土压平衡盾构出土计量装置研制与应用

夏俭

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

土压平衡盾构出土计量装置研制与应用

夏俭

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

分析了盾构出土阵列式皮带秤和单梁双钩吊钩秤的技术特点，总结了研制土压平衡盾构出土计量装置的经验，对推广应用盾构出土计量装置技术成果具有一定积极作用。

土压平衡盾构；皮带秤；单梁双钩吊钩秤；出土计量

1 概述

土压平衡盾构是现代城市地铁隧道建设的主要施工设备。当盾构穿越特殊施工环境时（如穿越危房、历史建筑、特殊地质等），需要采取精细化施工管理措施。准确详细的出土计量信息是土压平衡盾构精细化施工的有效依据之一。

1.1 目的意义

土压平衡盾构是以切口压力为控制对象，盾构切口压力平衡过程控制具有较高的自动调节品质。由于土压平衡控制环节的设定值是根据土力学理论和操作者经验人工设定，受设定者技术水平和实际地质条件变化的影响，所设定土压目标值的正确性具有一定离散性。设定值的偏差反映在工程中的效果为土体的超挖或欠挖，结果是地表的沉降或隆起，严重时会引起工程质量事故或环境安全事故。

及时正确掌握出土量能及时反馈设定值的偏差，可避免隧道施工对周围土体的扰动，实现隧道施工对附近区域的地下管线、地面道路和地面建筑稳定的安全控制目标。

1.2 技术难点

为保护上海外滩历史建筑，外滩隧道引进的直径14.27 m土压平衡盾构配置了皮带秤计量盾构出土重量，但是由于计量结果的置信度问题无法利用皮带秤计量信息指导施工。

皮带秤一般适用计量颗粒状散装物料，正常工况下计量精度为1%～5%。当盾构出土的土质具有黏连状特性，尤其是不连续块状土体时，增加了皮带张力的影响（见图1）。不连续块状土体产生的张力具有随机性，会严重影响皮带秤计量结果的正确性。

图1 皮带机张力分析示意图

2 盾构出土计量装置技术方案

2.1 设计原则

（1）在隧道施工现有施工工艺设备上加装出土计量装置；

（2）研制的出土计量装置应能适应隧道施工恶劣工况；

（3）研制的出土计量装置应能满足隧道施工出土过程连续计量的精度要求。

2.2 技术方案

在盾构台车皮带机上设置1套阵列式皮带秤，及时检测盾构掘进过程中的当前出土量，实现连续计量出土重量的功能。为了减少黏连块状土体对皮带张力的影响，采用阵列式皮带秤，让皮带张力主要集中在阵列秤的输入单体秤和输出单体秤上，使阵列秤内各单体秤之间的皮带张力成为阵列式皮带秤的内力。期望用阵列式皮带秤减少黏连块状土质对盾构出土计量准确性的影响。

尽管采取了阵列式皮带秤减弱黏连块状土体对皮带张力的技术措施，但该措施效果有待实践检验。因此，有必要在井口设置1套单梁双钩吊钩秤，不仅可以检测掘进1环出土总重量，而且可以利用吊钩秤精度高的特点，每环对阵列式皮带秤进行一次动态标定，以提高各种工况条件下阵列式皮带秤准确性的置信度。盾构出土计量装置系统配置如图2所示。

图2 盾构出土计量装置系统配置图

鉴于计量出土信息的地点和时间的差异，由电子标签等部件构成无线网络传输盾构出土计量信息。

3 盾构出土阵列式皮带秤

3.1 阵列式皮带秤结构设计

阵列式皮带秤单体设计的额定称重值为100 kg。

阵列式皮带秤由3个单体秤组成。截面尺寸与盾构皮带输送机配合。

3个单体皮带秤相互间隔50 mm，单体皮带秤秤体通过4个500 kg单剪切梁传感器支承在原皮带输送机的机架两侧梁上，如图3所示。

图3 阵列式皮带秤组装图

3.2 单体皮带秤结构校核

采用Solidworks程序，校核对象为秤体结构的受载安全，分析类型为皮带秤的秤体结构静态受载，主要边界条件为设计材料和机械尺寸。单体皮带秤应力校核结果见图4。

图4 单体皮带秤应力校核结果

单体皮带秤设计强度与刚度安全性校核结论：结构安全，能达到200 kg连续载重要求。

3.3 皮带秤计量检测技术

选用的称重传感器为单剪切梁传感器（见图5）。防护等级IP67，具有安装高度低、结构紧凑、长期稳定性好、综合精度高等特点。

图5 单剪切梁传感器

4 盾构出土单梁双钩吊钩秤

利用地铁施工现场行车起重设备吊运土箱条件，在起重机的吊钩上设计计量受力结构，采用称重传感器将重量信号转换为电信号，通过无线收发器将电信号转换为电磁波信号，有效解决了行车运动对称重信号传送的导线连接的技术问题，避免了隧道施工现场复杂工况条件对计量精度的影响。

4.1 单梁双钩吊钩秤结构设计

称重装置主要由销轴、上联接架、传感器、下联接架以及卸扣等组成，（见图6）。两套称重传感器分别置于吊梁的两端部，通过销轴吊挂于吊梁的腹板孔上。上连接架被设计成正交轴吊挂型式，可以避免由于渣土箱倾翻倒土操作过程中所引起的反向冲击和扭转。

