地铁隧道施工诱发地表沉降原因及预防_张登飞

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变频调速在祖克 S222 型浆纱机传动系统中的应用
邯郸圣绵纺织有限公司 孟志军
浆纱工序是机织物生产过程中的关键工序，它通过上浆改善经纱 的可织造性能。浆纱速度一般在 50 米/分钟，而织布速度只有其速度的 2%左右，因此如果浆纱机频繁故障，会对织布车间的生产效率有决定 性影响，人们常说，“上浆上的好等于织布已大功告成了一大半”。对于 现代化高速织机来说，上浆质量的好坏对于能否发挥织机的效能更是 至关重要的。
图 2 隧道施工的扰动特点 图 3 隧道开挖引起的土体变形和应力变化 2.地铁施工诱发地表变形的影响因素 由于地铁隧道施工诱发的地表变形，其影响因素大致分为两类：一
是内在的因素，如土体自身特性、地下水及地层应力等地质因素的影 响；另一个是人为因素，即施工方法、支护措施、隧道形状及尺寸等施工 方面的影响。
(2)地下水的影响 地铁隧道一般处在地下水位以下，开挖排水后地下水不断渗出，使 地层持续失水，土层空隙及节理裂隙固结收缩，引起地表超前、超大范 围沉降，对隧道稳定构成直接的影响。 (3)地层应力释放的影响 由地层的收敛约束特性可知，随地层位移的增大，上覆地层施加到 隧道结构上的荷载将减小。最佳支护概念就是在允许地层产生稳定的 位移条件下，使支护结构所受的力最小。城市地铁隧道，尤其是浅埋暗 挖隧道，为保证地表的变形得到控制，原则上不允许地表出现超越规定 值的下沉而换取最佳支护，地层预加固、及时支护、封闭成环是超浅埋 暗挖隧道的关键。可见，控制地层应力释放度是解决下沉及波及范围 的关键。 2.2 人为因素 (1)隧道支护衬砌结构的影响 一般情况下，隧道开挖后若不支护，围岩在一定时间内能保持稳 定，即有一段所谓自稳时间。在自稳时间内，为减少围岩松动，应及时 修筑支护结构。在选择支护类型及刚度时，也应考虑到围岩情况，减少 扰动，能及时可靠的支护围岩。 (2)隧道相互作用的叠加影响 工程实践表明，已施加衬砌的隧道，当两隧道的中心线距>2.5D(D 为隧道宽度)时，两隧道之间的相互作用减弱，但若中心线距=2D 时，则 其相互作用明显。对未衬砌隧道，当两隧道中心线距为 5D 时，可不考 虑相互作用，但中心线距=3D 时，则必须考虑其相互作用影响。很明 显，若两平行隧道间距小，两隧道同时开挖对地层的扰动要大于单一隧 道的开挖，会造成地层的突然松弛，出现大而且持续不断的沉降。两隧 道的相互作用会使地表沉降有叠加效应。 (3)施工方法及施工进度的影响 对于浅埋暗挖法施工，围岩稳定性由于不同的开挖工法，所受影响 是不同的。国内外区间单线隧道暗挖施工多采用台阶法，但台阶法也 有多种形式，需根据不同的断面形式及地层条件谨慎选取。应用台阶 法的关键是要保证开挖工作面的稳定。软弱地层尤其是渗水较大的地 层，台阶长度不可过短。此外，尚需采取环形开挖留核心土，并施加辅 助工法等措施。一般而言，台阶长度愈长，工作面前方土体对工作面的 挤压流动会愈小，工作面愈稳定。 3.针对地表变形的预测及预防措施 根据上述诱发地表变形的地质与人为两种影响因素，施工中可采 取以下控制对策来有效预防及控制地表变形。 (1)改善土体特性 对隧道开挖周边土体进行局部加固处理,不但可促进隧道开挖后 自然拱的形成, 亦可改善土体的特性, 促使其往好的方面转化。常用的 施工措施有深层注浆、超前注浆。可以根据土体的性质压注纯水泥浆 或双液浆, 必要时也可以压注化学浆液, 还可以采取其它的改善特性的 措施。 (2)加强初期支护 初期支护施加后, 本身有一个徐变的过程。对超前支护, 一般采取 增大小导管直径、减小布置间距、扩大注浆范围和严格注浆等措施加 强。对钢格栅, 可适当缩小格栅间距, 在间距一定时, 宜增大主筋直径, 从而增大支护初期刚度,以控制沉降。 (3)根据地层条件选择施工方法 为有效控制地表沉降, 对台阶法应预留成型的核心土, 台阶长度应 根据地层条件确定。地层愈软, 台阶长度愈长, 但具体长度要根据现场 实际情况分析研究确定。为使开挖各分部及早闭合, 上台阶一般应增 设临时仰拱, 在特殊地段处上台阶拱脚处应架设钢支撑喷混凝土作为 托梁。实践表明, 采用该方法施工, 拱顶及地表下沉明显减缓。 (4)提高施工效率 提高施工效率, 可显著缩短各工序的施工时间, （下转第 370 页）
