盾构机密封舱压力控制方法研究进展

曹丽娟，李守巨，上官子昌

(1.大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁大连 116023;2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 116024;3.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连 116023)

0 引言

盾构机是超大型高科技施工装备，因其掘进速度较快、施工安全性好、工程质量和经济效益高、有利于环境保护和劳动强度较低而被应用于地铁、隧道等工程领域;由于其能在含水饱和的松软地层中开挖隧道，在地下工程施工中也得到了迅速发展。继英国在20世纪60年代研制出的泥水加压盾构之后，日本研制出了土压平衡式盾构机［1］。土压平衡盾构机由于适用的地质范围广和掘进性能好而得到广泛的应用。

盾构机在掘进隧道施工过程中，总会对盾构机周围的土体造成一定的扰动，使得一定范围内土体的应力状态发生变化，严重时会引起地表变形。盾构机密封舱压力分布以及掘进参数的不同，将对盾构机周围土体造成不同程度的扰动，土体应力应变将呈现不同的状态，使地表的变形程度也不相同。如何通过设定盾构机施工参数，在保证开挖面稳定的同时，减小对地层的扰动，并且使盾构机掘进过程中能耗最低，这些都是盾构机设计与施工中的重要课题。

土压平衡盾构机密封舱维持适当的压力是保证掘进工作面的稳定性和控制地表变形的关键，盾构机密封舱压力控制是一个典型的时变动力系统辨识和控制问题。图1是盾构机密封舱土压力分析的简化模型。

图1 EPB盾构机的简化模型Fig.1 Simplified model of EPB shield

1 盾构机密封舱压力优化设置

1.1 土压平衡盾构机的组成及工作原理

土压平衡盾构机主要由盾体、刀盘及其驱动系统、螺旋输送机系统、推进系统、管片拼装系统、同步注浆系统以及盾尾密封装置等构成。与普通盾构不同的是在盾构中部增设一道密封隔板，将盾构开挖面与隧道分开，使密封隔板与开挖面土层之间形成一个密封土舱，刀盘在密封土舱中切削的渣土积累到一定数量时，渣土经刀槽进入密封舱的阻力增大。土压平衡盾构机正是利用密封舱的土压力与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，使开挖面保持稳定，而不致由于开挖面的土压力低于外界压力而坍塌或高于外界压力而隆起。也就是说，土压平衡盾构机是通过盾构机推进油缸的推进，使油缸的推力通过压力挡板传给密封舱内被刀盘切下的土体，形成一定压力的土体支撑掌子面，而不像通过其他开挖方式的盾构机，其掌子面依靠另外的介质支撑;因此，保持刀盘切削下来的流入密封舱中的渣土量与从螺旋输送机输排出去的渣土量相平衡才能保证开挖工作的顺利进行。

1.2 盾构机密封舱压力控制存在的问题

目前，盾构机密封舱压力控制存在的主要问题包括:1)一般根据经验来选取密封舱压力值设定，缺少足够的理论依据，导致地表变形控制不理想;2)由于掘进工作面的土压力无法直接测量，一般采用密封隔板的观测土压力作为掘进面内的土压力值，没有考虑由于刀盘开口率的变化引起的这2个界面之间的压力差，缺少密封舱土压力与掘进工作面土压力之间的映射关系的研究;3)密封舱压力控制缺少完备的力学模型，如密封舱系统的动力方程、输出方程、量测方程和参考模型等;4)缺少密封舱土压力与控制变量之间关系的模型，无法从力学本质上仿真密封舱土压力随控制变量改变而动态变化的特性;5)密封舱压力控制模型没有考虑到地层的随机特性和压力观测信息的不确定性等问题，无法准确表征密封舱系统的非线性、时变、时滞和不确定的动力特性，控制模型的鲁棒性和稳定性较差。

