土压平衡盾构机的土压控制

土压平衡盾构机的土压控制

前言：随着地下空间的发展，盾构技术已广泛的应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。在我国的各项施工中盾构机的种类越来越多，其中土压平衡盾构机以其整体结构简洁、适应地质范围广、占地空间小、施工成本低等诸多优势，成为建设单位和施工单位的首选。土压平衡盾构机在施工中的难点和重点就是土压平衡的控制。

1盾构机土压平衡的原理

1.1土压平衡盾构机的组成：刀盘，渣土仓，盾体，螺旋机，推进系统，加泥加泡沫系统，管片拼装系统等（如图1）

图1

1.2土压平衡盾构机的土压控制，刀盘切削下的渣土经过刀盘的开口进入渣土仓，通过充满土仓的渣土形成的土仓压力来平衡开挖面的水土压力，土仓内的渣土通过螺旋输送机排出，螺旋输送机的排土速度与盾构机的掘进速度形成一个动态平衡，维持开挖面的水土压力平衡，保证掌子面的水土稳定，保证地表不会沉降、坍塌。

2土压平衡盾构机土压平衡的实现

2.1土压盾构机PID的自动土压调节控制，通过装在土仓壁上的土压计实时监测土仓压力，土压计监测到的土压力传送到PLC，PLC计算出检测值与目标值的差值E，通过PID控制，自动调节螺旋输送机的转速，使E值趋向于0，当E值大于0时，PLC发出指令，增加螺旋输送机的转速，提高出土量直至土仓内的土压力重新达到平衡状态，反之E值小于0，螺旋输送机降低转速，减少出土量，以保持土仓内压力平衡，保证盾构机正常掘进。

2.2上述为为土压平衡的自动模式，在实际操作中，操作手一般为手动控制，其过程是PID控制一样的，操作者观察土压计的实测值，与目标值进行比较，人为的调整螺旋输送机的转速，控制土压力在一定的范围内。

3土仓压力的形成

3.1土体在自重的作用下，土体中的所有垂直面和水平面都是主作用面，根据土力学理论，天然土体内垂直静压力Eo=土的密度ρ Х埋置深度h，

3.2土仓压力可以分为静止土仓压力Eo、被动土仓压力Ep、主动土仓压力Ea，

3.2.1静止土仓压力：当盾构机停止掘进静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对土仓的压力称为静止土仓压力Eo 。

3.2.2主动土仓压力：当盾构机刀盘切削进入土仓的渣土小于螺旋输送机排出的渣土量（俗称超排）掌子面的土体向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在土仓的土压力称为主动土压力，一般用Ea表示。

3.2.3被动土仓压力：当刀盘切削渣土量大于螺旋输送机排土量，掌子面向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在土仓上的土压力称为被动土仓压力，用Ep表示。如图2，土压力小于Ea地表发生沉降；土压力大于Ep地表发生隆起。

地表沉降Ea EoEp地面隆起

图2

4土压力与盾构机其他参数的关系

图3

随着土仓压力的升高，盾构的推力增大，刀盘扭矩加大，盾构的负荷增大，造成系统温度升高，刀具磨损加剧等一系列不良影响，致使施工进度缓慢。

5目标土压（静止土仓压力）的确定

5.1影响土仓压力的因素：渣土的组成成份（粘土，砂砾，细砂，粗砂，卵石等），盾构的埋置深度，地下水位，刀盘的开口率，

图4

5.2根据地层土质的密度和盾构的埋置深度计算出静止土压力，还要考虑刀盘的阻尼作用，由于刀盘的支撑，土仓内的土压力小于掌子面的土压力，图4是施工中压力传递系数的经验值，土仓的静止土压力Eo=土的密度ρ Х埋置深度hХ压力传递系数K

根据施工经验Ep-Ea=40KPa左右，结合土压力对盾构掘进的影响，一般考虑在偏小于静止土仓压力的范围内推进，当管片拼装时，即在推进结束的时候，控制土压力稍高于静止土压力，

6结语

盾构施工中，掘进工作面的稳定是通过土仓的土压力得以实现的，土仓压力过大会造成盾构掘进困难、地面隆起，土仓压力过低会导致地面沉降甚至坍塌。因此，合理的确定土仓的工作压力，对有效的控制地面的沉陷与隆起，对保证盾构的施工安全和连续作业是非常重要的。