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地铁隧道施工诱发地表沉降原因及预防
中铁十三局集团公司第五工程有限公司 张登飞
［摘 要］本文首先总结了地铁施工引起的地表沉降力学机理，随后分析了地铁施工诱发地表变形的两类影响因素：地质因素和人为 因素，最后提出地表变形的相应预测及预防措施，可供同类施工工程参考。 ［关键词］地铁施工 地表沉降及变形 施工方法
祖克浆纱机是德国祖克·穆勒（SUCKER MüLLER）公司制造的，该 公司生产浆纱机已有一百多年历史，有数千台投入世界各地使用，我公 司 S222 型祖克浆纱机是上世纪八十年代引进，其设计和制造均较完 善，一直以来是我公司浆纱工序中的主力军。但由于使用时间超过 20 年，其中电控部分老化严重，故障频繁，严重影响了车间的生产，为此我 们下决心对其进行改造。
S222 型浆纱机的主传动采用一台 14.1KW 直流电动机和部分液压 传动，所以又称为“一单元”浆纱机。而调速系统的主要控制板是 stormag 公司生产的通用型支流调速装置，属于 CIS-BO 型号。其控制原理 的结构方块图如图 1 所示：
装在一只小盒子内，该装置可靠性较高，故障率低，因此，我们保留并利 用该装置与变频器接口，所以，我们将原调速器拆掉，在保持原外围控 制线路基本不变的情况下，装上了 TD3000 变频器，原直流电机装在车 头后面墙板内，拆下，将交流变频电机用一机架固定于墙板外（体积较 大、墙板内空间不够）。电机皮带轮与原传动轮在一条水平线上。考虑 到原系统对速度的精确度要求，交流变频器电机加装了编码器，也是速 度闭环控制，原理图如图 3 所示。
2.1 地质因素 (1)地层土体特性的影响 隧道力学理论认为，浅埋暗挖隧道上覆地层己无自承载能力，荷载 应全部由隧道结构来承担。但实践表明:不仅土层，即使是干砂,仍能形 成自然载拱。隧道开挖后上覆土层形成自然拱的最小土层厚度与土体
本身力学特性密切相关。隧道开挖后能否形成自然拱不仅对隧道支护 结构影响大,对地层和地表的变形沉降影响也很大。能形成自然拱的 对地表沉降量的影响就小一些,反之即大一些。同时,土体特性也会随 一些条件的改变而改变,特性改变之后对地表沉降量的影响也随之改 变。
图2
图3 由图 3 可知，我们采用了编码器进行速度反馈，用原来的 1R1 电位 器进行模拟量给定控制频率变化，用 1K20a 的触点来控制变频器的正 传和停止命令信号，安装完闭后，我们上电进行变频器参数设定与调试。 调试中，我们将变频器参数设定为闭环是量控制，频率设定为模拟 给定，初步将加减速时间设为 5 秒，由于我们将电机皮带轮直径加工为 与传动轮直径相同，故计算得出原车速与频率比值为 1：2，故将下限频率 设为 3Hz，上限频率设为 30Hz（根据射箭提出的要求，低速定为 5m/min， 高速定为 60m/min），开车试运转，基本能达到原状态，随后正式开车。 在试运行中，出现过几次减速过电压报警故障，我们又加装了制动 电阻，此故障消除，还发现模拟量对应频率斜率不合适，又对斜率进行 调整，至今此系统运行良好，达到了用户满意的目的。 由于目前国内还有许多此种机型的祖克浆纱机在运行，大部分都 存在同类调速系统故障现象，买备件价格昂贵（十七万元），国内科研单 位开发改造，报价在三十万元左右，而我们改造仅用材料费二万元左 右，成本相对大大降低，通过我们自主对祖克 S222 型浆纱机主传动调 速系统的改造，对今后其他设备中调速系统的变频应用，及同行业自行 改造工作都提供了宝贵的经验。
对于地铁施工中常见的浅埋隧道，由于隧道地层物质被挖出，地层 应力自洞室临空面向土层深处一定范围将发生调整，地层物质宏观表 现为移动与变形。其影响范围常波及至地表，形成施工沉降槽，可能造 成地面沉降和塌陷的严重影响，进而导致已有地下管道破坏、通行路面 破损以及地表建筑物的损坏。因此针对城市地铁隧道施工引起的地表 沉降问题，有必要仔细分析其诱发原因，并做出较为可靠的预防措施。