1.3 土压平衡盾构机的土舱内压力控制方法研究

为了研究设定土压平衡盾构的土舱内压力值的理论方法以达到稳定地层的目的，很多学者在这方面做了大量工作。Ronaldo等［2］研究了土体弹塑性本构模型的屈服面特性;Woodward［3］做了基于Lade-Duncan破坏准则的土压力系数确定问题方面的工作;Bernat等［4］利用有限元数值模拟方法，提出了预测盾构机掘进引起的地表沉降方法;Mashimo等［5］提出了确定作用在隧道衬砌上土压力荷载方法;Anagnostou等［6］研究了土压平衡盾构机掘进过程中工作面稳定性条件;Benmebarek等［7］研究了作用在挡土墙被动土压力的数值模拟方法。国内外对盾构机密封舱土压力优化设置和控制问题进行了大量的研究工作，取得了一定的进展，但如何优化设置密封舱的土压力仍然缺少理论依据。Shangguan［8］基于 Rankine的土压力理论，研究了掘进工作面土压力问题，并通过有限元数值模拟，建立了掘进工作面土压力与密封舱隔板可观测的土压力之间的关系，从理论上解决密封舱压力的优化设置问题。

2 土层力学参数识别方法研究进展

2.1 土层力学参数反演分析研究

土层力学参数主要有压缩模量、重度、内摩擦角、端阻力系数、侧阻力系数、抗压强度、弹性模量、泊松比等。研究土层力学参数识别方法有助于盾构法施工掘进参数的合理确定。

为了便于将刀盘切削下来的渣土通过螺旋输送机快速排出，土压平衡盾构将刀盘切削下来的弃土送入前端密封舱内，通过搅拌或注入膨润土或水等改性剂后搅拌成塑流化的渣土以增加其流动性，以便顺利地通过螺旋输送机向外排土，同时使工作面保持适当稳定的压力。土压平衡盾构的这种排土方式具有处理简单和可靠性较高的特性，因而得到了广泛的应用。密封舱内经改性处理的渣土，是一种不同于原状土体的比较复杂的颗粒集合体，它既不是理想的弹性材料，也不是理想的塑性材料，其突出特点就是其渣土颗粒之间充满改性剂和具有良好的流动性。尽管连续介质的假设与实际情况不相符，目前大多的数值计算方法都是用连续介质力学的思路去分析和研究渣土的力学性状;因此，应从微细观角度研究渣土这种具有独特的不同于原状土体材料的连续介质的应力－应变性状。

盾构机穿越土层的物理力学参数将直接影响到盾构机的掘进参数和掘进工作面的稳定性。实时掌握掘进土层的力学参数对于优化盾构机的掘进参数和有效控制地表变形是至关重要的。但是，获得土层变化信息不适于用钻孔取芯的方法，这是由于刀盘在掘进过程中不停转动。Kim等［9］研究了土体类型、隧道尺寸和施工方法对掘进工作面稳定性的影响，讨论了盾构机推力与工作面土压力、刀盘扭矩的关系，提出了工作面稳定的计算方法，根据现场观测数据分析了土层物性参数对刀盘扭矩、贯入度、密封舱压力的影响，为地层物性参数反演提供了可以借鉴的依据。国内外的一些公司在地铁工程施工中，对采自施工现场的观测数据进行实时分析和反分析，并且设定了密封舱压力的上下限值和报警值，把刀盘扭矩、推进速度、贯入度和刀盘磨损与土层力学性能联系起来［10－11］。为了实时掌握掘进工作面前方土层的物理力学参数的变化，Kneib等［12］提出了地震层析成像方法，通过安装在刀盘上的信号接收器实时探测掘进工作面及其前方土层的力学性能，以解决地层参数识别问题。目前，地震层析成像方法存在的主要问题有信号噪声问题、信息实时处理问题、地震波传播特性表征问题、过高的费用问题以及存在多解性问题等。Zhou等［13］提出了根据盾构机的掘进参数进行地层分类和辨识模型，该模型以神经网络为基础，根据现场实测的盾构机掘进参数判断当前岩层为哪一类，用以指导盾构机掘进施工。刀盘在掘进过程中不停转动使掘进工作面的压力无法直接观测，而这个参数对于控制地表变形是最重要的。为了解决这一课题，在密封舱的隔板上安设若干个压力传感器盒，用以实时监测密封舱内的压力变化情况。理论研究表明:密封舱隔板的压力并不等于掘进工作面的压力，二者之间存在压力差，这个压力差的大小与渣土力学参数及刀盘开口率之间存在映射关系。因此，只要实时观测密封舱隔板的一系列观测点的压力，然后根据掘进工作面压力与隔板压力之间的映射关系，采用数值模拟就可以间接掌握掘进工作面压力的变化情况，进而控制地表变形。

