液壓推進系統在土壓盾構機上的應用分析?

廖雪梅

（首鋼工學院，北京 100144）

0 引言

隨著城市化進程的加快以及城市地下空間的進一步利用，我國開始大規模地引進、應用國際先進的盾構施工技術和設備。

盾構是一種集機、電、液、氣、光等技術為一體的大型隧道施工工程機械。盾構機的液壓系統主要分為8個液壓單元系統，其中液壓推進系統在盾構正常工作中占有重要的地位。本文主要介紹盾構機液壓系統的工作原理和液壓推進系統的原理與應用。

1 盾構機液壓系統的工作原理

液壓泵站在電機的驅動下向各液壓系統提供一定壓力的動力液壓油，在各液壓閥件的控制下，通過動力液壓油的作用，完成油缸的伸縮或者液壓馬達的驅動和制動，從而完成盾構機的刀盤旋轉、盾構的前進、管片的拼裝和管片移運等工作。

盾構液壓系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 盾構液壓系統原理框圖

2 液壓推進系統在土壓盾構機上的應用分析

2.1 推進及鉸接系統

盾構機的前進動力來自推進液壓系統中推進油缸的工作，推進油缸是推進系統中的最終執行部件。在推進系統中，系統的工作順序為：首先啟動液壓泵站的電機，帶動液壓泵工作，液壓泵泵送出動力液壓油，動力液壓油經管路傳輸到推進油缸的控制閥組，液壓油在閥組的控制下進入推進油缸的有桿腔或無桿腔，從而實現油缸的伸縮；在油缸收縮時，液壓油同樣需要通過控制閥組的控制經控制閥組和管路流回安裝在二號拖車上的油箱。

推進系統的液壓油供給泵位于盾構機二號拖車上，在一個75kW的電機帶動下工作；控制閥組位于盾構機的中體內，每組油缸都對應有相應的控制閥，每組油缸在控制閥的控制下都可以單獨工作。

2.2 注漿系統及管片移運系統

注漿系統主要由4個柱塞泵完成泵送出砂漿的工作，過濾后的液壓油經兩個節流分流閥分流，在液壓閥件的控制下液壓油進入油缸形成進油和回油回路，促使油缸完成伸縮動作。在管片移運系統回路中，油液經過單向閥、溢流閥和調速閥后流入油缸，其中單向閥對油液的流向進行控制，確保單方向形成回路，有效預防油缸非正常回縮；溢流閥在油壓過大時溢流減壓；調速閥對油液的流速進行控制。

2.3 刀盤驅動系統及超挖刀液壓系統

在刀盤驅動系統中，首先啟動補油泵和液壓泵工作，將泵送出的液壓油經過濾器過濾后，輸送至液壓泵，液壓泵泵送出的動力液壓油經管路傳輸到驅動液壓馬達，在8個驅動馬達中，2號馬達帶有制動裝置，由控制油路供給的液壓油經過蓄能器后與2號馬達相連，當馬達制動時，蓄能器的液壓油對馬達進行制動緩沖，降低制動過程中產生的沖擊。

在超挖刀液壓系統中，液壓原理與上述類似，不同的是電機采用7.5kW電機，執行機構采用50mm的油缸。

2.4 控制油路液壓系統及螺旋輸送機液壓系統

控制油路主要用來控制螺旋輸送機液壓泵站的液控換向閥，通過油路與蓄能器相連來緩沖刀盤驅動馬達制動時產生的沖擊，油路中布置有電磁閥和溢流閥，當油路油壓過大時，進行溢流泄壓；另外通過手動閥、溢流閥對驅動馬達油路油壓過大時進行溢流減壓。

系統回路的泵站控制閥與控制油路連接，在啟動泵站工作前首先應啟動控制油路開始工作，然后啟動系統供油泵站工作泵送出高壓液壓油，油液經管路傳輸至螺旋機驅動馬達，與驅動馬達連接的還有補油泵，當驅動馬達工作油壓不足時，補油泵輸出油液進行油液補充，以確保馬達的正常工作。

