因受環(huán)境保護和地面設施的制約，對隧道施工法及其施工工藝的要求越來越高，尤其是城市及穿越江河海底等土質地層中的隧道施工，盾構施工法已成為首選，對其施工造成的地表沉降的控制是衡量現代盾構施工技術水平的關鍵因素之一。
現代盾構施工控制地表沉降最基本的方法是土壓平衡技術，要求根據工作面實際壓力的變化及時調整排土量，保證工作面有合適的支撐壓力。目前常用的方法是通過預先設定土倉內壓力值，在施工中根據地表沉降情況再進行調整來穩(wěn)定地層，是一種“滯后式”的土壓糾正。由于開挖面上土層的原始應力比較復雜，這種預先設定與滯后調整的結果會使地面產生較大隆起或塌陷，地層穩(wěn)定和地表沉降控制的效果在很大程度上取決于施工人員的經驗，施工質量難以保證。因此，如何根據工作面土壓或地表變形實時調整螺旋輸送機的轉速是關系到土壓平衡盾構可靠掘進的關鍵技術問題，也是一個技術難點問題。
1.螺旋輸送機液壓系統(tǒng)設計
采用液壓驅動及控制的螺旋輸送機可根據密封倉內土壓力反饋信號及變量泵比例控制螺旋輸送機轉速，從而有效地控制密封倉內土壓并使其與開挖面水土壓力相平衡。同時，螺旋輸送機出泥口閘門的可靠啟閉是隧道施工的安全保證。
螺旋輸送機電機正常啟動完畢后，系統(tǒng)處于推進狀態(tài)，且刀盤主驅動系統(tǒng)處于轉動狀態(tài)、出泥口閘門處于開啟狀態(tài)下，才能對螺旋輸送機進行正轉控制；螺旋輸送機的反轉控制則必須在聯鎖解除狀態(tài)下方可進行。另外，螺旋輸送機電機正常啟動完畢后，方可對出泥口閘門進行啟閉控制。系統(tǒng)壓力油通過三位四通電磁換向閥，液控單向閥進入液壓缸的無桿腔，推動液壓缸的活塞桿向前運動?；钊麠U向前推進時，出泥口閘門打開，其開口量逐漸增大。位移傳感器用來實時檢測液壓缸的推進位移，當檢測到的推進位移等于預先設定的位移時，三位四通電磁換向閥斷電處于中位，液壓缸的活塞桿固定在設定位置。系統(tǒng)中的行程開關用來提供出泥口閘門液壓缸的極限位置信號，可起到安全保護作用。
系統(tǒng)中馬達的轉速由安裝在其輸出軸上的轉速傳感器實時檢測，轉速傳感器檢測得到控制參數輸出量，經過整形、比較和增益調整放大，通過比例放大控制器控制主驅動泵的比例控制閥，使主驅動泵排量相應地成比例變化，從而達到所需螺旋輸送機的轉速。系統(tǒng)正常工作時，二位二通電磁換向閥得電處于關閉狀態(tài)，壓力油通過單向閥和截止球閥進入蓄能器，此時蓄能器進行充壓蓄能。
在斷電或突發(fā)性的故障停機狀態(tài)，為了防止發(fā)生噴涌事故，應能保證螺旋輸送機出泥口閘門的可靠關閉，以確保土倉內的土壓保持平衡。系統(tǒng)突然斷電時，二位二通電磁換向閥斷電，油路導通，此時蓄能器充當泵的功能。長時間停機時，應及時關閉管路上的截止球閥以防由于泄漏引起閉合壓力過低，造成密封不良的現象。溢流閥和卸荷球閥起安全保護作用，可防止蓄能器超壓。
2.螺旋輸送機排土控制策略
土壓平衡盾構用于城市地下施工時，為了控制地表沉降，減小地表變形，一個重要因素是要保持密封倉內的進土量和排土量相匹配。通常采取兩種控制模式，一種是控制進土量的推進控制模式，即通過土壓檢測，改變推進速度控制進土量，此時螺旋輸送機轉速事先設定；另一種是控制排土量的排土控制模式，即通過土壓檢測，改變螺旋輸送機的轉速控制排土量，此時盾構推進速度事先設定。
土壓平衡式盾構機的排土控制模式根據所處的地質地層情況及實踐經驗事先設定好目標土壓和推進速度，同時通過密封倉內的土壓傳感器的實測值來實時調整螺旋輸送機的轉速，從而達到理想的排土量。當土壓力超過目標土壓設定的上限時，螺旋輸送機的轉速增大，加大排土量；當土壓力低于目標土壓設定的下限時，螺旋輸送機的轉速降低減少排土量；當土壓力位于目標土壓設定的范圍內時，螺旋輸送機以定轉速旋轉排土。
實際盾構施工時，土壓平衡自動控制一般采用PID控制，但PID控制對參數的整定要求非常高，參數的好壞將直接影響到調節(jié)品質，參數整定是PID控制中比較困難的部分。另一方面，由于目標值的變化、不可預測的外擾、控制對象的慢時變性都會導致系統(tǒng)特性的變化，使原來整定的PID參數無法保證對系統(tǒng)進行很好的控制。
3.總結
采用土倉壓力電反饋及比例反饋液壓控制技術，能控制盾構掘進時對土體的擾動，減小地表沉降，使盾構螺旋輸送機液壓系統(tǒng)能適應各種復雜地質地層，提高了系統(tǒng)可靠性。
對盾構密封倉內土壓力進行實時檢測，采用自整定PID控制策略實現了螺旋輸送機轉速的實時控制，可使密封倉內土壓力控制在設定范圍，基本實現自動排土控制，為土壓平衡盾構實際施工中自動排土控制提供了一種控制參考依據。(圖/文www.changrong-jx.com)
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