CN104912565A - 一种土量压力平衡盾构控制的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土量压力平衡盾构控制的方法及系统，方法包括：将盾构掘进过程中的土体传送出盾构土仓；在土体的传送过程中对土体进行动态称重，得到动态计量信息；对传送出盾构土仓的土体进行静态称重，得到静态计量信息；利用静态计量信息对动态计量信息进行动态计量校验，将校验后的结果作为土体的实际出土重量；将实际出土重量转换为实际出土体积；比较实际出土体积与盾构掘进形成的动态建筑空间的体积，对盾构掘进的土压设定值进行调节。本发明通过采集土体的动态计量信息和静态计量信息，利用静态计量信息对动态计量信息进行校验，将校验后的出土量转换为相应状态下的体积，与盾构掘进形成的实际动态空间进行比较，以调节土压设定值。

Description

一种土量压力平衡盾构控制的方法及系统

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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：

(一)土量控制模型

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：

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。

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。

(二)土压控制模型

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。

1)输出控制推进速度方式

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所示。

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。

2)输出控制螺旋机转速方式

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。

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。

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(AI1)。土压设定值通过模拟量输出(AO2)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(AO1)，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。

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。

综上所述，现有土压平衡控制技术的不足在于：

1.土压设定值由人工确定，其效果受设定者经验制约

确定正确的土压设定值是确保土体环境稳定的关键因素。

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。

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。

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。

2.受地质环境制约

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。

3.受现有出土计量条件制约

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。

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：

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；

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

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。

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：

将盾构掘进过程中产生的土体传送出盾构土仓；

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；

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；

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；

将所述实际出土重量转换为实际出土体积；

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。

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：

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；

将采集到的多个所述称重信息进行模数转换；

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。

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：

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；

将所述电流信号经模数转换为数字信号。

所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，在采集所述称重信息前，预先设定一第一触发条件，所述第一触发条件为所述土体在传送过程中的脉冲数等于一设定值。

所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，对传送出所述盾构土仓的所述土体进行静态称重，得到静态计量信息的步骤包括：

利用土箱机车将传送出所述盾构土仓的所述土体运输至隧道竖井基坑；

采集所述土箱机车上的土体净重信息；

将所述土体净重信息进行模数转换，将经模数转换后的所述土体净重信息作为所述静态计量信息。

所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，将所述土体净重信息进行模数转换，包括步骤：

将采集到的表示土体净重信息的电压信号经放大转换为电流信号；

将所述电流信号经模数转换为数字信号。

所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，在采集所述土体净重信息前，预先设定一第二触发条件，所述第二触发条件为所述土箱机车在装土位置和在静态称重位置的机车信息相同。

所述土量压力平衡盾构控制方法进一步的改进在于，以当前土压下的土体可松比和密度检测为依据将所述实际出土重量转换为实际出土体积。

本发明还公开了一种土量压力平衡盾构控制系统，包括：

螺旋输送机，用于将盾构掘进过程中产生的土体传送出盾构土仓；

皮带输送机，用于传送出所述螺旋输送机上的所述土体；

出土重量检测装置，进一步包括：阵列解耦式皮带秤，设于皮带输送机上，用于对所述皮带输送机上传送的所述土体进行动态称重，得到动态计量信息；静态轨道秤，设于隧道轨道上，用于对所述皮带输送机传送出的所述土体进行静态称重，得到静态计量信息；以及校验模块，与所述阵列解耦式皮带秤和所述静态轨道秤通信连接，用于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；

出土量分析控制器，进一步包括：出土量获取模块，与所述阵列解耦式皮带秤和所述静态轨道秤连接，用于获取动态计量校验后的实际出土重量；体积转换模块，与所述出土量获取模块连接，用于将所述实际出土重量转换为实际出土体积；以及比较模块，与所述体积转换模块连接，用于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；

土压设定值控制器，与所述比较模块连接，用于根据所述比较模块的比较结果而调节盾构掘进的土压设定值。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述阵列解耦式皮带秤包括：

