大型泥水平衡盾構機刀盤驅動部滑動裝置研究

張英明 邵明月

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

南京市緯三路越江通道位于長江大橋與緯七路長江隧道之間，北接江北岸浦口區浦珠路，南接江南定淮門大街(S線)和揚子江大道(N線)，南線盾構段長4 135 m，北線盾構段長3 537 m。隧道采用雙向雙層X型八車道結構，盾構開挖直徑達14.96 m，是目前世界上最大的盾構隧道之一。江中存在巖層、卵石復合地層及卵石層、砂礫石復合地層，石英含量高達65%，硬巖強度在70 MPa～80 MPa;復合型地質中上部為細砂、粉質粘土，下部為粉砂巖，構成軟硬不均勻的工作面。對于這樣長距離、大直徑、高水壓、淺埋深、復雜斷面的越江隧道工程，結合實際地質條件和工程條件的特點，設計制造出自動化水平高、設備性能完善的盾構機及配套設施顯得尤為重要。因此，針對本工程地層條件差、地質情況復雜、地下水位高等特點，以及盾構施工過程中對刀具質量要求極高，必要時需更換刀具。南京市緯三路過江通道項目部在盾構機選型和設計初期，發揮制造商和施工單位各自的優勢，通過專家論證、國內外招標采購14.96 m超大直徑泥水平衡復合式盾構機。在盾構機設計上，打破以往國內外常規理念，首次采用刀盤驅動部滑動系統。該系統具有機械化、自動化、數字化水平高等優點，使盾構機的配套設施更加完善合理、適應能力更強、設備性能更可靠、作業效率不斷提高。本文主要對刀盤驅動滑動裝置的系統原理、設計理念及實際運用進行分析與研究。

1 刀盤驅動部滑動系統原理

刀盤驅動滑動系統是由人機界面進行操作，PLC系統進行控制，運用液壓傳動原理，通過滑動油缸作用于刀盤驅動部整體結構上，使其沿盾體軸線方向在切口環內表面前后滑動，通過鎖緊油缸帶動制動塊實現對刀盤驅動部滑動裝置制動功能，是集機械、液壓、電氣、自動化控制技術的一體化裝置。該裝置與傳統的盾構機驅動部相比較，傳統盾構機驅動部與切口環無相對運動，驅動部外周設置2道～4道高強度唇形密封，唇口緊貼切口環內筒體表面，通過向驅動部密封腔內注入齒輪油、液壓油或潤滑油脂，保證其密封效果。而具有滑動功能的刀盤驅動部裝置，驅動部外周安裝滑動軸套，并在滑動軸套和前后密封填料內設計潤滑油脂通道，通過向其注入潤滑油脂，保證其潤滑性和密封性。

2 泥水盾構刀盤驅動部滑動裝置的設計

隨著盾構施工技術的不斷進步與發展，長隧短打的方式正在逐漸淘汰，盾構機單次掘進長度大大增加，以及地質條件的復雜多變，這對盾構機的適應性與可靠性提出了更高的要求，優化創新設計顯得尤為重要。根據南京市緯三路越江隧道工程特殊地質情況及工程特點，對盾構機優化設計，合理利用盾構機內部空間，在盾體內設計增加刀盤驅動部滑動系統，在盾構施工生產中該系統發揮著不可替代的作用。下面從刀盤驅動滑動系統的機械結構、液壓系統、電氣控制方面進行分析。

2.1 機械結構設計

刀盤驅動部滑動裝置位于盾構切口環與承壓環內部，上、下滑動接觸面為水平面，左、右為對稱圓弧面。為滿足驅動部能夠在盾體軸線方向相對滑動功能的要求，在結構制作過程中，要保證加工精度在設計要求范圍內;而且由于刀盤驅動部負荷重、直徑大，對潤滑系統提出了較高要求。在驅動部外周前后密封填料內及滑動軸套上，設計5排潤滑油脂注入孔和壓力檢測孔，并將潤滑油脂孔合理分配至驅動部外周(見圖1，表1)。通過油脂供給泵可將油脂沿通道均勻注入驅動部外周表面。在實際應用中，潤滑油脂具有冷卻及防銹作用，還可以降低滑動面之間的摩擦，減少磨損，延長刀盤驅動部滑動裝置的使用壽命。

圖1 驅動部外周潤滑油脂注入及檢測孔

表1 驅動部外周潤滑油脂注入及檢測點標號及名稱

在油缸配置方面，刀盤驅動部滑動裝置包括滑動油缸和鎖緊油缸兩種。滑動油缸規格型號:4 000 kN×150s×35 MPa×24 No，所有油缸左右對稱布置在驅動部電動馬達下方，油缸一端作用于驅動部上，另一端作用在承壓環內垂直水平梁上，通過鉸接進行連接，在連接銷上安裝止脫板，防止定位銷脫落。鎖緊油缸位于滑動油缸活塞桿上，其規格型號:17 kN×280s×14 MPa×24 No，鎖緊油缸一端安裝制動塊，通過制動塊與滑動油缸之間相對位置，實現其制動功效，見圖2。

