要.

1 同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

液壓同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)可根據(jù)容柵傳感器檢測(cè)的箱涵位移信號(hào)和油壓傳感器的油壓（推力）信號(hào)實(shí)時(shí)修正頂進(jìn)參數(shù)，通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)輸出流量即可控制頂進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)箱涵的同步推進(jìn)和負(fù)載均衡，也可控制兩側(cè)液壓缸的頂進(jìn)量進(jìn)行糾偏，調(diào)整箱涵頂進(jìn)姿態(tài)，從而保證了箱涵以正確的姿態(tài)、按照預(yù)定的軌跡順利頂進(jìn).

同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)采用3級(jí)分層的集中控制方式，即遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層、中轉(zhuǎn)層和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)層，如圖1所示.遠(yuǎn)程控制監(jiān)視層是主控系統(tǒng)，包括1臺(tái)主控制器和主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)管理和調(diào)度，箱涵頂進(jìn)的全部控制操作均可在主控制器和主控計(jì)算機(jī)上進(jìn)行.主控制器和主控計(jì)算機(jī)還可連接監(jiān)視計(jì)算機(jī)以監(jiān)控箱涵頂進(jìn)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)交互的人機(jī)界面顯示和記錄箱涵當(dāng)前的頂進(jìn)狀態(tài)和控制參數(shù).中轉(zhuǎn)層位于中間，為中轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，包括2臺(tái)中轉(zhuǎn)控制器，每臺(tái)中轉(zhuǎn)控制器分別與5臺(tái)液壓泵站控制器相連接，同時(shí)也分別與2只容柵位移傳感器相連，接收容柵傳感器檢測(cè)的箱涵位移信號(hào).現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)層包括液壓泵站控制器、液壓泵站、頂進(jìn)液壓缸和油壓傳感器等.液壓泵站控制器共10臺(tái).每個(gè)液壓泵站上安裝1臺(tái)液壓泵站控制器和1只油壓傳感器，共使用了10臺(tái)液壓泵站.液壓泵站控制器可與對(duì)應(yīng)的中轉(zhuǎn)控制器實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)液壓泵站相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和上傳以及主控制器對(duì)液壓泵站的自動(dòng)控制，也可以對(duì)液壓泵站進(jìn)行手動(dòng)控制，包括2只液壓泵（定量泵和變量泵）的啟動(dòng)、頂進(jìn)液壓缸的伸縮和流量的調(diào)節(jié)等.

圖1 同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure diagram of synchronously jacking control system

在同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)中中轉(zhuǎn)控制器起著“中繼站”的重要作用.中轉(zhuǎn)控制器接收從液壓泵站控制器傳送的液壓缸狀態(tài)信號(hào)、油壓信號(hào)以及容柵傳感器檢測(cè)的箱涵測(cè)量點(diǎn)位移等數(shù)據(jù)外，同時(shí)與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，向主控制器發(fā)送液壓缸狀態(tài)、油壓、箱涵測(cè)量點(diǎn)位移、當(dāng)前步序號(hào)反饋、脈寬調(diào)制（PWM）值以及報(bào)警等信號(hào)；又從主控制器接收控制步序號(hào)、位移差值、比例－積分－微分（PID）初值及增益、變頻電機(jī)PWM調(diào)節(jié)值等控制信號(hào)，再通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理分別向?qū)?yīng)的液壓泵站控制器輸出控制信號(hào).這樣通過(guò)中轉(zhuǎn)控制器可將比較多的測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行很好的協(xié)調(diào)，使控制效率和可靠性得到極大提高.

2 箱涵頂進(jìn)液壓系統(tǒng)

箱涵頂進(jìn)中共使用了10臺(tái)液壓泵站，112只推力均為2 500kN的頂進(jìn)液壓缸，總推力達(dá)到280 000kN.10臺(tái)液壓泵站對(duì)稱布置，左、右側(cè)各5臺(tái)，分別為左側(cè)和右側(cè)7組頂進(jìn)液壓缸提供壓力油.112只頂進(jìn)液壓缸分為14組，左、右側(cè)各7組，每組包含8只液壓缸.每組頂進(jìn)液壓缸采用并聯(lián)連接方式，分為上下2排，上排和下排均為4只頂進(jìn)液壓缸.每臺(tái)液壓泵站可向1組或2組頂進(jìn)液壓缸提供壓力液壓油.

