基于單片機(jī)死區(qū)時(shí)間控制方法研究

代勇

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)在嵌入式中應(yīng)用十分廣泛。隨著時(shí)代的發(fā)展，單片機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大。本篇文章是基于stm32系列單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間，占空比以及頻率可調(diào)制的互補(bǔ)輸出PWM波。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種模擬的控制方式。利用單片機(jī)微處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)。本文利用STM32的高級(jí)定時(shí)器TIME1進(jìn)行可調(diào)制的PWM波互補(bǔ)輸出。

Abstract： SCM is widely used in embedded applications. With the development of the times， the function of SCM is more and more powerful. This article is based on the stm32 series of single-chip to generate the dead time， duty cycle and frequency adjustable complementary output PWM wave. Pulse width modulation （PWM） is a simulated control method. The single-chip microcomputer digital output is used to control the analog circuit. This article uses the STM32 advanced timer TIME1 to make the modulation PWM wave complementary output.

關(guān)鍵詞：嵌入式；互補(bǔ)輸出；死區(qū)時(shí)間控制；占空比；脈沖寬度調(diào)制

Key words： embedded；complementary output；dead time control；duty cycle；pulse width modulation

中圖分類號(hào)：TN787 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）20-0123-02

0 引言

隨著我國(guó)西北部煤炭資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，連接蒙陜甘寧“金三角”地區(qū)與鄂湘贛等華中地區(qū)的鐵路建設(shè)，構(gòu)建我國(guó)“北煤南運(yùn)”新通道的，許多隧道需要在秦嶺山脈的崇山峻嶺間修建。由于線性控制隧道位置較高，不可避免的出現(xiàn)淺埋偏壓引起的變形問(wèn)題。隨著鐵路隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外工程界都很重視淺埋偏壓隧道的變形處置施工技術(shù)，國(guó)內(nèi)外專家從理論到實(shí)踐做了很多探索和研究，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。這些文獻(xiàn)主要研究了淺埋偏壓隧道隧道施工技術(shù)[1]；研究了隧道變形控制、處理措施[2-3]；研究了特殊地質(zhì)條件下的施工技術(shù)[4-6]。以上文獻(xiàn)的研究主要偏重于淺埋偏壓隧道的預(yù)加固處理和軟弱圍巖變形前的預(yù)防處理技術(shù)，而本文研究的隧道由于地形限制位置選在淺埋偏壓的斷裂破碎體內(nèi)，且對(duì)開(kāi)挖后的應(yīng)力重新分部預(yù)估不足，導(dǎo)致隧道初支變形而采取的應(yīng)急處理措施；隧道變形加固處理措施及開(kāi)挖方法有別于其他研究的處理方法。

1 工程概況

1.1 工程整體概況

馬灣隧道位于河南省南陽(yáng)市西峽縣重陽(yáng)鎮(zhèn)境內(nèi)，屬西峽斷陷盆地南側(cè)，場(chǎng)區(qū)以丘陵為主，地形陡峭，山坡自然坡度一般35～50°。相對(duì)高差80～200m，帶狀山脊呈近南北向分布，間夾“V”型溝谷，DK846+156～DK+450段，地形左低右高，隧道偏壓較嚴(yán)重；DK846+450～DK846+675.5穿越山脊，山頂標(biāo)高448.3m。出口為單面坡，坡體植被發(fā)育，多為喬木及灌木。隧道穿越云母石英片巖、石英片巖地層，隧道最大埋深75m。隧道為單洞雙線型，進(jìn)口里程DK846+156.82，出口里程DK846+675.50，隧道全長(zhǎng)518.68m，隧道為雙線有砟軌道。其中Ⅲ級(jí)圍巖105m，Ⅳ級(jí)圍巖120m，Ⅴ級(jí)圍巖293.7m。

1.2 工程地質(zhì)

