盾构施工地层损失关键因素监测系统设计

周奇才，王 凯，熊肖磊，徐小芳，何自强

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804;2.上海地铁盾构设备工程有限公司，上海 200031)

随着我国城市化进程不断加快，交通问题已经成为制约经济社会发展的主要瓶颈.发展城市轨道交通作为解决交通问题的良策摆上了许多城市的建设日程，因此加大对盾构施工技术的研究有巨大的技术效益、社会效益.

地层损失是检验施工质量的重要指标之一，是指盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差［1］.盾构施工中，地层损失必须控制在一定的范围内，过大的损失或负损失会造成地层的下陷或者隆起，对埋藏在土里的各类管线、地面上道路以及周围建筑产生严重的影响［2］.同时，地层损失也直接关系到后期使用中地铁隧道的维护和安全运营.

1 地层损失与土体损失

针对地层损失，国内外提出过许多理论和经验公式，Peck公式［3］是工程界应用最为广泛的模型.它认为在不排水的情况下发生的地面沉降体积应该等于地层损失的体积，地面沉降的横向分布与正态曲线相似.这种思想可通过公式表达如下:

式中:S(x)为沉降量;Smax为最大沉降量，发生在隧道中心线上;x为距离隧道中心线的距离;Vl为单位长度的地层损失;i为沉降槽宽度系数.

式中:Z为隧道埋深;φ为土的内摩擦角.

相应地计算单位长度的算地层损失数值为

工程实际中常用地层损失率来量化地层损失的情况，是指单位距离内沉降槽体积占隧道开挖体积的百分比［4］:

式中:V为地层损失率;D为隧道的等效半径.

如何在施工前有效地预测将要发生的地层损失，是提高施工质量需要突出解决的问题.有学者进行过大量研究，认为土体损失是引起土体移动的主要原因［5］.土体损失是指实际开挖土体多于设计开挖土体的数量［6］.土体损失预测有如下方法:

式中:Vs为土体损失量;R为隧道外半径;η为土体损失率，一般黏土常取0.5% ～2.5%［7］.LEE K M等提出等效土体损失参数g来计算土体损失［8］:

式中:g为等效土体损失参数.g与η间存在如下关系:

从上述计算不难看出，这些预测方法是建立在对以往工程实例进行统计、总结的基础上的.工程中实际出现的土体损失与穿越的土层类型、施工单位的设备、管理水平等诸多因素有关.因此，这些预测方法具有其局限性和不准确性.本监测系统是建立在土体损失定义的基础上的，从具体工程的实测数值出发，能准确计算土体损失.根据土体损失的定义有下述计算公式:

式中:V1为衬砌外壁包裹的体积;V2为实际排土量;V3为实际注浆量.

本监测系统的设计、试制在国内尚属首次，以排土体积、质量、注浆量这些地层损失关键因素为测量对象实现精确测量，为土体损失、地层损失研究和指导盾构施工提供可靠的数据依据.

2 测量现状

排土量体积测量目前依靠的是后方测量.将皮带输送机运送出来的渣土承装在电瓶车上运到井口，再经人工数出电瓶车的节数来计算总的排土体积.电瓶车各节承装的渣土量难以做到完全统一，使测量具有不精确性以及滞后性.排土质量测量通过估测的体积值除以密度得到.体积值测量的不精确性使得质量测量也不准确.注浆量测量采用注浆泵计次的方法，通过记录注浆泵冲程次数，再乘以注浆泵排量获得注浆量.工作时注浆泵存在严重的泄漏，实际注浆值往往与测量值存在非常大的偏差.

目前盾构施工中排土量、注浆量测量的手段相对落后，使得测量精度低、自动化水平低、实时性差.为提高盾构施工的质量，需要对原有测量方法和测量设备进行改进.

3 监测系统方案设计

为实现地层损失关键影响因素的在线监测，利用3个测量模块有针对地实现排土体积、质量、注浆量的准确测量.

3.1 排土量体积监测设计

排土体积测量模块的原理是将渣土截面积乘以渣土瞬时速度得到单位时间内的排土体积;将排土的体积速度对时间积分得到任意一段时间内排土体积的总量，其计算方法为

式中:q为单位时间内的排土体积;A为渣土的截面积;v为瞬时速度;Q为一段时间的排土量.

