EPBM开挖面稳定控制策略及液压系统研究

　　盾构施工对周围环境的影响主要表现在盾构推进引起的地表沉降.地表沉降过大时,会影响到盾构隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营^[1].

　　土压平衡全断面掘进机(Earth Pressure Bal-anced TBM)(以下简称EPBM)施工过程中的基本要求是稳、准、快.稳就是用泥土加压来抵抗开挖面的土压力和水压力,以维持开挖面的稳定性,从而将地表沉降控制在容许的尽可能小的范围内.准就是施工路线和设计路线的偏差要控制在一定的精度范围内.快就是EPBM的开挖效率要尽量提高.本文重点讨论"稳"的问题.开挖面稳定系统通常可采取两种控制模式,一种是控制进土量的推进操作控制模式,另一种是控制排土量的排土操作控制模式[2],即通过土压检测,改变螺旋输送机的转速控制排土量,此时盾构推进速度人为事先设定.分析其控制原理,提出开挖面稳定系统的排土操作控制模式的控制策略,并针对盾构功能要求设计螺旋排土器的液压系统.

　　1　控制原理及控制策略

　　土压平衡式全断面掘进机,是将开挖下来的土砂充满到开挖面和隔板之间的开挖舱内,根据需要在其中注入添加剂,用适当的土压力确保开挖面的稳定性,从而将地表沉降控制在较小的容许范围之内.通过贯穿隔板设置的螺旋输送机,可在推进的同时进行排土.在施工时,必须在开挖面和隔板之间的开挖舱内充满土砂,对其进行加压达到满足开挖面的稳定所需要的状态.为获得适合于盾构推进量的排土量,要对土压力和开挖量进行计测,对螺旋排土器的转数和盾构的推进速度进行控制,同时还要掌握刀盘的扭矩和推力等,进行正确的控制管理以防止开挖面的松动和破坏^[3].

　　土压平衡全断面掘进机盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持:

　　1)开挖舱内泥土压力平衡土压力和水压力;

　　2)挖土量和排土量的平衡;

　　3)适当地保持泥土的流动性,根据需要调节添加剂的注入量[2].挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩、全断面进机的推进速度及推力决定.预先设定刀盘转速、推力和推进速度的条件下,排土量就成为影响开挖面稳定的主要因素,刀盘转速、推力和推进速度因开挖条件的改变而产生的变化可定义为系统的扰动.

　　调节排土量即调节了开挖舱内的压力,使密封开挖舱压力波动控制在最小幅度.排土量的多少通过螺旋排土器转速和闸门开度的综合作用来调节.螺旋输送机转速是通过变量泵的排量来调节的,闸门开度是通过调节定量泵的流量改变驱动液压缸的行程实现的.

　　根据如上的控制原理,设立二维权重系数控制策略如下