盾構同步注漿和加泥／加水監控系統開發

李培培， 李 菊， 華雪賚， 康 盛

（1.上海市建設工程管理有限公司，上海200031；2.上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海200023）

盾構法是隧道施工的核心技術。盾構施工的工程量大、結構復雜、施工工序多。同時，隨著隧道施工的愈發復雜，施工過程中容易引發地面塌陷、隆起等事故，造成一系列的后果［1］。盾構施工過程或多或少會對底層產生擾動，對地面建筑物穩定性加深影響，要完全消除沉降是很困難的［2］，故對隧道盾構挖掘重要過程進行自動化監控是十分重要的。

對盾構同步注漿和加泥／加水過程進行監控，能夠準確的檢測和評估盾構掘進中的危害和引起的變形等事故，從而優化設計參數。對施工過程加以監控，可以動態掌握運行趨勢，進而采取必要防范措施，并能積累供設計和施工所需的重要參數，指導以后的工程建設［3］。

1 沉降控制的關鍵技術

盾構掘進過程中土體變形可以大致分為5個階段：① 盾構到達前，通常土體受到擠壓，有效應力增加，地表表現為隆起或沉降；② 盾構到達時，受刀盤切削和平衡土壓力的影響，土體的應力和應變發生變化，孔隙水壓力上升，當排土量較小或平衡土壓力較大時，地表表現為隆起，反之為沉降；③ 盾構通過時，盾構與土體之間的摩擦力改變土體應力狀態，地表表現為隆起或沉降；④ 盾尾通過時，孔隙水壓力開始下降，土體產生固結沉降；⑤ 當為軟弱黏性土時，有時可以發現后續沉降，但在砂土及過于固結的硬質黏性土中基本無后續沉降［4］。

開發盾構同步注漿和加泥／加水監控系統的關鍵技術就在于：在盾構推進過程中，通過準確的沉降控制數學模型，對盾構不同的階段和工況進行監控，確保土壓的平衡，在此基礎上建立高可靠性的監控系統。隧道施工對地表沉降影響的研究方法有經驗公式法、隨機介質理論法、彈塑性與黏彈塑性理論解析法、數值計算方法等。當前，一般用于預計橫向沉降的大小與分布的預測地面變形的公式是Peck公式。底層損失概念和盾構隧道施工階段的地面呈正態分布的沉降經驗公式，認為土層移動由土體損失引起，假定土體不排水。體積不可壓縮，則沉降槽體積等于土體損失的體積，隧道施工引起的地表沉降槽曲線如圖1所示。

圖1 隧道施工引起的地表沉降槽曲線

橫向地面沉降估算公式為

式中，x為距隧道軸線的橫向水平距離，Smax為隧道軸線上方的最大地面沉降量；Vloss為盾構隧道單位長度土體損失量；i為地面沉降槽寬度系數，即沉降槽曲線拐點離隧道軸線的水平距離；η為體積損失率，一般情況下，黏性土層η＝1.3%～2.5%，砂層η＝0.15%～1.3%；R1為隧道半徑。

Peck公式在本軟件中得到了應用，其曲線形狀與頂管實測地面沉降曲線較吻合，但參數i和Vloss較難準確確定，其取值對計算結果影響較大。

在本軟件中，i的經驗計算公式有以下幾種。

式中，R為隧道外半徑；h為隧道軸線至地面深度；n＝0.8～1.0，土越軟，n取值越大。

式中，K為土質黏度系統，對于砂性土K＝0.2～0.3，對于黏性土K＝0.4～0.7［5］。

由式（4）～（8）可見，在相同條件下采用不同的計算方法得到的i值相差較大，對地面沉降最大值和曲線形狀造成較大的影響。

為了解決此問題，建立了關鍵參數數據庫，可以對土體損失參數進行優化，通過反算和合理推導可確定反彎點i處的沉降量約為0.618Smax，最大曲率半徑點的沉降量約為0.22Smax，沉陷斷面面積約為2.5iSmax。在有了符合實際情況、能夠準確預測現場沉降量的數學模型后，有效的地面沉降預防成為了可能，本套軟件的自動控制原理亦是以此為依據。

2 沉降控制系統硬件構成

盾構同步注漿和加泥／加水監控系統是加泥式土壓平衡盾構的配套系統。主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）網絡系統、配電設備、現場各類變送器等組成，對同步注漿和加泥／加水進行實時監控，其硬件系統構成如圖2所示。

圖2 硬件系統構成

PLC網絡系統主要由設在盾構及車架內的3臺PLC（包括1臺人機界面）等組成，3臺PLC通過MELSECNET／H 總線構成 PLC網絡，并通過MELSECNET／H總線與盾構主PLC相連進行通信。3臺PLC分別設置在盾構機頭1號控制柜內（PLC1）、1號車架同步注漿控制柜內（PLC2）、4號車架加泥控制柜內（PLC3）；另外，1臺人機界面設置在盾構控制室內。