多个单体皮带秤，安装于所述皮带输送机的承载层的不同区段上；每个所述单体皮带秤上安装有第一称重传感器，用于采集所述皮带输送机上的所述土体的称重信息；

一第一控制器，包括与所述第一称重传感器连接的第一模数转换模块，用于将采集到的所述称重信息进行模数转换；与所述第一模数转换模块连接的解耦模块，用于对经过模数转换的所述称重信息进行解耦处理；与所述解耦模块和所述校验模块连接的第一通信模块，用于将解耦后的所述称重信息传输至所述校验模块。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述阵列解耦式皮带秤还包括与多个所述第一称重传感器对应连接的多个第一变送器，用于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，所述多个第一变送器进一步与所述第一模数转换模块连接，用于将所述经放大转化后的电流信号传输至所述第一模数转换模块以进行模数转换。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述皮带输送机的空载层上安装有测速传感器，用于采集所述土体在传送过程中的脉冲数，所述第一控制器内设有与所述测速传感器通信连接的第一条件触发模块，所述第一条件触发模块进一步通信连接所述第一称重传感器，用于根据一第一触发条件触发所述第一称重传感器采集所述称重信息。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述第一触发条件为所述测速传感器采集的所述脉冲数等于所述单体皮带机的长度。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述测速传感器为转角编码器。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，还包括用于将所述皮带输送机传送出的所述土体运输至隧道竖井基坑的土箱机车，所述土箱机车设于隧道轨道上，所述静态轨道秤包括：

秤体，所述秤体上设有轨道，所述轨道与隧道轨道相配合；

第二称重传感器，安装于所述秤体的四角下部，用于采集所述土箱机车上的土体净重信息；

第二控制器，包括与所述第二称重传感器连接的第二模数转换模块，用于将采集到的所述土体净重信息进行模数转换；与所述第二模数转换模块和所述校验模块连接的第二通信模块，用于将模数转换后的所述土体净重信息传输至所述校验模块。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述静态轨道秤还包括与所述第二称重传感器连接的第二变送器，用于将采集到的表示土体净重信息的电压信号经放大转换为电流信号，所述第一变送器进一步与所述第二模数转换模块连接，用于将所述经放大转化后的电流信号传输至所述第二模数转换模块以进行模数转换。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，在土箱机车的装土位置和静态轨道秤位置安装有光栅传感器，用于采集土箱机车在装土位置和在静态轨道秤位置的机车信息；所述第二控制器内设于通信连接所述光栅传感器的第二条件触发模块，所述第二条件触发模块进一步通信连接所述第二称重传感器，用于根据一第二触发条件触发所述第二称重传感器采集所述土体净重信息。

所述土量压力平衡盾构控制系统进一步的改进在于，所述第二触发条件为所述土箱机车在装土位置和在静态称重位置的机车信息相同。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

通过在皮带输送机上开发适应计量泥土介质的阵列式解耦皮带秤，在井口增加静态轨道秤，用静态轨道秤计量结果及时校验阵列式解耦皮带秤的精度，解决盾构施工出土计量准确性难题。

出土量分析控制器采集由阵列式解耦皮带秤和静态轨道秤组成的出土重量检测装置的计量信息，并转换为相应状态下的体积，同时根据采集的盾构PLC实际工况计算掘进形成的实际动态空间，当实际出土量相应体积大于动态空间，则增加土压设定值，反之亦然，形成由根据出土量调节土压设定值的正反馈控制回路，由于土量检测的滞后性，因此由土量调节土压设定值具有长周期、大过程特点。

