中繼泵自主配置技術在泥水盾構施工中的應用

趙 旭，黃平華，葉 忠，孫宏偉

(中鐵隧道集團武漢地鐵二號線越江隧道項目部，武漢 430062)

0 引言

中繼泵是泥水盾構極為重要的附屬設備之一，由于需要在盾構主控室內進行集中控制，對安全性和系統性要求較高;因此，大多數工程還是選擇使用進口的成套設備，在泥水盾構施工中，一直面臨成本高和技術上受制于外企的尷尬境地。高海旺［1］、孫春燕等［2］對熱網中繼泵的設置與經濟性做了研究;應勇［3］對中繼泵在泥水平衡頂管中的應用做了研究;而關于泥水盾構中繼泵技術的研究還很少。本文結合武漢地鐵2號線越江隧道工程實例，介紹了中繼泵系統的自主配置。通過自由配置不僅可節省工程施工成本，又可掌握核心技術，不受制于外企，還能促進和帶動機電、材料、傳感器等相關的產業發展，具有深遠的意義。

1 中繼泵的自主配置

1.1 泥水循環系統介紹

在泥水盾構施工中，泥水循環系統［4］(如圖1所示)通過送泥泵將膨潤土泥漿壓入泥水艙以支撐開挖面，掘進時刀盤切削下來的渣土在泥水艙中與膨潤土泥漿混合，然后通過排泥泵，將混合泥漿帶出地面，送到泥水分離設備進行渣土與泥漿的分離，分離后的泥漿經過處理后重新泵送至泥水艙。

圖1 泥水循環系統Fig.1 Slurry circulation system

1.2 中繼泵的原理

泥水循環系統需依靠泥漿泵來實現泥漿的不斷循環。由于受泥漿泵的揚程、流量等的限制，單靠1臺送泥泵和1臺排泥泵遠遠達不到整條隧道的施工要求，這就需要在盾構掘進到一定距離時，在隧道中間增加中繼泵站，以確保整個泥水循環系統的正常運行。

中繼泵主要由1臺泥漿泵及其配套的驅動控制系統組成。中繼泵作為泥水循環系統的一部分，由主司機在盾構主控室內遠程操作，通過幾臺泵的接力配合，在每臺泵的性能允許范圍內，確保泵送泥漿的流量和壓力。

1.3 中繼泵的選型計算

為了選擇合適的交流電機驅動中繼泵，必須計算出泥漿泵的軸功率P。泵裝置是泵及其附件、吸入管路、排出管路等的總稱。泵的配套功率N是整個泵裝置的功率，實際工程中需要準確地配套功率［5］，而配套功率N不能直接計算出來，它與泵的軸功率P的關系為

式中:η1為泵傳動裝置效率;K為功率裕量系數。裝置揚程Hz是泵裝置的重要參數，計算公式為

式中:h為幾何高度差，m;P1－P2為壓力差，Pa;Hv為整個裝置管路系統的阻力損失，m;ρ為泥漿密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2。

Hv的計算公式為

式中:∑Hv1為延程阻力損失和，m;∑Hv2為局部阻力損失和，m;d為管路直徑，m;v2為泥漿流速，m/s;λ為摩擦阻力系數;k為局部阻力系數;l為管長，m;g為重力加速度，m/s2。

