大截面矩形隧道掘進機新型后推進系統的設計與應用

沈培堅

(上海市機械施工集團有限公司，上海 2 00072)

0 引言

眾所周知，矩形斷面隧道比圓形斷面隧道更能充分利用結構斷面，合理的形狀分布能減少土地征用量和地下掘進面積，有利于降低工程總體造價［1］，被廣泛應用于城市的地下人行通道、綜合管廊等市政隧道工程中。在矩形隧道建造中，大都采用矩形隧道掘進機成套設備，其中的后推進系統是掘進機在施工中推進的關鍵設備［2］。掘進機通過后推進系統中的液壓油缸頂伸來產生向前掘進的動力。由于各種形式的小口徑掘進機本體受后頂作用力面積較小，所用推進液壓油缸數量少，較易控制。而大截面(6 m×4 m以上)矩形隧道掘進機(以下簡稱掘進機)不同于其他形式的小口徑掘進機，因其大截面、大寬度矩形的特點，使掘進機在初始以及在以后的各個掘進階段會受到各個方向的作用力，特別是受后推進左右兩邊的頂力影響比較大，通常容易形成水平方向的左右偏差，控制比較困難。

上海陸家嘴中心區域地下空間項目工程，分別建造4條(6 m×4 m)地下矩形通道來連接上海中心、國金中心、金融大廈、環球大廈和地下空間區域等地下部分，形成一個共同的地下空間。由于項目四周都是高樓大廈，地面道路均是主干道，地質情況復雜，始發井設置與施工難度較高。工程需要采用不設接收井在封閉空間內掘進機進洞，以及在狹小始發井內采用掘進機斜向出洞等用于特殊環境下的矩形隧道建造技術。這種工況不僅增加了掘進機作業的難度，也加大了后推進系統左右兩邊偏差控制的難度，如果后推進系統不能起到有效的控制作用，將會引起掘進機推進軸線發生偏差，影響掘進機的準確進洞。所以，在施工措施中，后推進系統對于確保工程的實施將起到關鍵性的作用。

近年來，國內外已有許多關于矩形隧道掘進機的施工、進洞、風險分析及應對措施的相應研究成果。文獻［3］介紹了3．3 m ×2．5 m 矩形頂管機頂推力對施工的影響;文獻［4］研究了矩形頂管斜向出洞的設計、施工要點;文獻［5］通過對大斷面矩形頂管始發常見風險進行分析，做出了防止栽頭和扭轉姿態的應對措施;文獻［6］敘述了頂管掘進機液壓油缸同步伸縮控制技術;文獻［7］探討了變頻驅動技術在電機控制中的應用。以上相關文獻在論述后推進系統對控制掘進機斜向出洞的左右偏差控制的作用與重要性方面比較少，敘述后推進系統液壓油缸同步伸縮控制相對于斜向出洞的施工需求針對性不夠，對變頻電機直接應用于后推進系統液壓控制未作詳盡描述。傳統的后推進系統存在的問題是:液壓油缸整體同步伸縮控制方式在應對斜向出洞左右頂推力差異較大的工況時，左右偏差控制比較困難;在操作上設立單獨控制臺，與掘進機主機分開工作，使施工作業不協調;在控制上采用單片機作為控制主機，抗干擾性差，故障率高，不易調試與擴展;在液壓系統方面，傳統控制響應速度較慢，影響糾偏效率，且結構復雜、故障較多等。為此，本文以上海陸家嘴中心區地下空間開發項目為背景，著重開展對掘進機新型后推進系統創新設計，來有效地解決上述存在的難題。研究的技術創新措施包括:采用液壓油缸左右側分別同步伸縮控制技術，將能充分克服掘進機斜向出洞時左右頂推力差異較大的難題;設計把后推進系統操作與控制功能融入掘進機主控系統的方案，省去單獨控制臺，使操控協調、直觀簡便;用PLC替代單片機控制來為施工軸線糾偏提供保障，降低系統故障率，更便于調試與升級;將采用變頻電機直接控制液壓定量泵技術，能保證偏差控制可靠、響應快速，既節能又優化液壓系統結構。本文還將對新型后推進系統的監控系統和實際施工操作進行詳盡論述。

1 系統構架

掘進機新型后推進系統的總體構架設計涵蓋了控制系統、操作系統、液壓系統和監控系統等。系統結構示意如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖Fig．1 Structure of rear propulsion system