图1为对盾构皮带输送机原有结构进行改造和新增测量模块后的结构图.排土体积测量由激光二维扫描传感器阵列5和摩擦轮测速装置3两部分构成，测速装置由摩擦轮与旋转编码器组成.盾构施工中，渣土经螺旋输送机从土仓中挤压出来，在出土口1处掉落在螺旋输送机9上被运送到运输渣土的电瓶车中.二维激光扫描传感器安装在皮带输送机架上，用来采集渣土的截面形状.摩擦轮与输送机的皮带相接触，经联轴器将转动状态传递给旋转编码器，摩擦轮测速装置用来测量渣土的运动速度.

二维激光扫描传感器是一种可测量物体轮廓线的传感器.工作时发射一个平面光幕，光幕照射在被测物体表面形成反射，反射的光线被二维CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)阵列存储，经过分析得到被测物体廓线的准确形状和尺寸.

本监测系统改造的盾构机所采用的皮带输送机带宽为600mm，所选二维激光扫描传感器在宽度方向上的最大量程为220mm.为解决量程不足的问题，本系统在实际中使用了传感器阵列技术，在宽度方向上并排使用3个传感器.图2是激光扫描传感器阵列的原理图，二维激光扫描传感器1照射在被测渣土2上，渣土盛放于输送机皮带3上.安装时要求这些传感器位于垂直速度方向的同一平面内，以确保传感器准确获得渣土的截面形状;为保证二维激光扫描传感器彼此的测量范围有一定的交集，避免测量间断的情况出现，要求传感器连在一起可以覆盖整个传送带，没有测量的盲区.

图1 皮带机上各测量模块位置示意图Fig.1 Locations of measurement modules on belt conveyer

图2 二维激光扫描传感器阵列原理图Fig.2 Principle of two-dimensional laser scanning sensor array

为防止货物滑出皮带，皮带输送机大多采用V型托辊或者偏移型托辊.运输时，渣土集中在皮带中间的凹槽中，下表面形成不规则的曲线.二维激光扫描传感器只能获得渣土上表面的轮廓，对于被渣土挡住的下表面轮廓无法测量，带入计算将带来非常大的原理误差.在实际使用中需要在测量段皮带的下表面安装托平装置，使测量段渣土获得一个平直的、高度位置已知的下表面.托平装置可选用具有减磨作用的尼龙托板，托板的安装位置可参见图1，此装置轻巧耐用、结构简单.

渣土的测速由测速模块实现，该测速模块由摩擦轮、联轴器、旋转编码器组成.摩擦轮与运送渣土的输送机皮带下表面相接触，通过联轴器将摩擦轮的转动传递给旋转编码器，从而获得渣土的瞬时速度.摩擦轮结构简单可靠，适用于盾构施工的工作环境.

3.2 排土质量监测设计

为实现对排土质量进行实时测量，需要使用动态的称重设备，这里选用电子皮带秤作为测量仪器.结合盾构机所用皮带输送机的结构特点，本系统选用的两托辊高精度电子皮带秤，适合用在输送机水平段较短的场合.其测量精度可达0.5%，IP67的防护等级能满足地铁盾构的施工环境.

按图1对皮带输送机进行一系列改造，用电子皮带秤的托辊替换原有皮带输送机的托辊.电子皮带秤的称重传感器用来承受渣土质量，速度传感器用来测量带速.称重仪表对电子皮带秤传感器数据进行计算和显示.

由于是动态称量以及皮带机本身的结构特点，为保证良好的测量精度，对皮带机提出了较高的安装使用要求.盾构机中使用的皮带机长度较大，应加装张紧装置，可选用重力尾部张紧或者重力型张紧装置.为使皮带上张力变化尽可能小，皮带秤的安装位置选择在皮带输送机凸形和凹形段之前远离装料点的位置.由于输送机原有的托辊结构为V型，不能满足皮带秤的安装要求，需要对测量区域以及该区域前后的4个托辊进行改造，改造成符合要求的偏移型托辊.在皮带秤安装中，需要保证空载时皮带和称重托辊有良好的贴合.

3.3 注浆量监测设计

目前地铁盾构施工中越来越多地采用了新型单液浆，此种浆液具有大密度、低稠度、高抗剪的特点［9］.虽然在泵送条件理想的情况下具有良好的泵送性能，但是由于工作时具有压力高、密度高、黏度大、磨粒多、导电率低、流动性差的特点，致使使用常见的流量计依然难以测量.

在前期研究中广泛对比了包括超声波流量计和电磁流量计在内的多种流体测量传感器.超声波流量计广泛应用于液体测量中.单液浆黏稠的特点使浆液的流速沿管道半径方向按某一个特定的规律变化，流速在轴线处达到最大，在管壁处降为零.使用超声波流量计会造成测量不准确，在施工现场实地实验的效果并不理想.电磁流量计是利用电磁感应定律设计的，测量精度可达0.5%.但由于单液浆的导电性能差，电磁流量计的实测效果也不理想.

