盾構機用空氣自動保壓系統的模擬試驗

孟長躍 于文超 崔迎接

（濟南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟南250109）

盾構機是一種在鋼殼保護下，通過刀盤切削土體進行地下隧道開挖和襯砌作業的隧道施工設備，它具有施工速度快、安全性好、地面沉降小等優點，在隧道施工中應用廣泛。在盾構施工過程中保持掌子面的穩定特別重要，掌子面出現失穩,比如塌方、涌水等事故可能引起沉降量加大，從而導致地面沉降、建筑物失穩等嚴重后果。另外，為進行盾構機的設備維修和掘進方向前方地質調查，人員和設備需要進入掌子面后方的開挖艙內，此時必須確保掌子面的穩定，否則將造成艙內作業人員的傷亡。利用加壓空氣維持掌子面穩定是目前盾構設備中常用的方法之一，特別是在人員進入開挖艙內時必須配置使用空氣保壓系統。目前，常用的保壓系統原件組成復雜，價格較高，對土倉壓力突然升高時，通過關閉進氣源，依靠盾體之間的縫隙慢慢降至設置值，等待時間較長，有時甚至需人工手動進行放氣處理，人工處理無法精確把握排氣量，難精確控制土壓情況，易發生事故。

1 空氣保壓系統試驗臺設計（見圖1）

1.1 保壓系統1

保壓系統1是高壓空氣經過自力式壓力變送器變成穩定的氣源，再由氣力調節器（PI）控制單座調節閥總成（進氣）的進氣大小。其中，壓力變送器實時反饋開挖倉的壓力變化，根據壓力變送器的壓力變化和氣力調節器的設定壓力來實現開挖倉的壓力穩定。當開挖倉壓力降低時，壓力變送器檢測到壓力降低將信號反饋給氣力調節器，再由氣力調節器控制單座調節閥打開往開挖倉補壓，直至壓力提升至設置值。當開挖倉壓力大于設置值時，壓力變送器將壓力反饋給氣力調節器，氣力調節器控制單座調節閥將閥門關閉，開挖倉通過盾體之間的縫隙慢慢降至設置值。

1.2 保壓系統2

保壓系統2是高壓空氣通過空氣過濾器干燥后通過減壓閥至氣動閥門控制器，開挖倉的壓力通過管路反饋給控制器，控制器通過控制氣動閥的開合來保證開挖倉的壓力。當開挖倉壓力降低時控制器控制氣動閥打開閥門往開挖倉補氣直至壓力達到設置值，當開挖倉壓力大于設置值時，控制器控制先導閥打開氣動球閥泄壓，將多余壓力排出開挖倉從而保證開挖倉的壓力穩定。在排氣的同時流量計能檢測排出的氣體流量。

試驗臺中將保壓系統1和保壓系統2連接到相同氣源和開挖倉，通過設定不同壓力來對比不同壓力下兩套保壓系統對土壓調節能力的響應時間、準確性及穩定性。

圖1 保壓試驗臺原理圖

2 保壓系統性能對比

表1 保壓實驗臺保壓性能對照表

保壓系統1性能：保壓系統1，包括進氣控制部分、壓力自動調節部分所述進氣控制部分包括進氣管路，進氣管路上至少包括順序連接的氣源管路、自力式壓力調節閥、單向閥和與開挖艙進氣口連接的進氣控制閥組；在進氣控制部分上設有至少由過濾減壓組件、減壓閥、氣動控制器、壓力變送器順序連接組成的控制管路；具有操作靈活、控制精度高、穩定性好、安全可靠的優點。

保壓系統2性能：保壓系統2是以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執行器，并借助定位器，轉換器，電磁閥等附件來驅動閥門，實現開關量或比例調節。它結構簡單，動作可靠穩定，輸出力大，安裝維修方便，價格便宜且防火。缺點：響應時間大，信號不適與遠傳。

保壓系統1結構復雜、性能可靠、適用性強，對執元件精度要求不高，對系統壓降反應靈敏；相較之保壓系統2結構簡單、性能可靠、穩定性強、安裝維修方便、價格便宜，對系統壓降反應時間略長，均能滿足使用要求，性價比更高。

3 結語

該實驗臺在工廠可以實時模擬盾構機在掘進過程中遇到的各種突發失壓情況，并針對各種情況記錄各種元器件的工作靈敏程度，可以對目前主流的兩種保壓系統進行精確真實的模擬，減少施工過程中對盾構機的損壞以及施工人員的傷亡和經濟損失，提高了盾構機出廠時的產品質量，同時降低了隧道掘進施工過程中的風險，確保了隧道掘進的安全、速度和效益。