土压平衡盾构机的土压控制》讲义

教学讲义

主讲教师：   张永辉          

学    校：  上海建峰职业技术学院    

日    期：  二○一一年七月  

序   言

【课程】地下空间施工技术

【课题】盾构掘进施工土压平衡控制

本课程教学通过DKSJ-1仿真盾构教练机和计算机仿真操作系统，使学员在与隧道施工实际工况基本一致的情景下，进行盾构机的专项技能操作训练，能进行隧道掘进施工中土压平衡控制的操作。

认知目标：能识别盾构机基本构成部件，能描述土压平衡的状态和土压平衡的建立，领会稳定开挖面在盾构法施工中的重要性，领会土压平衡对施工质量和环境保护的重要作用。

能力目标：能通过改变螺旋输送机转速、改变推进千斤顶速度等操作，将土压控制在设定值的允许偏差范围内。

情感目标：体现和谐为本、追求卓越的企业精神，培养学生爱岗敬业、诚实守信的职业道德，一丝不苟、善于合作、勇于实践、锐意进取与创新的职业素养。

【本节教学过程】

活动一：盾构机主要工作部件与基本运行操作

在学习土舱内土压控制的操作之前，通过对盾构机基本构造的回顾和主要工作部件的运行操作，检验前导课程的教学效果。

【知识1】刀盘、螺旋输送机、推进千斤顶、管片拼装机、盾壳、后继台车等基本构成部件的识别。

图2：盾构机的基本构成部件

   1.启动刀盘：能进行盾构机刀盘启动运行并换档操作；

   2.开启螺旋输送机：能正确开启螺旋输送机并作转速调整（空载）；

   3.推进千斤顶：能正常启动液压系统,进行盾构推进运行。

仿真盾构教练机操作界面相应功能键的操作步骤：

【实训1】根据教师的指令，操作盾构机操作界面的控制键，使盾构机各系统主要工作部件运行正常。

活动二：土舱内的土压控制

在盾构机掘进过程中，如果开挖面的土体不能自立而塌落，会造成地面沉陷，必须采用特定的支撑方法来稳定开挖面，确保施工安全。

现场工程师依据各种变化因素发布操作指令，通过操作员对螺旋输送机转速的控制，调整土舱内的土压力，实现盾构机土舱内外的土压平衡，达到稳定开挖面土体的目的。

土压平衡盾构机的土舱位置，见图3。

图3：土压平衡盾构机的土舱示意图

盾构机操作员如何控制土舱内的土压力呢？

【知识2】螺旋机单控模式的控制方法

根据测得的土舱内土压值，通过盾构机操作员手工调节螺旋输送机转速，实现土舱内土压的控制。

仿真盾构教练机操作界面的功能键分布位置，如图4所示。

图4：盾构机操作界面示意图

自动调节螺旋输送机转速的控制方式

采用闭环，将测得的土舱内土压值与设定的土压值进行比较后自动调节螺旋输送机的转速。

【技能2】能进行盾构机操作界面上螺旋输送机转速控制功能键的运行操作。

以仿真盾构教练机操作界面为载体，在螺旋输送机模式下控制盾构机土舱土压的操作步骤：

一、准备阶段

1．〈模式转换〉旋钮处于[掘进]；

2．选择刀盘转向和转速；

3．按指令设定土压设定值；

4．启动千斤顶油泵；

5．选择千斤顶；

6．螺旋机输送闸门打开；

7．螺旋输送机〈旋转速度〉旋钮处于低速。

二、启动阶段：

1．转动〈皮带输送机启动〉旋扭至[顺转]——启动皮带输送机；

2．转动〈刀盘〉旋扭至[运转]——启动刀盘；

3．按下〈推进千斤顶〉的[伸出]按钮——启动推进千斤顶；

4．转动〈螺旋输送机〉旋扭至[运转] ——启动螺旋输送机。

三、调整土压阶段：

比对土压现在值和设定值，慢慢转动螺旋输送机〈旋转速度〉旋钮，调节其速度。

【实训2】根据教师指令，操作仿真盾构机操作界面上螺旋输送机转速控制功能键，使螺旋输送机的转速达到规定值。

项目工程师（主讲教师）给出盾构机工况参数如下：

【知识3】土压平衡的建立

盾构机在隧道中掘削推进开挖面土体时，充满渣土的土舱在推进油缸的推力作用下，使渣土具有一定压力。当土舱土压力与开挖面的水压及静止土压力之和的大小相等、方向相反，即处于平衡状态，开挖面土体得到支撑，就不会塌落，可能引起的地面沉降将被控制在最小允许范围。