3 沉降控制系統軟件構成

人機界面主要實現掘進數據監視和盾構操作控制臺的功能。設在現場的變送器將同步注漿、加泥／加水管路的各種參數及同步注漿泵的各種狀態、加泥泵的各種狀態和配電回路的狀態等各種運行參數、狀態通過3臺PLC各自的輸入模塊，實時地采集到PLC中，然后顯示在人機界面上。盾構機同步注漿加泥加水控制系統界面如圖3所示。

圖3 盾構機同步注漿加泥加水控制系統界面

4 沉降防止系統的設計及運行

在盾構控制系統的設計中，為了控制最大沉降量、最大彎曲半徑等指標在公差范圍內，依據前面的算法，通過對同步注漿控制、加泥／加水自動控制、工藝參數的調整來滿足工藝要求。

4.1 同步注漿控制系統

軟件特點：實現了同步注漿系統的自動控制，并以此控制系統沉降量。

同步注漿系統自動控制方式就是系統不斷地對外部條件進行判斷，一旦外部條件成立，系統將自動地啟動一組控制模式的集合。系統根據設定的管路壓力或流量比率隨盾構推進速度自動進行注漿；當推進結束后自動對注漿口進行清洗。注漿啟停流程如圖4所示，自動控制有以下2種方式可選擇。

（1）壓力控制方式：根據設定的1號支路、2號支路壓力，分別對注漿泵輸出注漿量進行比例－積分－微分（Proportion Integration Differentiation，PID）自動控制；

（2）流量比率控制方式：根據設定的1號支路、2號支路流量比率，隨盾構掘進速度分別對注漿泵輸出注漿量進行PID自動控制。

圖4 注漿啟停流程圖

同步注漿量計算是通過注漿泵柱塞的往返次數來計算注漿量。

計算公式：

式中，V注漿為總注漿量；V注漿1為盾構上部（1、4號注漿口）注漿量；V注漿2為盾構下部（2、3號注漿口）注漿量；k1，k2為調整系數，范圍在0.9～1；n1為V注漿1注漿泵柱塞往返次數；n2為V注漿2注漿泵柱塞往返次數。

通過及時、足量的同步注漿操作，可以直接減小盾構施工中對土層造成的地層損失Vloss，從而直接減少地面最大沉降量Smax，最終減少盾構施工引起的總體沉降量。根據周文波提出的沉降量估算公式，半徑為6m的仙霞路隧道在施工時，每減少0.1%的土層損失率，沉降量就能減少5～10mm。

4.2 加泥／加水自動控制系統

（1）加泥／加水泵的控制

加泥／加水系統設置2臺螺桿泵，第1臺泵對1、4號注入口進行壓注，第2臺泵對2、3號注入口進行壓注。2臺螺桿泵分別由2臺30KVA變頻器進行牽引，并通過變頻調速來控制加泥量。

（2）加泥／加水管路壓注控制

加泥／加水管路系統由2個支路，每個支路再分成2個分支路，即1號加泥／加水支路連接1、4號分支路，2號加泥／加水支路連接2、3號分支路。每個分支路連接一個注入口。當要對某一注入口進行壓注時，相應的管路電動閥和手動閥應處于開足狀態。控制的依據是土層穩定系數N，計算方法為

式中，n為經驗參數，取0.7；r為地層密度；H為地面至開挖面中心的距離；p為開挖面支護壓力，是加泥／加水系統主要的控制對象；Cu為地層的不排水抗剪強度。

根據現場測試所獲得的其他參數將穩定系數控制在最優的1～2。

加泥量計算是通過設置在加泥管路上的流量計測出的流量與時間的乘積得到，計算公式為

式中，V1為1號支管加泥量；V2為2號支管加泥量；K1為調整系數，在系統調試時確定；△t為某一時刻的一段時間；L1為某一時刻1號支管流量；L2為某一時刻2號支管流量。

（3）加泥／加水系統控制方式

加泥／加水系統的自動控制方式：根據設定的盾構掘進速度與加泥量的比率自動地對注入口進行壓注；當推進結束后自動停止對注入口的壓注。自動控制就是系統不斷地對外部條件進行判斷，當外部條件一旦成立，系統自動將啟動一組控制模式的集合開始對土室進行加泥／加水。加泥控制有助于維持開挖面的穩定。開挖面穩定程度亦可控制地層損失率。根據公式估算，開挖面穩定系數位置在1～2時，可以將土層損失率控制在1%以下。加泥／加水控制流程如圖5所示。