2.2 土层力学参数的数值模拟与研究

朱伟等［14］对比室内三轴试验和颗粒流程序双轴数值试验结果，确定了颗粒流模拟砂土的细观参数，并对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟，分析了不同盾尾空隙、不同埋深、不同直径和不同围岩时作用在管片上的土压力、土体位移和土体颗粒接触力的变化情况。史旦达等［15］以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础，利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象，而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律，从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。

目前大多数研究者采用试错法确定颗粒离散元模型参数，即通过反复改变模型参数，使数值实验得到的宏观特性与真实实验结果一致。这种方法虽然能够得到较为满意的模拟结果，但在调整参数较多时需要大量时间并且估计的模型参数往往不是最优［16］。Franco等［17］以实际贯入实验和相应离散元数值实验的相对能量差最小为目标函数，用单纯形优化方法和数值模拟相结合的求解方法估计砂土颗粒离散元模型中的弹簧刚度和摩擦系数。周健等［18］基于颗粒流理论，引入不同的颗粒接触连接本构模型，分别建立了砂土和黏性土的颗粒流模型，基本再现了砂土和黏性土试样应力－应变关系。

3 盾构机密封舱压力控制方法研究

土压平衡式盾构机由推进液压缸向前推进时，刀盘旋转切削下来的渣土充满密封土舱，同时螺旋输送机向外输出渣土，排出的渣土量必须适当，以此保证存留在密封舱内的渣土的土压力能与开挖面土层的水土压力相平衡。排出的渣土量可通过调整螺旋输送机的转速控制或通过调整盾构推进液压缸的推进速度控制进土量，使盾构排土量和进土量保持或接近平衡，以此来维持开挖面地层的稳定以及防止地表变形。

3.1 盾构机密封舱压力控制模型研究

为了解决盾构机密封舱压力控制问题，国内外的学者进行了大量的理论研究和模型试验以及现场试验研究，取得了一系列研究进展。魏建华等［19］以土压平衡盾构施工现场实际观测数据阐述了盾构机开挖面稳定机制，分析了密封舱土压力的设定与控制方法。王洪新等［20］基于模型试验结果，推导土压平衡盾构的3个基本方程式，进而得到土压平衡盾构2个总平衡方程式，建立土压平衡盾构掘进的数理模型，并利用现场掘进数据，统计归纳出刀盘扭矩、刀盘转速、土舱压力间的经验关系式。胡国良等［21］介绍了土压平衡式盾构机土压控制实验，采用自整定PID对盾构密封舱内的土压力进行了实时控制。陈立生等［22］提出了在环境变化时调整土舱压力的新思路，并针对土舱压力控制标准的不确定性，分析了土舱压力波动的原因后，形成了采用土压平衡比控制盾构平衡状态的辅助方法。

土压平衡盾构机密封舱压力与隧道的埋深、土层的物理力学性质和刀盘的开口率以及盾构机的推力有关。目前国内外经常采用的密封舱压力设置计算方法是Sramoon建议的主动土压力与水压力之和，再加上10 kPa的波动压力［23－24］;但该方法存在的最大问题是没有考虑到从掘进工作面到密封舱隔板的压力降低，实际上是过高地设置了密封舱压力，由此带来的问题是导致盾构机推力增加，刀盘与渣土之间的摩擦阻力增大。Koyama［25］将掘进工作面的土水压力近似为梯形分布，给出了土压力与水压力分开计算模式(soilwater separated)和土压力与水压力整体计算模式(soilwater integrated)。Bernat等［26］基于土体的非线性本构模型，数值模拟了盾构机与土体之间的相互作用，提出了地表变形分阶段模拟预测方法，将数值模拟结果与现场观测结果进行了比较分析，模拟结果与观测结果比较接近。