所有的電氣控制部分都在主控室完成，操作伸縮按鈕接通電磁閥工作，從而使油路暢通，完成各油缸的伸縮。

3 土壓平衡盾構機液壓推進系統的設計

盾構機液壓推進系統的設計主要包括：確定盾構的推力；確定推進油缸的規格參數、外形尺寸和數量；確定推進油缸的布置方式；確定推進油缸的控制。液壓推進系統原理圖見圖2。

圖2 液壓推進系統原理圖

3.1 盾構推力計算

盾構向前行進時，盾構千斤頂應有足夠的推力克服盾構推進時所遇到的阻力。這些推進阻力主要有：

（1）盾構四周與地層間的摩擦阻力或粘結力F1：

其中：μ1為鋼與土的摩擦因數，取0.3；D為盾構機外徑；LM為盾構本體長度；pm為作用在盾構上的平均土壓力；G1為盾構重量。

（2）盾構刀具切入土層產生的貫入阻力F2：

（3）開挖面正面作用在切削刀盤上的推進阻力F3：

其中：pf為開挖面正面阻力（支護千斤頂反力，作用在盾構隔板上的土壓力和泥漿壓力等）。

（4）在盾尾處盾尾板與襯砌間的摩擦阻力F4：

其中：μ2為管片與盾尾鋼絲刷的線摩擦阻力，取10 kN/m。

（5）盾構后面臺車的牽引阻力F5：

其中：μ3為車輪與鋼軌間的摩擦因數，取0.15；G3為盾構后面臺車重量（如隧洞有縱坡時，還應考慮縱坡的影響）。

在使用時，須考慮各種盾構機械的具體情況，并留出一定的裕量，則盾構千斤頂的總推力Fn：

其中：F為推進阻力總和，F＝F1＋F2＋F3＋F4＋F5。

3.2 推進油缸的選型和配置

盾構在土層中掘進，主要是靠安裝在支承環內的推進機構完成的。推進機構主要由液壓油缸（千斤頂）和相關液壓設備構成，以襯砌管片為支承座。由于盾構內部空間狹窄，安裝條件惡劣以及盾構工作情況和其他機械不同，要求液壓油缸體積小、質量輕、結構簡單、同步性能好，便于安裝和布置，有必要的防護裝置，避免灰塵、泥水、砂漿混入油內或千斤頂內。

推進油缸沿圓周對稱均勻分布，根據盾構設備在掘進中推力的需要和管片拼裝的要求進行布置。每個油缸的推力和數量應根據盾構外徑、總推力、管片結構和隧道路線等因素確定。一般情況下推進油缸可以分為4組，4個缸組同時動作，且推進油缸軸線平行于盾構軸線，盾構直線前進。如果按照規定分別動作，就可獲得盾構的調向動作。各液壓油缸內的液壓油壓能夠在0%～100%的系統壓力范圍變化，最大安全壓力為34MPa。特殊設計的液壓油缸油缸桿縮回速度比伸出速度快，使油缸桿能快速收回。

推進缸的個數n由下式計算：

其中：p為液壓系統壓強。

推進油缸的長度是根據盾構殼體的長度、千斤頂伸長量以及其他配套結構設計等參數來確定的。推進油缸的長度為：

其中：L1為推進油缸行程；La為缸底尺寸和導向套尺寸；L2為油缸固定端安裝尺寸；L3為油缸鉸接端安裝尺寸。

推進油缸的伸出長度為管片寬度、封頂塊的搭接長度（一般為管片寬度的2/3）、推進油缸千斤頂預留長度之和。

海瑞克盾構機的液壓千斤頂為30個油缸，其布置方式為單雙油缸間隔布置。單雙油缸按每隔18°間隔布置，在封頂塊位于正上方時，油缸的推力中心線與管片中心基本重合。封頂塊偏離正上方36°和72°時，推進油缸與管片能夠相適應，因此這種油缸布置方案可行。

4 結束語

本文討論了盾構機液壓系統的工作原理以及液壓推進系統在盾構機上的應用，液壓系統作為盾構系統的動力源，其運轉正常與否對盾構推進施工影響極大。

［1］侯會喜.液壓與氣動技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2010.

［2］楊楊，龔國芳，胡國良，等.模擬盾構機推進液壓系統泵站集成設計［J］.機床與液壓，2006（4）：118－120.