基于單片機死區時間控制方法研究

代勇

摘要：單片機在嵌入式中應用十分廣泛。隨著時代的發展，單片機的功能越來越強大。本篇文章是基于stm32系列單片機來產生的死區時間，占空比以及頻率可調制的互補輸出PWM波。脈沖寬度調制（PWM）是一種模擬的控制方式。利用單片機微處理器的數字輸出對模擬電路進行控制的技術。本文利用STM32的高級定時器TIME1進行可調制的PWM波互補輸出。

Abstract： SCM is widely used in embedded applications. With the development of the times， the function of SCM is more and more powerful. This article is based on the stm32 series of single-chip to generate the dead time， duty cycle and frequency adjustable complementary output PWM wave. Pulse width modulation （PWM） is a simulated control method. The single-chip microcomputer digital output is used to control the analog circuit. This article uses the STM32 advanced timer TIME1 to make the modulation PWM wave complementary output.

關鍵詞：嵌入式；互補輸出；死區時間控制；占空比；脈沖寬度調制

Key words： embedded；complementary output；dead time control；duty cycle；pulse width modulation

中圖分類號：TN787 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0123-02

0 引言

隨著我國西北部煤炭資源的進一步開發，連接蒙陜甘寧“金三角”地區與鄂湘贛等華中地區的鐵路建設，構建我國“北煤南運”新通道的，許多隧道需要在秦嶺山脈的崇山峻嶺間修建。由于線性控制隧道位置較高，不可避免的出現淺埋偏壓引起的變形問題。隨著鐵路隧道建設的不斷發展，國內外工程界都很重視淺埋偏壓隧道的變形處置施工技術，國內外專家從理論到實踐做了很多探索和研究，取得了一定的經驗。這些文獻主要研究了淺埋偏壓隧道隧道施工技術[1]；研究了隧道變形控制、處理措施[2-3]；研究了特殊地質條件下的施工技術[4-6]。以上文獻的研究主要偏重于淺埋偏壓隧道的預加固處理和軟弱圍巖變形前的預防處理技術，而本文研究的隧道由于地形限制位置選在淺埋偏壓的斷裂破碎體內，且對開挖后的應力重新分部預估不足，導致隧道初支變形而采取的應急處理措施；隧道變形加固處理措施及開挖方法有別于其他研究的處理方法。

1 工程概況

1.1 工程整體概況

馬灣隧道位于河南省南陽市西峽縣重陽鎮境內，屬西峽斷陷盆地南側，場區以丘陵為主，地形陡峭，山坡自然坡度一般35～50°。相對高差80～200m，帶狀山脊呈近南北向分布，間夾“V”型溝谷，DK846+156～DK+450段，地形左低右高，隧道偏壓較嚴重；DK846+450～DK846+675.5穿越山脊，山頂標高448.3m。出口為單面坡，坡體植被發育，多為喬木及灌木。隧道穿越云母石英片巖、石英片巖地層，隧道最大埋深75m。隧道為單洞雙線型，進口里程DK846+156.82，出口里程DK846+675.50，隧道全長518.68m，隧道為雙線有砟軌道。其中Ⅲ級圍巖105m，Ⅳ級圍巖120m，Ⅴ級圍巖293.7m。

1.2 工程地質

1.2.1 地層特性

隧道區出露的地層由新至老敘述如下：

①第四系全新統（Q4）。殘坡積層（Q4eltdl），巖性為含碎石粉質黏土，褐黃色，硬塑，一般厚度為0～2m，分布于沿線的山坡地帶。

②下元古界劉嶺組Pt11。巖性為云母石英片巖、石英片巖、白云石英片巖，灰白色，全風化～弱風化，局部呈硅化結構，片狀構造，巖質較硬。地表出露，局部弱風化基巖。震探波速3150～4700m/s。節理裂隙較發育，巖體較破碎。巖石飽和抗壓強度Rc=73.5MPa，屬堅硬巖。