1.2.1 地層特性

隧道區(qū)出露的地層由新至老敘述如下：

①第四系全新統(tǒng)（Q4）。殘坡積層（Q4eltdl），巖性為含碎石粉質(zhì)黏土，褐黃色，硬塑，一般厚度為0～2m，分布于沿線的山坡地帶。

②下元古界劉嶺組Pt11。巖性為云母石英片巖、石英片巖、白云石英片巖，灰白色，全風(fēng)化～弱風(fēng)化，局部呈硅化結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，巖質(zhì)較硬。地表出露，局部弱風(fēng)化基巖。震探波速3150～4700m/s。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc=73.5MPa，屬堅(jiān)硬巖。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)左側(cè)100～150m為西官莊鎮(zhèn)平大斷裂南支，為區(qū)域性大斷裂，主斷裂發(fā)育在下元古界地層內(nèi)，后期被白堊系地層覆蓋，表現(xiàn)為正斷層特征。區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀穩(wěn)定，片理面產(chǎn)狀為20°∠62°，但受斷裂構(gòu)造影響，巖體較為破碎，節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀：①40°∠85°，閉合，延伸0.3m；②305°∠55°，3條，微張，寬0.1cm；③12°∠65°，2條，平直，閉合，巖體較破碎。

2 隧道變形情況及原因分析

隧道進(jìn)口段主要穿過(guò)云母石英片巖、云母片巖單斜地層，片理節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層傾角62°，DK846+203～+295長(zhǎng)約92m范圍內(nèi)隧道初期支護(hù)邊墻、拱腳出現(xiàn)縱向水平裂縫，局部初支表面片狀剝落。

2.1 隧道變形情況

2.1.1 初支裂紋

隧道進(jìn)口左側(cè)DK846+207～+250段43m、右側(cè)DK846+203～+250段47m，中下臺(tái)階連接板附近出現(xiàn)1～2mm縱向裂紋。DK846+295右側(cè)上臺(tái)階出現(xiàn)環(huán)向裂紋，長(zhǎng)約3m。經(jīng)取芯發(fā)現(xiàn)裂紋已貫通初支厚度，通過(guò)對(duì)14個(gè)裂紋觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)，裂紋無(wú)發(fā)展。

2.1.2 初支剝落

隧道左側(cè)DK846+245～+257段上中臺(tái)階連接板附近噴砼連續(xù)剝落，鋼筋骨架外露變形；隧道右側(cè)DK846+237～+244段中下臺(tái)階連接板上部0.5m噴砼連續(xù)剝落；左側(cè)DK846+205～+207、DK846+265～+273、DK846+285～+290拱頂左側(cè)1.5m位置出現(xiàn)局部剝落；右側(cè)DK846+210～+260下臺(tái)階與仰拱連接板附近出現(xiàn)局部剝落。初支混凝土剝落及鋼筋骨架外露見(jiàn)圖1。

2.2 變形原因分析

結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，隧道變形原因分析如下：

①隧址區(qū)左側(cè)約200m發(fā)育西官莊～鎮(zhèn)平大斷裂南支，為區(qū)域性大斷裂，隧道埋深較淺，地形左低右高，偏壓較嚴(yán)重，洞身圍巖巖體多破碎，節(jié)理發(fā)育，開(kāi)挖后應(yīng)力重新分布等因素是造成隧道初支開(kāi)裂的主要原因。②對(duì)監(jiān)控量測(cè)管理重視程度不足，對(duì)監(jiān)控量測(cè)的目的、意義認(rèn)識(shí)不足，對(duì)于監(jiān)控量測(cè)管理值運(yùn)用不當(dāng)，監(jiān)控量測(cè)周報(bào)顯示部分?jǐn)嗝娴牧繙y(cè)點(diǎn)有變形異常加速現(xiàn)象，沒(méi)有引起管理人員重視。部分監(jiān)控量測(cè)人員業(yè)務(wù)水平低，只重視變形總量和變形速率的控制，忽視了對(duì)初支表觀現(xiàn)象巡視，沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)初支裂縫。③沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行業(yè)主【2015】73號(hào)文件，初支仰拱設(shè)置鋼架地段沒(méi)有及時(shí)封閉成環(huán)，采用兩臺(tái)階施工時(shí)，初支成環(huán)距離掌子面距離超過(guò)1倍洞徑（12m）。

