大直徑泥水平衡盾構(gòu)氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)是隧道開挖的主要裝備，根據(jù)地層及適應(yīng)性不同，可分為很多種類。目前對于越江跨?；驈?fù)雜地層的隧道，大多采用混合式泥水盾構(gòu)。根據(jù)泥水平衡方式的差別，泥水平衡盾構(gòu)可分為直排式泥水盾構(gòu)和氣墊式泥水盾構(gòu)兩種類型，即為我們常見兩種直接型控制型和間接控制型泥水盾構(gòu)[1]。其中直排式泥水盾構(gòu)通過進(jìn)排漿泵來實現(xiàn)泥水處理，通過調(diào)節(jié)進(jìn)、排泥泵的流量來控制泥水艙的開挖面的支護(hù)壓力。氣墊式泥水盾構(gòu)采用泥水倉和氣倉艙形式，盾構(gòu)氣墊艙上部分充以壓縮空氣，在同一接觸面上氣液具有相同的壓力，開挖面的支護(hù)壓力可以通過調(diào)整氣墊艙的壓力來實現(xiàn)控制。由于直排式泥水盾構(gòu)被控對象的非線性等特性，這種泥水平衡系統(tǒng)壓力波動較大。氣墊式泥水盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，及時補(bǔ)償氣墊艙中壓縮空氣的壓力，就可以快速補(bǔ)償開挖面支護(hù)壓力的變化。一般情況下直接控制型要求支護(hù)壓力變化控制在±10kPa 以內(nèi)，而間接控制型要求支護(hù)壓力變化控制在±5kPa 以內(nèi)[2]。這也說明氣墊式泥水平衡盾構(gòu)在壓力平衡系統(tǒng)中更具有優(yōu)勢。

大直徑泥水平衡盾構(gòu)不同于常規(guī)直徑或者小直徑盾構(gòu)，開挖斷面大、埋深深、支護(hù)壓力高，施工距離長，因此開挖面的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。宋蘊(yùn)璞等在分析工作原理基礎(chǔ)上，建立泥水平衡盾構(gòu)開挖系統(tǒng)控制模型，系統(tǒng)仿真了各種影響開挖面壓力平衡的影響因素，為泥水盾構(gòu)施工提供了理論依據(jù)[3～6]。岳松林等針對超大直徑越江隧道的泥水盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)因素進(jìn)行定量分析和三維數(shù)值模擬得出開挖面支護(hù)壓力的穩(wěn)定性對土體擾動影響最大[7～8]。

1 氣墊壓力平衡控制技術(shù)

氣墊式泥水平衡盾構(gòu)的氣墊艙壓力由一套完整全氣動氣體保壓系統(tǒng)來控制。系統(tǒng)采用PID 閉環(huán)反饋控制方式。壓力變送器測得氣墊艙壓力反饋給PI 控制盒，PI 控制盒通過積分和微分運(yùn)算給調(diào)節(jié)閥輸出閥門定位信號，閥門定位器給出閥門調(diào)節(jié)流量信號，從而控制通過閥門的空氣流量來達(dá)到氣墊艙壓力的穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)簡圖如圖1。

圖1 控制系統(tǒng)方框原理圖

系統(tǒng)特點：配置的閥門都是氣動元件，在斷電情況下仍可以繼續(xù)工作。系統(tǒng)一般采用一用一備設(shè)計方案，只要有氣源不斷供給系統(tǒng)，在斷電情況下就能正常工作。因此為了滿足隧道施工，設(shè)備上通常會配置應(yīng)急發(fā)電機(jī)或內(nèi)燃空壓機(jī)。在國外嚴(yán)格施工時，通常采用洞外輸送壓縮空氣方案。氣體壓力平衡控制系統(tǒng)主要由氣墊艙、后隔板區(qū)域的一進(jìn)一排的氣力調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及后配套區(qū)域的氣源組成。系統(tǒng)不僅要滿足正常掘進(jìn)氣液兩相壓力平衡控制需要，而且還配備了壓縮空氣濾清功能，滿足帶壓進(jìn)倉人員作業(yè)時正常呼吸[9～10]。因此在泥水平衡盾構(gòu)施工中應(yīng)用工況復(fù)雜，其精度和響應(yīng)時間將影響支護(hù)壓力穩(wěn)定、人員施工安全，地表沉降控制要求。

