土壓平衡盾構電液控制系統設計

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所 河南 鄭州 450015)

土壓平衡式盾構，其液壓系統主要包括刀盤主驅動液壓控制系統、推進及糾偏液壓控制系統、螺旋輸送機驅動及料門液壓控制系統、管片機液壓控制系統、管片輸送小車及輔助液壓系統、注漿系統、超挖刀系統等七大液壓系統。

一、設計概況

本文以盾構物理模擬實驗樣機為例，通過對盾構模擬試驗平臺的結構設計，采用電液比例控制技術對土壓平衡盾構掘進機的三大主要液壓系統進行原理設計，包括基于壓力流量復合控制技術的推進液壓系統；采用電比例反饋控制技術的螺旋輸送機液壓系統以及采用全局功率自適應技術的刀盤驅動液壓系統。同時，還對液壓系統的關鍵元器件選型進行設計計算以及校核，同時采用三維設計軟件Pro/E對液壓系統的主要閥塊和泵站進行優化設計及集成設計，提高設計效率和加工準確性。

二、盾構物理模擬試驗樣機結構及組成

盾構物理模擬試驗樣機結構如圖1所示，它主要由模擬土箱1、拉桿2、盾構機3、后靠4、加載系統5、監控系統6以及液壓系統7等組成。

圖1 盾構物理模擬試驗樣機結構簡圖

1.模擬土箱；2.拉桿；3.盾構機；4.后靠；5.加載系統；6.監控系統；7.液壓系統

模擬土箱1的內徑為Φ4000 mm，圓筒內軸向長度大于等于6000 mm。該土箱為密封結構，使用過程中不漏水、不漏氣，可承受并保持最大內壓0.4 MPa。利用該土箱可進行原狀粘性土、原狀砂性土、原狀砂礫土的模擬。模擬土箱內預埋有土壓傳感器、水壓傳感器以及位移傳感器等，可實時測量掘進過程中土體內的土壓力、水壓力變化以及土體變形等情況。

模擬土箱工作時，在模擬土箱右端的開口處放置一個盾構機或一個模擬整環管片，通過橡膠密封圈與壓板使模擬土箱開口與盾構機或模擬整環管片外圓的間隙保持密封，然后往固定箱體與移動箱體的上方開口中放滿所需的土體并壓實，再通過對箱體內部設置的橡膠囊袋充水加壓對土體進行施壓，使土體產生一定的土壓力來模擬實際掘進過程中具有一定深度的土體。圖2為土箱剖面和囊袋的結構示意圖。拉桿2用來連接后靠4和模擬土箱1，為模擬掘進提供安全保證。

圖2 土箱剖面和囊袋

加載系統5的作用是通過對模擬土箱1中的土體施加一定的壓力來模擬盾構機在地下的受力條件。其具體形式為通過給模擬土箱中的橡膠囊袋中注入一定壓力的水來實現對模擬土箱中土體的加載。加載系統工作原理如圖3所示。它的設計是基于液壓系統的工作原理，以清水為工作介質，主要由水箱、水泵、過濾器、控制閥、囊袋、壓力傳感器等組成。其中水泵的作用是將一定壓力的清水注入末端囊袋中。囊袋作為執行機構，通過其自身的變形膨脹將壓力施加到模型土體上。考慮到盾構機周圍的土壓力分布，將加載壓力分為5級，使得盾構機受到的土壓力更加接近于實際情況。加載系統可實現多種不同壓力的加載，其最大加載壓力可達0.5 MPa。

圖3 加載系統原理圖

監控系統6可實現對盾構機和加載系統的控制，同時可自動記錄試驗過程中的所有數據并能實時顯示要特別關注的參數隨時間的變化曲線等。液壓系統7用來對盾構機3提供驅動動力，可實時控制推進速度、推進壓力以及刀盤和螺旋輸送機的轉速等工作參數。盾構機3的直徑為1800 mm，它具有土壓平衡式、泥水平衡式以及刀盤互換等特點，圖4為φ1800 mm盾構機的結構簡圖。它主要由推進裝置、螺旋輸送機、刀盤以及盾體等組成，其中推進裝置由6個左右對稱分布的液壓缸組成。

