摘要：盾构机在我国工程领域的应用已经有三十多年，在地下隧道工程建设中获得了极大的发展，但是在螺旋输送机排土控制系统的研究上，仍存在一些问题。一是排土参数设计规律不明确、不统一；二是对控制系统输出的稳定性研究较少。本文研究基于单控模式下的螺旋输送机排土控制系统，针对单一土层和变化土层，采用数值模拟的方法，研究密封舱压力控制的优化和输出的稳定性。
关键词：盾构；螺旋输送机；土压力；优化控制；
引言
近年来，随着地铁客运的兴起，不仅使地底空间得到了开发，还能够在保证运力的情况下高速运行，极大地缓解了当前大城市中由于人口激增造成的交通拥堵和环境污染等问题，成为了当前广受青睐的理想出行方式[1]。自1969年我国第一条地铁——北京地铁一号线建成以来，已经有近32个城市开通地铁线路，已获批准正在建设地铁的城市有近15个，地铁规划中的有城市29个，运营里程达3881.8公里，车站2257座。尤其是近10年来，随着城市轨道刚需的爆发，中国的地铁建设走上了告诉发展的道路。
在城市中进行地下施工，目前来看只能采用暗挖法（盾构法施工）。因盾构机挖掘隧道自动化程度高，对地表建筑设施和河道造成的影响很小，外界的气候变化也不会减慢施工进度，对环境造成的工业污染也小很多。还可以节省人力。在规划地下隧道时，需要根据预计隧道的情况选择合适的盾构机，一般依据是根据拟建隧道的埋深，地层性质等选用适宜的盾构机或是根据施工对象参数进行设计和改造。当然在施工中地质情况是复杂多变的，经常会出现复合（软土、泥浆等）地层状况。土压平衡盾构机因其对多种地质状况的强适应性和可以保证掘进面压力稳定的优良性能，广泛的应用于地铁隧道施工建设中。掘进过程要在保证施工精度的前提下，尽量减小对隧道周围的土层的干扰，否则很容易由于压力控制不当引起地表的坍塌或者隆起。土压平衡盾构机一般是通过调整螺旋输送机的进出土量建立土压平衡。因此螺旋输送机排土特性的控制优化是一个要解决的关键问题。
1 盾构机的发展现状
我国地下工程施工装备发展较西方发达国家落后，直到近四十年才受到重视。起初距国外有很大的差距，但是得益于近年来地下工程量的大爆发，国内盾构机企业已成功实现跟着跑、并着跑、领着跑的三级跳，盾构机的整体技术能力已不亚于国外老牌企业，甚至部分技术已处于世界领先地位。盾构机是复杂的机电一体化的重型设备。盾构机的研发，包括了探索开挖对象的物理性质，研究刀具切削和破岩的机理，以及对推进系统，排土系统，数据采集系统，管片衬砌等流程的研究等，这些内容都为盾构机的设计提供了参考，也有利于建设隧道时盾构机的选型。陈烘陶等[2]搭建了一个实验台，通过研究和对比，为土压平衡（Earth Pressure Balance- EPB）盾构机的土压平衡系统的设计优化提供了参考。H.Mroueh和I.Shahrour[5]提出了一个基于一般化的收敛约束概念的简化的三维数值模型，用于预测TBM施工时隧道建设时引起的土体运动。Balci[3]讨论了用于建造伊斯坦布尔的Kozyatagi-Kadikoy地铁隧道的盾构机的岩石可凿性的现场预测与实验结果，该地层多分布高度破碎的岩层，用全尺度岩石切削实验确定了隧道掘进机的一些设计参数和性能预测，随后利用预装在其中的数据采集系统记录了盾构机的施工情况，并与实验室测试得到的参数进行比较。观察到岩层的破碎特性会极大的影响盾构机的性能，说明地层情况决定盾构机选型。亢晨钢等[4]用数值方法得到了EPB盾构机在刀盘不同开口率下的压力特点，即刀盘开口率与压力传递系数的关系，这对于密封仓压力控制研究提供了压力源的量化表达数据。
2 螺旋输送机排土系统控制方法
本文以一个适合的土体单元体为研究对象进行理论分析，希望通过建立土体单元体的力平衡方程以及几何平衡方程，分别来体现土仓的压力平衡和进出土量平衡[59]。如图2.1所示，将此土体单元体的运动分解为轴向运动和切向运动，设土体的实际轴向流动方向和切线方向的夹角为土体流动角θ。
图2-1 土体微元示意图
由于实际输送过程中，土体的特性和真实的流动情况难以了解，所以在推导过程中引入几点假设：忽略土体的重力；忽略土体在螺旋机内传输时的内部流动；认为土体和筒壁的剪切应力沿轴向不变。
如图2-1所示，分别用
和
表示叶片的最大直径和平均直径，用
表示螺杆直径，用S表示螺距，那么对应的位置的螺旋升角分别用
，
，
表示，对应的关系为：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
当输送机以转速为N工作时，叶片边缘与筒壁的相对速度可以写成：
（2-4）
根据图2.1的速度矢量示意图，可以将土体单元沿螺旋轴向运动的速度矢量表示为：
（2-5）
通过上式给出的速度矢量
与螺旋输送机的通道截面积
相乘，我们可以得到螺旋输送机的实际排土量Q：
（2-6）
这里e表示叶片的壁厚。
3 单控模式机理
本文重点以单控模式为研究对象。具体是拟定盾构机的掘进速度保持不变的情况下，通过控制螺旋输送机的转速，实现土体流入和排出的平衡调整。通常，这一模式模式适用于地质条件较为均匀的地层。具体原理示意图如图3.2所示。
图3-1 单控模式控制示意图
4 结语
本文研究了在单控模式下，盾构机密封舱的土压控制，建立了控制系统的数学模型，用Matlab对不同控制参数下，系统的控制效果进行了分析，并对系统输出的稳定性进行了探讨。分析得到以下结论：
在控制过程中，螺旋输送机的角加速度对控制效果有很大影响。随着角加速度的增大，控制密封舱压力达到目标压力的时间越短，即控制系统的反应更迅速。但是当螺旋输送机的角加速度过大时，系统的控制很不稳定，输出压力会在目标压力附近波动。
此外，土的切线模量越小，越不易控制，在切线模量为300kPa时，控制时间需要30s，这是不可取的，且切线模量小于290kPa时，对控制效果的影响更大。在一定范围内，提高排土效率可以减少控制时间，但过高的排土效率仍然对系统的控制不利。
参考文献：
[1]薛学伟，华隧通首台盾构机下线开创国产化新模式[J].建设机械技术与管理，2009.22：52-53.
[2]陈烘陶等，盾构EPB模拟实验系统的建模与仿真[J].机床与液压，2007.35：140-142.
[3]Balci，C.，Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation：A case study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel，Turkey[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2009.24（4）：423-435.
[4]亢晨钢，李守巨，刘迎曦，EPB盾构机土仓压力分布有限元数值模拟[J].工程建设，2009，41：1-6.
【中国铁建重工集团有限公司】
论文作者:沈建龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
标签：盾构论文; 压力论文; 隧道论文; 螺旋输送机论文; 地层论文; 地铁论文; 角加速度论文; 《基层建设》2019年第10期论文;