大直徑泥水盾構(gòu)氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)研究

張 杰，周小磊，馬志勇，俞培德

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

泥水盾構(gòu)在掘進過程中以壓力泥漿維持開挖面的平衡穩(wěn)定[1]，目前大直徑泥水平衡盾構(gòu)一般在小型泥水平衡盾構(gòu)的泥水倉基礎(chǔ)上增加了氣墊倉，以達到控制開挖面壓力穩(wěn)定的效果[2]。泥水盾構(gòu)工作原理如圖1 所示，水壓、土壓壓力作用于盾構(gòu)的開挖倉，壓力平衡控制系統(tǒng)往氣墊倉注入預(yù)設(shè)好一定壓力的壓縮空氣，通過連通管原理，將壓力傳遞到開挖倉。在盾構(gòu)掘進過程中，通過穩(wěn)定壓力的傳遞，保持開挖面的穩(wěn)定[3]。大直徑泥水平衡盾構(gòu)氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定與否，直接關(guān)系到隧道能否安全、高效施工。

圖1 泥水盾構(gòu)工作原理

針對泥水平衡盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性研究，李昀、宋蘊璞[4-5]等針對開挖面穩(wěn)定模型進行了試驗研究，表明了泥水平衡盾構(gòu)因開挖面壓力控制原因?qū)е碌牡乇沓两?，很大程度上取決于氣墊倉壓力的控制精度范圍；李明杰[6]通過建立氣墊倉動力學(xué)模型，分析了不同液位和不同切口壓力下，采用不同的干擾仿真，驗證了采用間接性氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)可以很好地彌補環(huán)流系統(tǒng)劣勢，改善整機的響應(yīng)速度；劉傲楊[7]等對大直徑泥水盾構(gòu)氣墊倉的保壓技術(shù)進行了簡單的介紹；文中保、王凱等[8-9]通過對泥水盾構(gòu)自動保壓系統(tǒng)常規(guī)PID 控制的動態(tài)特性進行分析，設(shè)計了自動保壓系統(tǒng)的模擬控制器，研究了模糊控制算法對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的補償；俞培德[10]等介紹了氣墊壓力平衡的控制技術(shù)，進行了控制理論的研究分析，推導(dǎo)出幾種提高系統(tǒng)精度和響應(yīng)時間的方式。目前針對大直徑泥水平衡盾構(gòu)的研究工作，主要集中在泥漿、泥膜質(zhì)量的研究，泥漿性質(zhì)和泥漿的指標(biāo)，對維持開挖面的穩(wěn)定性重要性的研究，也有些學(xué)者，對泥水平衡盾構(gòu)的泥水壓力進行浮動性研究，對泥水平衡系統(tǒng)的控制策略進行了研究，但是針對大直徑泥水盾構(gòu)氣墊壓力平衡控制的應(yīng)用研究，目前少有提及。

本文主要針對泥水盾構(gòu)的氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)進行研究。對系統(tǒng)工作原理、關(guān)鍵參數(shù)進行介紹，提出大直徑泥水盾構(gòu)壓力平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計，對氣墊壓力平衡系統(tǒng)在不同壓力突變情況進行模擬，針對不同機器在不同地層中進行數(shù)據(jù)分析，進而驗證針對大直徑泥水平衡盾構(gòu)設(shè)計的壓力平衡控制系統(tǒng)的可行性。

1 泥水盾構(gòu)壓力平衡控制系統(tǒng)

泥水平衡盾構(gòu)掘進中水土壓力直接作用到開挖倉，進而將壓力傳遞給氣墊倉，之后氣墊倉壓力和開挖倉壓力相互影響。即：氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)維持著開挖面的穩(wěn)定，同時對刀盤切削、土體不均、外部干擾等造成的開挖倉壓力沖擊與脈動進行緩沖和吸收。

對于泥水盾構(gòu)來說，較多采用全氣動壓力控制系統(tǒng)型式，其控制系統(tǒng)如圖2 所示。系統(tǒng)中包含有氣源處理、減壓閥、PI 控制器、壓力傳感器、進氣閥、排氣閥及消音器等。