10臺(tái)液壓泵站采用相同的液壓系統(tǒng).圖2為液壓泵站中的液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖，使用變頻技術(shù)對(duì)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速.箱涵頂進(jìn)液壓系統(tǒng)屬于大功率調(diào)速系統(tǒng)，故采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)控制液壓泵的轉(zhuǎn)速取代節(jié)流調(diào)速回路，幾乎沒(méi)有節(jié)流損失和溢流損失，因而效率高，系統(tǒng)溫升小，減少系統(tǒng)發(fā)熱，提高節(jié)能效果.圖2中1為油箱；2為定量柱塞泵；3為變量柱塞泵；4和5為先導(dǎo)型電磁溢流閥，分別設(shè)定2個(gè)柱塞泵的最大出口壓力；6和7為單向閥，防止停機(jī)時(shí)液壓油回流和空氣進(jìn)入系統(tǒng)；8為壓力表截止開(kāi)關(guān)；9為壓力表；10為進(jìn)油路和回油路擴(kuò)展口的截止閥；11為電磁換向閥，控制頂進(jìn)液壓缸12的運(yùn)動(dòng)方向，即伸缸和縮缸動(dòng)作；13為定量柱塞泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；14為變量柱塞泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也稱變頻電機(jī)；VVVF為變頻變壓控制器，即變頻器.

箱涵頂進(jìn)液壓系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與變量泵組成液壓動(dòng)力源.由于許多液壓泵都規(guī)定了最低轉(zhuǎn)速，當(dāng)需要較小流量時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量進(jìn)行控制，維持合理的轉(zhuǎn)速；當(dāng)流量大于液壓泵最小設(shè)定值后，則通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制.變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)高效調(diào)速的主要方法之一，即能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，又可根據(jù)負(fù)載的特性通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)間.

變頻調(diào)速方式不同于傳統(tǒng)的變排量調(diào)速方式，它通過(guò)改變電機(jī)的電源頻率和電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即在給定的控制信號(hào)電壓下，變頻器輸出對(duì)應(yīng)頻率和對(duì)應(yīng)電壓的正弦交流電，從而達(dá)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度的目的.變量柱塞泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)由變頻器控制，采用VVVF方式調(diào)節(jié)泵的輸出流量，即通過(guò)控制變頻器的輸入電壓來(lái)控制變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)變量泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)14調(diào)速的目的.變頻器的輸入電壓的調(diào)整是通過(guò)PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)變量柱塞泵流量的調(diào)節(jié).這樣通過(guò)微控制器的PWM硬件電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)變量泵輸出流量的自動(dòng)控制.

3 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 容柵位移傳感器

箱涵的位移由自制的容柵傳感器檢測(cè).與電容傳感器不同，容柵傳感器具有多對(duì)電極，采用變面積原理工作，可用于大位移測(cè)量，分辨率為1μm，量程達(dá)20m，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可替代絕對(duì)式編碼器.容柵傳感器的功耗很低，正常工作電流小于10μA，1粒紐扣電池可保證容柵傳感器工作1年以上.容柵傳感器的發(fā)射極和反射極構(gòu)成多對(duì)電容器，其電容ci（x）是移動(dòng)距離x的函數(shù)，其中i為等效的電容器數(shù)量，i＝1，2，…，n.發(fā)射極上施加方波脈沖電壓激勵(lì)信號(hào)ui（t）.由于接收極與反射極的相互覆蓋面積不隨位移而變化，到達(dá)接收極的輸出信號(hào)uo（x，t）為

式（1）為容柵傳感器的基本通式［11］.

3.2 變量泵調(diào)速電路抗干擾措施

變量泵的流量調(diào)節(jié)是通過(guò)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)的.微控制器輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)2階阻容（RC）濾波后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入電壓.不同占空比的PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)變量泵不同的輸出流量.RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)可將高頻干擾信號(hào)濾除以保證調(diào)速電路可靠工作.圖3是2階RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)原理圖，其中，Ui（s）為輸入電壓，Uo（s）為輸出電壓，C1，C2為電容，R1，R2為電阻，I1（s），I2（s）為電阻上的電流，其傳遞函數(shù)為

圖3 RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)原理Fig.3 Diagram of RC low－pass filtering

3.3 油壓檢測(cè)隔離措施

頂進(jìn)液壓缸的壓力由油壓傳感器檢測(cè).由于油壓傳感器和變頻器都安裝在液壓泵站上，變頻器工作時(shí)其內(nèi)部逆變電路的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作將產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾信號(hào).因此，采用線性光耦隔離電路隔離干擾信號(hào)同時(shí)保證電路具有較好的線性度，使輸入電流與輸出電壓一一對(duì)應(yīng).線性光耦兩側(cè)分別使用2塊不同的直流－直流（DC－DC）電源模塊供電，避免共地干擾.

4 控制策略

箱涵頂進(jìn)同步控制策略采用雙目標(biāo)控制策略，即位移同步和負(fù)載（油壓）均衡，其中以位移同步控制為主要目的，輔之以負(fù)載均衡控制.箱涵頂進(jìn)同步控制策略是根據(jù)容柵傳感器檢測(cè)到的箱涵4個(gè)角位移值和液壓泵站上的油壓傳感器檢測(cè)到的壓力值按照限步長(zhǎng)的PID控制算法調(diào)整PWM輸出值以控制變頻器輸出頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)變量泵輸出流量，以實(shí)現(xiàn)壓力和位移的同步控制.