3 初支變形加固處理及監(jiān)測(cè)情況

根據(jù)隧道初支變形情況，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，有針對(duì)性的制定變形處理方案，決定封閉掌子面、增設(shè)臨時(shí)仰拱和加固環(huán)、對(duì)初支開(kāi)裂嚴(yán)重部位和裂縫上下2m范圍采取小導(dǎo)管注漿加固等處理措施。

3.1 初支變形加固處理措施

3.1.1 掌子面封閉

安裝2榀H230格柵鋼架，頂緊掌子面，初支結(jié)構(gòu)施作完成后封閉掌子面，暫停掌子面施工。

3.1.2 上臺(tái)階加固環(huán)

①DK846+283～DK846+298段設(shè)置一組15m加固環(huán)。采用I18型鋼拱架，縱向間距1.5m，并加設(shè)鎖腳錨管，Ф22鋼筋縱向連接。②DK846+225～DK846+265段下臺(tái)階反壓洞碴，回填至下臺(tái)階頂面高度。分別于DK846+225～DK846+230設(shè)置一組5m加固環(huán)、DK846+237～DK846+244設(shè)置一組7m加固環(huán)、DK846+250～DK846+255設(shè)置一組5m加固環(huán)，加固環(huán)采用I18型鋼拱架，縱向間距1.0m，Ф22鋼筋縱向連接。加固環(huán)分布圖見(jiàn)圖2。

3.1.3 臨時(shí)仰拱

DK846+225～DK846+306設(shè)置加固環(huán)之外地段采用I18型鋼橫撐施做臨時(shí)仰拱，型鋼縱向間距1.0m，Ф22鋼筋縱向連接。加固環(huán)及臨時(shí)仰拱布置見(jiàn)圖2。馬灣隧道加固環(huán)及臨時(shí)仰拱統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

3.1.4 局部注漿加固

①對(duì)隧道左側(cè)DK846+245～+257、DK846+265～+273、DK846+285～+290拱頂左側(cè)1.5m位置段上中臺(tái)階連接板附近，隧道右側(cè)DK846+237～+244段中下臺(tái)階連接板上部0.5m附近，右側(cè)DK846+210～+260下臺(tái)階與仰拱連接板附近的鋼架連接處、裂縫掉塊等重點(diǎn)部位加設(shè)4m長(zhǎng)？準(zhǔn)42小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固處理，注漿采用水泥漿液，水灰比1：1（重量比），注漿壓力0.5～1.0MPa。②對(duì)隧道進(jìn)口左側(cè)DK846+207～+250段43m、右側(cè)DK846+203～+250段47m，中下臺(tái)階連接板裂縫上下2m范圍內(nèi)采用5m長(zhǎng)？準(zhǔn)42小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管間距0.5×0.5m，并與格柵鋼架焊接牢固。裂縫上下2m范圍內(nèi)小導(dǎo)管注漿加固見(jiàn)圖3。

3.1.5 施作仰拱及填充

DK846+156.8～DK846+196.5段施做仰拱及填充，長(zhǎng)約39.7m。

3.2 監(jiān)測(cè)情況

對(duì)已開(kāi)挖地段布設(shè)25個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面間距5m，每個(gè)斷面設(shè)置拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)。全斷面地段每個(gè)斷面布設(shè)2條測(cè)線，臺(tái)階法施工地段上臺(tái)階布設(shè)一條測(cè)線。增加絕對(duì)位移值的數(shù)據(jù)分析，每天固定時(shí)間測(cè)量?jī)纱危鶕?jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，初支變形開(kāi)裂段落，現(xiàn)場(chǎng)采取的套拱加固及邊墻注漿等應(yīng)急處理措施對(duì)控制變形是及時(shí)有效的，可以判斷隧道變形已趨于穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)段施工及監(jiān)測(cè)情況

為了解和掌握隧道圍巖壓力和初期支護(hù)應(yīng)力應(yīng)變情況，結(jié)合隧道實(shí)際情況，在開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，增加監(jiān)控量測(cè)選測(cè)項(xiàng)目。8月17日至9月11日，馬灣隧道進(jìn)口上臺(tái)階施工試驗(yàn)段，試驗(yàn)段里程為DK846+306～DK846+323，支護(hù)參數(shù)為：？準(zhǔn)50小導(dǎo)管超前支護(hù)，H230格柵拱架，間距0.5m，C25噴砼，厚度30cm。8月23日、9月1日、9月4日在DK846+310、DK846+315、DK846+320埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)。

