下沉式豎井掘進機及其控制系統簡介

欒國宇

（徐工集團凱宮重工南京有限公司 沈陽分公司，遼寧 沈陽 110001）

1 背景及應用

近十年來，我國地下空間的開發速度越來越快，利用規模越來越大。在此過程中，需要建設大量的沉井作為其地下構造物。例如，地下隧道掘進機的始發和接收井、隧道通風井、城市排水系統豎井、地下立體車庫和倉儲豎井、采礦豎井、橋梁工程豎井、導彈發射井等。尤其是在市區內進行施工時，對其施工方法及其設備提出了很多新的要求。

下沉式豎井掘進機及其施工方法作為一種新型沉井施工裝備和工法，與現有設備相比，具有安全、高效、占用場地小、地質適應性廣、對周圍環境影響小等獨特的技術優勢，尤其適合在大直徑、大深度的豎井工程中使用。因此，將在未來的工程中發揮巨大的作用，具有廣闊的市場應用前景。

以其在地下立體停車庫方面的應用前景為例。根據相關數據顯示，停車泊位數應達到車輛保有量的1.1～1.3 倍，按照1.3的比率計算，2020 年我國停車泊位需求缺口超過2 億個。在城市商業中心、大型醫院和老舊住宅等區域，車位供需矛盾將更加突出。若其中10%的車位需要采用地下立體車庫的方式，每個車庫按200 個設計，大約需要建設10 萬座豎井。針對中心城區、核心商務區、醫院等公共熱點區域人流車流量大、老舊建筑布局密集、周邊土地資源緊張等特點，采用傳統明挖方式建設地下停車庫遭遇建設用地有限、施工困難等瓶頸；而豎井掘進機及其工法恰好能在小空間內進行施工，解決停車位的供需問題。一個200 輛規模的傳統停車場占地至少6000 平方米，而采用豎井掘進機建造同等規模的地下停車場占地面積不超過300平方米，可極大程度地利用城市中心區域的零碎的邊角地塊，釋放停車空間。

2 現狀

豎井掘進機由德國海瑞克公司研發，已經在歐洲、美國、中東和新加坡等多個國家和地區的地鐵隧道的始發接收和通風豎井、城市污水系統的集水井、采礦業生產豎井的建設中得到廣泛地應用。

我國使用此類裝備的起步時間較晚。2020 年，在南京市建鄴區沉井式地下智能停車庫（一期）工程項目中首次應用，這也是此設備到目前為止在我國惟一的一次應用。而且，目前國內沒實際應用的國產化設備，主要完全依靠進口設備，價格高昂，無核心技術。目前，多家大型機械制造型企業都在致力于設備的自主研發，以打破國外的壟斷地位。

3 下沉式豎井掘進機設備構成簡介

豎井掘進機主要包括掘進機主機、動力卷揚系統、回收卷揚系統、沉降系統、泥漿分離系統、液壓動力系統、電氣動力系統、電氣控制系統等；其中掘進機主機還包括掘進單元、排漿單元、回轉單元、支撐單元。

圖1

掘進機主機通過支撐單元與豎井管壁連接，將整個主機部分懸掛在豎井中，掘進單元由銑挖頭和排漿泵組成，銑挖頭通過伸縮油缸和俯仰油缸與銑挖臂連接，銑挖臂與回轉機構是機械硬連接，因此銑挖頭可以挖掘到豎井同一個內所有泥土，然后通過排漿泵將泥漿排到地面的泥漿分離站進行泥漿處理；每挖掘完一個平面，拼裝一環管片，完成后絞線油缸下放，進行下一個工作面的挖掘，直至整個豎井挖掘完成。

