龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土計量的效用研究

曹彥華，宋子成，張衛亮，劉 超

（中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300）

在北京地鐵16 號線豐益橋南站至豐臺站區間的建設中，盾構工法被用于進行地鐵隧道的掘進。該區間起于豐益橋南站西側，止于豐臺站東端，區間右線長度約為1 630.194 m。施工過程中涉及盾構掘進渣土的計量問題。盾構掘進渣土的準確計量對保障施工進度和質量至關重要。然而，傳統的計量方法存在一些弊端，如計量不準確、易受人為干擾等。在這一背景下，本研究選擇了龍門吊稱重結構作為研究重點。龍門吊稱重結構具備高精度的稱重功能，通過對該結構在盾構掘進中的應用進行研究，旨在解決盾構掘進渣土計量的精確性和可靠性問題，推動工程施工的進一步發展。因此，通過對龍門吊稱重結構在盾構掘進渣土計量中的效用進行深入研究，旨在為實際施工提供可行的方法和改進方向，提高盾構掘進渣土計量的準確性和可操作性。

1 龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土精確計量的方法研究

盾構掘進渣土的計量可以提供準確的施工數據、保證質量控制，并為渣土處理和環境保護提供依據[1]。因此，研究如何實現對盾構掘進渣土的精確計量，對于推動盾構隧道施工的科學發展和可持續建設至關重要。

1.1 傳統盾構掘進渣土計量方法及弊端

在傳統的盾構掘進過程中，常用的計量方法包括人工測量、噸位計量和流量計量等。然而，這些傳統的計量方法存在一些弊端，限制了對盾構掘進渣土的精確計量。

首先，人工測量存在主觀性和難以準確測量的問題。人工記錄渣土的數量容易受到人為因素的干擾，如測量員的主觀影響、誤差積累等。同時，人工測量也需要大量人力投入，費時費力且效率低下。其次，噸位計量是一種通過重量來計量渣土的方法，但存在數據誤差較大和靈敏度低的問題。噸位計量受到盾構機自身的振動、擺動等因素的影響，容易導致計量結果不準確[2]。此外，噸位計量還要考慮盾構機和渣土車的載重能力，限制了計量范圍和計量精度。另外，流量計量是通過測量泥漿或水流量來計量渣土的方法。然而，由于渣土的成分和濃度不穩定，流量計量存在測量誤差大、難以準確測量的問題。同時，流量計量也受到管道堵塞、泥漿泵的損耗等因素的影響，使計量結果失真。

綜上所述，傳統的盾構掘進渣土計量方法存在主觀性、誤差較大和靈敏度低的問題，限制了對盾構掘進渣土的精確計量。針對這些弊端，需要研究和探索新的計量方法，以提高計量的準確性和可靠性。

1.2 新型龍門吊稱重結構實現渣土精確計量

為了解決傳統盾構掘進渣土計量方法存在的問題，本研究引入了一種新型的龍門吊稱重結構，以實現對盾構掘進渣土的精確計量。該結構采用先進的稱重技術和傳感器，能夠準確測量和記錄渣土的重量。

新型龍門吊稱重結構通過在龍門吊上安裝稱重傳感器和數據采集設備，并與吊臂和吊鉤連接，實現對渣土的稱重。在施工過程中，當吊臂抓取到渣土時，稱重傳感器會實時記錄渣土的重量，并將數據傳輸給數據采集設備進行處理和儲存。

通過該結構，不僅可以實現對渣土的精確計量，還可以監測吊臂的載荷情況，避免超載和安全隱患。同時，該結構還具備高度可調節性和穩定性，適用于不同盾構機型號和地質條件的工程項目。為驗證新型龍門吊稱重結構在盾構掘進渣土計量中的效果，在北京地鐵16 號線豐益橋南站至豐臺站區間的工程項目中進行了實地測試和應用。新型龍門吊稱重結構的裝置，如圖1 所示。