4.1 試驗(yàn)段A類量測(cè)情況

對(duì)各測(cè)點(diǎn)絕對(duì)位移值通過(guò)近一個(gè)月的數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)絕對(duì)位移較小且趨于收斂，說(shuō)明隧道試驗(yàn)段穩(wěn)定。

4.2 B類量測(cè)情況

4.2.1 試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)方案

8月17日開(kāi)始，分別在DK846+310、DK846+315、 DK846+320斷面埋設(shè)鋼筋計(jì)、壓力盒，做為隧道監(jiān)控量測(cè)試驗(yàn)段。每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)測(cè)位10個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)位內(nèi)外2個(gè)測(cè)點(diǎn)。每天進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，掌握隧道變形情況。隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目如表2。

4.2.2 測(cè)試分析

①初支軸力變化及分布規(guī)律。根據(jù)初支軸力分布圖監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，三個(gè)斷面均呈現(xiàn)初支軸力在拱部及拱肩軸力較大，且左拱肩偏大，拱腳處軸力均相對(duì)較小，斷面上呈非對(duì)稱分布。初支軸力隨掌子面開(kāi)挖急劇增大，掌子面停止施工后，軸力緩慢增長(zhǎng)。②初支應(yīng)力分布規(guī)律。根據(jù)馬灣隧道各里程初支鋼架受力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，三個(gè)斷面初支鋼筋均呈現(xiàn)受壓狀，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，三個(gè)斷面主要在左拱部及拱部的鋼筋壓應(yīng)力值較大，最大壓應(yīng)力為111.735MPa，出現(xiàn)在左拱部靠圍巖側(cè)鋼筋上。噴射混凝土同鋼筋應(yīng)力類似，主要在左拱部及拱部的壓應(yīng)力值較大，最大壓應(yīng)力為12.369MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在DK846+320監(jiān)測(cè)斷面的初支混凝土左拱部，目前該應(yīng)力值已非常接近設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的混凝土極限抗壓強(qiáng)度12.5MPa，隨著掌子面后續(xù)開(kāi)挖，該斷面左拱部的混凝土應(yīng)力值會(huì)繼續(xù)增大，可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的混凝土極限抗壓強(qiáng)度值，不利于結(jié)構(gòu)安全。③初支彎矩變化及分布規(guī)律。初支彎矩變化曲線同初支軸力類似，隨掌子面開(kāi)挖急劇增大，掌子面停止施工后，彎矩變化較小，掌子面開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布，根據(jù)初期支護(hù)彎矩?cái)?shù)據(jù)，3個(gè)監(jiān)試斷面的彎矩值均逐漸增大并趨于穩(wěn)定。④圍巖壓力測(cè)試結(jié)果分析。根據(jù)圍巖壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，DK846+310斷面和DK846+320斷面的圍巖壓力實(shí)測(cè)值均較小，其值在0～0.27MPa左右，而DK846+315斷面圍巖壓力值變化較大。DK846+315斷面處數(shù)據(jù)較為全面，距離掌子較遠(yuǎn)，該斷面圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隧道右拱腳處水平方向側(cè)壓力較大為0.142MPa，左拱肩處水平向壓力比右拱肩處大。拱頂處土壓力較大為0.628MPa。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論