圖2 泥水盾構(gòu)壓力平衡控制系統(tǒng)

系統(tǒng)開始運行時，需在PI 控制器上設(shè)定好維持開挖面穩(wěn)定的目標(biāo)壓力，掘進過程中，根據(jù)水土壓力的變化，及時調(diào)整目標(biāo)壓力。系統(tǒng)運行過程中，壓力傳感器將氣墊倉的當(dāng)前壓力實時傳遞給PI 控制器。PI 控制器根據(jù)目標(biāo)壓力與當(dāng)前壓力的差值進行控制信號的輸出：當(dāng)目標(biāo)壓力高于當(dāng)前壓力的時候，控制器信號將進氣閥打開，此時，氣墊倉壓力在壓縮空氣的作用下上升；當(dāng)前壓力達到目標(biāo)壓力后，進氣閥關(guān)閉；反之亦然。壓力平衡控制系統(tǒng)通過不斷的進氣、排氣，使氣墊倉壓力穩(wěn)定在目標(biāo)壓力值附近，以此保證開挖面穩(wěn)定。

泥水盾構(gòu)掘進中，為了保證地表沉降的控制效果，空氣壓縮機不間斷為系統(tǒng)提供壓縮空氣，這也是土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)不同的一點。氣墊壓力平衡系統(tǒng)工作中，不僅要滿足盾構(gòu)機掘進中氣液兩相的壓力平衡，還需配備空氣過濾系統(tǒng)，當(dāng)帶壓進倉的時候，要滿足倉內(nèi)作業(yè)人員的正常呼吸[11]。因此，對盾構(gòu)氣體保壓系統(tǒng)設(shè)計進行分析，并對現(xiàn)場應(yīng)用狀況進行研究，顯得十分必要。

2 壓力平衡控制系統(tǒng)分析

采用氣墊壓力平衡系統(tǒng)來調(diào)節(jié)開挖面支護壓力，需要掘進司機對泥水壓力進行監(jiān)測，出現(xiàn)動態(tài)變化、系統(tǒng)擾動等情況時要針對具體情況判斷所設(shè)置的目標(biāo)壓力是否合適。

根據(jù)壓力傳遞原理

式中Pk——泥漿壓力；

Pa——氣墊倉氣體壓力；

ρ——泥水倉泥漿的平均密度；

h——液位相對于盾體底部的高度；

R——近似取值刀盤半徑。

按照式（1）分析，在掘進中，氣墊壓力平衡系統(tǒng)要能夠滿足泥漿液位突然升高或降低一個極小或極大的值而能夠保證Pk值的穩(wěn)定，也就是說，泥漿的液位高度直接影響氣體體積，進而需要壓力平衡控制系統(tǒng)能夠快速的響應(yīng)氣體體積的變化。

2.1 壓力平衡控制系統(tǒng)關(guān)鍵元器件

如圖3 所示，作為感受氣墊倉壓力的壓力傳感器，此傳感器為全氣動驅(qū)動，常被叫做壓力變送器。其原理為力矩平衡原理，氣墊倉壓力作用在測量元件處產(chǎn)生一個力，該力由平衡梁和可調(diào)支座傳遞到補償梁上。當(dāng)輸入力、輸出氣壓和反饋波紋管的力達到平衡時，系統(tǒng)平衡。當(dāng)氣墊倉壓力下降時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)平衡被打破，輸出空氣壓力下降，直到新的平衡達成，即壓力變送器輸出的氣壓信號隨著氣墊倉實際壓力實時變化。

圖3 氣體壓力變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

泥水盾構(gòu)壓力平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計中，針對所描述的氣體通流量選用圖4 所示的進排氣閥門。閥芯的單位相對行程所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比，Kv值的等量變化即為行程的等量變化。