動力卷揚系統由一臺卷揚機及輔助設備組成，是液壓系統管線及電氣系統電纜的延長和回收裝置。

回收卷揚系統由多臺卷揚機組成，主要功能是回收豎井掘進機主機設備。

沉降系統是都多個絞線油缸組成，通過鋼絲繩作用于豎井的管片，主要功能是控制整個豎井的下降高度和下降速度。

泥漿分離系統，是將排除的泥漿進行分離過濾，然后再將密度適宜的液體排回到豎井內，以保證豎井內外水壓的平衡，避免沉降和坍塌。

液壓動力系統、電氣動力系統是整個設備液壓執行機構和電氣執行機構的動力源。液壓系統的最高工作壓力為35MPa；供電系統采用TN-S 系統，選用2000kVA 連接組別為Dyn11 的配電變壓器，并配有功率補償系統。

電氣控制系統是實現整個豎井掘進機工作方式的控制核心，由上位機及PLC（可編程邏輯控制器）組成，集數據監控、數據采集、數據記錄、自動化控制控制于一體，安全可靠。

4 下沉式豎井掘進機控制系統簡介

豎井掘進機控制系統由一臺上位機（包含上位機監控軟件）和一臺PLC（可編程邏輯控制器）及PLC 的多個遠程從站組成。

圖2

控制系統的上位機及顯示器安裝在地面的控制室操作臺上，負責現場數據監控、數據采集和數據保存，操作人員可時時觀測掘進機的工作狀況，與PLC（可編程邏輯控制器）采用PROFINET 的通訊方式，此種方式傳輸速率快且穩定應高，是目前比較主流的通訊方式。

控制系統的PLC（可編程邏輯控制器）分別與上位機和從站進行通訊，內部包含編寫好的邏輯程序，通過復雜的邏輯運算控制著掘進機的工作過程，進而實現了自動控制。PLC 有兩個不同的通訊接口，一個是PROFIBUS 接口，另一個是PROFINET 接口；PROFIBUS 是上位機與PLC 的通訊接口，PROFINET 是PLC與從站的通訊接口。

PLC 從站是由通訊卡以及I/O 模塊組成，從站與多個執行元（傳感器、電磁閥等）件連接，負責數據的采集和動作的執行。由于豎井的一般深度為100 米，且控制系統主站要位于地面的控制室內，通訊電纜只能通過卷揚系統與井下的從站進行通訊連接，且中間無法加網絡中繼（網絡交換機），這樣就導致通信的最大距離可能會大于甚至遠遠大于100 米，而現在比較主流的的基于以太網的PROFINET 通訊最大通訊距離理論上是100 米（網線連接），所以無法使用。

PROFIBUS 的優點是通訊距離長，且經過多年的實踐，已經很成熟；而他的缺點也顯而易見，PROFIBUS 是“手拉手”的網絡組成，這就導致，一旦網絡中間出現故障，故障點后面的從站將完全丟失，就無法工作了；針對這樣情況唯一的解決辦法就是將系統做成冗余系統，一旦一條通訊出現問題可以馬上切換到另一條線路上，不會影響設備的正常工作，當然成本上會更高。

另一種解決方法就是將PROFINET 通訊的網絡用光纖進行連接，光纖的傳輸距離極高，但光纖本身較為脆弱，易損壞，不適合在頻繁移動設的備上使用，下沉式豎井掘進機的工作方式決定它是一直在移動的，所以此方法理論上可行，但無法應用到實際的工作項目中。

綜上所述，主站與從站之間選擇了PROFIBUS 通訊；下表是PROFIBUS 通訊傳輸速率與傳輸距離的關系。

表1

我們可以根據項目實際的通訊長度和內部程序的數據量選擇適合的通訊速率以滿足設備的工作要求。

5 結論

裝備制造業水平是一個國家綜合國力強大與否標志，我國是傳統的制造業大國，“made in china”遍布世界每一個角落，但是我們還是缺乏很多領域的核心技術，致使被很多西方勢力“卡脖子”，只有真正的掌握核心技術才能成為真正的技術強國，真正的從“中國制造”轉變為“中國創造”；下沉式豎井掘進機的目前技術同樣掌握在國外人手里，但很多企業已經在取得了突破性的成果，相信豎井掘進機在不久的將來就會像我們當年生產制造盾構機一樣，實現自主研發、自主設計、自主制造，打破技術壁壘。