通过广泛对比，最终选择科氏质量流量计作为浆液流量的测量设备.测量装置的原理图如图3所示.浆桶1用来盛放待注浆液，在科氏质量流量计4前后各有一个截止阀2，5是盾构机同步注浆的注浆口，6是盾构机原有的一段注浆软管，整套系统安装在盾构机车架底部7上，固定支架8实现对质量流量计和截止阀等的可靠固定，在9处采用了软管连接硬管3的结构.

科氏质量流量计是一种利用科氏力效应的新型流量计，可用来测量各种非牛顿液体、黏稠液体.科氏质量流量计能同时测量介质的流量、密度、温度.其中流量参数是对本监测系统最为重要的数据，密度参数可用来控制浆液质量，温度参数可为后续与注浆温度相关的研究和施工控制提供数据支持.

测量对象为单液浆，在正常工作压力为6 MPa、最大注浆量为2×6 m3、浆液密度≥1.8 g·cm－3的情况下，最大流量为

为保证安全并计算方便，可将最大流量30 t·h－1，黏度0.5 Pa·s(500 cp)带入图4查询，产生的压力损失为0.09 MPa/2=0.045 MPa.图4中，ν为运动黏度。相比6 MPa的注浆压力，此流量计的压损对注浆系统的整体正常工作影响不大.

图3 注浆量测量模块原理图Fig.3 Principle of measurement module of grout

图4 质量流量计粘度-流量-压损曲线Fig.4 Viscosity and flow rate versus pressure loss curve of Coriolis meter

在理想条件下，流量计的测量精度可以达到0.2%，甚至更高.在低流速下，零点漂移是影响测量精度的主要因素，所选用的质量流量计零点漂移值可参见表1.根据计算，科式质量流量计在不同流速下可达到的精度可见表2.即便在1 t·h－1的低流速下，精度依然可达1.2%，远高于现有的测量水平.

由于本监测系统选用了如上的测量方案，监测系统具有下述特点:①自动化程度高，能够在线地测量;②测量数据准确，能满足地铁盾构施工的精度要求;③可靠性高，能在地铁盾构施工的工况下长期、稳定工作;④可实现上层发布功能，便于远程监控以及数据存储;⑤开放的系统结构，便于日后添加新的功能模块.

表1 科氏质量流量计零点漂移量Tab.1 Zero offset of Coriolis meter

表2 DN80型不同流速下的测量精度Tab.2 Accuracy of measurement in different flow

4 数据处理

在渣土截面扫描中，由于使用传感器阵列来弥补量程不足的问题，为了得到完整、准确的渣土轮廓形状，需要在软件积算时对多个激光二维扫描传感器进行数据融合处理.

剔除激光扫描传感器测量重合的区域，对传感器间不重合的区域进行准确拼接，可以在传感器安装时准确测量其相对位置和测量重合区域的位置，丢弃测量重合部分的某个传感器数据，对不重合区域的数据进行叠加.对渣土下表面已知基准线和渣土廓线所围成的闭合区域进行积分运算，得到任意时刻渣土截面形状和截面积.

图1显示了皮带输送机上安装的各测量模块的位置关系.由于测量模块在位置上有先后顺序，所以不能把某时刻排土量体积和质量数据简单对应，需要先将体积测量和质量测量的数据统一在同一时间或位置坐标下.

在对测量数据进行处理时，可将2个测量模块相对螺旋输送机口的精确距离测量出来，除以皮带输送机的转速，计算出各模块相对于出土口的时间延迟.皮带输送机瞬时速度可从摩擦轮、旋转编码器装置获取.

盾构施工时，掌子面附近的土体在扰动前后结构和体积会有很大改变，因此，要准确计算土体损失的话，就必须建立扰动前后土体体积的对应关系，反算出真实状态下土的体积.

需要对不同种类土体受扰动前后的体积变化进行实验.由于扰动前后土体的质量不变，可取相同质量的扰动前后的土体，对应地测量其体积值，从而获得体积对应关系.

5 结语

本监测系统可以极大提升盾构机中某些参数的测量水平.排土量体积、质量的准确测量对土体损失、地层损失研究有重要意义，对盾构施工质量控制提供有力的支持.

今后还需要针对扰动前后土体体积的变化规律展开研究，将本测量系统应用于工程实际，深入发掘排土体积、质量、注浆量对地层损失的影响关系.

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