圖1 新型龍門吊稱重結構的裝置

同時，也記錄了施工過程中的一些照片，展示了新型龍門吊稱重結構在實際工程中的應用情況，如圖2 所示。通過實驗測試和實際應用，驗證了新型龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土的精確計量能力，并證明其在工程施工中的可行性和有效性。該結構可以為盾構隧道工程提供準確的數據支持，促進施工的科學管理和優化控制。

圖2 龍門吊稱重系統顯示照片

2 盾構掘進渣土的計量分析

2.1 盾構掘進渣土的計量計算方法

盾構掘進渣土的計量計算方法包括以下步驟：①對所有電瓶車土斗進行清理，并給每輛電瓶車及土斗進行編號。對每一輛電瓶車清干凈的土斗進行稱重標識。②制作每輛電瓶車的稱重記錄表，清楚記錄后續掘進每次龍門吊倒渣后土斗的重量和清理干凈的渣斗重。通過后續使用的渣斗重量減去干凈的渣斗重量，得到土斗殘留渣土重量[3]。③計算土斗殘渣量（方），將殘渣重量除以每方渣重量。根據掘進地面監測結果，統計正常環掘進一環的土斗總方量。然后通過門吊稱重得出1 環的總噸數，再用門吊稱重環總噸數除以人工量測計算的環總方量，得到每方渣土的重量。④嚴格控制盾構油缸的行程，控制在1.2 m 范圍內。如果行程不足或超出，按比例換算到1.2 m 進行計算。⑤利用龍門吊稱取空倉重量和滿倉重量，計算出本環出土量總重量G，并做好記錄。實時提供給監控室值班人員進行計算記錄。⑥將計算出的土斗殘渣量與常規計量方法得到的出土量體積進行對比。

綜上所述，通過以上計量計算方法，可以對盾構掘進渣土進行準確計量和控制。

2.2 計量結果

根據計量結果，以下是具體的計量數據和說明：①在掘進前，對所有電瓶車土斗進行清理，并對每輛電瓶車及土斗進行編號。對干凈的土斗進行稱重標識。②制作每輛電瓶車的稱重記錄表，清楚記錄后續掘進每次龍門吊倒渣后土斗的重量和清理干凈的渣斗重量。通過后續使用的渣斗重量減去干凈的渣斗重量，得到土斗殘留渣土重量。③計算土斗殘渣量（方），將殘渣重量除以每方渣重量。通過掘進地面監測結果，統計正常環掘進一環的土斗總方量。通過門吊稱重得出一環的總噸數，再用門吊稱重的環總噸數除以人工量測計算的環總方量，得到每方渣土的重量。

根據實際出土量計算方法，每環按標準1.2 m 的出土量計算方式：隧道內人工量測計算出的方量除以掘進一環的實際行程乘以1 200 mm，再減去門吊稱重的殘渣方量。

在實際施工過程中，要根據掘進后地面監測數據，取基本無沉降時的出渣總重量為標準重量。根據后期掘進的地面監測數據，進行對出渣總重量的校準。

正常情況下，1.2 m 掘進的左線出土量應在47.8 m3以內（右線47.62 m3以內）為合理范圍。如果超出該范圍，則需要綜合分析土壓、掘進速度、膨潤土添加量、排渣情況、渣斗內殘渣量和渣土量測等因素進行確定。

2.3 結論與討論

根據計量分析結果，可以得出以下結論和討論：①出土量的精確控制對于沉降控制至關重要。在掘進過程中，每掘進400mm 復核一次出土量，推進油缸每1200mm的行程控制不能超過1 m3。如果出土量超過1 m3，應立即分析原因，并確保盾構機出土量的精確控制。盾構復推后，計劃采用常規計量和稱重方式雙重控制模式進行管理。②常規出土量計量控制方法是根據盾構機的直徑、管片寬度和松散系數計算理論出土量。通過計算和調整，可以得到每環的理論出土量。其中，左線和右線的理論出土量分別為47.91 m3和47.623 m3。根據地面沉降監測結果，可以進一步調整松散系數，以得到準確的出土量。③盾構掘進渣土的計量計算方法包括對電瓶車土斗的清理和稱重，計算土斗殘留渣土量，嚴格控制盾構油缸的行程，利用龍門吊的稱重數據計算出土量的總重量。這些計量數據可以與常規計量方法得到的出土量體積進行對比，確保準確計量控制。④在實際施工過程中，根據地面監測數據對出土總重量進行校準，以基本無沉降時的出渣總重量為標準。同時，需要綜合分析土壓、掘進速度、膨潤土添加量、排渣情況和渣斗內殘渣量等因素，優化出土量的控制和選擇。

