土壓平衡盾構(gòu)出土計(jì)量裝置研制與應(yīng)用

夏儉

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

土壓平衡盾構(gòu)出土計(jì)量裝置研制與應(yīng)用

夏儉

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

分析了盾構(gòu)出土陣列式皮帶秤和單梁雙鉤吊鉤秤的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了研制土壓平衡盾構(gòu)出土計(jì)量裝置的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推廣應(yīng)用盾構(gòu)出土計(jì)量裝置技術(shù)成果具有一定積極作用。

土壓平衡盾構(gòu)；皮帶秤；單梁雙鉤吊鉤秤；出土計(jì)量

1 概述

土壓平衡盾構(gòu)是現(xiàn)代城市地鐵隧道建設(shè)的主要施工設(shè)備。當(dāng)盾構(gòu)穿越特殊施工環(huán)境時(shí)（如穿越危房、歷史建筑、特殊地質(zhì)等），需要采取精細(xì)化施工管理措施。準(zhǔn)確詳細(xì)的出土計(jì)量信息是土壓平衡盾構(gòu)精細(xì)化施工的有效依據(jù)之一。

1.1 目的意義

土壓平衡盾構(gòu)是以切口壓力為控制對(duì)象，盾構(gòu)切口壓力平衡過(guò)程控制具有較高的自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)。由于土壓平衡控制環(huán)節(jié)的設(shè)定值是根據(jù)土力學(xué)理論和操作者經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定，受設(shè)定者技術(shù)水平和實(shí)際地質(zhì)條件變化的影響，所設(shè)定土壓目標(biāo)值的正確性具有一定離散性。設(shè)定值的偏差反映在工程中的效果為土體的超挖或欠挖，結(jié)果是地表的沉降或隆起，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起工程質(zhì)量事故或環(huán)境安全事故。

及時(shí)正確掌握出土量能及時(shí)反饋設(shè)定值的偏差，可避免隧道施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隧道施工對(duì)附近區(qū)域的地下管線、地面道路和地面建筑穩(wěn)定的安全控制目標(biāo)。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

為保護(hù)上海外灘歷史建筑，外灘隧道引進(jìn)的直徑14.27 m土壓平衡盾構(gòu)配置了皮帶秤計(jì)量盾構(gòu)出土重量，但是由于計(jì)量結(jié)果的置信度問(wèn)題無(wú)法利用皮帶秤計(jì)量信息指導(dǎo)施工。

皮帶秤一般適用計(jì)量顆粒狀散裝物料，正常工況下計(jì)量精度為1%～5%。當(dāng)盾構(gòu)出土的土質(zhì)具有黏連狀特性，尤其是不連續(xù)塊狀土體時(shí)，增加了皮帶張力的影響（見(jiàn)圖1）。不連續(xù)塊狀土體產(chǎn)生的張力具有隨機(jī)性，會(huì)嚴(yán)重影響皮帶秤計(jì)量結(jié)果的正確性。

圖1 皮帶機(jī)張力分析示意圖

2 盾構(gòu)出土計(jì)量裝置技術(shù)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）在隧道施工現(xiàn)有施工工藝設(shè)備上加裝出土計(jì)量裝置；

（2）研制的出土計(jì)量裝置應(yīng)能適應(yīng)隧道施工惡劣工況；

（3）研制的出土計(jì)量裝置應(yīng)能滿足隧道施工出土過(guò)程連續(xù)計(jì)量的精度要求。

2.2 技術(shù)方案

在盾構(gòu)臺(tái)車皮帶機(jī)上設(shè)置1套陣列式皮帶秤，及時(shí)檢測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的當(dāng)前出土量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)計(jì)量出土重量的功能。為了減少黏連塊狀土體對(duì)皮帶張力的影響，采用陣列式皮帶秤，讓皮帶張力主要集中在陣列秤的輸入單體秤和輸出單體秤上，使陣列秤內(nèi)各單體秤之間的皮帶張力成為陣列式皮帶秤的內(nèi)力。期望用陣列式皮帶秤減少黏連塊狀土質(zhì)對(duì)盾構(gòu)出土計(jì)量準(zhǔn)確性的影響。

盡管采取了陣列式皮帶秤減弱黏連塊狀土體對(duì)皮帶張力的技術(shù)措施，但該措施效果有待實(shí)踐檢驗(yàn)。因此，有必要在井口設(shè)置1套單梁雙鉤吊鉤秤，不僅可以檢測(cè)掘進(jìn)1環(huán)出土總重量，而且可以利用吊鉤秤精度高的特點(diǎn)，每環(huán)對(duì)陣列式皮帶秤進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)標(biāo)定，以提高各種工況條件下陣列式皮帶秤準(zhǔn)確性的置信度。盾構(gòu)出土計(jì)量裝置系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)出土計(jì)量裝置系統(tǒng)配置圖

鑒于計(jì)量出土信息的地點(diǎn)和時(shí)間的差異，由電子標(biāo)簽等部件構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸盾構(gòu)出土計(jì)量信息。