2 系統工作原理

系統后推進油缸組設計為左右兩側分別同步控制形式，使兩邊油缸能各自分別靈活作業。采用計算機PLC控制技術，可在控制室確定手動或自動模式工作，在人機對話觸摸屏、操作面板上發出控制指令，PLC主站將信息通過CC-Link網絡傳遞到各個 CC-Link子站。由地面控制柜CC-Link子站來控制左右2臺變頻器驅動液壓系統泵站工作，使左右兩側后推進油缸伸出帶動頂鐵、混凝土管段向前推進掘進機，并通過左右兩側井下控制柜的CC-Link子站來控制左右兩側后推進油缸的液壓閥組。系統各類傳感器通過對水平方向左右兩側后推進油缸的伸出行程、速度和壓力檢測，以及全站儀的推進軸線測量，經過綜合分析、運算處理來解決左右兩側后推進油缸的行程偏差控制問題，同時對兩側后推進油缸推進壓力與速度進行作業同步控制，保持壓力均衡，以實現施工軸線處于有效控制范圍內的目的。系統控制原理如圖2所示。

3 系統技術方案

3．1 控制系統

3．1．1 結構

地面控制部分，由控制室、掘進機主站PLC(三菱A2US1)、后推進 CC-Link網絡主站模塊(三菱A1SJ61BT11)、地面控制柜和 CC-Link子站(三菱AJ65SBTB1-32DT、AJ65SBT-64AD、AJ65SBT-62DA)、2套驅動變頻器(富士變頻器FRN30G11S-4、電抗器DCR4-30)和CC-Link通信電纜等組成，形成地面控制構架。PLC主站與CC-Link主站通信模塊見圖3。地面控制柜、CC-Link子站和變頻器見圖4。AJ65SBT-64AD、AJ65SBTB1-16T 型)、激 光 距離(Baumer:OADM 12型)和壓力傳感器(PT124B-210型)，包括CC-Link通信電纜等組成，形成井下控制構架。井下控制柜、液壓閥組和CC-Link子站見圖5。

圖2 系統控制原理示意圖Fig．2 Control principle of rear propulsion system

圖3 PLC主站與CC-Link主站通信模塊Fig．3 Communication module of PLC master station and CC-Link master station

圖4 地面控制柜、CC-Link子站和變頻器Fig．4 Ground surface control cabin，CC-Link subsite and inverter

圖5 井下控制柜、液壓閥組和CC-Link子站Fig．5 Underground control cabin，hydraulic valve group and CC-Link subsite

3．1．2 原理與特點

控制系統是后推進系統的大腦與神經，故設計了采用PLC可編程控制器來作為整套控制系統的核心。PLC具有系統功能強、可靠性高等一系列優點，解決了傳統單片機控制存在抗干擾能力差、故障率高、不易調試與擴展等問題。系統由掘進機PLC主站組合后推進專用CC-Link網絡主站模塊構成工作主站，二級網絡采用CC-Link形式，是一個可同時進行控制和信息傳遞的高速現場總線［8］。與地面、井下的控制柜中的CC-Link子站構成局域網控制。由主站對各個子站進行作業指令的發送、數據傳輸采集和運算處理。

系統創新地借用了掘進機PLC主站(傳統方法都是分別設控制系統)，在主站機架上插入用于后推進控制的CC-Link主站模塊，將后推進控制功能融入掘進機的控制系統，使2套系統合二為一，節省了1套后推進控制PLC硬件系統(見圖3)。

系統通過優化設計，使結構合理、功能齊全、控制安全可靠，實現了后推進系統與掘進機主機共同遠程控制和操縱。具有報警和連鎖功能，能對各電機和控制回路進行必要的保護，配合觸摸屏實時顯示系統的工作狀態及故障狀態［9］，發揮監控和信號指示等作用。

3．2 操作系統

3．2．1 結構

系統由操作臺、操作面板、2臺光洋GC-56LC型10″彩顯觸摸屏、通信電纜與地面控制柜操作面板等組成，形成操作構架。由于將后推進控制功能結合進掘進機的主控系統，所以傳統的后推進單獨操作臺就省略了，技術優勢明顯。傳統后推進系統獨立操作臺與現操作臺如圖6所示。

圖6 傳統后推進系統獨立操作臺與現操作臺Fig．6 Conventional independent console Vs current console

3．2．2 原理

在作業前，可在觸摸屏上設置控制模式(手動或自動、聯機或脫機)，選擇所需要工作的后掘進機油缸，在操作面板上啟動左右泵站工作。操作界面示意如圖6所示。

在推進時，可確定手動、聯機模式工作，由操作人員根據工作軸線的偏差、后推進油缸的行程差和壓力值，在操作面板上進行左右兩側后推進油缸推進速度的手動調節，聯機模式使掘進機與后推進系統有相關邏輯連鎖關系。在自動模式工作時，則由系統根據設定的初始速度自動推進，同時根據采集的掘進數據，自動進行推進控制。