圖4 進排氣閥門

閥門選用前，需要計算液位升高或者下降時，進排氣對應(yīng)的體積流量。在常規(guī)直徑盾構(gòu)的設(shè)計中，一般情況下盾構(gòu)機設(shè)計的開挖面平衡壓力為6bar，氣源壓力按照8bar 進行選取，進氣流量為12Nm3/min，排氣流量為12Nm3/min。經(jīng)過定量分析，在進口壓力和出口壓力一定的情況下，進排氣閥的Kv值如表1 所示。

表1 進排氣閥在不同工況下的Kv值

根據(jù)表1 中的參數(shù)進行選取，最終選取進氣單座調(diào)節(jié)閥型號：DN80 PN16 KV80；排氣單座調(diào)節(jié)閥型號：DN80 PN16 KV60。同時配備了能力為75kW，11Nm3/min，10bar 的空氣壓縮機，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，可以有效地滿足現(xiàn)場使用。

2.2 四回路壓力平衡控制系統(tǒng)設(shè)計

隨著我國對大型泥水盾構(gòu)的需求越來越多，特別是對于超大型泥水盾構(gòu)來說，施工安全更加重要，關(guān)乎開挖面穩(wěn)定的氣墊平衡控制系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度和精度需求也越來越高。

在某大直徑泥水盾構(gòu)的設(shè)計中，保壓系統(tǒng)按照常規(guī)直徑的盾構(gòu)進行設(shè)計，根據(jù)進排氣所需要的氣量計算，采用了大口徑的進排氣閥門進行氣墊平衡的控制，掘進結(jié)束，整個項目的施工沉降控制在了0.7mm 以內(nèi)，刷新了國內(nèi)大直徑盾構(gòu)穿越既有建筑物沉降控制的最新紀(jì)錄。

針對現(xiàn)場的使用反饋，此系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定，但遇到卡泵、堵管等突發(fā)狀況的時候，氣墊壓力控制的滯后性較為明顯。由此可見，超大直徑泥水盾構(gòu)的設(shè)計中，對大直徑泥水盾構(gòu)氣墊壓力的快速響應(yīng)和高精度控制研究顯得十分必要。

根據(jù)氣墊壓力平衡系統(tǒng)控制理論，單位時間內(nèi)壓力的變化（壓力波動）公式如下

式中K線性——閥門流量線性特征常數(shù)；

K彈簧——閥門驅(qū)動器內(nèi)彈簧的彈性系數(shù)；

P3——定位器進口壓力；

Kv定——閥門定位器流量特性參數(shù)。

由式（2）可知：降低K線性值、提高K彈簧值可以減少壓力波動，提高系統(tǒng)響應(yīng)精度；增大P3值和Kv定值可以有效提高系統(tǒng)響應(yīng)時間。

如圖5 所示，在大直徑泥水盾構(gòu)氣墊壓力平衡系統(tǒng)的設(shè)計中，可以通過增加進氣、排氣并聯(lián)管路和速度放大器，配合進行精準(zhǔn)分段控制的PI控制盒，可以有效降低和增大對應(yīng)的K、Kv和P值。

圖5 四回路壓力平衡控制系統(tǒng)簡圖

首先，進排氣回路分別采用DN125 和DN80閥門并聯(lián)安裝，如圖6 所示，按照閥門的通徑進行流量分配，從而將單路閥門的K線性值和K彈簧值降低，減少系統(tǒng)判斷時間加快閥門運行速度。

圖6 配速度放大器的進排氣閥門

其次，在閥門的定位器前端增加速度放大器，將控制氣源和閥門定位器的控制信號引入放大器，通過放大器作用，將P3值和Kv定值加大，最大幅的提高閥門定位器的驅(qū)動速度，從而保證系統(tǒng)快速響應(yīng)。

最后，控制器內(nèi)部比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)控制單元采用分段精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的方式。在液位平穩(wěn)的掘進和人員帶壓進倉時，采用DN80 閥門進行進排氣的控制；在進漿流量和排漿流量突變的時候，DN80 和DN125 閥門共同作用，通過大流量的進氣和排氣，實現(xiàn)對開挖面的穩(wěn)定控制。

