盾構機推進液壓系統設計

暢海潮 王永新 劉夏艷

摘 要：盾構掘進機是一種集機械、電氣、液壓、測量導向、控制、材料等多學科技術于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備。盾構法施工以自動化程度高、施工速度快、安全可靠、對周邊環境影響小等優點，已廣泛用于地鐵、地下隧道、飲水工程等項目。推進系統是盾構機的關鍵系統，它主要承擔著推進任務，同時能夠實現姿態控制。文章簡要介紹6.28m土壓平衡盾構機的推力計算、推進油缸的規格參數和數量的確定、推進液壓系統設計；推進油缸的控制等。

關鍵詞：盾構機；推進；液壓系統；TBM

推進系統是盾構機的關鍵系統，它主要承擔著盾構機的推進任務，同時能夠實現盾構機的轉彎、曲線行進、姿態控制、糾偏以及同步運動等功能。

推進液壓系統主要包括推進泵、控制閥組、推進缸和管路附件等。[1] 以下就6.28m土壓平衡盾構機（以下簡稱EPB）推進液壓系統設計做簡要介紹：主要包括確定盾構的推力；推進油缸的規格參數和數量的計算；推進液壓系統設計；推進油缸的控制等。

1 推力計算

盾構機在前進過程中主要克服以下幾種力：

（1）土壓對刀盤作用力：

（1）

式中，F1為土壓對刀盤作用力，kN；p±為土壓，bar；D為刀盤直徑，m。

（2）上方土體對盾體的力：

（2）

式中，F2為上方土體對盾體的力，kN；D為刀盤直徑，m；L為盾體長度，m；de為土密度，kg/m3；MU為摩檫系數。

（3）盾體摩檫力（設備重力作用產生力）：

（3）

式中，F3為盾體摩檫力，kN；m為盾體重量，kg；g為重力加速度；f為摩檫系數。

（4）刀具產生力：

刀盤上共安裝了60把刮刀、12把周邊刮刀、撕裂刀26把。根據每把刮刀在軟土中的推進力約為5.6 kN、每把撕裂刀的設計最大推力為250kN，計算刀具產生力：

（4）

式中，F4為刀具產生力，kN。

（5）后配套牽引力：

（5）

式中，F5為后配套牽引力，kN；m1為后配套重量，kg；g為重力加速度；f為摩檫系數。

（6）

式中，F'為推進力，kN。

EPB推力除克服以上阻力外，還應考慮盾構轉向、上坡等因素，所以EPB推力為以上5種力計算之和再乘以安全系數。

F總=iF'=1.1×36009.2=39610.12kN （7）

式中，F總為推進總推力，kN；i為安全系數；F'為推進力，kN。

綜上所述，EPB推力取整為40000kN。

2 推進油缸布置及數量

EPB推進時，推進力是作用在管片上，因此推進油缸的布置主要考慮管片的結構形式、分布方位、受力點布置、拼裝管片方便性等因素。EPB推進油缸采用圓周均布，可以保證管片受力平衡、Key塊方便安裝、油缸上下左右布置均對稱。

推進缸數量取決于一環管片軸向穿螺栓孔數量。采用5+1管片，軸向一圈螺栓孔數量為16個。該設備采用16組油缸（雙撐靴，防止撐靴因重力左右旋轉，破壞管片止水條），共32個油缸。

3 推進油缸計算[2]

單缸推力：

（8）

式中，F為單缸推力，kN；F總為推進總推力，kN；n為油缸數量。

無桿腔直徑：

（9）

式中，F為單缸推力，kN；p為工作壓力，bar；D為無桿腔直徑，mm。

圓整后按標準取220mm。

活塞桿直徑：根據經驗公式

d=0.8D=0.8×220=176 （10）

式中，D為無桿腔直徑，mm；d為有桿腔直徑，mm。

圓整后按標準取180mm。

活塞桿強度計算：（活塞桿材料45號鋼，查表許用應力？滓p=400MPa）

（11）

式中，σ為活塞桿許用應力，Mpa；F為單缸推力，kN；d為有桿腔直徑，mm。

活塞桿強度滿足要求。

綜上：油缸尺寸？椎220×180行程2100mm

4 活塞桿穩定性校核[3]