3 盾構(gòu)出土陣列式皮帶秤

3.1 陣列式皮帶秤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陣列式皮帶秤單體設(shè)計(jì)的額定稱重值為100 kg。

陣列式皮帶秤由3個(gè)單體秤組成。截面尺寸與盾構(gòu)皮帶輸送機(jī)配合。

3個(gè)單體皮帶秤相互間隔50 mm，單體皮帶秤秤體通過(guò)4個(gè)500 kg單剪切梁傳感器支承在原皮帶輸送機(jī)的機(jī)架兩側(cè)梁上，如圖3所示。

圖3 陣列式皮帶秤組裝圖

3.2 單體皮帶秤結(jié)構(gòu)校核

采用Solidworks程序，校核對(duì)象為秤體結(jié)構(gòu)的受載安全，分析類型為皮帶秤的秤體結(jié)構(gòu)靜態(tài)受載，主要邊界條件為設(shè)計(jì)材料和機(jī)械尺寸。單體皮帶秤應(yīng)力校核結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 單體皮帶秤應(yīng)力校核結(jié)果

單體皮帶秤設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度安全性校核結(jié)論：結(jié)構(gòu)安全，能達(dá)到200 kg連續(xù)載重要求。

3.3 皮帶秤計(jì)量檢測(cè)技術(shù)

選用的稱重傳感器為單剪切梁傳感器（見(jiàn)圖5）。防護(hù)等級(jí)IP67，具有安裝高度低、結(jié)構(gòu)緊湊、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、綜合精度高等特點(diǎn)。

圖5 單剪切梁傳感器

4 盾構(gòu)出土單梁雙鉤吊鉤秤

利用地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)行車起重設(shè)備吊運(yùn)土箱條件，在起重機(jī)的吊鉤上設(shè)計(jì)計(jì)量受力結(jié)構(gòu)，采用稱重傳感器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)，有效解決了行車運(yùn)動(dòng)對(duì)稱重信號(hào)傳送的導(dǎo)線連接的技術(shù)問(wèn)題，避免了隧道施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況條件對(duì)計(jì)量精度的影響。

4.1 單梁雙鉤吊鉤秤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稱重裝置主要由銷軸、上聯(lián)接架、傳感器、下聯(lián)接架以及卸扣等組成，（見(jiàn)圖6）。兩套稱重傳感器分別置于吊梁的兩端部，通過(guò)銷軸吊掛于吊梁的腹板孔上。上連接架被設(shè)計(jì)成正交軸吊掛型式，可以避免由于渣土箱傾翻倒土操作過(guò)程中所引起的反向沖擊和扭轉(zhuǎn)。

4.2 單梁雙鉤吊鉤秤設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度校核

吊梁結(jié)構(gòu)滿負(fù)載60 t，作用于吊梁兩端銷孔，中間吊掛銷軸約束（見(jiàn)圖7）。吊軸裝置中段滿負(fù)載68 t，一端固定約束，一端銷軸約束（見(jiàn)圖8）。

稱重裝置中的上連接架結(jié)構(gòu)下部軸孔滿負(fù)載30 t，上部軸孔銷軸約束。稱重裝置中的下連接架結(jié)構(gòu)下部軸孔滿負(fù)載30 t，上部軸孔銷軸約束。稱重裝置中的銷軸中間滿負(fù)載30 t，兩端固定約束（見(jiàn)圖9、圖10）。

圖6 單梁雙鉤吊鉤秤結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 吊梁受力示意圖

圖8 吊軸受力示意圖

圖9 上連接架結(jié)構(gòu)受力示意圖

圖10 下連接架結(jié)構(gòu)受力示意圖

4.3 單梁雙鉤吊鉤秤稱重檢測(cè)技術(shù)

在吊梁的兩端與吊耳板連接的部位設(shè)置稱重傳感器。稱重傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線傳輸信號(hào)發(fā)射，送至接收設(shè)備終端。稱重計(jì)量工作原理如圖11所示。

圖11 稱重計(jì)量工作原理圖

5 盾構(gòu)出土量計(jì)量自動(dòng)校驗(yàn)技術(shù)

經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，所研制的單梁雙鉤吊鉤秤的標(biāo)定精度結(jié)果為20 kg/40 t。

利用單梁雙鉤吊鉤秤精度高的特點(diǎn)校驗(yàn)陣列式皮帶秤動(dòng)態(tài)負(fù)載的計(jì)量準(zhǔn)確性，以滿足隧道施工出土計(jì)量過(guò)程計(jì)量準(zhǔn)確性的要求。

5.1 皮帶秤計(jì)量觸發(fā)條件

陣列式皮帶秤計(jì)量觸發(fā)條件：螺旋機(jī)狀態(tài)=1，皮帶機(jī)狀態(tài)=1，皮帶機(jī)秤脈沖數(shù)變化。其中皮帶機(jī)秤脈沖數(shù)變化是以單體皮帶秤的長(zhǎng)度為周期。

