一种土量压力平衡盾构控制的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种土压平衡盾构技术，尤其涉及一种土量压力平衡盾构控制的方法 及系统。
【背景技术】
[0002] 土压平衡盾构具较高的安全可靠性，是现代城市地铁隧道掘进的主要施工设备。 结合图1所示，土压平衡盾构的工作原理如下：盾构壳体前部的刀盘21切削土体，在推进 千斤顶22的合力作用下盾构向前掘进、使土仓压力升高，螺旋输送机23转动使土仓压力降 低、并将出土送到皮带输送机24,由皮带输送机24将出土传送到出土箱25由出土机车运 出。
[0003] 土压平衡盾构在土质条件合适、施工参数合理的条件下能有效抑制盾构掘进对土 体的扰动，施工安全性好。
[0004] 上世纪70年代初，由日本石川岛播磨重工（IHI)设计制造的首台直径为3. 72m土 压平衡盾构机在东京投入使用。
[0005] 上世纪90年代初，上海引进2台法国FBC公司生产的直径为6. 34m土压平衡盾 构用于地铁一号线施工，此后随着国内城市地铁建设的快速发展，陆续引进德国海瑞克 (Herrenknecht)、日本三菱重工（MHI)等国际著名公司的土压平衡盾构。国内如隧道股份、 铁建重工、北方重工等一些知名企业先后设计制造了国产土压平衡盾构，国内外盾构制造 厂商提供的土压平衡盾构为中国地铁建设发挥了重要作用。
[0006] 土压平衡控制技术是土压平衡盾构的关键技术之一，土压平衡控制基本原理包 括：
[0007] ( -）土量控制模型
[0008] 最早的土压平衡盾构试用土量控制模型，期望盾构实际的排土量（按对应深度土 质的可松比）等于盾构前进过程中盾构外壳对应的体积，该土量控制模型为单回路跟踪负 反馈控制，如图2所示：
[0009] 将单位时间内盾构掘进变化的体积作为设定值（sdv)，将采集到排泥实际值 (rdv)作为输入值与设定值比较，如果rdv-sdv> 0,则降低螺旋输送机转速以减少排泥量； 如果rdv-sdv< 0,则提高螺旋输送机转速以增加排泥量。
[0010] 即便有保证排土量检测基本精度的方法，但在时域上获得的实际值（rdv)远滞后 于跟踪设定值（sdv)发生的时间，很难用经典的过程控制方法实现大滞后系统的稳定性， 到目前为止土量控制模型未见成功应用报道。
[0011] (二）土压控制模型
[0012] 土压控制模型以切口压力期望值为设定值，以盾构切口压力检测值为输入值，有 二种输出控制方式：输出控制推进速度或输出控制螺旋机转速。
[0013] 1)输出控制推进速度方式
[0014] 输出控制推进速度方式是单回路负反馈，这种方式螺旋输送机转速相对不变，当 切口土体实际压力（rp) >设定压力（sp)，控制输出降低推进速度，反之亦然，如图图3所 不〇
[0015] 由于盾构实际推进过程中不同土质的应力积聚（缓进）和应力释放（突进）的临 界时点不同，推进速度往往处于波动状态，控制负反馈输出较难与当时的推进检测的速度 匹配，所以推进速度调节控制土压平衡的效果不佳。
[0016] 2)输出控制螺旋机转速方式
[0017] 输出控制螺旋机转速方式为单回路正馈方式，这种方式设定的推进速度相对不调 整，把实际推进速度的波动性视作扰动源，当切口土体实际压力（rp) >设定压力（sp)，控 制输出提高螺旋输送机转速以增加出土量；当切口土体实际压力（rp) <设定压力（sp)，降 低螺旋输送机转速以减少出土量，如图4所示。
[0018] 螺旋输送机出土效率与土质的流动性相关，可通过在盾构切口注泥、注水或注泡 沫的方法改良螺旋输送机的出土流动性。
[0019] 目前的土压平衡控制装置中，土压平衡过程控制器已由过程逻辑控制器（PLC)软 件的PID模块取代传统的PID硬件调节器，土压设定值由人工凭基础理论和经验确定，通过 电位器接到模拟量输入接口（All)。土压设定值通过模拟量输出（A02)到数字显示器，盾构 切口土压计检测的压力信号反馈到模拟量输入接口（AI2)，PLC的PID程序模块根据土压设 定值与反馈值的差值和过程控制参数得出输出值（A01)，控制螺旋机转速，这种单回路正反 馈过程控制模型已成为目前土压平衡盾构的主流控制技术，如图5所示。