圖4 盾構掘進機結構簡圖

1.推進裝置；2.螺旋輸送機；3.盾體；4.密封擋板；5.密封土倉；6.刀盤

盾構機中部設有一密封擋板4，密封擋板4與刀盤6、盾體3以及螺旋輸送機2形成一密封土倉5。推進裝置1驅動盾構機向前推進時，刀盤切削下來的泥土充滿密封土倉和螺旋輸送機殼體內的全部空間，形成一定的土壓來頂住開挖面土層的水土壓力。螺旋輸送機向外輸送的泥土量和刀盤切削下來的泥土量保持動態平衡，維持土倉內壓力穩定在設定的范圍內，從而使開挖面土層保持穩定。

總的說來，該盾構物理模擬試驗樣機能夠模擬不同結構的盾構機在不同地層中的掘進情況，可為工程技術人員進行盾構選型以及盾構具體參數設計提供參考幫助。從而提高盾構機的設計制造水平，擴大盾構機的國產率。

三、盾構推進液壓系統設計

盾構推進系統承擔著整個盾構機械的頂進任務，要求在任何負載情況下都能及時對盾構的姿態和方向進行控制，使得盾構能沿著事先設定好的路線前進，是盾構的關鍵系統之一。

現代盾構控制地表沉降和減少對土體擾動的最基本和有效的方法是采用壓力平衡(泥水平衡和土壓平衡)技術。要求根據工作面實際壓力的變化及時調整推進速度和出土量，保證工作面有合適的支撐壓力。比較初級的方法是通過預先設定土倉內壓力值以達到穩定地層的目的，在施工中根據地表沉降情況再進行調整，是一種“滯后式”的土壓糾正。由于開挖面上土層的原始應力比較復雜，這種預先設定與滯后調整的結果會使地面產生較大隆起或塌陷，地層穩定和地表沉降控制的效果在很大程度上取決于施工人員的經驗，施工質量難以保證。因此，如何根據工作面土壓或地表變形實時調整推進速度和出土量是關系盾構可靠掘進的關鍵技術問題。

(一)推進液壓系統工作原理

為了克服盾構施工過程存在的問題，設計了一種采用壓力流量復合控制的盾構推進液壓系統，可以保證液壓系統能夠在非線性大負載工況下實現推進壓力和推進速度的控制要求，并具有較高的可靠性。設計中在各分組區采用比例溢流閥和比例調速閥來實現壓力流量的復合控制，可以根據盾構姿態和土倉壓力實時調整液壓缸的推進壓力和推進速度，并保持推進液壓缸的協調與同步。圖5為盾構推進液壓系統原理圖。

圖5 推進液壓系統原理圖

1.油箱；2.球閥；3.吸油過濾器；4.電機；5.聯軸器；6.鐘形罩；7.壓力表；8.變量泵；9.安全閥；10.壓力管路過濾器；11.單向閥；12.二位四通電磁換向閥；13、20.壓力傳感器；14.二位二通電磁換向閥；15.比例調速閥；16.比例溢流閥；17.三位四通電磁換向閥；18.液壓鎖；19.平衡閥；21.液壓缸；22.內置式位移傳感器

盾構推進時，所有三位四通電磁換向閥17均處在推進工作狀態b位，二位二通電磁換向閥14處于關閉狀態，壓力傳感器20檢測到的壓力信號和設定的壓力信號進行比較，得到的信號輸入給PLC，最后反饋到比例溢流閥16上，自動調節負載壓力大小，保證液壓缸的輸出力為所需的設定值，推進速度的大小可由液壓缸內的位移傳感器22檢測到的信號反饋到比例調速閥15上，從而調節比例調速閥15中節流閥開度大小來實現，系統中多余流量可從比例溢流閥16流回油箱。