泥漿流量Q是另一個影響功率的參數，計算公式為

式中:S為固體物料體積質量，kg/L;Sm為泥漿體積質量，kg/L;Qa為固體的體積流量，m3/h;Cw為泥漿的質量分數。

泥漿泵軸功率P的計算公式為

式中η為泥漿泵效率［6］。

1.4 中繼泵自主配置關鍵技術

除了中繼泵的選型計算外，中繼泵系統自主配置的關鍵技術就是電氣控制系統設計及通訊。

中繼泵的電氣控制原理如圖2所示。

中繼泵站作為一個從站融入盾構的泥水循環系統，與主站保持良好的通訊。從站主要完成泵的參數采集和處理、過程參數的設定和監視、設備的聯鎖控制、報警檢測等控制，與主站進行通訊，并完成主站發出的指令。從站具有遠程、本地切換功能，當切換為遠程時，從站受主站控制，當切換為本地控制時，本地具有啟、停、調速控制功能。泵所需要的軸封水的壓力和冷卻風機的啟停控制也納入主、從站控制，并與泵具有邏輯聯鎖控制關系，當軸封水壓力不夠或風機故障時，泥漿泵會自動跳停。中繼泵的控制系統要能實現所要求的全部功能，并能與主站程序進行穩定的數據傳輸和通訊。

圖2 中繼泵控制原理圖Fig.2 Control principle of relay pump

從站和主站之間通過1條Profibus-DP總線連接，進行數據傳輸。

2 工程實例

2.1 工程概況

武漢市軌道交通二號線越江隧道工程江南起點為積玉橋站，江北終點為江漢路站。全長約3 100 m。本工程盾構區間采用2臺全新的泥水盾構施工，隧道總長6 183.204 單線 m:其中，右線長 3 084.972 m，左線長3 098.232 m［7］。盾構從積玉橋站始發，始發井隧道中心埋深13 m;泥水分離設備距離始發井200 m左右。工程剖面如圖3所示。

本工程要完成整條隧道的施工，每條線需要安裝3 臺排泥泵(即 P2.1泵、P2.2泵、P2.3泵)和 2 臺進泥泵(即 P1.1泵、P1.2泵)。該盾構原配了 P1.1泵和 P2.1泵，需要自行配置6臺中繼泵。

右線盾構在掘進至500多m時，加上豎井高度及地面管路，排泥管路總長已達800多m，P2.1排泥泵的出口壓力明顯增大，經研究決定，在此位置安裝P2.3排泥中繼泵站。

圖3 工程縱剖面圖(單位:m)Fig.3 Longitudinal profile of tunnel(m)

2.2 主要部件選型

2.2.1 泥漿泵及驅動電機選型

本工程在此段的具體工況參數見表1。

將表1數據代入式(1)—(5)中，得到Hz=67 m，Q=650 m3/h，軸功率P=331 kW，中繼泵采用直聯傳動，配套功率N=1.1 P=364 kW;因此，需要選用的交流電機額定功率為400 kW，選用的電機為西門子400 kW交流變頻電機，渣漿泵型號為WARMAN10/8FFGH，流量900 m3/h，揚程 75.5 m，渣漿密度 1.3 kg/L，允許通過顆粒最大直徑180 mm，可以滿足工況要求。

表1 具體工況參數表Table 1 Specific parameters

2.2.2 電氣柜尺寸的確定

中繼泵的電氣控制部分包括高壓柜、低壓柜、變壓器、變頻柜及本地控制柜。中繼泵安裝在隧道一側，不能影響電瓶機車的水平運輸;因此，安裝空間比較有限，需要仔細計算每個電氣柜的最大允許尺寸。

根據工程的實際情況，按最大允許空間先做出中繼泵站支架，如圖4所示。

越江隧道管片內徑5.5 m，管片運輸車寬1.28 m，中繼泵站支架必須盡量避免影響電瓶車的水平運輸;因此，每個電氣柜深不能超過900 mm，而且要考慮到柜門打開時的情況，高不能超過2 200mm，寬度原則上不受限制。

2.2.3 其他主要部件選型

1)變頻器采用施耐德ATV61系列雙通道通風柜式變頻器，防護等級為IP54，以適應惡劣的現場環境;控制系統采用完善的故障監視和聯鎖保護，以確保設備安全可靠。

2)本地控制柜內PLC模塊采用西門子ET200M，配置IM153－1接口模塊和數字/模擬I/O模塊各1個;需要采集的信號有泵電機運行電流、轉速、泵進出口壓力信號、泵故障和緊急停止等;接受主站的信號有系統啟動、停止、調速、復位等;采用PLC控制變頻器來實現泥漿泵的無級調速。