在管段安裝時，需采用手動、脫機模式工作，即掘進機與后推進系統解除連鎖關系，由后推進系統單獨進行相關安裝及輔助工作。

地面控制柜操作面板有手動與自動2種操作模式。本地模式時，主要是用于液壓泵、變頻器安裝后的調試以及故障檢修和維護時的手動操作。地面控制柜操作面板如圖7所示。遠程模式時，則由PLC進行遠程控制。

3．3 液壓系統

3．3．1 結構

系統把液壓泵站安置在地面始發井邊，把16個液壓油缸分成2組安裝在導軌上，每組各8個。油缸為等推力油缸，行程2 500 mm，推力2 000 kN。系統由液壓油缸組、液壓泵站(油箱、油壓表、油位表，30 kW工作電機、定量泵與電磁閥組等)和壓力傳感器、液壓管路，以及安裝在后推進油缸組邊上的油缸液壓控制電磁閥等構成。后推進油缸和液壓泵站如圖8所示。

創新地把系統左右兩側液壓油缸組的驅動液壓系統各自分開獨立設計，在液壓結構上予以徹底分開，可充分應對左右兩側頂推力差異較大的工況，排除了相互間的控制干擾。系統采用2套液壓泵、電磁閥、電機、變頻器和井下液壓閥組，實施分別同步驅動控制。其液壓原理如圖9所示。

圖7 地面控制柜操作面板Fig．7 Operation panel of control cabin at ground surface

圖8 后推進油缸和液壓泵站Fig．8 Hydraulic cylinders and hydraulic pump station of rear propulsion system

圖9 液壓原理圖Fig．9 Principle of hydraulic system

3．3．2 原理與特點

系統工作時，由地面控制柜中的2臺變頻器驅動液壓泵站中的工作電機與液壓定量泵，通過改變2臺變頻器的輸出頻率，來分別對2臺液壓定量泵的轉速進行控制，進而達到對2路液壓輸出流量的控制，使左右兩側的后推進油缸組的推進速度分別得到有效的控制。同時由2臺井下控制柜通過液壓控制閥組對左右兩側后推進油缸組進行伸縮數量的控制。實現了后推進油缸組左右兩側分別同步推進的控制，解決了傳統系統只能整體同步控制而無法有效應對左右推力差異較大的難題，具有較大的技術創新優勢。

系統采用獨特的變頻器直接控制電機驅動液壓定量泵的技術，使系統控制極為可靠、伸縮響應迅速，效果好，還省去了價格昂貴的液壓變量泵、比例閥和比例放大器。傳統液壓泵站的設計，都將液壓控制閥組安裝在站內，每根油缸需要2根工作油管，共需要16根工作油管從地面傳輸到井下。而本系統采用了CC-Link控制模式，液壓控制閥組可從泵站內轉移到左右兩側后推進油缸組邊，由井下控制柜通過CC-Link子站直接進行控制，這樣地面的液壓泵站只要通過4根液壓管路(二側各1根進油管和回油管)即可抵達井下的液壓控制閥組，使整個液壓系統結構簡單合理，既便于安裝和調試，又節約了大量的材料與費用，具有節能降耗的優點。傳統液壓構件與現液壓構件的對比如圖10所示。

3．4 監控系統

系統配備4路攝像機，1臺大屏幕彩色顯示器，1臺視頻矩陣切換器，1套網絡適配器。系統具有井下后推進油缸組、掘進機、井上和場地圖像傳輸與共同顯示功能，顯示畫面可進行相互切換，保證對施工的作業場面監控。特別是在后推進油缸組兩側設置了網絡攝像機，不但能使控制室進行實時監控，還能借助網絡向指揮中心傳送圖像信號［10］。顯示器、視頻矩陣切換器和網絡適配器如圖11所示。

