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如何使螺旋输送机的排土控制达到最佳?
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因受环境保护和地面设施的制约,对隧道施工法及其施工工艺的要求越来越高,尤其是城市及穿越江河海底等土质地层中的隧道施工,盾构施工法已成为首选,对其施工造成的地表沉降的控制是衡量现代盾构施工技术水平的关键因素之一。
现代盾构施工控制地表沉降最基本的方法是土压平衡技术,要求根据工作面实际压力的变化及时调整排土量,保证工作面有合适的支撑压力。目前常用的方法是通过预先设定土仓内压力值,在施工中根据地表沉降情况再进行调整来稳定地层,是一种“滞后式”的土压纠正。由于开挖面上土层的原始应力比较复杂,这种预先设定与滞后调整的结果会使地面产生较大隆起或塌陷,地层稳定和地表沉降控制的效果在很大程度上取决于施工人员的经验,施工质量难以保证。因此,如何根据工作面土压或地表变形实时调整螺旋输送机的转速是关系到土压平衡盾构可靠掘进的关键技术问题,也是一个技术难点问题。
1.螺旋输送机液压系统设计
采用液压驱动及控制的螺旋输送机可根据密封仓内土压力反馈信号及变量泵比例控制螺旋输送机转速,从而有效地控制密封仓内土压并使其与开挖面水土压力相平衡。同时,螺旋输送机出泥口闸门的可靠启闭是隧道施工的安全保证。
螺旋输送机电机正常启动完毕后,系统处于推进状态,且刀盘主驱动系统处于转动状态、出泥口闸门处于开启状态下,才能对螺旋输送机进行正转控制;螺旋输送机的反转控制则必须在联锁解除状态下方可进行。另外,螺旋输送机电机正常启动完毕后,方可对出泥口闸门进行启闭控制。系统压力油通过三位四通电磁换向阀,液控单向阀进入液压缸的无杆腔,推动液压缸的活塞杆向前运动。活塞杆向前推进时,出泥口闸门打开,其开口量逐渐增大。位移传感器用来实时检测液压缸的推进位移,当检测到的推进位移等于预先设定的位移时,三位四通电磁换向阀断电处于中位,液压缸的活塞杆固定在设定位置。系统中的行程开关用来提供出泥口闸门液压缸的极限位置信号,可起到安全保护作用。
系统中马达的转速由安装在其输出轴上的转速传感器实时检测,转速传感器检测得到控制参数输出量,经过整形、比较和增益调整放大,通过比例放大控制器控制主驱动泵的比例控制阀,使主驱动泵排量相应地成比例变化,从而达到所需螺旋输送机的转速。系统正常工作时,二位二通电磁换向阀得电处于关闭状态,压力油通过单向阀和截止球阀进入蓄能器,此时蓄能器进行充压蓄能。
在断电或突发性的故障停机状态,为了防止发生喷涌事故,应能保证螺旋输送机出泥口闸门的可靠关闭,以确保土仓内的土压保持平衡。系统突然断电时,二位二通电磁换向阀断电,油路导通,此时蓄能器充当泵的功能。长时间停机时,应及时关闭管路上的截止球阀以防由于泄漏引起闭合压力过低,造成密封不良的现象。溢流阀和卸荷球阀起安全保护作用,可防止蓄能器超压。
2.螺旋输送机排土控制策略
土压平衡盾构用于城市地下施工时,为了控制地表沉降,减小地表变形,一个重要因素是要保持密封仓内的进土量和排土量相匹配。通常采取两种控制模式,一种是控制进土量的推进控制模式,即通过土压检测,改变推进速度控制进土量,此时螺旋输送机转速事先设定;另一种是控制排土量的排土控制模式,即通过土压检测,改变螺旋输送机的转速控制排土量,此时盾构推进速度事先设定。
土压平衡式盾构机的排土控制模式根据所处的地质地层情况及实践经验事先设定好目标土压和推进速度,同时通过密封仓内的土压传感器的实测值来实时调整螺旋输送机的转速,从而达到理想的排土量。当土压力超过目标土压设定的上限时,螺旋输送机的转速增大,加大排土量;当土压力低于目标土压设定的下限时,螺旋输送机的转速降低减少排土量;当土压力位于目标土压设定的范围内时,螺旋输送机以定转速旋转排土。
实际盾构施工时,土压平衡自动控制一般采用pid控制,但pid控制对参数的整定要求非常高,参数的好坏将直接影响到调节品质,参数整定是pid控制中比较困难的部分。另一方面,由于目标值的变化、不可预测的外扰、控制对象的慢时变性都会导致系统特性的变化,使原来整定的pid参数无法保证对系统进行很好的控制。
3.总结
采用土仓压力电反馈及比例反馈液压控制技术,能控制盾构掘进时对土体的扰动,减小地表沉降,使盾构螺旋输送机液压系统能适应各种复杂地质地层,提高了系统可靠性。
对盾构密封仓内土压力进行实时检测,采用自整定pid控制策略实现了螺旋输送机转速的实时控制,可使密封仓内土压力控制在设定范围,基本实现自动排土控制,为土压平衡盾构实际施工中自动排土控制提供了一种控制参考依据。(图/文www.changrong-jx.com)

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