土壓平衡盾構出土計量裝置研制與應用

夏儉

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

土壓平衡盾構出土計量裝置研制與應用

夏儉

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

分析了盾構出土陣列式皮帶秤和單梁雙鉤吊鉤秤的技術特點，總結了研制土壓平衡盾構出土計量裝置的經驗，對推廣應用盾構出土計量裝置技術成果具有一定積極作用。

土壓平衡盾構；皮帶秤；單梁雙鉤吊鉤秤；出土計量

1 概述

土壓平衡盾構是現代城市地鐵隧道建設的主要施工設備。當盾構穿越特殊施工環境時（如穿越危房、歷史建筑、特殊地質等），需要采取精細化施工管理措施。準確詳細的出土計量信息是土壓平衡盾構精細化施工的有效依據之一。

1.1 目的意義

土壓平衡盾構是以切口壓力為控制對象，盾構切口壓力平衡過程控制具有較高的自動調節品質。由于土壓平衡控制環節的設定值是根據土力學理論和操作者經驗人工設定，受設定者技術水平和實際地質條件變化的影響，所設定土壓目標值的正確性具有一定離散性。設定值的偏差反映在工程中的效果為土體的超挖或欠挖，結果是地表的沉降或隆起，嚴重時會引起工程質量事故或環境安全事故。

及時正確掌握出土量能及時反饋設定值的偏差，可避免隧道施工對周圍土體的擾動，實現隧道施工對附近區域的地下管線、地面道路和地面建筑穩定的安全控制目標。

1.2 技術難點

為保護上海外灘歷史建筑，外灘隧道引進的直徑14.27 m土壓平衡盾構配置了皮帶秤計量盾構出土重量，但是由于計量結果的置信度問題無法利用皮帶秤計量信息指導施工。

皮帶秤一般適用計量顆粒狀散裝物料，正常工況下計量精度為1%～5%。當盾構出土的土質具有黏連狀特性，尤其是不連續塊狀土體時，增加了皮帶張力的影響（見圖1）。不連續塊狀土體產生的張力具有隨機性，會嚴重影響皮帶秤計量結果的正確性。

圖1 皮帶機張力分析示意圖

2 盾構出土計量裝置技術方案

2.1 設計原則

（1）在隧道施工現有施工工藝設備上加裝出土計量裝置；

（2）研制的出土計量裝置應能適應隧道施工惡劣工況；

（3）研制的出土計量裝置應能滿足隧道施工出土過程連續計量的精度要求。

2.2 技術方案

在盾構臺車皮帶機上設置1套陣列式皮帶秤，及時檢測盾構掘進過程中的當前出土量，實現連續計量出土重量的功能。為了減少黏連塊狀土體對皮帶張力的影響，采用陣列式皮帶秤，讓皮帶張力主要集中在陣列秤的輸入單體秤和輸出單體秤上，使陣列秤內各單體秤之間的皮帶張力成為陣列式皮帶秤的內力。期望用陣列式皮帶秤減少黏連塊狀土質對盾構出土計量準確性的影響。

盡管采取了陣列式皮帶秤減弱黏連塊狀土體對皮帶張力的技術措施，但該措施效果有待實踐檢驗。因此，有必要在井口設置1套單梁雙鉤吊鉤秤，不僅可以檢測掘進1環出土總重量，而且可以利用吊鉤秤精度高的特點，每環對陣列式皮帶秤進行一次動態標定，以提高各種工況條件下陣列式皮帶秤準確性的置信度。盾構出土計量裝置系統配置如圖2所示。

圖2 盾構出土計量裝置系統配置圖

鑒于計量出土信息的地點和時間的差異，由電子標簽等部件構成無線網絡傳輸盾構出土計量信息。

3 盾構出土陣列式皮帶秤

3.1 陣列式皮帶秤結構設計

陣列式皮帶秤單體設計的額定稱重值為100 kg。

陣列式皮帶秤由3個單體秤組成。截面尺寸與盾構皮帶輸送機配合。

3個單體皮帶秤相互間隔50 mm，單體皮帶秤秤體通過4個500 kg單剪切梁傳感器支承在原皮帶輸送機的機架兩側梁上，如圖3所示。

圖3 陣列式皮帶秤組裝圖

3.2 單體皮帶秤結構校核

采用Solidworks程序，校核對象為秤體結構的受載安全，分析類型為皮帶秤的秤體結構靜態受載，主要邊界條件為設計材料和機械尺寸。單體皮帶秤應力校核結果見圖4。

圖4 單體皮帶秤應力校核結果

單體皮帶秤設計強度與剛度安全性校核結論：結構安全，能達到200 kg連續載重要求。

3.3 皮帶秤計量檢測技術

選用的稱重傳感器為單剪切梁傳感器（見圖5）。防護等級IP67，具有安裝高度低、結構緊湊、長期穩定性好、綜合精度高等特點。

圖5 單剪切梁傳感器

4 盾構出土單梁雙鉤吊鉤秤

利用地鐵施工現場行車起重設備吊運土箱條件，在起重機的吊鉤上設計計量受力結構，采用稱重傳感器將重量信號轉換為電信號，通過無線收發器將電信號轉換為電磁波信號，有效解決了行車運動對稱重信號傳送的導線連接的技術問題，避免了隧道施工現場復雜工況條件對計量精度的影響。

4.1 單梁雙鉤吊鉤秤結構設計

稱重裝置主要由銷軸、上聯接架、傳感器、下聯接架以及卸扣等組成，（見圖6）。兩套稱重傳感器分別置于吊梁的兩端部，通過銷軸吊掛于吊梁的腹板孔上。上連接架被設計成正交軸吊掛型式，可以避免由于渣土箱傾翻倒土操作過程中所引起的反向沖擊和扭轉。