①掌子面開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布，對(duì)各斷面各項(xiàng)數(shù)據(jù)影響較大，掌子面停止開(kāi)挖后，3個(gè)斷面測(cè)試結(jié)果均趨于穩(wěn)定。掌子面恢復(fù)開(kāi)挖，斷面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值會(huì)繼續(xù)增大。②對(duì)于初支軸力，三個(gè)斷面測(cè)試結(jié)果相近，拱腳處軸力均相對(duì)較小，拱頂及拱肩處軸力較大，其中DK846+310，DK846+320斷面左拱肩軸力相對(duì)較大，呈非對(duì)稱性分布，初支結(jié)構(gòu)受力不均。③左拱部及拱部的鋼筋壓應(yīng)力值較大，最大壓應(yīng)力為111.735MPa；噴射混凝土應(yīng)力與鋼架應(yīng)力類似，最大壓應(yīng)力為12.369MPa。掌子面后續(xù)開(kāi)挖，混凝土應(yīng)力值會(huì)繼續(xù)增大，可能會(huì)超過(guò)混凝土極限抗壓強(qiáng)度值。④斷面DK846+315：隧道圍巖壓力分布右拱腳處水平方向側(cè)壓力較大，左拱肩處水平向壓力比右拱肩處大，拱頂處土壓力最大，達(dá)到0.628MPa。相當(dāng)于隧道拱頂承受31m土柱荷載，隧道結(jié)構(gòu)受力不合理，建議對(duì)頂部采取加固措施。

5 后期隧道施工措施

5.1 已開(kāi)挖地段施工措施（DK846+203～DK846+323）

①Ⅳ級(jí)圍巖段初支鋼架封閉成環(huán)，二襯全環(huán)采用鋼筋混凝土。②前期施工的加固圈不需拆除，鋼架封閉成環(huán)，配筋噴砼補(bǔ)平，相應(yīng)地段適當(dāng)調(diào)整二襯厚度。③局部初支噴砼侵入二襯超過(guò)5cm的部位需鑿平處理。④初支背后采用小導(dǎo)管徑向注漿加固。

5.2 后續(xù)未開(kāi)挖類似地形地質(zhì)條件地段施工措施

①超前支護(hù)拱部120°采用？準(zhǔn)50單層小導(dǎo)管，范圍根據(jù)掌子面情況適當(dāng)擴(kuò)大。②初支背后預(yù)留注漿管，及時(shí)回填注漿；拱墻初支設(shè)置系統(tǒng)錨桿，藥包錨桿調(diào)整為砂漿錨桿，配備專用錨桿施工設(shè)備，確保施工質(zhì)量。③施工工法采用三臺(tái)階法施工，優(yōu)化臺(tái)階高度和長(zhǎng)度，加強(qiáng)施工組織和工序銜接，初支仰拱盡早封閉成環(huán)。④加強(qiáng)初期支護(hù)剛度，初期支護(hù)由H230格柵鋼架變更為H280格柵鋼架，初支噴射混凝土厚度增加到0.35m。

6 結(jié)論與建議

6.1 效果驗(yàn)證及結(jié)論

根據(jù)隧道初支變形情況，結(jié)合地質(zhì)情況，通過(guò)變形原因分析，及時(shí)為隧道變形處置采取的措施提供了合理的依據(jù)；采用鋼架套拱封閉成環(huán)、小導(dǎo)管注漿加固等措施有效控制了初支變形，使隧道變形趨于穩(wěn)定。通過(guò)拱部超前小導(dǎo)管、加大格柵鋼架型號(hào)、優(yōu)化施工工法等施工措施，目前本隧道開(kāi)挖、初支及仰拱施做后，通過(guò)監(jiān)測(cè)圍巖變形穩(wěn)定，說(shuō)明后續(xù)施工采取的措施合理有效。

6.2 建議

①按要求進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)掌子面前方圍巖性質(zhì)進(jìn)行預(yù)判；做好初支后的觀察工作，結(jié)合掌子面圍巖情況，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。②建立監(jiān)控量測(cè)預(yù)警制度，按要求的圍巖等級(jí)監(jiān)測(cè)原則布置監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)，及時(shí)對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)達(dá)到預(yù)警條件隧道變形正確進(jìn)行預(yù)警，為險(xiǎn)情處理提供參考信息及時(shí)間。③根據(jù)圍巖等級(jí)合理選擇施工工法，采用簡(jiǎn)單實(shí)用的施工工法，優(yōu)先采用全斷面、二臺(tái)階、三臺(tái)階組織施工；做好“兩緊跟”（鋼架緊貼掌子面、初支緊跟下臺(tái)階）保證隧道施工安全。

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