2 氣墊壓力平衡控制理論研究及分析

氣墊壓力平衡系統(tǒng)的控制變量是氣墊艙的壓力，操作變量是進(jìn)入氣墊艙的空氣流量。系統(tǒng)在控制器不變情況下，系統(tǒng)響應(yīng)速度主要影響因素有調(diào)節(jié)閥流量特性、調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動器。首先需要建立進(jìn)排氣流量與氣墊艙壓力變化的關(guān)系，由于在壓力平衡過程中時間短，倉內(nèi)的溫度變化小，所以可將該過程視為恒溫絕熱過程，該狀態(tài)滿足理想氣體狀態(tài)方程

式中P——理想氣體的絕對壓強(qiáng)；

V——理想氣體的體積；

n——理想氣體物質(zhì)的量；

T——理想氣體的熱力學(xué)溫度；

R——理想氣體常數(shù)。

短時間內(nèi)在氣墊艙內(nèi)的壓縮空氣體積不變，壓力變化時倉內(nèi)空氣摩爾量發(fā)生變化，單位時間內(nèi)的變化滿足下列關(guān)系

式中V0——氣墊艙內(nèi)初始壓縮空氣體積。

可以得出

在此將n的氣體參數(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)氣壓修正，進(jìn)行簡化關(guān)系為

式中(t)——單位時間內(nèi)壓力變化；

Q—氣體流量。

調(diào)節(jié)閥向氣墊艙內(nèi)流動壓縮空氣本身就是一個動態(tài)過程且閥門本身也具有一定的動態(tài)特性，短時間內(nèi)符合氣體閥門Kv流量特性。調(diào)節(jié)閥的進(jìn)口壓力P1由空氣系統(tǒng)保證可作為恒壓處理，調(diào)節(jié)閥出口壓力（氣墊艙內(nèi)）P2短時間變化量小也可做恒壓處理，一般情況下維持P2＞P1/2且（P1>P2)＜P1/2，則根據(jù)空氣動力學(xué)可知

式中Kv（t）——某一時間時閥門流量特性參數(shù)；

P1——調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力；

P2——調(diào)節(jié)閥出口壓力；

T1——氣體的熱力學(xué)溫度；

——氣體密度。

調(diào)節(jié)閥動態(tài)特性流量參數(shù)由控制器給閥門定位器信號后，驅(qū)動執(zhí)行器控制閥門行程從而控制流經(jīng)控制閥的流量。該調(diào)節(jié)閥特性在額定行程0～100 百分比范圍內(nèi)能夠與流量特性保持等比線性關(guān)系，短時間內(nèi)閥門兩端進(jìn)出口壓力視為恒壓處理，則閥門流量特性參數(shù)與驅(qū)動執(zhí)行器的行程保持等比線性關(guān)系

式中K線性——閥門流量線性特征常數(shù)；

X——調(diào)節(jié)閥驅(qū)動執(zhí)行器閥桿位移行程。

調(diào)節(jié)閥初始不動，執(zhí)行器的彈簧推力平衡了閥桿密封處摩擦力、閥芯自身重力、關(guān)斷時流體壓力以及閥座壓緊力的總和。由閥門定位器給出的信號壓力只用于閥桿動作使彈簧產(chǎn)生位移的彈簧力。

式中k彈簧——驅(qū)動執(zhí)行器內(nèi)彈簧彈性系數(shù)；

A膜片——驅(qū)動器執(zhí)行器膜片的面積；

Pst——達(dá)到平衡時信號壓力。

此時定位器的進(jìn)口壓力P3由空氣系統(tǒng)保證可作為恒壓處理，定位器出口壓力Pst初始狀態(tài)為0，一般情況下維持P2＜P1/2且（P3－Pst)＞P1/2，則根據(jù)空氣動力學(xué)可知