[0020] 实际工程中，盾构供货商通常是在隧道完成100米试运行后进行最终交接验收， 以通过试运行获得施工参数、确认设备性能，土压平衡控制装置的压力设定值（SP)和过程 控制参数（PID)主要通过试运行建立，并通过试运行阶段的地表沉降检测数据反馈验证。
[0021] 综上所述，现有土压平衡控制技术的不足在于：
[0022] 1. 土压设定值由人工确定，其效果受设定者经验制约
[0023] 确定正确的土压设定值是确保土体环境稳定的关键因素。
[0024] 现有土压平衡盾构机土压设定值是在隧道试推进阶段由工程技术人员根据施工 参数、基础理论和经验计算确定，然后根据地表沉降数据予以调整：如果地表沉降则适当调 高设定值、防止掘进超挖，如果地表隆起则适当调低设定值、防止掘进欠挖，如此周而复始。
[0025] 盾构掘进对土体的扰动需要一定的时间才能从所检测的地表沉降数据上反映出 来，其周期与土质、深度及扰动程度有关，少则几天、多则数月。
[0026] 调整设定值的效果与设定者的经验有关：超调会引起土体扰动震荡或发散，欠调 则延缓实现收敛土体扰动的目的。
[0027] 2?受地质环境制约
[0028] 如成都地铁隧道施工，在含有孤石地质层施工，盾构很难建立土压平衡工作状态， 成都地铁隧道曾发生施工区域数月后地面塌陷事故。
[0029] 3.受现有出土计量条件制约
[0030] 及时掌握盾构施工出土量，可以缩短利用地表沉降检测数据调整土压设定值的反 馈周期。
[0031] 上海外滩隧道采用引进日本三菱重工14. 27米土压平衡盾构施工，该盾构配置了 激光土量检测仪和出土皮带秤，但是施工过程中激光土量检测仪检测的出土体积和皮带秤 积算的出土重量的误差，达不到施工参考的正确性要求、无参考价值，其原因是：
[0032] 由于螺旋输送机出土到皮带输送机的实际传送工况，使皮带输送机上粘滞性泥块 可能不连续、土体间断面呈撕裂孔状空间，激光体积检测仪无法检测皮带机上土体间断面 的撕裂孔状空间；
[0033] 标准皮带秤适用称量干燥颗粒状物体，不适合称量不规则间断的粘滞性土体。
【发明内容】
[0034] 本发明的目的在于提供一种土量压力平衡盾构控制的方法及系统，在现有土压平 衡盾构基础上增加土量测控环节，形成土量压力平衡自动控制系统，以及时反馈土压设定 值的偏差。
[0035] 为实现上述技术效果，本发明公开了一种土量压力平衡盾构控制方法，包括步 骤：
[0036] 将盾构掘进过程中产生的土体传送出盾构土仓；
[0037] 在所述土体的传送过程中对所述土体进行动态称重，得到动态计量信息；
[0038] 对传送出所述盾构土仓的所述土体进行静态称重，得到静态计量信息；
[0039] 利用所述静态计量信息对所述动态计量信息进行动态计量校验，将动态计量校验 后的结果作为所述土体的实际出土重量；
[0040] 将所述实际出土重量转换为实际出土体积；
[0041] 比较所述实际出土体积与盾构掘进形成的动态建筑空间的体积，当所述实际出土 体积大于所述动态建筑空间的体积时，增大盾构掘进的土压设定值，当所述实际出土体积 小于所述动态建筑空间的体积时，减小盾构掘进的土压设定值。
[0042] 所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，在所述土体的传送过程中对 所述土体进行动态称重，得到动态计量信息的步骤包括：
[0043] 在所述土体的传送过程中采集位于不同区段的所述土体的多个称重信息；
[0044] 将采集到的多个所述称重信息进行模数转换；
[0045] 对经过模数转换的多个所述称重信息进行解耦处理，将解耦后的称重信息作为所 述动态计量信息。
[0046] 所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，将采集到的多个所述称重信 息进行模数转换，包括步骤：
[0047] 将采集到的表示称重信息的电压信号经放大转换为电流信号；
[0048] 将所述电流信号经模数转换为数字信号。
[0049] 所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，在采集所述