附图说明

图1是现有的土压平衡盾构的布置图。

图2是现有的土量控制模型。

图3是现有的输出控制推进速度方式的土压控制模型。

图4是现有的输出控制螺旋机转速方式的土压控制模型。

图5是现有的土压平衡控制装置模块图。

图6是本发明的土量压力平衡盾构控制系统的原理图。

图7是本发明的土量压力平衡盾构控制系统的功能模块图。

图8是本发明的土量压力平衡盾构控制系统的布置图。

图9是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中阵列解耦式皮带秤的布置图。

图10是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中阵列解耦式皮带秤的工作原理图。

图11是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中阵列解耦式皮带秤的单体皮带秤的结构示意图。

图12是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中静态轨道秤的侧面示意图。

图13是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中静态轨道秤的功能模块图。

图14是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中光栅传感器的波形图。

图15是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中土箱机车的位置信息通信装置的示意图。

图16是本发明的土量压力平衡盾构控制系统的信息流图。

图17是本发明的土量压力平衡盾构控制系统中出土可松比活塞式检测装置的示意图。

图18是本发明的土量压力平衡盾构控制系统的自动调节土压设定值控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

首先参阅图6～8所示，本发明的土量压力平衡盾构控制系统是实时闭环正反馈过程控制，输出控制螺旋机转速以及时调整土仓压力。盾构11掘进土体形成盾构土仓，螺旋输送机12设置在盾构土仓内，用于将盾构土仓内的土体送出盾构土仓，以调节土仓压力；螺旋输送机12将土体送出到土皮带输送机13上，然后，土箱机车14将皮带输送机12送到土箱的土体运到隧道竖井基坑的井口，由地面起重设备将土箱吊到地面上卸土。

本发明的土量压力平衡盾构控制系统在现有土压平衡盾构的基础上增加出土重量检测装置和出土量分析控制器。

出土重量检测装置主要由阵列解耦式皮带秤15、静态轨道秤16及校验模块组成。阵列解耦式皮带秤15安装在盾构出土皮带输送机13上，静态轨道秤16安装在隧道竖井基坑上，由网络交换机利用施工通信介质将静态轨道秤16的称重结果送到阵列解耦式皮带秤15的控制器，利用静态轨道秤16的称量精度(0.1％)比阵列解耦式皮带秤15的称量精度(1％)高的特点及时校验阵列解耦式皮带秤15的准确性，从而解决皮带输送机13上被测土体粘滞性、随机分块等特性产生的称量数据准确性问题，以适应盾构施工对出土计量数据可信度的需求。

结合图9所示，阵列解耦式皮带秤15是由三个单体皮带秤151组成，每个单体皮带秤151长1.4米，宽度及托轮尺寸与皮带输送机13相配合，并以20cm间隔距离安装在皮带输送机13上。

如图10所示，三个单体皮带秤151的第一称重传感器(ac、bc、cc)及第一变送器(at、bt、ct)各自构成独立回路。三个第一称重传感器(ac、bc、cc)用于采集对应的三个单体皮带秤151位置的土体的称重信息，三个第一变送器(at、bt、ct)与三个第一称重传感器(ac、bc、cc)对应连接，用于将对应的第一称重传感器所采集的表示称重信息的桥压mv级电压信号经放大转换为4ma～20ma电流信号，然后由与第一变送器连接的、设于阵列解耦式皮带秤控制器内的模数转换模块进行A/D转换(即模数转换)，将电流信号的模拟信号转换为数字信号，再将数字信号送往与模数转换模块相连接的、设于阵列解耦式皮带秤15控制器内的耦合模块。阵列解耦式皮带秤控制器内的条件触发模块根据皮带机测速(转角编码器原理)传感器触发条件采集称重信息，并对3个单体皮带秤的称重信号进行解耦处理，最后以中间位置的单体皮带秤为基础求出单位长度出土计量称重值和积算值。

本发明中的阵列解耦式皮带秤具有以下技术特点：

(1)降低皮带机张力影响的技术特点

配合图11所示，阵列解耦式皮带秤与一般阵列式皮带区别在于：单体皮带秤151的托轮高密度分布，在1.4米长的秤台1511上布置7组托轮1512，托轮1512中心间距200mm以进一步减少皮带张力对单体皮带秤151的影响，在位于秤台1511两侧位置的托轮1512上设置限位挡辊1513。