1.2.2 地質構造

隧址區左側100～150m為西官莊鎮平大斷裂南支，為區域性大斷裂，主斷裂發育在下元古界地層內，后期被白堊系地層覆蓋，表現為正斷層特征。區內巖層產狀穩定，片理面產狀為20°∠62°，但受斷裂構造影響，巖體較為破碎，節理較發育，節理產狀：①40°∠85°，閉合，延伸0.3m；②305°∠55°，3條，微張，寬0.1cm；③12°∠65°，2條，平直，閉合，巖體較破碎。

2 隧道變形情況及原因分析

隧道進口段主要穿過云母石英片巖、云母片巖單斜地層，片理節理裂隙發育，巖體破碎，巖層傾角62°，DK846+203～+295長約92m范圍內隧道初期支護邊墻、拱腳出現縱向水平裂縫，局部初支表面片狀剝落。

2.1 隧道變形情況

2.1.1 初支裂紋

隧道進口左側DK846+207～+250段43m、右側DK846+203～+250段47m，中下臺階連接板附近出現1～2mm縱向裂紋。DK846+295右側上臺階出現環向裂紋，長約3m。經取芯發現裂紋已貫通初支厚度，通過對14個裂紋觀測點觀測，裂紋無發展。

2.1.2 初支剝落

隧道左側DK846+245～+257段上中臺階連接板附近噴砼連續剝落，鋼筋骨架外露變形；隧道右側DK846+237～+244段中下臺階連接板上部0.5m噴砼連續剝落；左側DK846+205～+207、DK846+265～+273、DK846+285～+290拱頂左側1.5m位置出現局部剝落；右側DK846+210～+260下臺階與仰拱連接板附近出現局部剝落。初支混凝土剝落及鋼筋骨架外露見圖1。

2.2 變形原因分析

結合實際地質條件，隧道變形原因分析如下：

①隧址區左側約200m發育西官莊～鎮平大斷裂南支，為區域性大斷裂，隧道埋深較淺，地形左低右高，偏壓較嚴重，洞身圍巖巖體多破碎，節理發育，開挖后應力重新分布等因素是造成隧道初支開裂的主要原因。②對監控量測管理重視程度不足，對監控量測的目的、意義認識不足，對于監控量測管理值運用不當，監控量測周報顯示部分斷面的量測點有變形異常加速現象，沒有引起管理人員重視。部分監控量測人員業務水平低，只重視變形總量和變形速率的控制，忽視了對初支表觀現象巡視，沒有及時發現初支裂縫。③沒有嚴格執行業主【2015】73號文件，初支仰拱設置鋼架地段沒有及時封閉成環，采用兩臺階施工時，初支成環距離掌子面距離超過1倍洞徑（12m）。

3 初支變形加固處理及監測情況

根據隧道初支變形情況，結合實際地質條件，有針對性的制定變形處理方案，決定封閉掌子面、增設臨時仰拱和加固環、對初支開裂嚴重部位和裂縫上下2m范圍采取小導管注漿加固等處理措施。

3.1 初支變形加固處理措施

3.1.1 掌子面封閉

安裝2榀H230格柵鋼架，頂緊掌子面，初支結構施作完成后封閉掌子面，暫停掌子面施工。

3.1.2 上臺階加固環

①DK846+283～DK846+298段設置一組15m加固環。采用I18型鋼拱架，縱向間距1.5m，并加設鎖腳錨管，Ф22鋼筋縱向連接。②DK846+225～DK846+265段下臺階反壓洞碴，回填至下臺階頂面高度。分別于DK846+225～DK846+230設置一組5m加固環、DK846+237～DK846+244設置一組7m加固環、DK846+250～DK846+255設置一組5m加固環，加固環采用I18型鋼拱架，縱向間距1.0m，Ф22鋼筋縱向連接。加固環分布圖見圖2。

3.1.3 臨時仰拱

DK846+225～DK846+306設置加固環之外地段采用I18型鋼橫撐施做臨時仰拱，型鋼縱向間距1.0m，Ф22鋼筋縱向連接。加固環及臨時仰拱布置見圖2。馬灣隧道加固環及臨時仰拱統計見表1。