4.1 位移同步控制

位移同步控制是根據(jù)4個(gè)容柵傳感器的檢測(cè)值先確定箱涵左、右兩側(cè)的位移量，然后對(duì)左、右兩側(cè)的位移量取算術(shù)平均值作為箱涵位移基準(zhǔn)（即箱涵中間部位的位移量）以實(shí)現(xiàn)箱涵左右兩側(cè)位移的同步.箱涵的4個(gè)角上各安裝有1只容柵傳感器，即左側(cè)上、下2個(gè)傳感器和右側(cè)上、下2個(gè)傳感器.箱涵的左側(cè)位移量dL定義為左側(cè)上、下2個(gè)容柵傳感器檢測(cè)值的算術(shù)平均值，同樣定義dR為箱涵的右側(cè)位移量.以箱涵中間部位的位移量作為箱涵位移基準(zhǔn)，與箱涵左、右兩側(cè)的位移量相比較，位移差值大表明箱涵該側(cè)頂進(jìn)速度快，采用PID控制算法，降低該側(cè)5個(gè)液壓泵站的PWM控制值使變頻器的輸出頻率變小，減小變量泵的輸出流量，降低頂進(jìn)速度.反之，增大控制值.這樣，根據(jù)容柵傳感器的位移檢測(cè)值相應(yīng)調(diào)節(jié)PWM的控制值，實(shí)現(xiàn)箱涵左右兩側(cè)位移的同步.

4.2 負(fù)載（油壓）均衡控制

由于箱涵體積較大且各個(gè)液壓泵站和頂進(jìn)液壓缸的性能存在差異，在箱涵頂進(jìn)過(guò)程中各組液壓缸所承受的頂力各不相同，因此液壓泵站的工作壓力存在不均勻性.主控制器根據(jù)檢測(cè)的油壓反饋值對(duì)相應(yīng)的液壓泵站進(jìn)行PWM調(diào)節(jié).具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于工作油壓偏高的液壓泵站，適當(dāng)減小相應(yīng)的PWM調(diào)節(jié)值，降低變頻器的輸出頻率，達(dá)到降低其輸出壓力的目的；對(duì)于工作油壓偏低的液壓泵站，則適當(dāng)加大PWM調(diào)節(jié)值，增加變頻器的輸出頻率，達(dá)到加大其輸出壓力的目的.負(fù)載均衡控制中的PWM值小于位移同步控制的PWM值，以位移同步控制為主要目的.總之，根據(jù)油壓傳感器反饋回來(lái)的油壓檢測(cè)值調(diào)節(jié)相應(yīng)的PWM值以實(shí)現(xiàn)液壓泵站負(fù)載（油壓）的均衡化，達(dá)到各組液壓缸承受的頂力基本相等，實(shí)現(xiàn)油壓同步調(diào)節(jié).

5 測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)采集的液壓泵站工作壓力等數(shù)據(jù)表明了控制策略的有效性.從圖4可知，油壓高的液壓泵站，其油壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即PWM值適當(dāng)減??；油壓低的液壓泵站，其油壓則呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，即PWM值適當(dāng)增大.從圖中還可知，第5臺(tái)和第6臺(tái)液壓泵站的油壓接近零值，說(shuō)明這2組液壓泵站沒(méi)有使用.圖5是箱涵頂進(jìn)過(guò)程中切口平面和尾部平面的偏差實(shí)測(cè)值，左右偏差均在±40mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了箱涵的同步頂進(jìn).

6 結(jié)論

圖4 液壓泵站油壓檢測(cè)值Fig.4 Values of oil pressures

液壓同步頂進(jìn)控制系統(tǒng)采用層次化的結(jié)構(gòu)使控制效率和可靠性得到較大提高；變頻無(wú)級(jí)調(diào)速液壓回路取代傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速回路幾乎沒(méi)有節(jié)流損失和溢流損失，因而效率高，系統(tǒng)溫升??；通過(guò)PWM方式控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)輸出流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)；設(shè)計(jì)了具有較強(qiáng)抗干擾能力的硬件電路；采用雙目標(biāo)控制策略（位移同步和負(fù)載均衡）使多組液壓缸協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了頂進(jìn)位移和速度以及油壓的有效控制，推力、頂進(jìn)速度和姿態(tài)可測(cè)可控.工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，頂進(jìn)過(guò)程中箱涵切口平面和尾部平面的偏差均控制在±40mm之內(nèi).該系統(tǒng)保證了管幕內(nèi)大斷面、長(zhǎng)距離的箱涵頂進(jìn)得以順利實(shí)現(xiàn).

圖5 偏差實(shí)測(cè)曲線Fig.5 Displacement differences curves

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