大直徑泥水平衡盾構氣墊壓力平衡控制系統

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構是隧道開挖的主要裝備，根據地層及適應性不同，可分為很多種類。目前對于越江跨海或復雜地層的隧道，大多采用混合式泥水盾構。根據泥水平衡方式的差別，泥水平衡盾構可分為直排式泥水盾構和氣墊式泥水盾構兩種類型，即為我們常見兩種直接型控制型和間接控制型泥水盾構[1]。其中直排式泥水盾構通過進排漿泵來實現泥水處理，通過調節進、排泥泵的流量來控制泥水艙的開挖面的支護壓力。氣墊式泥水盾構采用泥水倉和氣倉艙形式，盾構氣墊艙上部分充以壓縮空氣，在同一接觸面上氣液具有相同的壓力，開挖面的支護壓力可以通過調整氣墊艙的壓力來實現控制。由于直排式泥水盾構被控對象的非線性等特性，這種泥水平衡系統壓力波動較大。氣墊式泥水盾構在掘進過程中，及時補償氣墊艙中壓縮空氣的壓力，就可以快速補償開挖面支護壓力的變化。一般情況下直接控制型要求支護壓力變化控制在±10kPa 以內，而間接控制型要求支護壓力變化控制在±5kPa 以內[2]。這也說明氣墊式泥水平衡盾構在壓力平衡系統中更具有優勢。

大直徑泥水平衡盾構不同于常規直徑或者小直徑盾構，開挖斷面大、埋深深、支護壓力高，施工距離長，因此開挖面的穩定性是至關重要的。宋蘊璞等在分析工作原理基礎上，建立泥水平衡盾構開挖系統控制模型，系統仿真了各種影響開挖面壓力平衡的影響因素，為泥水盾構施工提供了理論依據[3～6]。岳松林等針對超大直徑越江隧道的泥水盾構開挖面失穩因素進行定量分析和三維數值模擬得出開挖面支護壓力的穩定性對土體擾動影響最大[7～8]。

1 氣墊壓力平衡控制技術

氣墊式泥水平衡盾構的氣墊艙壓力由一套完整全氣動氣體保壓系統來控制。系統采用PID 閉環反饋控制方式。壓力變送器測得氣墊艙壓力反饋給PI 控制盒，PI 控制盒通過積分和微分運算給調節閥輸出閥門定位信號，閥門定位器給出閥門調節流量信號，從而控制通過閥門的空氣流量來達到氣墊艙壓力的穩定。控制系統簡圖如圖1。

圖1 控制系統方框原理圖

系統特點：配置的閥門都是氣動元件，在斷電情況下仍可以繼續工作。系統一般采用一用一備設計方案，只要有氣源不斷供給系統，在斷電情況下就能正常工作。因此為了滿足隧道施工，設備上通常會配置應急發電機或內燃空壓機。在國外嚴格施工時，通常采用洞外輸送壓縮空氣方案。氣體壓力平衡控制系統主要由氣墊艙、后隔板區域的一進一排的氣力調節系統以及后配套區域的氣源組成。系統不僅要滿足正常掘進氣液兩相壓力平衡控制需要，而且還配備了壓縮空氣濾清功能，滿足帶壓進倉人員作業時正常呼吸[9～10]。因此在泥水平衡盾構施工中應用工況復雜，其精度和響應時間將影響支護壓力穩定、人員施工安全，地表沉降控制要求。

2 氣墊壓力平衡控制理論研究及分析

氣墊壓力平衡系統的控制變量是氣墊艙的壓力，操作變量是進入氣墊艙的空氣流量。系統在控制器不變情況下，系統響應速度主要影響因素有調節閥流量特性、調節閥的驅動器。首先需要建立進排氣流量與氣墊艙壓力變化的關系，由于在壓力平衡過程中時間短，倉內的溫度變化小，所以可將該過程視為恒溫絕熱過程，該狀態滿足理想氣體狀態方程

式中P——理想氣體的絕對壓強；

V——理想氣體的體積；

n——理想氣體物質的量；

T——理想氣體的熱力學溫度；

R——理想氣體常數。

短時間內在氣墊艙內的壓縮空氣體積不變，壓力變化時倉內空氣摩爾量發生變化，單位時間內的變化滿足下列關系

式中V0——氣墊艙內初始壓縮空氣體積。

可以得出

在此將n的氣體參數基于標準氣壓修正，進行簡化關系為

式中(t)——單位時間內壓力變化；

Q—氣體流量。

調節閥向氣墊艙內流動壓縮空氣本身就是一個動態過程且閥門本身也具有一定的動態特性，短時間內符合氣體閥門Kv流量特性。調節閥的進口壓力P1由空氣系統保證可作為恒壓處理，調節閥出口壓力（氣墊艙內）P2短時間變化量小也可做恒壓處理，一般情況下維持P2＞P1/2且（P1>P2)＜P1/2，則根據空氣動力學可知