3.1.4 局部注漿加固

①對隧道左側DK846+245～+257、DK846+265～+273、DK846+285～+290拱頂左側1.5m位置段上中臺階連接板附近，隧道右側DK846+237～+244段中下臺階連接板上部0.5m附近，右側DK846+210～+260下臺階與仰拱連接板附近的鋼架連接處、裂縫掉塊等重點部位加設4m長？準42小導管進行注漿加固處理，注漿采用水泥漿液，水灰比1：1（重量比），注漿壓力0.5～1.0MPa。②對隧道進口左側DK846+207～+250段43m、右側DK846+203～+250段47m，中下臺階連接板裂縫上下2m范圍內采用5m長？準42小導管注漿加固，小導管間距0.5×0.5m，并與格柵鋼架焊接牢固。裂縫上下2m范圍內小導管注漿加固見圖3。

3.1.5 施作仰拱及填充

DK846+156.8～DK846+196.5段施做仰拱及填充，長約39.7m。

3.2 監測情況

對已開挖地段布設25個監測斷面，斷面間距5m，每個斷面設置拱頂沉降觀測點。全斷面地段每個斷面布設2條測線，臺階法施工地段上臺階布設一條測線。增加絕對位移值的數據分析，每天固定時間測量兩次，根據監控量測數據顯示，初支變形開裂段落，現場采取的套拱加固及邊墻注漿等應急處理措施對控制變形是及時有效的，可以判斷隧道變形已趨于穩定。

4 試驗段施工及監測情況

為了解和掌握隧道圍巖壓力和初期支護應力應變情況，結合隧道實際情況，在開展監控量測必測項目的基礎上，增加監控量測選測項目。8月17日至9月11日，馬灣隧道進口上臺階施工試驗段，試驗段里程為DK846+306～DK846+323，支護參數為：？準50小導管超前支護，H230格柵拱架，間距0.5m，C25噴砼，厚度30cm。8月23日、9月1日、9月4日在DK846+310、DK846+315、DK846+320埋設監控量測點。

4.1 試驗段A類量測情況

對各測點絕對位移值通過近一個月的數據分析，試驗段測點絕對位移較小且趨于收斂，說明隧道試驗段穩定。

4.2 B類量測情況

4.2.1 試驗段監測方案

8月17日開始，分別在DK846+310、DK846+315、 DK846+320斷面埋設鋼筋計、壓力盒，做為隧道監控量測試驗段。每個斷面布設5個測位10個測點，每個測位內外2個測點。每天進行采集數據，定期進行數據分析，掌握隧道變形情況。隧道結構監控量測項目如表2。

4.2.2 測試分析

①初支軸力變化及分布規律。根據初支軸力分布圖監測結果顯示，三個斷面均呈現初支軸力在拱部及拱肩軸力較大，且左拱肩偏大，拱腳處軸力均相對較小，斷面上呈非對稱分布。初支軸力隨掌子面開挖急劇增大，掌子面停止施工后，軸力緩慢增長。②初支應力分布規律。根據馬灣隧道各里程初支鋼架受力監測結果來看，三個斷面初支鋼筋均呈現受壓狀，對結構受力有利，三個斷面主要在左拱部及拱部的鋼筋壓應力值較大，最大壓應力為111.735MPa，出現在左拱部靠圍巖側鋼筋上。噴射混凝土同鋼筋應力類似，主要在左拱部及拱部的壓應力值較大，最大壓應力為12.369MPa，最大壓應力出現在DK846+320監測斷面的初支混凝土左拱部，目前該應力值已非常接近設計規范規定的混凝土極限抗壓強度12.5MPa，隨著掌子面后續開挖，該斷面左拱部的混凝土應力值會繼續增大，可能會超過設計規范規定的混凝土極限抗壓強度值，不利于結構安全。③初支彎矩變化及分布規律。初支彎矩變化曲線同初支軸力類似，隨掌子面開挖急劇增大，掌子面停止施工后，彎矩變化較小，掌子面開挖引起的應力重分布，根據初期支護彎矩數據，3個監試斷面的彎矩值均逐漸增大并趨于穩定。④圍巖壓力測試結果分析。根據圍巖壓力實測數據，DK846+310斷面和DK846+320斷面的圍巖壓力實測值均較小，其值在0～0.27MPa左右，而DK846+315斷面圍巖壓力值變化較大。DK846+315斷面處數據較為全面，距離掌子較遠，該斷面圍巖壓力監測結果顯示，隧道右拱腳處水平方向側壓力較大為0.142MPa，左拱肩處水平向壓力比右拱肩處大。拱頂處土壓力較大為0.628MPa。