綜上所述，通過精確的計量分析和控制方法，可以對盾構掘進渣土的出土量進行準確計量和控制，進而實現對沉降的控制。這有助于確保工程質量和安全，并有效地推進盾構隧道的施工進程。

3 盾構掘進渣土的計量試驗

3.1 試驗儀器

為了進行盾構掘進渣土的計量試驗，需要使用以下儀器和設備：①電子天平，電子天平是用來準確測量渣土的重量的關鍵儀器，其可以提供高精度的重量測量結果，通常以克（g）為單位。在試驗中，渣土樣品將被放置在電子天平上進行稱重。②龍門吊，龍門吊是用來倒渣和稱重的重要設備，其具有強大的起重能力和穩定的操作平臺，在倒渣過程中起到支持和平衡的作用。通過使用龍門吊，可以將渣土從盾構機的渣斗中倒入稱重設備中，并獲取渣土的總重量。③盾構機，盾構機是進行實際的盾構掘進作業的主要設備，其由掘進頭、推進裝置和渣土處理系統等組成。在試驗中，盾構機用來模擬實際的掘進工作，將渣土從地下開挖并倒入渣斗中。

以上3 種儀器和設備的配合使用，可以完成盾構掘進渣土的計量試驗。電子天平用于準確測量渣土的重量，龍門吊用于倒渣和稱重，而盾構機則扮演掘進的角色。這些儀器和設備的準確性和穩定性對于計量試驗的可靠性至關重要。

3.2 試驗步驟

下面是盾構掘進渣土的計量試驗的詳細步驟：①準備工作，確保所有試驗儀器和設備都處于良好狀態，并經過校準。確保電子天平的精度和準確性；清理并編號所有電瓶車土斗，并進行稱重標識，以便后續計量。根據盾構機的參數（直徑、管片寬度等），計算出每方渣土的理論重量。②控制盾構油缸行程，在實際掘進過程中，嚴格控制盾構油缸的行程，使其在規定的1.2 m 范圍內。超出或不足的行程需要按比例換算到1.2 m 進行計算和記錄。③掘進和倒渣，使用盾構機進行正常的掘進作業，按照設計要求進行推進。當渣斗滿載時，使用龍門吊將渣土倒入稱重設備中。記錄每次倒渣后的渣斗重量，并記錄清理干凈的渣斗重量。通過兩者之差計算出土斗殘留渣土的重量。④稱重和計量，使用龍門吊進行稱重，記錄每環的總重量G，在試驗過程中持續監測和記錄數據。利用實際掘進環的行程數據和龍門吊稱重得到的殘渣方量，計算每方渣土的重量。⑤對比計量結果，將實際上的總重量G 與常規計量方法得到的出土量體積進行對比和校準，以檢查計量結果的準確性和一致性。檢查渣土的計量控制，評估計量方法的可行性，并確保計量結果可靠、準確。

以上步驟將確保對盾構掘進渣土的計量試驗進行準確控制和評估。重要的是在試驗過程中嚴格遵循操作規程，記錄數據以供后續分析和參考，確保試驗結果的可靠性和精確性。

3.3 盾構掘進渣土的計量試驗

在盾構掘進渣土的計量試驗中，根據盾構下穿16號線區間試驗段的技術參數進行了嚴格的操作和控制。試驗段長度為50 m，推力范圍為1 500~1 800 t，刀盤轉速為1.0~1.3 r/min，扭矩為4 500~5 500 kN·m，推進速度為20~45 mm/min，上土壓力為1.1~1.5 Bar，同步注漿量為6.0~7.5 m3∶4.0~9.0 m3，出土量為46~47.5 m3。