式中Kv（t）——某一時間時閥門流量特性參數；

P1——調節閥進口壓力；

P2——調節閥出口壓力；

T1——氣體的熱力學溫度；

——氣體密度。

調節閥動態特性流量參數由控制器給閥門定位器信號后，驅動執行器控制閥門行程從而控制流經控制閥的流量。該調節閥特性在額定行程0～100 百分比范圍內能夠與流量特性保持等比線性關系，短時間內閥門兩端進出口壓力視為恒壓處理，則閥門流量特性參數與驅動執行器的行程保持等比線性關系

式中K線性——閥門流量線性特征常數；

X——調節閥驅動執行器閥桿位移行程。

調節閥初始不動，執行器的彈簧推力平衡了閥桿密封處摩擦力、閥芯自身重力、關斷時流體壓力以及閥座壓緊力的總和。由閥門定位器給出的信號壓力只用于閥桿動作使彈簧產生位移的彈簧力。

式中k彈簧——驅動執行器內彈簧彈性系數；

A膜片——驅動器執行器膜片的面積；

Pst——達到平衡時信號壓力。

此時定位器的進口壓力P3由空氣系統保證可作為恒壓處理，定位器出口壓力Pst初始狀態為0，一般情況下維持P2＜P1/2且（P3－Pst)＞P1/2，則根據空氣動力學可知

式中Q定——閥門定位器瞬時流量；

Kv定——閥門定位器流量特性參數；

P3——閥門定位器進口壓力；

T1——氣體的熱力學溫度；

——氣體密度。

由上述可知驅動器內的壓力變化也滿足理想氣體狀態方程，根據位移產生體積的變化以及氣態轉換可得到

綜上可得出最終結果

由上述結果可知影響系統的因素有：閥門流量線性特征常數K線性、閥門定位器流量特性參數Kv定和閥門定位器進口壓力P3。降低K線性值線性剛度以適應不同工況下的壓力波動需求，提高系統控制精度可減少系統震動次數。增大P3和Kv定可以有效提高系統響應時間。

3 高精度快響應氣墊壓力平衡控制特點

高精度快響應氣墊壓力平衡與保持控制技術采用的控制原理仍然是負反饋閉環控制方式。主要通過以下幾種方式提高系統的精度和響應時間。

1）采用四回路并聯控制方式，將氣體保壓系統的進氣回路分別由一大一小進氣調節閥且并聯進氣，將排氣閥門分為一大一小排氣閥門且并排排氣。大小閥門通過流量設計分配減少K 線性值線性剛度值，從而減少系統判斷時間加快閥門運行速度，提高系統控制精度。系統原理簡圖如圖2所示。

2）控制器進行分段控制以適應不同工況條件要求，達到精準調節。對于大直徑設備上，為了能夠使氣墊艙控制精度更高，保證泥水倉支撐壓力的穩定性，氣體保壓系統通過PI 控制器分段控制大小閥門開度，來精確調整流量以保證掌子面支撐壓力的穩定性，避免造成支撐壓力波動過大。

圖2 四回路并聯控制方式簡圖

上述系統通過小閥門小流量進排氣模式控制來滿足以下工況：①正常掘進液位較平穩工作模式；②人員帶壓進倉維修保養。

上述系統通過大閥門大流量進排氣模式控制來滿足以下工況：①進漿瞬時停止排漿正常時進氣模式維持支撐壓力穩定；②排漿瞬時停止進漿正常時排氣模式維持支撐壓力穩定。

3）增加速度放大器，增大P3和Kv定值從而加快閥門的動作速度從而提高系統響應速度。系統將閥門定位器上的控制信號引入到速度放大器上，從而控制速度放大器開關來控制調節閥驅動器的動作。控制系統簡圖如圖3 所示。

圖3 控制系統方框原理圖

4 結語

1）高精度快響應氣墊壓力平衡系統通過采用四回路閥門并聯來分段控制進排氣流量以及速度放大器，使從整套氣墊壓力平衡系統性能顯著提高，可更靈敏快速補償開挖面支護壓力的變化，達到支護壓力穩定。

2）超大直徑超高水壓超長距離盾構施工未來需求量將增多，該高精度快響應氣墊壓力平衡系統能夠順利保證開挖面支護壓力的穩定性，解決隧道施工困難，提高隧道施工安全。