系統觀察范圍較大，可滿足整個施工區域的監控，并且可適應各種復雜的環境條件。

圖11 顯示器、視頻矩陣切換器和網絡適配器Fig．11 Monitor，video matrix switcher and network adapter

4 實際施工操作

4．1 工程現場

始發井位于上海環球金融中心大廈邊，掘進機向上海中心大廈方向斜向推進。后推進系統的施工布置結構如圖12所示。

圖12 施工布置結構示意圖Fig．12 Layout of construction devices

4．2 后推進操作

系統在實際施工中，根據矩形隧道掘進的施工工藝，以及測量的掘進機工作軸線與左右兩側后推進油缸行程監測數據，結合掘進機控制界面、后推進裝置操作觸摸屏、操作面板和監控系統進行綜合操縱控制。操作人員通過控制界面和操作臺控制開關，進行作業數據輸入，實施頂進、出洞、進洞、混凝土管節安裝等施工。

4．2．1 控制界面

后推進操作的控制界面由泵站啟動和作業操作這2個觸摸屏界面構成。本設計開發了系統專用人機對話控制界面，比傳統的機械式按鈕操作方式提升了技術層次，使操作更加直觀、方便，提高了作業效率和可靠性，降低了故障率。

4．2．2 主要控制操縱

1)推進準備。首先要按照施工作業指令，設定推進工作軸線參數，啟動水泵、油冷卻泵和風機工作，選擇左右兩側需工作的后頂油缸的數量與位置，確定操作模式。

2)推進作業。在初始掘進時應采用手動操作模式工作。操作人員根據左右兩側后推進油缸行程偏差，手動調節后推進油缸的左右頂進速度。同時，要求頂進管段自始至終都要在測量工作的嚴格控制下進行［11］，保持全站儀全程對軸線偏差的測量。要時刻觀察后推進系統的液壓推力、掘進機的推進工況、土壓平衡變化狀態，并通過視頻監控系統察看后推進油缸實際的伸縮情況，合理地控制后推進油缸的推進速度與推力。

在自動操作模式工作時，需設定頂進初始速度，然后進行油缸的作業加載。系統將根據左右兩側后推進油缸行程偏差和軸線偏差，來自動調節后推進油缸的左右頂進速度。當PLC主站檢測到掘進機的推進方向往左偏離軸線時，PLC便自動向左側后推進油缸組的液壓驅動變頻器發出加大推進頻率的輸出指令，同時向右邊后推進油缸的液壓驅動變頻器發出減小推進頻率的輸出指令。對左右兩側后推進油缸伸縮的速度與行程偏差進行同步修正，使掘進機本體逐漸向右靠近設計軸線，回歸到正確的前進方向上。反之，則相反處理。同時，將根據土壓平衡、液壓推力和油箱溫度等情況，自動作出速度的調整或停止作業等措施，使推進達到最佳的施工控制狀況。

4．2．3 推進流程

在縮回全部后推進油缸后，將第1節管段吊下工作井，安裝在掘進機后面，后推進油缸伸出開始頂進。當后推進油缸達到最大行程后，本節管段頂進結束。操作臺手動操縱后推進油缸全速縮回，再吊入第2節管段，接著繼續頂進。如此循環，直至頂完全程［12］，把所有混凝土管段全部頂入矩形隧道完成施工。

4．2．4 實施效果

本系統于2013年7月和10月在上海浦東陸家嘴中心區，應用于連接上海中心和環球金融大廈之間，以及上海中心與地下空間區域的地下矩形通道斜向出洞的掘進施工中，取得了成功。系統還將繼續運用于連接上海浦東陸家嘴中心區各個大廈之間的地下矩形通道掘進施工。

5 結論與探討

1)大截面矩形隧道掘進機新型后推進系統是地下矩形隧道施工的核心設備之一，對于確保工程的順利實施起到了關鍵性的作用。

2)在上海浦東陸家嘴中心區地下矩形通道工程中，針對采用掘進機斜向出洞的施工工藝特點，以及掘進機在掘進階段受到左右方向作用力影響較大的特征，研制了適用于該施工工藝與相關工藝的后推進系統，對系統進行了技術創新設計，具有較強的實用性與可操縱性，在施工中得到了很好的實踐應用。

3)本文研究的各項創新舉措，與傳統的研究相比，具有較大技術優勢，充分體現出系統的先進性、實用性和可靠性。

4)本文的研究對類似工程和大截面矩形隧道掘進機的施工技術實踐有著積極的推進和借鑒作用，并且同樣適用于大直徑圓形掘進機的施工作業。

5)目前系統推進液壓油缸(同組)只能同時做伸或縮的操作，尚存在無法使同組油缸既有在做伸的動作，同時又有其他油缸在做縮動作的難題，影響了施工效率的提高;系統的控制方式還不夠豐富;系統抗干擾性能力還不太強;研制成本偏高。這些問題都有待于進一步研究、討論和解決。

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