1.地铁施工引起的地表沉降力学机理 由地铁隧道施工引起的地表沉降在空间上具有三维性。地面沉降 量随隧道开挖过程中掌子面向前开挖的时空效应而变化，随隧道的推 进沿纵向而不断向前发展。隧道施工造成的地表沉降三维效果如图 1 所示。
图 1 隧道开挖及其沉降三维效果图 地铁隧道施工地表沉降及变形的发生主要是由于隧道施工引起的 地层损失和施工过程中隧道周围受扰动或者受剪切破坏的重塑土的再 固结所造成的，隧道周围土体在弥补地层损失中，发生地层移动，引起 地表沉降。土体受施工扰动的影响可以概括为两个方面，即应力状态 和应变状态。对应力状态的影响主要表现为孔隙水压力变化。 应变状态改变对土体性质影响是施工扰动的主要方面。隧道开挖 引起的地面沉降见图 2，隧道上方和两侧土体变形不同，隧道上方土体 (A 点)受压，可以视为剪切变形。而两侧土体(B 点)则受简单剪切变形， 各点土体应变量不同，相应其受扰动程度也不同。隧道正上方土体受 到扰动大，相应的应变也就大；相反，扰动程度小的土体应变就小。 隧道开挖后引起隧道周围一定范围内土体应力的变化，在应力调 整的过程中，引起隧道周围土体的变形，随着隧道开挖其影响逐渐扩 大，最终通过土体传递到地表。如图 3 所示，应力的传递是自上而下 的，由此造成开挖体周围及前方土体中的应力集中，当其超过土体强度 后即发生破坏，继而产生较大的变形。而土体的变形是自下而上的，由 隧道拱顶传递到地表，隧道开挖过程中，由于在隧道开挖完成之后，支 护结构形成强度之前的间隔时间段内，隧道处于一种临空状态，隧道周 围土体产生位移变形，进而传递到地表。在这个过程中还伴随有土体 失水固结和地层压密等。
图1 从图 1 中可以看出，此调速系统是一个双环调速系统，内环是电流 环，为了实现快速启动，同时也可限制最大启动电流。其外环是转速 环，构成了一个直流电动机带有直流测速反馈的闭环调速系统：能保证 电机转速的高准确度及较宽的调速范围。该系统采用大量的集成电 路、可控硅、晶体管等电子元件。元件型号较多，控制比较复杂，且属于 早期产品，元件不宜在国内寻到，而直流电动机是属于电枢调压调速， 虽然直流电动机有着许多优点，但是随着设备各方面的老障频繁，造成停台，影 响生产效率，同时，也造成调速控制器损坏次数增多及加速老化，虽然 对电机的换向器经过机械加工，但是状态愈来愈恶化，既增加了维护、 保养的工作量，增加了维修费用，又影响了效率。鉴于此，我们决定更 新或改造，经过调研论证，购买原厂调速控制器报价在人民币十六万 元，直流电机报价在一万元左右，而且不保证今后长期备件供应，因为 属于早期产品，而每次维修控制器及直流电机，国内公司报价都在五千 元左右至一万元，因此我们研究决定对此系统进行改造。 随着科技进步，时代发展，变频调速技术的推广普及，目前国内外 先进浆纱机的变频调速的采用，决定用变频调速系统来代替原系统。 根据直流电机与交流电机的区别和特点，以及设备对转距和速度 精确度的要求，我们选择用了一台 22KW 交流变频电机及一台 22KW 艾 默生公司生产的 TD3000 型式量控制型变频器，都是国内生产。TD3000 型变频器是一款高品质、多功能、低噪音的是量控制通用变频器，它通 过对电机磁通电流和转距电流的解耦控制。实现了转距的快速响应和 准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行，它还具有电机 参数自动调谐、零伺服控制速度控制和转距控制在线切换、速度跟踪、 内置 PID 控制器、编码器和给定及反馈信号断线检测切换，掉载保护、 股长信号追忆等特点，完全能满足浆纱机的要求。 于是，我们通过分析原设备的调速控制器、外围接口原理图（如下 图 2 所示），进行设计与 TD3000 变频器的接口电路。 由图 2 分析可知：原调速控制系统主要是利用 1R1 电位器调整来进 行对电枢电压调整而调速，外接测速发电机来进行速度反馈形成闭环 控制，而 X5、9、10 及 X1 的 12-16 都是故障保护来控制调速板电源供电 的（1K2 的线圈）其中 1R1 电位器的调整系统是有一只小型直流电机传 动齿轮减速机构来带动电位器旋转，对 1R1 精密电位器调整，这套系统