式中Q定——閥門定位器瞬時流量；

Kv定——閥門定位器流量特性參數(shù)；

P3——閥門定位器進(jìn)口壓力；

T1——氣體的熱力學(xué)溫度；

——氣體密度。

由上述可知驅(qū)動器內(nèi)的壓力變化也滿足理想氣體狀態(tài)方程，根據(jù)位移產(chǎn)生體積的變化以及氣態(tài)轉(zhuǎn)換可得到

綜上可得出最終結(jié)果

由上述結(jié)果可知影響系統(tǒng)的因素有：閥門流量線性特征常數(shù)K線性、閥門定位器流量特性參數(shù)Kv定和閥門定位器進(jìn)口壓力P3。降低K線性值線性剛度以適應(yīng)不同工況下的壓力波動需求，提高系統(tǒng)控制精度可減少系統(tǒng)震動次數(shù)。增大P3和Kv定可以有效提高系統(tǒng)響應(yīng)時間。

3 高精度快響應(yīng)氣墊壓力平衡控制特點

高精度快響應(yīng)氣墊壓力平衡與保持控制技術(shù)采用的控制原理仍然是負(fù)反饋閉環(huán)控制方式。主要通過以下幾種方式提高系統(tǒng)的精度和響應(yīng)時間。

1）采用四回路并聯(lián)控制方式，將氣體保壓系統(tǒng)的進(jìn)氣回路分別由一大一小進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥且并聯(lián)進(jìn)氣，將排氣閥門分為一大一小排氣閥門且并排排氣。大小閥門通過流量設(shè)計分配減少K 線性值線性剛度值，從而減少系統(tǒng)判斷時間加快閥門運(yùn)行速度，提高系統(tǒng)控制精度。系統(tǒng)原理簡圖如圖2所示。

2）控制器進(jìn)行分段控制以適應(yīng)不同工況條件要求，達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。對于大直徑設(shè)備上，為了能夠使氣墊艙控制精度更高，保證泥水倉支撐壓力的穩(wěn)定性，氣體保壓系統(tǒng)通過PI 控制器分段控制大小閥門開度，來精確調(diào)整流量以保證掌子面支撐壓力的穩(wěn)定性，避免造成支撐壓力波動過大。

圖2 四回路并聯(lián)控制方式簡圖

上述系統(tǒng)通過小閥門小流量進(jìn)排氣模式控制來滿足以下工況：①正常掘進(jìn)液位較平穩(wěn)工作模式；②人員帶壓進(jìn)倉維修保養(yǎng)。

上述系統(tǒng)通過大閥門大流量進(jìn)排氣模式控制來滿足以下工況：①進(jìn)漿瞬時停止排漿正常時進(jìn)氣模式維持支撐壓力穩(wěn)定；②排漿瞬時停止進(jìn)漿正常時排氣模式維持支撐壓力穩(wěn)定。

3）增加速度放大器，增大P3和Kv定值從而加快閥門的動作速度從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)將閥門定位器上的控制信號引入到速度放大器上，從而控制速度放大器開關(guān)來控制調(diào)節(jié)閥驅(qū)動器的動作?？刂葡到y(tǒng)簡圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)方框原理圖

4 結(jié)語

1）高精度快響應(yīng)氣墊壓力平衡系統(tǒng)通過采用四回路閥門并聯(lián)來分段控制進(jìn)排氣流量以及速度放大器，使從整套氣墊壓力平衡系統(tǒng)性能顯著提高，可更靈敏快速補(bǔ)償開挖面支護(hù)壓力的變化，達(dá)到支護(hù)壓力穩(wěn)定。

2）超大直徑超高水壓超長距離盾構(gòu)施工未來需求量將增多，該高精度快響應(yīng)氣墊壓力平衡系統(tǒng)能夠順利保證開挖面支護(hù)壓力的穩(wěn)定性，解決隧道施工困難，提高隧道施工安全。