5.2 單梁雙鉤吊鉤秤計(jì)量觸發(fā)條件

單梁雙鉤吊鉤秤計(jì)量觸發(fā)條件：4＞L＞1并且40 000＞W(wǎng)＞12 000。

其中：L為井口的激光測(cè)距信號(hào)（單位：m），表示土箱在計(jì)量空間內(nèi)；W為單梁雙鉤秤計(jì)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（單位：kg），表示重量在皮重和毛重之間。

5.3 校驗(yàn)邏輯

采用逐步收斂系數(shù)校驗(yàn)盾構(gòu)臺(tái)車上的皮帶秤誤差。設(shè)第n環(huán)井口吊鉤秤計(jì)量的出土凈重Gdn,皮帶秤出土總重Gpn

下一環(huán)皮帶秤實(shí)時(shí)累計(jì)值修正系數(shù)為：k0×kn

其中：Gpr0為皮帶秤實(shí)測(cè)原始累計(jì)值；k0為收斂系數(shù)（1＞k0＞0.8）；Kn為第n環(huán)比例系數(shù)；Gpr1為皮帶秤實(shí)際累計(jì)值,一環(huán)結(jié)束后定義Gpn+1= Gpr1。

6 工程應(yīng)用

所研制的土壓平盾構(gòu)出土計(jì)量裝置在上海軌交17號(hào)線漕盈路站—風(fēng)井區(qū)間下行線1 376環(huán)～1 434環(huán)得到成功應(yīng)用。表1是1 376環(huán)～1 385環(huán)的數(shù)據(jù)樣本（10環(huán)數(shù)據(jù)）。

表1 1 376環(huán)～185吊鉤秤累計(jì)值和動(dòng)態(tài)標(biāo)定的皮帶秤累計(jì)值樣本

2016年11月14日到11月20日掘進(jìn)環(huán)號(hào)為1 376環(huán)～1 434（共58環(huán)），以井口單梁雙鉤吊鉤秤計(jì)量結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)校驗(yàn)后的陣列式皮帶秤每環(huán)累計(jì)數(shù)值的統(tǒng)計(jì)曲線見(jiàn)圖12。

由圖12可見(jiàn)，誤差百分比曲線波動(dòng)范圍在1%范圍之內(nèi)。

圖12 陣列式皮帶秤誤差百分比曲線圖

7 結(jié)論

所研制的土壓平衡盾構(gòu)出土計(jì)量裝置的特點(diǎn)是：用陣列式皮帶秤減少皮帶張力產(chǎn)生的分力影響，用高精度單梁雙鉤秤動(dòng)態(tài)校驗(yàn)陣列式皮帶秤，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工過(guò)程連續(xù)計(jì)量出土重量的功能，解決了盾構(gòu)出土計(jì)量的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

所研制的土壓平衡盾構(gòu)出土計(jì)量裝置在上海軌交17號(hào)線漕盈路站—風(fēng)井區(qū)間下行線后期施工連續(xù)58環(huán)掘進(jìn)的出土計(jì)量數(shù)據(jù)表明：其綜合精度達(dá)到1%，符合盾構(gòu)施工對(duì)出土計(jì)量精度的過(guò)程控制要求。

雖然工程試驗(yàn)結(jié)果表明了研制成果的可行性，但是工程試驗(yàn)的時(shí)間較短，土質(zhì)條件有限，其適用性、可靠性尚待擴(kuò)大應(yīng)用的工程實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

河南省將新建擴(kuò)建城鎮(zhèn)污水處理廠60座

今年河南省將加快城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，新建、擴(kuò)建城鎮(zhèn)污水處理廠60座，年底前全省現(xiàn)有污水處理廠將升級(jí)改造達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)或流域標(biāo)準(zhǔn)。

多年來(lái)，城鎮(zhèn)污水處理和垃圾處理兩大工程一直是全省各地實(shí)施的民心工程。為加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置，取締非法污泥堆放點(diǎn)，今年河南省決定采取有效措施，鼓勵(lì)省轄市、縣（市）共建共享污泥處置設(shè)施，將新增污泥處理規(guī)模500 t/d以上。同時(shí)加快公廁建設(shè)和旱廁改造，全省縣（市）將完成旱廁改造415座，新建公廁890座。

今年河南省還將進(jìn)一步加大城市道路揚(yáng)塵治理力度，配足配齊道路機(jī)械清掃設(shè)備。6月底前，省轄市、省直管縣（市）高架路、主干路全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械灑水、清掃作業(yè)，年底前所有縣（市）城市道路機(jī)掃率達(dá)到100%。

此外，河南省還將在鄭州等省轄市啟動(dòng)城市生活垃圾分類試點(diǎn)，加快形成垃圾分類制度，統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)生活垃圾焚燒處理設(shè)施。

U455.43

B

1009-7716（2017）04-0222-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.066

2017-02-20

夏儉（1983-），男，上海人，工程師，從事電氣設(shè)計(jì)工作。