4.2 單梁雙鉤吊鉤秤設計強度與剛度校核

吊梁結構滿負載60 t，作用于吊梁兩端銷孔，中間吊掛銷軸約束（見圖7）。吊軸裝置中段滿負載68 t，一端固定約束，一端銷軸約束（見圖8）。

稱重裝置中的上連接架結構下部軸孔滿負載30 t，上部軸孔銷軸約束。稱重裝置中的下連接架結構下部軸孔滿負載30 t，上部軸孔銷軸約束。稱重裝置中的銷軸中間滿負載30 t，兩端固定約束（見圖9、圖10）。

圖6 單梁雙鉤吊鉤秤結構示意圖

圖7 吊梁受力示意圖

圖8 吊軸受力示意圖

圖9 上連接架結構受力示意圖

圖10 下連接架結構受力示意圖

4.3 單梁雙鉤吊鉤秤稱重檢測技術

在吊梁的兩端與吊耳板連接的部位設置稱重傳感器。稱重傳感器經A/D轉換模塊、無線傳輸信號發射，送至接收設備終端。稱重計量工作原理如圖11所示。

圖11 稱重計量工作原理圖

5 盾構出土量計量自動校驗技術

經專業機構現場標定，所研制的單梁雙鉤吊鉤秤的標定精度結果為20 kg/40 t。

利用單梁雙鉤吊鉤秤精度高的特點校驗陣列式皮帶秤動態負載的計量準確性，以滿足隧道施工出土計量過程計量準確性的要求。

5.1 皮帶秤計量觸發條件

陣列式皮帶秤計量觸發條件：螺旋機狀態=1，皮帶機狀態=1，皮帶機秤脈沖數變化。其中皮帶機秤脈沖數變化是以單體皮帶秤的長度為周期。

5.2 單梁雙鉤吊鉤秤計量觸發條件

單梁雙鉤吊鉤秤計量觸發條件：4＞L＞1并且40 000＞W＞12 000。

其中：L為井口的激光測距信號（單位：m），表示土箱在計量空間內；W為單梁雙鉤秤計量實時數據（單位：kg），表示重量在皮重和毛重之間。

5.3 校驗邏輯

采用逐步收斂系數校驗盾構臺車上的皮帶秤誤差。設第n環井口吊鉤秤計量的出土凈重Gdn,皮帶秤出土總重Gpn

下一環皮帶秤實時累計值修正系數為：k0×kn

其中：Gpr0為皮帶秤實測原始累計值；k0為收斂系數（1＞k0＞0.8）；Kn為第n環比例系數；Gpr1為皮帶秤實際累計值,一環結束后定義Gpn+1= Gpr1。

6 工程應用

所研制的土壓平盾構出土計量裝置在上海軌交17號線漕盈路站—風井區間下行線1 376環～1 434環得到成功應用。表1是1 376環～1 385環的數據樣本（10環數據）。

表1 1 376環～185吊鉤秤累計值和動態標定的皮帶秤累計值樣本

2016年11月14日到11月20日掘進環號為1 376環～1 434（共58環），以井口單梁雙鉤吊鉤秤計量結果為基礎，經校驗后的陣列式皮帶秤每環累計數值的統計曲線見圖12。

由圖12可見，誤差百分比曲線波動范圍在1%范圍之內。

圖12 陣列式皮帶秤誤差百分比曲線圖

7 結論

所研制的土壓平衡盾構出土計量裝置的特點是：用陣列式皮帶秤減少皮帶張力產生的分力影響，用高精度單梁雙鉤秤動態校驗陣列式皮帶秤，實現盾構施工過程連續計量出土重量的功能，解決了盾構出土計量的關鍵技術難點。

所研制的土壓平衡盾構出土計量裝置在上海軌交17號線漕盈路站—風井區間下行線后期施工連續58環掘進的出土計量數據表明：其綜合精度達到1%，符合盾構施工對出土計量精度的過程控制要求。

雖然工程試驗結果表明了研制成果的可行性，但是工程試驗的時間較短，土質條件有限，其適用性、可靠性尚待擴大應用的工程實踐進一步驗證和完善。

河南省將新建擴建城鎮污水處理廠60座

今年河南省將加快城鎮污水處理設施建設，新建、擴建城鎮污水處理廠60座，年底前全省現有污水處理廠將升級改造達到一級A排放標準或流域標準。

多年來，城鎮污水處理和垃圾處理兩大工程一直是全省各地實施的民心工程。為加強城鎮污水處理廠污泥處理處置，取締非法污泥堆放點，今年河南省決定采取有效措施，鼓勵省轄市、縣（市）共建共享污泥處置設施，將新增污泥處理規模500 t/d以上。同時加快公廁建設和旱廁改造，全省縣（市）將完成旱廁改造415座，新建公廁890座。

今年河南省還將進一步加大城市道路揚塵治理力度，配足配齊道路機械清掃設備。6月底前，省轄市、省直管縣（市）高架路、主干路全部實現機械灑水、清掃作業，年底前所有縣（市）城市道路機掃率達到100%。

此外，河南省還將在鄭州等省轄市啟動城市生活垃圾分類試點，加快形成垃圾分類制度，統籌規劃建設生活垃圾焚燒處理設施。

U455.43

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1009-7716（2017）04-0222-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.066

2017-02-20

夏儉（1983-），男，上海人，工程師，從事電氣設計工作。