圖2 滑動油缸與鎖緊油缸相對位置

2.2 液壓系統設計

刀盤驅動滑動裝置液壓系統與盾構機推進系統共用液壓泵單元，通過電磁液壓換向閥進行推進模式與滑動模式之間的轉換。對刀盤驅動滑動系統操作、分別進行液壓滑動油缸及滑動鎖油缸的動作，從而實現刀盤驅動裝置的滑動功能。1)滑動油缸設計。液壓系統由24個滑動油缸組成，分為6組，各組液壓油路并聯，每組4個油缸由電磁換向閥進行方向控制。當電磁換向閥工作時，油缸動作并作用于刀盤驅動部結構上。在滑動油缸液壓系統中，最大溢流壓力為35 MPa，設計液控單向閥及單向閥，使油缸運行平衡，減小外部沖擊對刀盤驅動滑動裝置的干擾，從而保證液壓系統的安全性、穩定性、可靠性。另外，在調試滑動油缸時，可將排氣端常閉截止閥打開，待油缸動作平穩無殘余氣體時，再將其關閉，避免液壓油中混有空氣，減少外部因素對液壓系統的影響，液壓原理見圖3。2)鎖緊油缸設計。鎖緊油缸與滑動油缸數量相對應，每個油缸油路并聯，由電磁換向閥單獨進行控制，通過鎖緊油缸帶動制動塊對滑動油缸制動控制。另外，在液壓油路中安裝減壓閥，保證鎖緊油缸液壓系統壓力安全可靠。

圖3 滑動油缸液壓系統原理

2.3 電氣控制設計

刀盤驅動部滑動裝置PLC控制采用三菱Q系列PLC模塊，應用CC-Link網絡技術。通過CC-Link專用電纜可將I/O模塊、智能功能模塊和特殊功能模塊進行連接，由PLC CPU程序控制，從而實現主站和遠程站之間的通訊。充分利用其開放性現場總線特點，提高網絡的可靠性，簡化接線工作。PLC模塊主站和遠程站CC-Link網絡接線見圖4。CC-Link網絡系統采用型號為AJ65SBTB1-16D，AJ65SBTB2NA6R遠程I/O站執行外部設備輸入和輸出，AJ65SBT-64AD遠程設備站執行外部模擬數據量交換。通過CC-Link將遠程站與主站連接進行網絡刷新通訊。本地控制可將觸摸屏與主站QJ71C24N-R4功能模塊進行連接;遠程控制通過MELSECNET/H網絡系統，由中控室人機界面操作。

3 刀盤驅動部滑動系統的運用

3.1 準備工作

刀盤驅動滑動裝置在實際運用過程中，需綜合考慮掘進參數及泥水指標等影響因素。操作前，先將刀盤扭矩調至最大脫困扭矩，并使刀盤旋轉速度最低，避免對掌子面土體擾動過大，然后再開啟液壓及其他輔助系統裝置。

圖4 PLC模塊CC-Link網絡

3.2 操作順序

1)推出刀盤驅動部。選中1區～6區滑動油缸，使刀盤驅動部向開挖側滑動10 mm。在動作運行中，控制各組油缸行程差在設定值范圍內。2)解除制動限制。動作24個鎖緊油缸，使其退回且限位指示燈全部亮起后，鎖緊油缸自動停止工作。此時，已解除對滑動油缸動作限制。3)退回刀盤驅動部。將1區～6區滑動油缸向盾尾方向整體滑動100 mm，待操作過程結束后，關閉液壓及輔助系統裝置。反之操作，可將刀盤驅動部推出至基準位置。

4 結論與體會

通過對盾構機刀盤驅動部滑動系統的設計制造及工程實際運用研究得知，運用刀盤驅動部滑動功能特性，使刀盤整體脫離掌子面土體。不僅在刀具更換過程中，給新刀具留有足夠的余量，減小刀具安裝阻力，為換刀人員快速、高效作業提供必要條件;而且可在盾構施工中作為刀盤脫困應急方案。當刀盤扭矩達到上限時，利用刀盤驅動部滑動系統，可減少掌子面土體作用在刀盤上的扭矩，使盾構機快速恢復到正常掘進工作中。在南京市緯三路越江通道施工過程中，刀盤驅動滑動系統起到至關重要的作用，是整個盾構機不可或缺的系統，以實踐證明該系統取得成功。

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