(2)减少粘滞和不规则土体产生称量误差的技术特点

阵列解耦式皮带秤15与一般阵列式皮带区别在于：阵列解耦式皮带秤的控制器利用解耦模块对单体皮带秤151所检测的计量数据进行解耦分析处理。皮带输送机上粘滞和不规则移动土体产在各单体皮带秤151和皮带输送机13托轮上的分力，使各单体皮带秤151所检测的计量数据呈互相关联的耦合特性。

以中间位置单体皮带秤为基础，基于力学分析基础的解耦方法如下：

W＝k21(W1―W2)+W2+k23(W3―W2) (公式1)

其中：k21为中间单体秤与前部单体秤的耦合系数；

k23为中间单体秤与后部单体秤的耦合系数；

耦合系数由链码标定计算得出，见表1。

该算法整合在控制器数据处理功能模块中。

(3)阵列解耦式皮带秤称量积算的技术特点

一般皮带秤是以皮带速度传感器的单位脉冲为采样触发条件，采样频率越高准确性越好。但这种方法适用干燥颗粒状的称重介质，不适用粘滞性不连续块状土体。例如，中间单体皮带秤虽然无泥土，但相临单体皮带秤上的泥土块的重量会分解到中间单体皮带秤，由此形成称重计量误差。

阵列式解耦皮带秤以单体皮带秤长度为采样周期，通过皮带测速传感器18的脉冲数等于单体皮带机的长度时触发称重采样。这种方法既避免称重计量误差，又便于分析各单体皮带秤的耦合关系，为解耦算法提供可靠依据。

(4)阵列解耦式皮带秤标定

阵列解耦式皮带秤标定是以单体皮带秤在皮带输送机安装完成后上进行，准备100Kg链码3组。

1)静态零点标定

清除皮带机上泥土，当前电量为静态零点Zji。

2)静态幅值标定

以3组链码按表1中位置，各单体皮带秤上的当前电量为静态幅值Fji。

3)动态零点标定

清除皮带机上泥土，在皮带机转动条件下，当前电量为动态零点Zdi。

4)动态幅值标定

以3组链码分别以表中位置，在皮带机转动条件下，各单体皮带秤上的当前电量为动态幅值Fdi。

5)标定参数

标定结果见表1，数据以文件形式保存，开机初始化时对变量赋值。皮带输送机停机状态用静态参数，皮带输送机转动状态用动态参数，其中幅值取各单体皮带秤上均有链码的(状态4)情况。

表1 阵列解耦式皮带秤标定参数表

	链码位置	静态标定	动态标定
				零点	00000	Zji	Zdi
状态1	00001	Sj1i	Sd1i
				状态2	00011	Sj2i	Sd2i
状态3	00111	Sj3i	Sd3i
				状态4(幅值)	01110	Fji	Fdi
状态5	11100	Sj5i	Sd5i
				状态6	11000	Sj6i	Sd6i
状态7	10000	Sj7i	Sd7i

注：1.i＝1前秤，i＝2中秤，i＝3后秤。

2.链码位置(2进制数)的中间3个权为单体秤位置，两侧为与单体秤相邻位置。

6)采样触发条件标定

测速传感器18为转角编码器，每旋转一圈产生1024个脉冲，转角编码器的外延与皮带输送机上的皮带紧密配合，在皮带a位置设目标靶，用激光测距仪测出位置L1，置旋转编码积算值nb＝0，启动皮带机使目标靶到b位置，测出位置L2，使c＝L2-L1，要求c>10米，读转角编码器的脉冲积算值nb，因采样触发依据为单体皮带机定长L0＝1.6米(其中0.2米为单体皮带秤之间的距离)，所以用旋转编码器脉冲数触发采样的条件为:

dn＝nb*L0/(L2-L1)     (公式2)

