，本发明的土量压力平衡盾构控制系统是实时闭环正反馈 过程控制，输出控制螺旋机转速以及时调整土仓压力。盾构11掘进土体形成盾构土仓，螺 旋输送机12设置在盾构土仓内，用于将盾构土仓内的土体送出盾构土仓，以调节土仓压 力；螺旋输送机12将土体送出到土皮带输送机13上，然后，土箱机车14将皮带输送机12 送到土箱的土体运到隧道竖井基坑的井口，由地面起重设备将土箱吊到地面上卸土。
[0102] 本发明的土量压力平衡盾构控制系统在现有土压平衡盾构的基础上增加出土重 量检测装置和出土量分析控制器。
[0103]出土重量检测装置主要由阵列解耦式皮带秤15、静态轨道秤16及校验模块组成。 阵列解耦式皮带秤15安装在盾构出土皮带输送机13上，静态轨道秤16安装在隧道竖井基 坑上，由网络交换机利用施工通信介质将静态轨道秤16的称重结果送到阵列解耦式皮带 秤15的控制器，利用静态轨道秤16的称量精度（0. 1 % )比阵列解耦式皮带秤15的称量精 度（1% )高的特点及时校验阵列解耦式皮带秤15的准确性，从而解决皮带输送机13上被 测土体粘滞性、随机分块等特性产生的称量数据准确性问题，以适应盾构施工对出土计量 数据可信度的需求。
[0104] 结合图9所示，阵列解耦式皮带秤15是由三个单体皮带秤151组成，每个单体皮 带秤151长1. 4米，宽度及托轮尺寸与皮带输送机13相配合，并以20cm间隔距离安装在皮 带输送机13上。
[0105] 如图10所示，三个单体皮带秤151的第一称重传感器（ac、bc、cc)及第一变送器 (at、bt、ct)各自构成独立回路。三个第一称重传感器（ac、bc、cc)用于采集对应的三个单 体皮带秤151位置的土体的称重信息，三个第一变送器（at、bt、ct)与三个第一称重传感器 (ac、bc、cc)对应连接，用于将对应的第一称重传感器所采集的表示称重信息的桥压mv级 电压信号经放大转换为4ma~20ma电流信号，然后由与第一变送器连接的、设于阵列解耦 式皮带秤控制器内的模数转换模块进行A/D转换（即模数转换），将电流信号的模拟信号转 换为数字信号，再将数字信号送往与模数转换模块相连接的、设于阵列解耦式皮带秤15控 制器内的耦合模块。阵列解耦式皮带秤控制器内的条件触发模块根据皮带机测速（转角编 码器原理）传感器触发条件采集称重信息，并对3个单体皮带秤的称重信号进行解耦处理， 最后以中间位置的单体皮带秤为基础求出单位长度出土计量称重值和积算值。
[0106] 本发明中的阵列解耦式皮带秤具有以下技术特点：
[0107] (1)降低皮带机张力影响的技术特点
[0108] 配合图11所示，阵列解耦式皮带秤与一般阵列式皮带区别在于：单体皮带秤151 的托轮高密度分布，在1.4米长的秤台1511上布置7组托轮1512,托轮1512中心间距 200mm以进一步减少皮带张力对单体皮带秤151的影响，在位于秤台1511两侧位置的托轮 1512上设置限位挡辊1513。
[0109] (2)减少粘滞和不规则土体产生称量误差的技术特点
[0110] 阵列解耦式皮带秤15与一般阵列式皮带区别在于：阵列解耦式皮带秤的控制器 利用解耦模块对单体皮带秤151所检测的计量数据进行解耦分析处理。皮带输送机上粘滞 和不规则移动土体产在各单体皮带秤151和皮带输送机13托轮上的分力，使各单体皮带秤 151所检测的计量数据呈互相关联的耦合特性。
[0111] 以中间位置单体皮带秤为基础，基于力学分析基础的解耦方法如下：
[0112] W=k21(Wl-W2)+W2+k23(W3-W2)(公式 1)
[0113] 其中：k21为中间单体秤与前部单体秤的耦合系数；
[0114]k23为中间单体秤与后部单体秤的耦合系数；
[0115] 耦合系数由链码标定计算得出，见表1。
[0116] 该算法整合在控制器数据处理功能模块中。
[0117] (3)阵列解耦式皮带秤称量积算的技术特点
[0118] 一般皮带秤是以皮带速度传感器的单位脉冲为采样触发条件，采样频率越高准确 性越好。但这种方法适用干燥颗粒状的称重介质，不适用粘滞性不连续块状土体。例如， 中间单体皮带秤虽然无泥土，但相临单体皮带秤上的泥土块的重量会分解到中间单体皮带 秤，由此形成称重计量误差。
