1 背景
随着城市轨道交通建设的加速推进，盾构机以其掘进开挖施工过程对周边环境影响小、施工风险低、劳动强度低、效率高等优势，己成为隧道工程建设的主要暗挖工艺设备。但是在复杂地层如卵石层、砂层和黏土并存的土层条件中，尤其在卵石、圆砾地层，盾构机施工面临渣土流塑性差，土仓内正面土压传感器不能准确地检测掌子面工作压力，难以实现开挖面土压力的动态平衡；刀盘及螺旋输送机扭矩过大、刀盘“结泥饼”现象；刀具的异常磨损及磨损过快；在砂砾层等强透水层施工时，开挖面过高的水压力会导致盾构机螺旋机出口水土流失，严重时发生喷涌等问题。
20世纪80年代初，国外已率先开发应用盾构机上的泡沫改良技术，在过去的40多年里，泡沫添加剂对土体改良的研究一直在持续进行，从相关研究和工程实践中已经证实，泡沫添加剂在改良渣土性质，稳定开挖面，改善土仓内土体流塑性，降低刀盘、螺旋机扭矩等方面有明显效果，而对于泡沫添加剂的研究主要集中在泡沫剂材料的开发和特性的研究、泡沫添加剂对于施工土层的改良和施工参数影响。目前，凭借操作员施工经验为主的泡沫加注控制以及人为检修排故缺乏对加注过程的精准化监测、故障诊断以及自适应调节，盲目性高、智能化程度低。因此，伴随着盾构机智能化、自动化的发展趋势，泡沫添加剂自动化加注控制的开发俞益迫切。
2 试验研究
2.1 试验方法和流程
本试验基于土压平衡盾构添加剂系统功能控制的基础上，结合长期隧道施工应用过程中泡沫加注系统出现的常见问题和意见，进行智能化、自动化、人性化操作逻辑的设计，通过搭建试验平台，模拟设置盾构机实际施工参数，导入系统功能控制逻辑程序，进行系统拟定功能的试验测试，同时验证智能化监测、自动化联锁控制及在自动模式下，反馈调节量化指标是否符合理论计算值偏差范围。在测试（数据收集、功能控制、响应精度等）分析的基础上，优化原理和控制逻辑，达到预期设计要求，主要围绕设计（试验系统原理、控制程序开发、试验技术方案等）、试验平台搭建、自动化加注控制测试、方案及程序优化、验收汇报流程执行，试验流程如图1所示。
图1 盾构机泡沫添加剂加注试验流程图
2.2 试验平台及系统组成
试验平台（图2）主要围绕盾构机泡沫添加剂加注控制系统而设计，由模拟刀盘、添加剂箱体、搅拌机、加注泵、控制室（电气控制系统）和管路元器件等组成。此试验平台可通过人机操作界面模拟设置盾构机施工工况下泡沫加注系统的各个功能控制，包含泡沫溶液配比供给、溶液混合搅拌、流量调节、空气混合及流量调节、泡沫手动加注、半自动加注、自动加注、加注压力流量数据监测及故障报警等。
图2 泡沫添加剂试验平台模型及搭建实物图
泡沫加注试验系统主要由泡沫溶液混合配比和搅拌、泡沫溶液加注回路和空气发泡回路组成，如图3所示。
1）泡沫溶液配比由位于泡沫原液箱（件31）中的水泵（件9）通过气动球阀（件13）转移到泡沫溶液箱（件32），与通过气动球阀（件14）转移到溶液箱的工业水搅拌混合形成泡沫混合溶液，泡沫溶液的配比浓度通过调整水和泡沫原液的转移量进行调整，原液和水的转移量分别通过流量计（件26和件27）进行换算累计。
2）在溶液箱和原液箱中均设置液位计（件30）以监测箱体内流体介质的液位并参与液位报警和连锁控制；
3）泡沫混合溶液通过溶液泵（件10）进行泵送，在泵出口位置设置压力传感器（件29）和流量计（件28）以监测泡沫溶液回路压力和流量，当出现压力过高或流量过低等异常情况时，联锁控制停止回路的运行状态；