(5)皮带输送机停机后剩余泥土自动辨识功能

受土箱容量限制，停止掘进后在皮带输送机上可能剩余泥土，尤其是称量过的泥土将直接涉及校验的精度效果，所以应建立皮带输送机停机后剩余泥土自动辨识功能。

设皮带机有效输送距离为L3，当采集的螺旋输送机信号为下降延时(停止)，记录皮带测速传感器脉冲n，积算脉冲ns。

由测速传感器标定dn为1.2米对应的脉冲数，设L4为停机后留在皮带输送机上泥土的长度：

L4＝L3-1.2*ns/dn (公式3)

设中间位置的单体秤至皮带机出土口距离为L5，当L4>L5时，dl＝L5否则dl＝L4，dl为已被计量但停机后留在皮带输送机上的泥土，应扣除本土箱对应皮带秤积算重量，加到下一周期土箱中。

地铁隧道施工出土机车一般拖运3～4节土箱小车、1节管片小车和1节注浆材料小车，含泥土箱毛重约30t。

在隧道井口采用静态轨道秤计量每个土箱的泥土净重，使每个土箱的泥土净重与皮带输送机上积算的泥土相对应，可利用静态轨道秤精度高得特点校验动态皮带秤。

土箱小车轮宽813mm，前后轮距2950mm，配合图12所示，静态轨道秤16的秤体161尺寸：6000mm×1119mm×275mm(长×宽×高)，结构强度和刚度满足受力要求和计量精度要求，第二称重传感器162安装在秤体161四角下部，轨道163固定在秤体161上，并与前后隧道轨道配合。

秤体采用轮式限位，以减少撞块式限位滑动摩擦产生的称重阻力。

配合图13所示，Wg1～Wg4是4个第二称重传感器，用于采集土箱内的土体净重信息，量程20t，输出桥压0～2mv电压信号，a1～a4为4个第二变送器，用于将采集到的表示土体净重信息的桥压0～2mv电压信号放大转换为电流信号，实施放大，静态轨道秤控制器内的、与第二变送器连接的模数转换模块，对经放大转换后得到的表示土体净重信息的电流信号进行A/D转换(即模数转换)，再通过静态轨道秤控制器内的、与模数转换模块连接的通信模块，对经模数转换后得到的表示土体净重信息的数字信号进行通信传输。a、b光栅位置传感器由静态轨道秤控制器判定土箱号，静态轨道秤控制器整合的计量信息与阵列解耦式皮带秤的控制器通信。

静态轨道秤的静态计量信息具有校正阵列式解耦皮带秤的动态计量信息的技术特点，具体如下：

(1)动态零点标定。

阵列式解耦皮带机开始启动时，如果判定阵列式解耦皮带输送机上无剩余泥土，则进行一次动态零点标定，使动态零点Zdi等于当前的空秤计量值。条件是上一称量周期的L4<0(见公式3)。

(2)动态计量校验

设静态轨道秤与阵列耦合式皮带秤的差值百分数为Dg＝Wg-Pg)/Wg，其中：Wg为轨道秤土箱的土体净重，Pg为对应土箱土体的阵列耦合式皮带秤称重积算值。

采取逐步收敛方法校正皮带机误差收敛系数为Kj，误差收敛系数初始Kj＝0.8，可根据工程实际校验效果调整Kj值。

设当前阵列耦合式皮带秤采样周期的称重值为x，则经动态计量校验的输出值为：

y＝(1+Kj*Dg)x         (公式4)