由于神经网络具有学习功能，一些学者将神经网络技术引入到盾构机密封舱压力控制研究中。Li等［27］建立了基于模糊自适应PID控制器的盾构机控制系统，该控制系统包括密封舱压力模拟子系统、螺旋输送机模拟子系统和压力控制子系统组成，实现了对密封舱压力的有效控制。Yang等［28］和曹丽娟等［29］分别将密封舱渣土简化为理想的塑性材料，以刀盘进土体积与螺旋输送机排土体积相平衡为基础，数值模拟仿真和实验室试验研究了土压平衡盾构机密封舱压力控制问题。Yeh［30］提出了基于神经网络的主动控制方法。王洪新等［31］系统地总结了土压平衡盾构机掘进时的平衡控制理论，论述了面板式刀盘作用下2种平衡状态的不等价性，加深了对土压平衡盾构平衡状态的认识和理解。

3.2 盾构机密封舱控制机制方法

盾构机密封舱压力控制的核心问题之一是建立其机制模型，根据机制模型对未来的状态作出正确的预测，进而通过优化调整可控变量(螺旋输送机转速、盾构机推力和推进速度)实现密封舱压力的实时控制。盾构机密封舱土压力控制，在国内外集中在实验室模型试验和数值仿真研究，根据模拟实验的观测数据分析密封舱土压力与螺旋输送机转数的关系。杨洪杰等［32］在软土、砂土和砂砾土层中进行盾构机模型的掘进试验，研究了实验模型周围土压力变化和刀盘开口率变化对密封舱内外土压力的影响。刘东亮［33］对密封舱土压力影响因素和控制方法进行了分析，并且讨论了掘进工作面的主动土压力和被动土压力问题，提出了密封舱土压控制流程图。徐前卫等［34］和朱合华等［35］根据相似理论和模型试验方法建立了土体－盾构机系统的相似关系，通过对实验数据的分析整理，得出了土压平衡盾构机参数之间关系曲线。胡新朋提出了在富水软土地层密封舱压力设置原则，对密封舱压力过高或者过低引起的地表隆起或沉降进行了定性分析。张庭华［36］和施虎等［37］对土压平衡盾构机土舱压力控制进行了技术研究，胡国良等［38－39］和刘博等［40］建立了土压平衡盾构机密封舱土压力控制模型和系统仿真分析。

盾构机在掘进过程中由于地层的力学性能在不断变化或者盾构机施工参数的变化，导致密封舱的压力时常发生波动变化，有时会超出设定的压力范围。密封舱土压力系统的辨识和控制模型的研究，对于有效控制地表变形和保证盾构安全施工是非常重要的;而建立对于非线性、时变、时滞和不确定的密封舱土压力系统的控制模型仍然是一个没有很好解决的关键问题，而且国内在这方面的研究也比较缺乏。因此，无论在非线性系统控制的理论研究，还是在盾构机密封舱土压力控制模型工程应用上都非常迫切需要解决这一课题。

4 结论与展望

盾构施工中密封舱的压力控制直接影响掘进工作面的稳定性和地表是否变形。密封舱土压力优化设定是盾构机掘进过程中一个极为关键的控制参数，不仅直接关系到掘进工作面的稳定和地表的隆起或沉陷，也影响到盾构施工的效率和刀具的使用寿命。合理地确定密封舱的工作压力对于有效控制地表的沉陷与隆起，对于保证盾构机的施工安全和连续作业是非常重要的。通过测量密封舱隔板的土压力，然后采用数值模拟方法建立在不同刀盘开口率条件下掘进工作面压力与密封舱观测压力之间的映射关系，从理论上解决密封舱压力的优化设置问题。神经网络具有的以L2范数逼近任意非线性系统的能力和学习能力，使得辨识器对于盾构机密封舱土压力系统的环境(包括土层力学参数的扰动、观测噪声、被控系统的时变和时滞特性等)具有自适应性，因而可将神经网络应用到盾构施工中密封舱的压力控制中去，从而达到对不确定、不确知系统进行有效辨识和控制。对土舱压力系统建立控制数学模型，能更有效地提高控制精度和加快调整速度，是未来盾构机土舱压力控制方法的方向。

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