實際工況中需要2個液壓缸同時動作時，二位四通電磁換向閥12斷電，主油路暫時斷開，待兩個液壓缸電信號到位后，再使二位四通電磁換向閥12得電，主油路導通，2個液壓缸同時動作。

推進液壓缸的快速回退控制回路可實現液壓缸的單獨退回操作，以滿足管片拼裝的要求。快退時，所選液壓缸的三位四通電磁換向閥17切換到工作狀態a位，進油路上的二位二通電磁換向閥14導通，短路比例調速閥15。系統采用大流量供油，實現快速回退，液壓缸無桿腔的回油經平衡閥19流回油箱。

在每一組液壓缸控制回路中，均設有一個平衡閥19，該平衡閥可在管片拼裝、液壓缸單獨退回時起運動平穩的作用。兩個液控單向閥組合成雙向液壓鎖18，與具有Y型中位機能的三位四通電磁換向閥17組成在一起成為鎖緊回路，在液壓缸停止運動時可很好地防止液壓油的泄漏，起安全保護作用。

油箱1中安裝有液位控制繼電器和電子溫度繼電器。當油箱內的液位控制繼電器處于最低極限位置報警時，三位四通電磁換向閥17應斷電處于中位，此時電機4關閉，變量泵8停轉。電子溫度繼電器用來監測油箱中的溫度，當油箱中的溫度處于超過設定點溫度時，電子溫度繼電器發出報警信號，冷卻器電機啟動工作，當油箱中的溫度超過極限設定點溫度時，此時三位四通電液換向閥17應斷電處于中位，電機1停轉。

(二)推進液壓系統主要參數設計

推進液壓系統主要設計技術參數如表1所示。

表1 推進液壓系統主要設計參數

除了給定的主要設計參數外，對推進液壓系統進行設計時還需考慮以下要求：

①推進液壓缸后腔要有可靠的液壓鎖，保證在停止推進時推進液壓缸能鎖定；

②左右二區液壓缸至少各有二臺內置式位移傳感器，能反饋推進速度和行程；

③推進速度可連續實時可調；

④每個推進液壓缸能實現單獨動作；

⑤推進液壓缸應可實現快速退回。

四、盾構螺旋輸送機液壓系統設計

螺旋輸送機是盾構的重要組成部分，它主要用來從盾構密封土倉內將刀盤切削下來的泥土排出盾體，同時保持密封土倉內具有一定的土壓力。泥土通過螺旋桿輸送壓縮形成密封土塞，形成一定的阻力，可保持密封土層內土壓力穩定在一定范圍內。盾構施工中保持密封土層內土壓力與工作面水土壓力相平衡的有效方式是根據土倉土壓力實時調整出土量，要求螺旋輸送機液壓系統能根據土倉土壓力的反饋信號實時精確控制螺旋輸送機轉速。另外，密封土倉在任何情況下都應該能可靠密閉以防止發生噴涌事故，因此要求螺旋輸送機閘門在任何情況下均能可靠關閉。

(一)螺旋輸送機液壓系統工作原理

為了克服盾構施工過程存在的問題及滿足盾構施工的要求，設計了一種采用比例反饋控制的盾構螺旋輸送機液壓系統，可實時控制螺旋輸送機的轉速，并保證隧道施工的安全。圖6為盾構螺旋輸送機液壓系統原理圖。

系統中主驅動變量泵6帶壓力切斷和電控變量兩種功能，壓力切斷是一種恒壓控制，當系統達到預先設定的工作壓力時，它使泵排量朝最小排量處擺回，此功能優先于電比例控制，可用于對出泥口閘門的啟閉。當需對馬達的轉速進行實時控制時，帶比例電磁鐵的電氣控制可使泵的排量無級變化且可編程設定，隨著比例電磁鐵電流的增加，變量泵的排量也成比例的相應增大。