要求在静态轨道秤的精度为0.1％基础上，使阵列耦合式皮带秤精度能达到1％。

本发明土量压力平衡盾构控制系统还包括用于辨识机车和土箱序列自动辩识装置。

机车内安装小型PLC，作为辩识装置的第三控制器，通过无线链路与静态轨道秤和阵列解耦式皮带秤通信，存储和传送机车序列号和土箱号。

机车和土箱自动辩识装置的功能是使皮带秤称量的土体与土箱的计量的土体相对应。

利用机车土箱最高的特点，在皮带输送机出土口和井口称量位置各安装一组光学限位，每组2个光栅传感器17组成a、b相位，以确定土箱号。

图14为机车在皮带输送机出土口运动状态时的光栅传感器波形图。

表2为机车在盾构皮带输送机位置和隧道井口位置运动时，相应位置光栅传感器的位置信号与辨识土箱号的触发条件。

表2 机车土箱自动辩识原理

如图15所示，在机车驾驶室安装一台PLC，通过通信接口(C)和无线通信装置(WX1)，在皮带输送机位置与阵列解耦式皮带机控制器通信，记录机车号、土箱号和装土时间，在井口位置向轨道秤控制器发送储存的信息，由轨道秤控制器将称重净重泥土数值及其对应的机车和土箱号反馈给阵列解耦式皮带机控制器。

结合图16所示，出土重量检测装置和盾构掘进形成的动态建筑空间之间是通过重量和体积分析模块建立对应关系，重量和体积分析以当前土压下的土体可松比和密度检测为依据，得出的土量超挖或欠挖数据可供土压设定控制器参考。

土体可松比和密度数据可建立出土重量与盾构实际掘进空间的关系：

∑Wi＝∫kpρ(kd*kj+1)Sdl (公式5)

其中，

Kp为土体可松比；

ρ为土体常压下密度

Kd为掘进动态建筑空间系数；

kj为质流动性(0.1，0.9)；

S为盾构截面面积；

∑Wi为在盾构掘进距离L对应皮带机称量i次的累积重量。

(1)土体可松比测试

地下土体经开挖，其体积因松散而增大，后虽经回填充实，但仍不能压缩到原有体积。但测试土体可松比对于施工有一定的参考应用价值。

结合图17所示，设计一套测试隧道施工出土可松比的活塞式装置，由人工测定当前出土的可松比kp。在活塞受力压缩土体至设定压力P，则位移传感器在初始长度L1(常压状态)的变化到L2(受压状态)，得出在压力P条件下的土的可松比：

kp＝L2/L1，(其中L1<L2) (公式6)

(2)土体密度测试

施工现场以标准器具采样，密实样本、上口刮平，称出器具空满之差，得出样本重量m，根据标准器具容积v，可得出土体密度：

ρ＝m*v。

本发明的土量压力平衡控制系统还包括以下技术：

(一)施工动态参数

(1)隧道设计轴线

实际施工过程中一般以城市坐标将隧道设计轴线(DTA)以数据文件形式保存在存储器，文件表头如下：

里程、X、Y、Z

关键字“里程”，每1米或0.5米一行。X、Y为城市坐标。Z为埋深，以海平面为基准。DTA参数以米为单位，保留小数3位(mm)。

(2)掘进偏差

由导向系统检测的盾构姿态信息(包括切口水平偏差、切口高程偏差、盾尾水平偏差、盾尾高程偏差)是相对隧道DTA对应里程的偏差数据。

(3)动态建筑空间系数

动态建筑空间系数kd是根据隧道设计轴线、掘进偏差或盾构切口超挖直径确定。

(4)土质的流动性Kj

由于非铰接盾构为圆柱(长达十几米)的刚体，在流动性差的土质，盾构姿态调整可能需要适当超挖土体。在流动性好的土质，盾构姿态调整可能以挤压方式纠偏，姿态引起的的土体超挖有限。

按土质条件设流动系数为Kl(0.1，0.9)，以便区分各种超挖因素。

(二)土压设定值控制器

(1)超欠挖土量信息处理

以推进100mm的超欠挖土量为单位，对超欠挖土量进行滤波处理：

Y＝aX_n+(1-a)X_n-1        (公式6)