土压平衡状态如图5所示。

图5：开挖面土压平衡示意图

盾构机操作员根据现场工程师的指令，随时对土舱内的土压进行调整，使土压维持在设定值附近，确保平衡的建立。

如何确定土压力的设定值？

施工过程中，土压力的设定值是由现场工程师随时依据地下一定深度的土压力值确定的，并通过指令下达给盾构机操作员。

一般采用地下静止土压力作为土压力的设定值，其计算公式为：

式中：——侧向静止土压力（单位：）

——侧向静止土的土压系数

其中：砂性土0.25～0.33

粘性土0.33～0.70

——土的容重（单位：kN/m3）

一般18.0～19.0 kN/m3

——地面到盾构中心的深度

单位： 

如图6所示。

                                 图6：地面到盾构中心的深度

1 = 1

1= 103= 106= 1

如何进行计算单位的换算？

【知识4】盾构螺旋输送机转速与土舱内土压的关系

为什么改变盾构螺旋输送机转速可调整土舱内的土压呢？

盾构螺旋输送机排出土舱内渣土的速度与其转速成正比，转速高，排出的土量多，土舱内的土压就会下降；反之，降低螺旋输送机转速，渣土排出量少，土舱内的土压就会上升。

图7：盾构螺旋输送机排土示意图

 如何控制水池的水位？

水池有进水阀和出水阀，当水位处于一定的高度时，调节阀门的开度，水位就会发生变化。

我们先使进水速度一定，当开大出水阀时，池内水位就下降；而关小出水阀时，池内水位就上升。同理，当出水速度一定，调节进水阀的开度，水位也会发生升降。

我们运用控制水池水位的原理，来控制盾构机土舱内的土压。

【知识5】影响土压平衡的动态因素和控制模式

在盾构掘进施工中，影响土压平衡的动态因素是：螺旋输送机的转速和推进千斤顶的速度。

因此，控制盾构机土舱内的土压有三种模式，即：螺旋输送机单控模式、推进千斤顶单控模式、两者结合的双控模式。

推进千斤顶在推动盾构前进的同时，既控制盾构前进方向，又能对土舱内的渣土形成挤压，维持土体压力，并能辅助管片拼装。推进速度越快，形成的土压力就越大，反之则土压力会相应减小。

手工调节推进千斤顶是项目工程师依据开挖现场即时测得的土舱内土压值所下达的指令，通过操作员用手工调节的方式控制推进千斤顶的推进速度。并可有效控制土压平衡。

盾构机施工的关键技术

盾构机施工过程中的关键技术是：盾构机姿态控制和土压平衡控制。盾构机的姿态控制决定掘进精确度和施工质量，土压平衡控制决定施工安全和环境保护。

在盾构机掘进过程中，盾构机操作员应能遵照项目工程师的指令，通过即时、正确的操作，改变螺旋机的转速和推进千斤顶的速度，使土舱内的土压适时得到调整，可实现土压的平衡，维持开挖面稳定，减少施工引起的地面沉降或隆起，保证施工质量和环境保护。

【本节课程小结】

1．盾构机地下掘进施工的关键技术

（1）盾构机姿态控制----决定掘进精确度和施工质量

（2）土压平衡的控制----决定施工安全和环境保护

土压平衡控制不好，可能引起的后果是：地面塌陷、隆起，建筑物和管线受损，严重时会酿成安全事故，甚至灾难。

因此，盾构机操作员通过准确、及时的操作，始终保持盾构机开挖面土体的土压平衡，具有十分重要的作用。

2．土压平衡的控制方法

（1）影响盾构机土舱压力的因素

① 螺旋输送机的转速

② 推进千斤顶的速度

（2）控制盾构机土仓压力的方法

① 调整螺旋输送机的转速

② 调整推进千斤顶的速度