4.3 試驗結論

①掌子面開挖引起的應力重分布，對各斷面各項數據影響較大，掌子面停止開挖后，3個斷面測試結果均趨于穩定。掌子面恢復開挖，斷面各測點應力值會繼續增大。②對于初支軸力，三個斷面測試結果相近，拱腳處軸力均相對較小，拱頂及拱肩處軸力較大，其中DK846+310，DK846+320斷面左拱肩軸力相對較大，呈非對稱性分布，初支結構受力不均。③左拱部及拱部的鋼筋壓應力值較大，最大壓應力為111.735MPa；噴射混凝土應力與鋼架應力類似，最大壓應力為12.369MPa。掌子面后續開挖，混凝土應力值會繼續增大，可能會超過混凝土極限抗壓強度值。④斷面DK846+315：隧道圍巖壓力分布右拱腳處水平方向側壓力較大，左拱肩處水平向壓力比右拱肩處大，拱頂處土壓力最大，達到0.628MPa。相當于隧道拱頂承受31m土柱荷載，隧道結構受力不合理，建議對頂部采取加固措施。

5 后期隧道施工措施

5.1 已開挖地段施工措施（DK846+203～DK846+323）

①Ⅳ級圍巖段初支鋼架封閉成環，二襯全環采用鋼筋混凝土。②前期施工的加固圈不需拆除，鋼架封閉成環，配筋噴砼補平，相應地段適當調整二襯厚度。③局部初支噴砼侵入二襯超過5cm的部位需鑿平處理。④初支背后采用小導管徑向注漿加固。

5.2 后續未開挖類似地形地質條件地段施工措施

①超前支護拱部120°采用？準50單層小導管，范圍根據掌子面情況適當擴大。②初支背后預留注漿管，及時回填注漿；拱墻初支設置系統錨桿，藥包錨桿調整為砂漿錨桿，配備專用錨桿施工設備，確保施工質量。③施工工法采用三臺階法施工，優化臺階高度和長度，加強施工組織和工序銜接，初支仰拱盡早封閉成環。④加強初期支護剛度，初期支護由H230格柵鋼架變更為H280格柵鋼架，初支噴射混凝土厚度增加到0.35m。

6 結論與建議

6.1 效果驗證及結論

根據隧道初支變形情況，結合地質情況，通過變形原因分析，及時為隧道變形處置采取的措施提供了合理的依據；采用鋼架套拱封閉成環、小導管注漿加固等措施有效控制了初支變形，使隧道變形趨于穩定。通過拱部超前小導管、加大格柵鋼架型號、優化施工工法等施工措施，目前本隧道開挖、初支及仰拱施做后，通過監測圍巖變形穩定，說明后續施工采取的措施合理有效。

6.2 建議

①按要求進行超前地質預報，對掌子面前方圍巖性質進行預判；做好初支后的觀察工作，結合掌子面圍巖情況，對支護參數進行動態調整。②建立監控量測預警制度，按要求的圍巖等級監測原則布置監測斷面及測點，及時對變形數據進行分析，判斷圍巖的穩定性，對達到預警條件隧道變形正確進行預警，為險情處理提供參考信息及時間。③根據圍巖等級合理選擇施工工法，采用簡單實用的施工工法，優先采用全斷面、二臺階、三臺階組織施工；做好“兩緊跟”（鋼架緊貼掌子面、初支緊跟下臺階）保證隧道施工安全。

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