式中：

n是当前采样周期，n-1是上一采样周期；

X超欠挖土量；

a滤波系数，取值范围(0.8，0.98)；

Y滤波处理后的超欠挖土量。

(2)土压设定值增量自学习

1)在需要整定条件下，①控制器产生以±0.001MPa设定值增量，记录10个周期的超欠挖土量数值，若超欠挖土量数值无收敛变化趋势，重覆①。否则，停止①步骤。

2)建立以设定值增量为自变量、以出土增量为应变量的关系。

由2)得超欠挖土量±dv对应的土压设定值增量±dp。

一般地，当超欠挖土量>|dv|,调整土压设定值增量为|dp|。

(3)控制触发条件

在实际掘进过程中，以每掘进1环作为控制触发条件，每掘进100mm作为分析超欠挖土量的触发条件。

(4)自动调节土压设定值

设置允许调节自动调节土压设定值变量kpset。kpset＝0禁止自动调节土压设定值，kpset＝1允许自动调节土压设定值。

设置当前里程为dis，上一次触发超欠挖土量记录里程为dis_last，本次触发超欠挖土量记录条件：dis_con>＝100mm，dis_con＝dis_last-dis，完成触发(记录超欠挖)后使：dis＝dis_last。

设置当前环号为ring，上一环号ring_last，自动调节土压设定值的触发条件是：ring_con>＝2，ring_con＝ring-ring_last，完成触发后使：ring_last＝ring-1。

自动调节土压设定值控制流程见图18。

本发明的土量压力平衡盾构控制系统通过在皮带输送机13上开发适应计量泥土介质的阵列式解耦皮带秤15，在隧道竖井基坑的井口增加静态轨道秤16，用静态轨道秤16计量结果及时校验阵列式解耦皮带秤15的精度，解决盾构施工出土计量准确性难题。

利用出土分析控制器采集出土重量检测装置计量信息，并转换为相应状态下的体积，同时根据采集的盾构PLC实际工况计算掘进形成的实际动态空间。当实际出土量相应体积大于动态空间，则增加土压设定值，反之亦然。形成由根据出土量调节土压设定值的正反馈控制回路。由于土量检测的滞后性，因此由土量调节土压设定值具有长周期、大过程特点。

以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于，包括步骤：

将盾构掘进过程中产生的土体传送出盾构土仓；

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；

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；

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；

将所述实际出土重量转换为实际出土体积；

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。

2.如权利要求1所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于：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：

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；

将采集到的多个所述称重信息进行模数转换；

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。

3.如权利要求2所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于，将采集到的多个所述称重信息进行模数转换，包括步骤：

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；

将所述电流信号经模数转换为数字信号。

4.如权利要求2或3所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于：在采集所述称重信息前，预先设定一第一触发条件，所述第一触发条件为所述土体在传送过程中的脉冲数等于一设定值。

5.如权利要求1所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于：对传送出所述盾构土仓的所述土体进行静态称重，得到静态计量信息的步骤包括：

利用土箱机车将传送出所述盾构土仓的所述土体运输至隧道竖井基坑；

采集所述土箱机车上的土体净重信息；

将所述土体净重信息进行模数转换，将经模数转换后的所述土体净重信息作为所述静态计量信息。

6.如权利要求5所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于，将所述土体净重信息进行模数转换，包括步骤：

将采集到的表示土体净重信息的电压信号经放大转换为电流信号；

将所述电流信号经模数转换为数字信号。

7.如权利要求5或6所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于：在采集所述土体净重信息前，预先设定一第二触发条件，所述第二触发条件为所述土箱机车在装土位置和在静态称重位置的机车信息相同。

8.如权利要求1所述的土量压力平衡盾构控制方法，其特征在于：以当前土压下的土体可松比和密度检测为依据将所述实际出土重量转换为实际出土体积。

9.一种土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于，包括：

螺旋输送机，用于将盾构掘进过程中产生的土体传送出盾构土仓；

皮带输送机，用于传送出所述螺旋输送机上的所述土体；

出土重量检测装置，进一步包括：阵列解耦式皮带秤，设于皮带输送机上，用于对所述皮带输送机上传送的所述土体进行动态称重，得到动态计量信息；静态轨道秤，设于隧道轨道上，用于对所述皮带输送机传送出的所述土体进行静态称重，得到静态计量信息；以及校验模块，与所述阵列解耦式皮带秤和所述静态轨道秤通信连接，用于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；