3)本系統通訊任務復雜，環境干擾較大，對網絡系統的傳輸速度、抗干擾能力有一定要求;因此，本系統采用Profibus－DP總線與主站通信，利用西門子RS485中繼器解決傳輸距離對通訊的影響。

4)變頻器上面的主接觸器采用進口產品，電氣柜內主要電氣元件需采用質量可靠的品牌。

2.3 中繼泵的組裝調試

2.3.1 中繼泵站的組裝

P2.3中繼泵安裝示意圖如圖4所示。

圖 4 P2.3中繼泵示意圖Fig.4 Sketch of relay pump P2.3

盾構所用的高壓主線路是從中心配電室引出的10 kV高壓電，中繼泵站的用電將從主線路引出。中繼泵站的低壓出線共分4路:第1路供變頻柜泥漿泵驅動電機;第2路供隧道照明，在隧道最低點可供隧道防洪水泵;第3路供本地控制柜;第4路留作臨時照明、焊接等備用電源。

地面上的P1.1泵通過1條Profibus－DP總線電纜與盾構機主控室的主站進行通訊，中繼泵站也將借助中繼器(repeater)這條總線電纜與主站通訊。本工程的盾構數據通訊圖如圖5所示。

圖5 盾構數據通訊圖Fig.5 Shield data transfer

RS485 中繼器(repeater)［8］上下分為2 個網段，其中A1/B1和A1'/B1'是網段1的一個Profibus接口，A2/B2和A2'/B2'是網段2的一個Profibus接口。信號再生是在網段1和網段2之間實現的，同一網段內信號不能再生;2個網段之間是物理隔離的。A1/B1和A1'/B1'其實是一個Profibus接口的進口/出口的接線端子，就像Profibus接頭的進口/出口一樣，因而也涉及到終端電阻的設置問題，這也往往是在使用過程中容易出現錯誤的地方。如果設置不正確，中繼器將無法正常工作。在連接方法中，中繼器的一個網段是作為中間設備組成一個網絡拓展。西門子RS485中繼器的面板及連接方法如圖6所示。

在該網絡拓撲的網段2中，中繼器就是該網段的一個終端設備;因此，在網段2中，應該將Profibus網線接在 A1/B1上，同時網段2的終端電阻設置為“On”。網段1不是網絡終端設備，而是網絡中間的一個設備，因此，網絡1的終端電阻應當設置為“Off”，網段1上的2個終端設備P2.3泵和盾構應分別設置終端電阻。網段1和網段2的隔離開關應設置為“Off”。

2.3.2 中繼泵站的調試

調試分為2部分進行:一是本地控制調試，二是通訊及遠程控制調試。調試階段需要測試中繼泵的各項功能，確保各個部分都能正常工作。

1)送電完成后，首先觀察各個元器件及面板上的指示燈是否顯示正常。如有異常，要檢查異常原因并立即處理。

2)測試驅動電機的風機和軸封水泵的轉向是否正確，測試轉向時，一定要點動操作，能看出轉向即可。確定無誤后，將驅動電機和泥漿泵之間的聯軸器拆開，測試驅動電機的轉向;此時，還可以同時測試本地或遠程選擇開關是否能正常工作，以及泥漿泵的連鎖啟動功能。當選擇開關位于遠程位置時，本地操作應該是無效的，只有打到本地位置，才能進行本地操作。泥漿泵的啟動，一定是建立在風機和軸封水泵正常開啟，并且軸封水的壓力和流量達到要求的基礎上的，若有一項條件不滿足，泥漿泵將無法啟動;在泵運行時，若有一項出現故障(如軸封水流量不足、軸封水壓力不夠)，泵將會自動停止。本地調速旋鈕應當能正常調速。