圖5 加泥／加水控制流程

4.3 參數調整及保護

為了及時控制盾構的沉降和曲率，本系統可對以下參數進行設置、在線調整及進行系統保護（見表1）。

表1 調整及保護的參數

對參數進行設置后，可以確保系統在自動進行防沉降操作時不產生超限動作，避免對土層、隧道造成不可預測的影響。在實際施工中，一般將各油壓、液壓上限控制在1MPa，若出現注漿不足的情況，系統將自動通過增長注漿時間等動作來進行補償，確保各參數不超過危險值。

5 輔助控制系統

在同步注漿、加泥系統的自動補償下，可以基本防止隧道開挖對地面造成的沉降。為了進一步應對隧道開挖時可能發生的各種情況，還開發了一系列輔助功能，這些功能對盾構挖掘的質量控制起到了輔助控制的作用。

5.1 數據存儲功能

對需存儲的數據以推進環為單位作為一個文件進行存儲，數據以每推進2cm存儲一次，并存儲本環中的最大值或最小值，對所有存儲的數據均需帶時標。通過歷史數據的回溯，可以在施工中隨時根據現場實際情況對控制用的經驗公式進行及時的修正，對Peck公式中的主要參數n與i進行修訂，確保施工過程正常進行，施工地區地表沉降得到有效控制。

5.2 數據查詢功能

對存儲的數據文件可采用環號或日期、時間進行搜索和查詢。主要用于人工修正公式誤差或進行歷史記錄查詢用。

5.3 報警功能

本系統對以下參數進行告警、存儲。各類告警應在操作界面有聲光指示。當產生一個告警，在操作界面相應的燈光閃爍，并發出聲告警；確認后，燈光變為常亮（故障還存在），聲告警消失；當故障消失，告警燈熄滅。各類告警以表格方式存儲，并對所有告警均需帶時標。各類告警如表2所示。

5.4 人機界面

人機界面主要用于人機交互，采用多畫面方式進行對同步注漿系統、加泥／加水系統監控的顯示、設置和操作。其畫面至少應包括：同步注漿系統監控主畫面、加泥／加水系統監控主畫面、系統告警表畫面、同步注漿系統和加泥／加水系統一次配電回路狀態畫面、同步注漿系統和加泥／加水系統參數設置畫面、同步注漿系統和加泥／加水系統表報畫面等。每一畫面一般包括監控畫面和畫面切換按鈕區。監控畫面主要有：工藝流程圖、表格、顯示窗口、控制按鈕、參數設置窗口等；畫面切換按鈕區主要有：各畫面的切換按鈕。人機界面在提供交互操作的同時，也提供防沉降自動控制系統的運行狀況參數，以及實時檢測到的沉降情況參數。這些數據提供給操作者，作為防沉降系統運行狀況的判斷依據，以便操作者判斷系統工作狀況，在必要時刻進行人工干預。同步注漿控制人機界面如圖6所示。

表2 各類告警

圖6 同步注漿控制人機界面

6 結 語

本軟件成功應用在上海仙霞路隧道開挖工程中，其監控數據為盾構掘進方案的決策提供了有效依據。根據這套監控系統，在盾構同步注漿和加泥、加水施工過程中，實時采集相關數據和參數，對開挖過程進行了合理控制，并對各種異常狀況及時報警，通過存儲數據分析整個施工情況，提供必需的參考數據［3］。在實際施工中，把使用Peck公式預測地面沉降量，并將不進行防沉降修正情況下地面的沉降情況與實測沉降量進行了對比分析，發現實測沉降情況明顯好于預期。圖7是在施工進行到第80環時的沉降預測值與實際值的比較。

圖7 沉降預測值與實際值比較

首次應用該監控系統的上海仙霞路隧道工程項目于2010年順利完成隧道挖掘施工，完工后實測地表沉降量基本小于預測值（見圖7），表明該系統在實際運用中具有充分的有效性。該系統項目與總工程于2010年月12月同步完成驗收。通過在線監控系統對隧道盾構挖掘進程中的同步注漿和加泥／加水的控制，使土層損失量控制在0.107 8%內，地面沉降控制在11mm內，滿足工程的質量要求。所以，本系統能有效的控制隧道施工對地表沉降的影響。

［1］王吉華.土壓平衡盾構始發掘進施工技術［J］.山西建筑，2009，35（9）：335－336.

［2］楊天亮.地鐵盾構鐵路下推進引起的地面沉降分析［J］.礦山測量，2009（1）：12－13.

［3］江 華.盾構隧道施工引起地表沉降的預測與控制［J］.市政技術，2009，27（2）：148－150.

［4］劉紀峰.基于彈塑性分析的潛埋盾構隧道地表沉降控制［J］.沈陽建筑大學學報，2009 25（1）：15－16.

［5］王 淵，張耀庭.武漢地區盾構施工引起的地面沉降研究［R］.第17屆全國結構工程學術會議，武漢：華中科技大學出版社，2008：322－329.