3 四回路壓力平衡控制系統(tǒng)分析

根據(jù)氣墊壓力平衡系統(tǒng)的控制理論，結(jié)合各元件的工作原理，利用仿真軟件建立了如圖7 所示的壓力平衡控制系統(tǒng)仿真模型。

圖7 壓力平衡控制系統(tǒng)仿真模型

模型中目標(biāo)壓力值是根據(jù)實際工況需要設(shè)定好的目標(biāo)值，氣源為恒壓源，進氣閥和排氣閥按照現(xiàn)場實際選用的閥門進行壓力-流量特性曲線的設(shè)定，在穩(wěn)定的工況下，實際壓力和目標(biāo)壓力一致。為了模擬突然出現(xiàn)壓力波動的情況，在仿真系統(tǒng)中，將實際壓力值重新賦值，模擬系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

模型中的主要參數(shù)按照溫度30℃，氣源壓力12bar，氣墊倉壓力6bar，氣墊倉的初始壓縮空氣體積205m3的工況進行模擬。

3.1 四回路壓力平衡控制系統(tǒng)工作原理

四回路壓力平衡系統(tǒng)工作中，壓力變送器實時反饋氣墊倉壓力，壓力信號傳輸至PI 控制器。PI 控制器根據(jù)目標(biāo)值與實際值的偏差，輸出0.2～1bar 的控制壓力到進排氣調(diào)節(jié)閥。其中，控制壓力在0.2～0.6bar 的時候，排氣閥打開，氣墊倉壓力下降；控制壓力在0.6～1bar 的時候，進氣閥打開，氣墊倉壓力上升；控制壓力在0.6bar時，所有閥門關(guān)閉，氣墊倉保持穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)作業(yè)人員帶壓進倉或液位平穩(wěn)的正常掘進中，壓力波動較小的工況下，此時需要小流量進排氣，PI 控制器的輸出壓力在0.6±0.2bar 范圍內(nèi)波動，此時進排氣小閥動作，保證了小流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

當(dāng)發(fā)生進漿瞬間停止或排漿瞬間停止需要進行大流量的進排氣的時候，PI 控制器的輸出壓力在0.6～0.8bar 或0.2～0.4bar 范圍內(nèi)波動，此時進排氣的所有閥門同時動作，保證了大流量快速通過。

3.2 系統(tǒng)模擬

為了驗證雙回路壓力平衡系統(tǒng)與四回路壓力平衡系統(tǒng)對氣墊壓力突變的響應(yīng)速度，給出同一個6bar 的目標(biāo)值，分別模擬DN125 閥門動作和四回路系統(tǒng)壓力變化曲線。

如圖8 和圖9 所示，當(dāng)模擬氣墊倉壓力突然升高或降低時，由于目標(biāo)值不變，壓力平衡控制系統(tǒng)會立刻將排氣閥/進氣閥打開，并且隨著氣墊倉實際壓力趨于目標(biāo)值，排氣速率逐漸變小。

圖8 氣墊倉壓力升高仿真圖

圖9 氣墊倉壓力降低仿真圖

據(jù)模擬結(jié)果分析如下。

采用DN125 單路大口徑進排氣閥的雙回路系統(tǒng)的響應(yīng)在20s 左右趨于穩(wěn)定，其曲線變化速率較四回路系統(tǒng)明顯較慢。

采用DN125 和DN80 雙閥門進行壓力平衡的四回路系統(tǒng)，在10s左右達到了壓力的平衡效果，在保證大流量氣體通過的同時，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

理論和仿真分析表明，四回路壓力平衡控制系統(tǒng)可以更好地保證在突發(fā)狀況下泥水盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定。

4 四回路壓力平衡控制系統(tǒng)應(yīng)用

經(jīng)過以上設(shè)計分析，在大直徑泥水盾構(gòu)采用四回路壓力平衡控制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度，從而使得原系統(tǒng)的性能得到明顯的提升，達到快速對開挖面支護壓力補償、維持地表穩(wěn)態(tài)的目的。