圖6 西門子RS485中繼器及連接方法Fig.6 SIEMENS RS485 repeater

3)根據需要實現的功能，設置變頻器參數［9］。

4)泥漿泵的通訊連接及中繼器的設置需按照上述方案，盡量確保接線牢固，保證通訊質量。在主控室工業電腦的泥水環流界面激活中繼泵的控制模塊，在主程序中查詢中繼泵的Profibus地址(查詢為72)，然后在本地控制柜ET200的IM153－1接口模塊上將地址設為72。此時如果一切正常，在圖7所示的界面應當能看到泥漿泵進口和出口的壓力顯示，然后嘗試在主控室內遠程啟動。運行時圖7界面應當有泵的轉速和電流顯示。

5)用旁通模式運行泥水循環系統2 h左右，進行負載調試，期間可以啟停數次，以檢測P2.3泵的性能及連續工作能力。在負載測試期間，泵站派專人看護，隨時關注泵的運行情況;此時也可以觀察泥漿泵盤根的狀況，并進行適當調節。

6)調試結束后，完善泵站的電氣防護工作，保護措施做到位，掛好安全警示牌。

3 結論與討論

1)中繼泵的用電要從盾構的主電纜上分支，需要1個高壓分支箱來實現這個功能。本工程在高壓柜內設計了高壓分支系統，主線路在高壓柜內分為2路(一路供中繼泵站使用，另一路繼續延伸至盾構)，這樣既節省了空間，又節約了成本。

圖7 泥水循環系統界面Fig.7 Interface of slurry circulation system

2)中繼泵作為從站，通過一條Profibus－DP總線與盾構機主站連接，進行通訊。每個中繼泵都有一個Profibus地址，只有從站的地址與主站程序中的地址設置一致，才能與主站通訊，接受主站的控制。

出于安全考慮，主站程序中設置了聯鎖啟動限制，在圖7所示的泥水循環系統中，如果P2.3前邊的中繼泵不啟動，那么P2.3泵將無法啟動。本工程在安裝 P2.3泵時，結合主程序要求，先把 P2.3泵的地址設置為 P2.2泵，當作 P2.2泵來使用，隨著管路延伸，P2.2泵安裝以后，再把地址改回來，這樣就可以滿足主程序的要求。

3)中繼泵的安裝會影響正常的掘進施工時間。合理的安排工序，可以大大節省時間。在中繼泵的安裝位置出來以后，就可以在不影響掘進的情況下進行底座支架的焊接安裝，一切準備就緒，再停機安裝泥漿泵和電氣柜。

目前，自主配置的6臺中繼泵使用正常，泵站工作良好，為項目施工節省了近千萬元。考慮到設備性能及施工安全等問題，此次自主配置中繼泵的泥漿泵、變頻器等核心零件仍然采用了進口產品。隨著我國科技的進步，中繼泵的完全國產化進程也必將快速發展，進一步增強我國裝備制造業的綜合實力，提高我國重大裝備在國際市場的競爭力。

［1］ 高海旺.中繼泵的設置方案［J］.山西建筑，2010，36(31):185－186.(GAO Haiwang.Design scheme of relay pump［J］.Shanxi Architecture，2010，36(31):185 － 186.(in Chinese))

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［4］ 蔡仲銀，董崇民，汪雪英，等.南水北調中線工程潮河段隧洞盾構選型設計研究［J］.隧道建設，2010，30(1):91－96.(CAI Zhongyin，DONG Chongmin，WANG Xueying，et al.Case study on shield type selection of Chaohe tunnel on central route of South-to-North Water Transfer Project［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):91 －96.(in Chinese))

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［7］ 中鐵隧道集團武漢越江隧道項目部.武漢地鐵二號線越江隧道工程實施性施工組織設計［R］.武漢:武漢越江隧道項目部，2008.

［8］ 西門子公司.西門子RS485使用說明［K］.武漢:武漢越江隧道項目部，2009.

［9］ 施耐德公司.施耐德ATV61變頻器中文手冊［K］.武漢:武漢越江隧道項目部，2006.