一种盾构掘进出土量自动控制系统技术领域
本发明属于盾构施工技术领域，特别是涉及一种盾构掘进出土量自动控制系统。
背景技术
土压平衡式盾构掘进机主要由盾体、刀盘、螺旋输送机、推进装置等构成。盾构掘
进机前部的密封挡板与刀盘、切口环以及螺旋输送机形成密封舱。在工作过程中，推进
液压缸驱动盾构掘进机向前推进，刀盘切削下的渣土填充密封舱和螺旋输送机壳体内的
空间，形成的土压来平衡开挖面土层的水土压力，以保持开挖面土层的稳定、防止地表
变形，渣土通过螺旋输送机排出盾体。在施工掘进过程中，需要使密封舱内的土压和开
挖面的水土压力保持动态平衡，如果密封舱内的土压大于开挖面的水土压力，地表将发
生隆起，反之，如果密封舱内的土压小于开挖面的水土压力，地表将发生沉陷。为实现
土压平衡，可通过实时调节螺旋输送机的转速或调节液压缸的推力，使盾构排土量和开
挖量保持或接近平衡。
但由于螺旋输送机不一定时刻处于“满载”状态，只通过其转速不能精确得到渣土的
输出流量，这对密封舱压力的精确控制产生一定影响。
发明内容
本发明目的在于克服螺旋输送机理论计算渣土流量与实际输出流量存在的偏差对密
封舱压力精确控制产生的影响，提供一种精确控制密封舱压力的盾构掘进出土量自动控
制系统。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种盾构掘进出土量自动控制系统，包括控制器、推进液压缸位移传感器、密封舱
压力传感器、螺旋输送机速度传感器，其特征在于：其还包括渣土流量检测装置；
所述推进液压缸位移传感器用于检测推进液压缸推进速度信号，并把信号传输给控
制器；
所述密封舱压力传感器用于检测密封舱内的渣土压力信号，并把信号传输给控制器；
所述螺旋输送机速度传感器用于检测螺旋输送机转速信号，并把信号传输给控制器；
所述渣土流量检测装置用于实时检测渣土输出流量信号，并把信号传输给控制器；
所述控制器根据接收到的推进液压缸推进速度信号、密封舱内的渣土压力信号、螺
旋输送机转速信号和渣土输出流量信号，输出推进液压缸推进速度控制信号控制推进液
压缸推进，输出螺旋输送机速度控制信号控制螺旋输送机转速，实现进入密封舱的渣土
流量和通过螺旋输送机输送出的渣土流量相平衡。
其进一步特征在于：所述渣土流量检测装置设置在位于螺旋输送机后部用于输送渣
土的皮带机上。
进一步的：所述渣土流量检测装置包括重量传感器和速度传感器；所述重量传感器
用于测量皮带机固定承载面上的渣土重量，所述速度传感器用于测量皮带机的实时速度。
所述重量传感器为杠杆式皮带秤。
本发明通过对现有盾构土压平衡控制系统进行了改进，为克服螺旋输送机理论计算
渣土流量与实际输出流量存在的偏差对密封舱压力精确控制产生的影响，在输送渣土的
皮带机上安装皮带秤，得以准确实时测得螺旋输送机的瞬时渣土输出量。从而实现基于
渣土实测输出流量反馈的双闭环盾构掘进出土量自动精确控制。
附图说明
图1为本发明控制原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，土压平衡式盾构掘进机主要由盾体、刀盘1、螺旋输送机2、推进装置
(推进液压缸3)等构成。盾构掘进机前部的密封挡板7与刀盘1、切口环以及螺旋输送
机2形成密封舱4。在工作过程中，推进液压缸3驱动盾构掘进机向前推进，刀盘1切削
下的渣土填充密封舱4和螺旋输送机2壳体内的空间，形成的土压来平衡开挖面土层的
水土压力，以保持开挖面土层的稳定、防止地表变形，渣土通过螺旋输送机2排出盾体。
在施工掘进过程中，需要使密封舱4内的土压和开挖面的水土压力保持动态平衡，如果
密封舱4内的土压大于开挖面的水土压力，地表将发生隆起，反之，如果密封舱4内的
土压小于开挖面的水土压力，地表将发生沉陷。为实现土压平衡，可通过实时调节螺旋
输送机2的转速或调节液压缸3的推力，使盾构排土量和开挖量保持或接近平衡。
将密封舱4看作一个封闭容器，进入该容器的渣土流量取决于盾构的推进速度，而
排出容器的渣土流量取决于螺旋输送机2的结构参数和转速，密封舱4的渣土流量连续
性方程为：
q
i
=
q
o
+
C
e
p
m
(
p
e
-
p
o
)
+
V
e
β
e
dp
e
d
t
q
i
=
πD
2
4
v
q
o
=
πη
s
4
(
d
1
2
-
d
2
2
)
T
s
n
m
i
g
-
-
-
(
1
)
]]>
式中，qi为密封舱渣土的输入流量，qo为密封舱渣土的输出流量，Cepm为密封舱的
泄漏系数，pe为密封舱土压力，po为外界压力(包括盾体前方的土压力和水压力)，Ve为
密封舱容积，βe为渣土的体积弹性模量，D为盾构外径，v为盾构推进速度，ηs为螺旋
输送机排土效率，d1为螺旋输送机叶片直径，d2为螺旋轴半径，Ts为螺旋输送机叶片螺
距，nm为螺旋输送机驱动液压马达转速，ig为螺旋输送机减速机减速比。
忽略密封舱泄漏渣土的体积，可得到盾构密封舱土压力变化差值为：
Δp
e
=
β
e
V
e
∫
0
t
(
πD
2
4
v
-
q
o
)
d
t
-
-
-
(
2
)
]]>
在盾构掘进过程中，密封舱压力传感器41实时测量密封舱4内的土压，并与给定的
土压值进行比较，以调整盾构的推力或螺旋输送机2的转速，完成密封舱4压力的闭环
控制，实现土压平衡。盾构的推进液压缸3上装有位移传感器31，对所测得位移信号进
行差分后反馈到控制器5，实现对盾构推进速度的闭环控制。螺旋输送机2上装有转速传
感器21，可实时测得螺旋输送机的转速。
由于螺旋输送机2不一定时刻处于“满载”状态，只通过其转速不能精确得到渣土的
输出流量，为了实时测量螺旋输送机2输出渣土的流量，如图1所示，在输送渣土的皮
带机6上安装了皮带秤61。皮带秤61是采用杠杆原理设计的，在皮带机的皮带下面安装
杠杆装置，皮带上面的渣土物料通过杠杆装置的承载面时，会对承载面产生一定的压力，
通过杠杆装置将该压力传送到重量传感器，并结合皮带机6上的速度传感器62测量的实
时速度即可得到皮带机6上渣土的瞬时流量，从而得到螺旋输送机2输出渣土的瞬时流
量。通过对螺旋输送机2输出渣土流量的实时测量，完成对螺旋输送机2转速的闭环控
制。