[0119] 阵列式解耦皮带秤以单体皮带秤长度为采样周期，通过皮带测速传感器18的脉 冲数等于单体皮带机的长度时触发称重采样。这种方法既避免称重计量误差，又便于分析 各单体皮带秤的耦合关系，为解耦算法提供可靠依据。
[0120] (4)阵列解耦式皮带秤标定
[0121] 阵列解耦式皮带秤标定是以单体皮带秤在皮带输送机安装完成后上进行，准备 lOOKg链码3组。
[0122] 1)静态零点标定
[0123] 清除皮带机上泥土，当前电量为静态零点Zji。
[0124] 2)静态幅值标定
[0125] 以3组链码按表1中位置，各单体皮带秤上的当前电量为静态幅值Fji。
[0126] 3)动态零点标定
[0127] 清除皮带机上泥土，在皮带机转动条件下，当前电量为动态零点Zdi。
[0128] 4)动态幅值标定
[0129] 以3组链码分别以表中位置，在皮带机转动条件下，各单体皮带秤上的当前电量 为动态幅值Fdi。
[0130] 5)标定参数
[0131] 标定结果见表1，数据以文件形式保存，开机初始化时对变量赋值。皮带输送机停 机状态用静态参数，皮带输送机转动状态用动态参数，其中幅值取各单体皮带秤上均有链 码的（状态4)情况。
[0132] 表1阵列解耦式皮带秤标定参数表
[0134] 注：1.i= 1前秤，i= 2中秤，i= 3后秤。
[0135] 2.链码位置（2进制数）的中间3个权为单体秤位置，两侧为与单体秤相邻位置。
[0136] 6)采样触发条件标定
[0137] 测速传感器18为转角编码器，每旋转一圈产生1024个脉冲，转角编码器的外延与 皮带输送机上的皮带紧密配合，在皮带a位置设目标靶，用激光测距仪测出位置L1，置旋转 编码积算值nb= 0,启动皮带机使目标靶到b位置，测出位置L2,使c=L2-L1，要求c>10 米，读转角编码器的脉冲积算值nb，因采样触发依据为单体皮带机定长L0 = 1. 6米（其中 0. 2米为单体皮带秤之间的距离），所以用旋转编码器脉冲数触发采样的条件为：
[0138]dn=nb*L0/(L2-Ll) (公式 2)
[0139] (5)皮带输送机停机后剩余泥土自动辨识功能
[0140] 受土箱容量限制，停止掘进后在皮带输送机上可能剩余泥土，尤其是称量过的泥 土将直接涉及校验的精度效果，所以应建立皮带输送机停机后剩余泥土自动辨识功能。
[0141] 设皮带机有效输送距离为L3,当采集的螺旋输送机信号为下降延时（停止），记录 皮带测速传感器脉冲n，积算脉冲ns。
[0142] 由测速传感器标定dn为1. 2米对应的脉冲数，设L4为停机后留在皮带输送机上 泥土的长度：
[0143]L4 =L3-1. 2*ns/dn(公式 3)
[0144] 设中间位置的单体秤至皮带机出土口距离为L5,当L4>L5时，dl=L5否则dl= L4，dl为已被计量但停机后留在皮带输送机上的泥土，应扣除本土箱对应皮带秤积算重量， 加到下一周期土箱中。
[0145] 地铁隧道施工出土机车一般拖运3~4节土箱小车、1节管片小车和1节注浆材料 小车，含泥土箱毛重约30t。
[0146] 在隧道井口采用静态轨道秤计量每个土箱的泥土净重，使每个土箱的泥土净重与 皮带输送机上积算的泥土相对应，可利用静态轨道秤精度高得特点校验动态皮带秤。
[0147] 土箱小车轮宽813mm，前后轮距2950mm，配合图12所示，静态轨道秤16的秤体161 尺寸：6000_X1119_X275mm(长X宽X高），结构强度和刚度满足受力要求和计量精度 要求，第二称重传感器162安装在秤体161四角下部，轨道163固定在秤体161上，并与前 后隧道轨道配合。
[0148] 秤体采用轮式限位，以减少撞块式限位滑动摩擦产生的称重阻力。
[0149] 配合图13所示，Wgl~Wg4是4个第二称重传感器，用于采集土箱内的土体净重 信息，量程20t，输出桥压0~2mv电压信号，al~a4为4个第二变送器，用于将采集到的 表示土体净重信息的桥压0~2mv电压信号放大转换为电