在試驗過程中，嚴格執行操作規程和安全規范，并確保儀器和設備的準確性經過校準和檢查。通過記錄并分析試驗數據，可以計算出每方渣土的重量，并與常規計量方法得到的出土量體積進行對比和校驗。這樣的對比能夠驗證計量方法的準確性和一致性，從而為工程質量和施工進度的管理提供可靠依據。

準確計量渣土的重量在盾構隧道的建設中起到關鍵作用，其有助于確保工程的安全性，并能為施工進程提供有效的控制和管理。通過進行計量實驗并驗證計量方法的可行性和準確性，可以為盾構掘進渣土的計量提供可靠的數據依據，從而保證工程質量并提高施工效率。試驗過程中，執行操作規程和安全規范，并確保儀器和設備的準確性通過校準和檢查。

4 龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土計量的影響

4.1 龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土參數確定

龍門吊的稱重結構對于盾構掘進渣土的計量具有重要影響。以下是幾個相關參數需要確定。

一是如何實現稱重。確定使用的稱重傳感器類型和精度，以及其與龍門吊的連接方式和位置。二是稱重數據采集。確定數據采集系統，包括傳感器信號的采集頻率、數據處理和記錄方式等。三是系統校準。確保龍門吊稱重系統的準確性和穩定性，進行合適的系統校準和校驗工作。四是示數誤差。確定龍門吊稱重系統的示數誤差范圍，以評估計量的可靠性和準確性。

4.2 龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土的施工效果評價

在實際的盾構掘進渣土施工中，龍門吊稱重結構對計量的影響需要進行評價和統計，以確保施工的準確性和效率。

①殘渣方量統計：通過記錄每次掘進后盾構機的總重量變化，統計和分析不同渣土環節的殘渣方量數據。②殘渣方量誤差評估：將通過龍門吊稱重系統得到的殘渣方量與其他獨立檢測方法（如常規計量、目視檢查）得到的方量進行對比和評估，檢查誤差范圍，并分析產生誤差的原因。③施工效率評價：通過記錄和統計每個工作環節的時間、盾構機推進速度等參數，評估龍門吊稱重結構對施工效率的影響。

4.3 建議及優化改進方向

基于以上評價結果，可以提出一些建議和優化改進方向。首先，設備維護與校準。確保龍門吊及其稱重結構的日常維護工作，并定期進行校準和檢修。這有助于保持其準確性和穩定性。其次，數據采集和處理。優化數據采集系統，提高數據的采集頻率和精度。同時，改進數據處理和記錄方式，確保數據的準確性和可追溯性。再次，系統改進。根據評價結果，分析龍門吊稱重系統的缺陷和不足之處，并對系統進行改進和優化，以提高計量的準確性和穩定性。最后，培訓與技能提升。提供員工培訓和技能提升機會，提高操作人員的技術水平和操作規范，以確保龍門吊稱重結構正確使用并發揮最佳效果。

通過以上建議和優化改進方向，可以進一步提高龍門吊稱重結構在盾構掘進渣土計量中的準確性和效率，并為工程質量管理提供更可靠的依據。

5 結論

在本研究中，對龍門吊稱重結構對盾構掘進渣土計量的效用進行了深入研究。通過分析傳統盾構掘進渣土計量的弊端，提出了采用新型龍門吊稱重結構實現渣土精確計量的方法。經過盾構掘進渣土的計量試驗，得出了一系列關于計量方法和結果的分析。通過對比和評估，證明了龍門吊稱重結構可以準確測量和控制出土量，并為工程質量和施工進度的管理提供了可靠的依據。通過施工應用參數統計和相關照片的展示，對龍門吊稱重結構在盾構掘進過程中對渣土計量的影響進行了評價和分析。這對于工程質量管理和施工進程的控制具有重要意義，為今后類似工程提供了借鑒和參考依據。