因為油缸總行程2100mm，而活塞桿直徑為170mm，LB/d=2100/180=11.67>10，需要進行穩定性校核。

活塞桿彎曲失穩臨界力：

（12）

式中，FK為活塞桿彎曲失穩臨界力，kN；E1為材料的彈性模數，Mpa；J為活塞桿橫截面慣性矩，m4；K為液壓缸安裝及導向系數；LB為極限長度，m。

（13）

式中，F力為活塞桿彎曲時能承受最大力，kN；FK為活塞桿彎曲失穩臨界力，kN；nk為安全系數。

油缸實際推力：

（14）

式中，F實為單缸實際最大推力，kN；D為活塞桿直徑，mm；p為最大工作壓力，bar。

所以穩定性滿足要求。

5 流量計算

無桿腔面積：

（15）

式中，A1為無桿腔面積，m2；D為無桿腔直徑，mm。

有桿腔面積：

（16）

式中，A2為無桿腔面積，m2；D為無桿腔直徑，mm；d為有桿腔直徑，mm。

A 推進模式

推進速度80 mm/min時，需要流量：

（17）

式中，q1為推進泵供流量，L/min；n為推進模式工作油缸數量；v1為推進速度，A1為無桿腔面積，m2。

B 拼裝模式

伸出（速度為2000mm/min）需要流量：

（18）

式中，q2為推進泵供流量，L/min；n1為拼裝模式工作油缸數量；v2為推進速度，A1為無桿腔面積，m2。

縮回（速度為3000mm/min）需要流量：

（19）

式中，q3為推進泵供流量，L/min；n1為拼裝模式工作油缸數量；v3為推進速度，A2為有桿腔面積，m2。

6 推進系統液壓原理圖設計

6.1 液壓泵設計

通過計算可知，該系統在拼裝模式時需要的流量很大，壓力較低；而推進模式時需要的壓力很高，流量較低。因此從提高系統效率、節約能源的角度考慮，考慮采用雙泵供油回路來實現。又考慮到拼裝模式伸出、縮回需要流量以及推進伸出需要流量都相差較大，故采用三聯泵的形式來實現，如下圖1所示：

推進油缸在工作過程中有兩種模式，一種是掘進模式，另一種是管片拼裝模式。[4]

掘進模式用比例變量泵1來供油：通過給比例閥4電磁鐵賦值大小來控制斜盤擺角，從而實現流量控制；此時，定量泵2和3采用空載啟動回路，流量直接通過先導溢流閥11和12流回油箱。

管片拼裝模式油缸伸出需要流量是由變量泵1、兩個定量泵2和3來實現；油缸縮回需要流量是由變量泵1和定量泵2來實現。

泵出口處安裝了單向閥13、14、15，可防止當系統檢修或泵停止工作時油液倒流；同時14和15還能保證推進模式高壓油倒流到定量泵中。

該液壓系統采用2級調壓。在推進過程中，主要是由電磁閥5的b得電，溢流閥7設定壓力350bar來保證推進壓力。在管片拼裝過程中，主要是由電磁閥5的a得電，溢流閥6設定壓力100bar來實現壓力控制。

6.2 油缸分組控制設計

由于地層變化頻繁、軟硬交錯，盾構機經常通過掌子面軟硬不均地層，造成刀盤受力不均，從而使盾構姿態產生偏轉、抬頭、低頭的現象，導致盾構的掘進軸線與隧道設計軸線發生偏離。為了糾正盾構姿態，將32個推進油缸共16組，分成上3組、下5組、左4組、右4組共4區，每個分區都有一只油缸配置位移傳感器[5]，并可以單獨調整每組推進油缸的推進力和推進行程，這樣就可以實現盾構左轉、右轉、抬頭、低頭或直行。采用激光導向系統對盾構的姿態進行監控，操作者根據反饋信息調節每組推進油缸的壓力，及時地調整盾構的姿態，從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。

在獨立分組中，采用節流控制方式，通過比例溢流閥和比例調速閥來實現壓力和流量的復合控制，提高系統的控制精度和動態響應，其分組控制原理圖如圖2所示。

掘進模式，壓力油從進油口P進油，經過比例調速閥1后，再經過三位四通電磁閥6（b端得電），然后壓力油經過單向閥8后進入推進油缸無桿腔，壓力傳感器12將檢測到的壓力信號傳遞給PLC，最后反饋給比例溢流閥2，根據負載大小自動調節比例溢流閥的值，以保證推進缸輸出力；推進速度大小的控制，則由油缸內置位移傳感器檢測到的信號傳遞給PLC，最終反饋到比例調速閥1，從而調節調速閥1開口度大小來實現。形成兩個互鎖的閉環控制，保證推進系統控制精度。推進缸有桿腔的油液直接通過三位四通電磁閥6流回油箱。另外，當遇到硬巖或者特殊條件時，負載瞬間加大，為了保護系統安全，特添加溢流閥11保證推進模式系統的安全。

管片拼裝模式，先是兩位兩通電磁閥7得電，把無桿腔高壓油卸荷。壓力油經過進油口P進油，經過插裝閥3（兩位四通電磁閥4得電），再經過三位四通電磁閥6（a端得電）進入油缸有桿腔；無桿腔的油液經過插裝閥9（兩位兩通電磁閥10得電），直接回油箱。

當一片管片拼裝完畢后，需要推進缸伸出頂緊該管片。此時壓力油經過進油口P進油，經過插裝閥3（兩位四通電磁閥4得電），再經過三位四通電磁閥6（b端得電），然后通過單向閥8后進入油缸無桿腔；同時有桿腔的油液經過三位四通電磁閥6后直接流回油箱。

7 結束語

通過對6.28m的TBM推進液壓系統的設計，對確定推進油缸參數和流量計算形成了一套成熟的計算方法，并深入了解TBM的推進系統的結構及其設計思想（尤其是大流量的設計），這些成果對于以后盾構的開發、改造及施工選型起到積極的作用。

參考文獻

[1]張成，徐莉萍，任德志，等.雙護盾推進液壓系統設計與研究[J].機床與液壓，2010， 38（16）：44-46.

[2]周德繁，張德生.液壓與氣壓傳動[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2013.

[3]李壯云.液壓氣動與液力工程手冊：上冊[M].北京：電子工業出版社，2008.2：375-379.

[4]王國義.盾構推進系統及故障排除[J].山西建筑，2008，26（2）：338-340.

[5]劉福東，郭京波.土壓平衡盾構機推進液壓系統設計分析[J].隧道建設，2011.

作者簡介：暢海潮（1986，3-），大學本科，北方重工集團有限公司盾構機分公司，助理工程師。