4.1 系統(tǒng)實驗室測試曲線

如圖10 所示，在實驗室測試某盾構(gòu)壓力平衡系統(tǒng)，通過自動控制信號給出波動規(guī)律的進排氣操作，在采集氣墊倉倉壓設(shè)置為2bar 的情況下，采集了PI 控制器的輸出信號。

圖10 系統(tǒng)對擾動的適應(yīng)曲線

進排氣閥門擾動的開度在0～20%波動的過程中，由于排氣閥先行擾動，此時氣墊倉壓力有一定的降低，進氣需要進行補氣操作，所以PI 控制器的輸出信號在0.6～0.8bar之間無規(guī)律的波動，但氣墊倉壓力始終維持在2bar，沒有出現(xiàn)波動。

對PI 控制器輸出信號的分析可以得出，控制閥門開關(guān)的信號在一定范圍內(nèi)不停地波動，閥門的開度在此信號的控制下，不停地進行變化，如同液壓系統(tǒng)作用在比例電磁閥上的顫振信號一樣，一定程度上也增加了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

4.2 在大直徑盾構(gòu)的應(yīng)用

超大直徑泥水盾構(gòu)施工中，更加高效的壓力平衡控制系統(tǒng)顯得尤為重要。目前，在超大直徑泥水盾構(gòu)的設(shè)計中，普遍采用了上述四回路壓力平衡控制系統(tǒng)。經(jīng)過十余臺超大直徑泥水盾構(gòu)的驗證，本系統(tǒng)安全可靠、控制沉降效果更好。

4.2.1 在大連海底隧道應(yīng)用

大連地鐵5 號線火梭區(qū)間海底隧道，由于需要在破碎基巖地層中開挖，巖層破碎裂隙大，泥膜難以形成，掌子面易出現(xiàn)塌方等嚴(yán)重事故[12]，對壓力平衡控制系統(tǒng)的要求極為苛刻。

在此臺盾構(gòu)的設(shè)計中，采用了四回路壓力平衡控制系統(tǒng)，如圖11 所示，對相關(guān)參數(shù)進行分析。在氣源壓力不穩(wěn)定的工況下的掘進中，推進速度在破碎基巖地層中產(chǎn)生了較大幅度的波動，但是采集到的氣墊倉、泥水倉壓力，均穩(wěn)定在所設(shè)置目標(biāo)值，此系統(tǒng)對惡劣地層氣墊倉壓力的穩(wěn)定，起到了至關(guān)重要的作用。

圖11 大盾構(gòu)1的相關(guān)參數(shù)

4.2.2 在波蘭大直徑盾構(gòu)的應(yīng)用

中國出口海外超大直徑泥水盾構(gòu)“Islander”需要下穿波蘭的Swina 海峽，同樣采用了四回路壓力平衡控制系統(tǒng)。

如圖12 所示，采集了掘進速度、氣墊壓力和開挖艙壓力進行分析。由于地層較為穩(wěn)定，掘進速度沒有了圖11 中的速度大幅度波動，無論掘進速度如何變化，開挖倉的壓力均穩(wěn)定在目標(biāo)值，此系統(tǒng)很好地適應(yīng)了大直徑泥水盾構(gòu)的掘進需要。

圖12 大盾構(gòu)2的相關(guān)參數(shù)

5 結(jié)論與建議

研制了適用于超大直徑泥水盾構(gòu)的四回路氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)，通過增加進排氣并聯(lián)管路和速度放大器，配合PI 控制的高可靠性，實現(xiàn)了超大直徑泥水盾構(gòu)氣墊壓力的快速響應(yīng)和高精度控制。

超大直徑泥水盾構(gòu)氣墊壓力平衡控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用，解決了越來越多的大直徑泥水盾構(gòu)施工中對開挖面支護壓力要求越來越高的難題，提高了穿江越海隧道的施工安全性。