4.2 单梁双钩吊钩秤设计强度与刚度校核

吊梁结构满负载60 t，作用于吊梁两端销孔，中间吊挂销轴约束（见图7）。吊轴装置中段满负载68 t，一端固定约束，一端销轴约束（见图8）。

称重装置中的上连接架结构下部轴孔满负载30 t，上部轴孔销轴约束。称重装置中的下连接架结构下部轴孔满负载30 t，上部轴孔销轴约束。称重装置中的销轴中间满负载30 t，两端固定约束（见图9、图10）。

图6 单梁双钩吊钩秤结构示意图

图7 吊梁受力示意图

图8 吊轴受力示意图

图9 上连接架结构受力示意图

图10 下连接架结构受力示意图

4.3 单梁双钩吊钩秤称重检测技术

在吊梁的两端与吊耳板连接的部位设置称重传感器。称重传感器经A/D转换模块、无线传输信号发射，送至接收设备终端。称重计量工作原理如图11所示。

图11 称重计量工作原理图

5 盾构出土量计量自动校验技术

经专业机构现场标定，所研制的单梁双钩吊钩秤的标定精度结果为20 kg/40 t。

利用单梁双钩吊钩秤精度高的特点校验阵列式皮带秤动态负载的计量准确性，以满足隧道施工出土计量过程计量准确性的要求。

5.1 皮带秤计量触发条件

阵列式皮带秤计量触发条件：螺旋机状态=1，皮带机状态=1，皮带机秤脉冲数变化。其中皮带机秤脉冲数变化是以单体皮带秤的长度为周期。

5.2 单梁双钩吊钩秤计量触发条件

单梁双钩吊钩秤计量触发条件：4＞L＞1并且40 000＞W＞12 000。

其中：L为井口的激光测距信号（单位：m），表示土箱在计量空间内；W为单梁双钩秤计量实时数据（单位：kg），表示重量在皮重和毛重之间。

5.3 校验逻辑

采用逐步收敛系数校验盾构台车上的皮带秤误差。设第n环井口吊钩秤计量的出土净重Gdn,皮带秤出土总重Gpn

下一环皮带秤实时累计值修正系数为：k0×kn

其中：Gpr0为皮带秤实测原始累计值；k0为收敛系数（1＞k0＞0.8）；Kn为第n环比例系数；Gpr1为皮带秤实际累计值,一环结束后定义Gpn+1= Gpr1。

6 工程应用

所研制的土压平盾构出土计量装置在上海轨交17号线漕盈路站—风井区间下行线1 376环～1 434环得到成功应用。表1是1 376环～1 385环的数据样本（10环数据）。

表1 1 376环～185吊钩秤累计值和动态标定的皮带秤累计值样本

2016年11月14日到11月20日掘进环号为1 376环～1 434（共58环），以井口单梁双钩吊钩秤计量结果为基础，经校验后的阵列式皮带秤每环累计数值的统计曲线见图12。

由图12可见，误差百分比曲线波动范围在1%范围之内。

图12 阵列式皮带秤误差百分比曲线图

7 结论

所研制的土压平衡盾构出土计量装置的特点是：用阵列式皮带秤减少皮带张力产生的分力影响，用高精度单梁双钩秤动态校验阵列式皮带秤，实现盾构施工过程连续计量出土重量的功能，解决了盾构出土计量的关键技术难点。

所研制的土压平衡盾构出土计量装置在上海轨交17号线漕盈路站—风井区间下行线后期施工连续58环掘进的出土计量数据表明：其综合精度达到1%，符合盾构施工对出土计量精度的过程控制要求。

虽然工程试验结果表明了研制成果的可行性，但是工程试验的时间较短，土质条件有限，其适用性、可靠性尚待扩大应用的工程实践进一步验证和完善。

河南省将新建扩建城镇污水处理厂60座

今年河南省将加快城镇污水处理设施建设，新建、扩建城镇污水处理厂60座，年底前全省现有污水处理厂将升级改造达到一级A排放标准或流域标准。

多年来，城镇污水处理和垃圾处理两大工程一直是全省各地实施的民心工程。为加强城镇污水处理厂污泥处理处置，取缔非法污泥堆放点，今年河南省决定采取有效措施，鼓励省辖市、县（市）共建共享污泥处置设施，将新增污泥处理规模500 t/d以上。同时加快公厕建设和旱厕改造，全省县（市）将完成旱厕改造415座，新建公厕890座。

今年河南省还将进一步加大城市道路扬尘治理力度，配足配齐道路机械清扫设备。6月底前，省辖市、省直管县（市）高架路、主干路全部实现机械洒水、清扫作业，年底前所有县（市）城市道路机扫率达到100%。

此外，河南省还将在郑州等省辖市启动城市生活垃圾分类试点，加快形成垃圾分类制度，统筹规划建设生活垃圾焚烧处理设施。

U455.43

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1009-7716（2017）04-0222-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.066

2017-02-20

夏俭（1983-），男，上海人，工程师，从事电气设计工作。