4）空气发泡回路在泡沫发生器（件25）中将泡沫溶液中注入一定倍率的带压空气，与溶液混合生成更多的微小气泡泡沫达到发泡的效果，发泡液通过设置在模拟刀盘的喷嘴（件7）喷射加注到前方。进入到泡沫发生器的空气由空压机（件1）产生并通过精度较高的调节阀（件23）进行流量的调节，同时在空气回路中配置流量计（件21）、压力计（件22）对空气流量和压力进行监测，在自动模式下匹配加注的自动联锁控制。
图3 泡沫加注试验原理图
2.3 泡沫加注试验原理
泡沫加注系统自动化加注控制能自适应盾构机自动驾驶，在无人操作的模式下智能化监测和自动调节实现功能控制，主要包含有泡沫溶液的自动配比供给、加注量的自动调节加注。加注量的调节是根据盾构机开挖面积、掘进速度、泡沫混合液加注率计算出的掘进施工实际加注需求量，再根据发泡倍率计算出泡沫溶液泵以及供气所需流量，通过对实际加注回路数量的平均得到每一路使用中的溶液需要输出的流量，反馈给PLC，由PLC控制程序运行后调节实际加注中的溶液泵的变频器频率输出值（调整溶液泵转速从而调整溶液泵输出流量）以及供气调节阀开度，使溶液泵和供气输出流量和施工所需的加注量相互匹配，此阶段为动态匹配补偿过程，图4所示为泡沫自动加注控制机理图。
泡沫自动加注需求流量计算公式：
泡沫混合液加注需求流量Q混合液（L/min）=开挖面积（m2）×掘进速度（mm/min）×加注率（%）；
泡沫溶液需求流量Q溶液（L/min）= Q混合液（L/min）÷发泡倍率；
供气需求流量Q空气NL/min）= Q混合液L/min）× [P土压力(MPa)+0.1] ×（发泡倍率-1）÷发泡倍率÷0.1。
泡沫加注系统自动化加注控制系统采用先进的三菱R系列CPU，可同时执行多回路高级PID控制和高速顺序控制，通讯网络采用CC-LINK的通讯方式，CPU与Proface人机操作界面通过以太网连接。PLC可以采集电机的起停、阀门的开闭等数字量输入信号，以及泡沫压力、流量、液位的模拟量输入信号。；也可以输出阀门开关的数字量输出信号，以及变频器输出，调节阀开度输出的模拟量信号。只需要触摸屏操作界面上设定盾构机开挖面积、泡沫混合液加注率、推进速度的选定以及发泡倍率，即可对泡沫加注系统实现自适应加注，同时还能实时观察加注过程中液位、流量、压力等状态。泡沫自动加注操作界面如图5所示。
图5 泡沫自动加注操作界面示意图
2.4 泡沫自动化加注控制测试
本泡沫加注系统加注试验依托某项目盾构机施工参数为背景，设计输入条件包含表1的主要参数。
表1 新加坡CR120项目盾构机施工参数
泡沫加注系统自动加注试验记录的测试数据如表2所示。
表2 泡沫自动加注测试数据记录表
由表2中数据可知，在模拟设定盾构机不同的推进速度、加注率和发泡倍率参数下，泡沫加注系统自动模式下加注实际溶液和空气的输出量均在理论计算值偏差（±5%）范围内，符合设计及施工要求。
3 结语
通过搭建泡沫加注系统加注试验平台、匹配自动化加注控制逻辑、模拟设置盾构机施工参数，对泡沫加注系统自动化加注控制进行测试研究。通过试验表明：
1）泡沫加注系统自动模式下各功能控制正常、加注实际溶液和空气的输出量均在理论计算值偏差范围内。
2）开发的系统和程序集合数据监测感知、采集、纠偏、控制、故障报警于一体，能自适应盾构机推进过程而主动调节泡沫溶液和空气的输送参数，达到或接近泡沫添加剂理论需求量。
目前，本试验研究成果已成功应用于多个土压平衡盾构机的泡沫加注系统中（包括出口海外的盾构机），在智能化施工方面取得了良好的效果。本试验为盾构机泡沫加注系统的设计开发和智能化控制提供了技术支持，后续将在针对不同土层自动配比调节得到最佳的发泡液，与盾构机掘进参数自适应的加注控制系统等方面进行深入研究。
摘自《上海隧道》