出土量分析控制器，进一步包括：出土量获取模块，与所述阵列解耦式皮带秤和所述静态轨道秤连接，用于获取动态计量校验后的实际出土重量；体积转换模块，与所述出土量获取模块连接，用于将所述实际出土重量转换为实际出土体积；以及比较模块，与所述体积转换模块连接，用于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；

土压设定值控制器，与所述比较模块连接，用于根据所述比较模块的比较结果而调节盾构掘进的土压设定值。

10.如权利要求9所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于，所述阵列解耦式皮带秤包括：

多个单体皮带秤，安装于所述皮带输送机的承载层的不同区段上；每个所述单体皮带秤上安装有第一称重传感器，用于采集所述皮带输送机上的所述土体的称重信息；

一第一控制器，包括与所述第一称重传感器连接的第一模数转换模块，用于将采集到的所述称重信息进行模数转换；与所述第一模数转换模块连接的解耦模块，用于对经过模数转换的所述称重信息进行解耦处理；与所述解耦模块和所述校验模块连接的第一通信模块，用于将解耦后的所述称重信息传输至所述校验模块。

11.如权利要求10所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：所述阵列解耦式皮带秤还包括与多个所述第一称重传感器对应连接的多个第一变送器，用于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，所述多个第一变送器进一步与所述第一模数转换模块连接，用于将所述经放大转化后的电流信号传输至所述第一模数转换模块以进行模数转换。

12.如权利要求11所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：所述皮带输送机的空载层上安装有测速传感器，用于采集所述土体在传送过程中的脉冲数，所述第一控制器内设有与所述测速传感器通信连接的第一条件触发模块，所述第一条件触发模块进一步通信连接所述第一称重传感器，用于根据一第一触发条件触发所述第一称重传感器采集所述称重信息。

13.如权利要求12所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：所述第一触发条件为所述测速传感器采集的所述脉冲数等于所述单体皮带机的长度。

14.如权利要求13所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：所述测速传感器为转角编码器。

15.如权利要求9所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：还包括用于将所述皮带输送机传送出的所述土体运输至隧道竖井基坑的土箱机车，所述土箱机车设于隧道轨道上，所述静态轨道秤包括：

秤体，所述秤体上设有轨道，所述轨道与隧道轨道相配合；

第二称重传感器，安装于所述秤体的四角下部，用于采集所述土箱机车上的土体净重信息；

第二控制器，包括与所述第二称重传感器连接的第二模数转换模块，用于将采集到的所述土体净重信息进行模数转换；与所述第二模数转换模块和所述校验模块连接的第二通信模块，用于将模数转换后的所述土体净重信息传输至所述校验模块。

16.如权利要求15所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：所述静态轨道秤还包括与所述第二称重传感器连接的第二变送器，用于将采集到的表示土体净重信息的电压信号经放大转换为电流信号，所述第一变送器进一步与所述第二模数转换模块连接，用于将所述经放大转化后的电流信号传输至所述第二模数转换模块以进行模数转换。

17.如权利要求16所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：在土箱机车的装土位置和静态轨道秤位置安装有光栅传感器，用于采集土箱机车在装土位置和在静态轨道秤位置的机车信息；所述第二控制器内设于通信连接所述光栅传感器的第二条件触发模块，所述第二条件触发模块进一步通信连接所述第二称重传感器，用于根据一第二触发条件触发所述第二称重传感器采集所述土体净重信息。

18.如权利要求17所述的土量压力平衡盾构控制系统，其特征在于：所述第二触发条件为所述土箱机车在装土位置和在静态称重位置的机车信息相同。