主驅動變量泵出口處安裝了單向閥10，可防止泵檢修或系統停止運轉時油液倒流。壓力傳感器11用來監測系統主油路的壓力變化。螺旋輸送機驅動裝置中，由擺線馬達帶動輸出小齒輪與連接螺旋桿的大齒輪嚙合實現其傳動功能。螺旋輸送機的正反轉控制可通過馬達13的正反轉來實現，這可通過三位四通電磁換向閥12切換工作油路來達到要求。

螺旋輸送機出泥口閘門的啟閉由兩個φ40/20×295 mm的液壓缸17來控制，其中一個液壓缸帶磁致伸縮式位移傳感器18，在液壓缸的極限位置還設有行程開關19。出泥口閘門開口的大小將影響出料的流動狀態，合適的開口量將使出料的飛濺程度降低到最小，同時也將影響密封土倉內土壓力，所以出泥口閘門的開口量控制也是盾構重要控制參數之一；出泥口閘門液壓缸位移傳感器18將用以對這個參數的控制，液壓缸兩端的行程開關19將提供出泥口閘門的極限位置信息。

出泥口閘門液壓缸的控制模塊由電磁換向閥15和液壓鎖16組成。兩個液控單向閥組合成雙向液壓鎖16，與具有Y型中位機能的三位四通電磁換向閥15組成在一起成為鎖緊回路，可很好的防止油的泄漏，并可實現出泥口閘門的可靠定位。

螺旋輸送機液壓系統中，出泥口閘門的啟閉為最優先級，電機1得電，變量泵6運轉時，三位四通電磁換向閥15右邊電磁鐵得電，系統壓力油進入液壓缸17的無桿腔，出泥口閘門打開，通過位移傳感器18檢測到閘門開口量到預先設定的位置時，三位四通電磁換向閥15斷電處于中位，此時三位四通電磁換向閥12得電，馬達13開始工作，通過大小齒輪帶動螺旋輸送機的螺旋桿轉動。

(二)螺旋機液壓系統參數

螺旋輸送機液壓系統主要設計技術參數如表2所示。

除了給定的主要設計參數外，對螺旋輸送機液壓系統進行設計時還需考慮以下一些功能要求：

①能實現雙向旋轉；

②螺旋機轉速可連續實時可調，可手動調速或通過土壓傳感器反饋信號自動調速；

③螺旋機閘門的啟閉為最優先級。

圖6 螺旋輸送機液壓系統原理圖

1.油箱；2.球閥；3.吸油過濾器；4.電機；5.聯軸器；6.變量泵；7.壓力表；8.安全閥；9.壓力管路過濾器；10.單向閥；11.壓力傳感器；12.三位四通電磁換向閥；13.馬達；14.接近開關；15.三位四通電磁換向閥；16.液壓鎖；17.液壓缸；18.位移傳感器；19.行程開關

表2 推進液壓系統主要設計參數

(三)螺旋輸送機液壓閥塊集成

螺旋輸送機液壓系統中，用一個集成閥塊連接主要部件，其結構設計框圖如圖1-14所示。變量泵出油口P連接到單向閥進油口A；單向閥出油口B和控制馬達正反轉的三位四通換向閥的進油口1P、控制閘門液壓缸開關的三位四通換向閥進油口2P以及壓力傳感器的進油口PI相連；控制馬達正反轉的三位四通換向閥的出油口1A連接到馬達的進油口MA，控制馬達正反轉的三位四通換向閥的出油口1B連接到馬達的出油口MB；液壓鎖選用的是疊加式的，其出油口2A連接到閘門液壓缸的無桿腔CA，其出油口2B連接到閘門液壓缸的有桿腔CB；兩個三位四通換向閥的回油口1T和2T匯合一起成總回油口T口回油箱。

圖7 螺旋輸送機閥塊結構設計框圖