土體改良試驗(yàn)平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

馮歡歡，王助鋒，張合沛

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

土壓平衡盾構(gòu)自身對地層的適應(yīng)范圍相對較窄，為擴(kuò)大對地層的適應(yīng)范圍，必須采用土體改良技術(shù)來輔助土壓平衡盾構(gòu)施工。土體改良技術(shù)作為土壓平衡盾構(gòu)法施工的一個重要組成部分，對盾構(gòu)法隧道的發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響?？v觀目前國內(nèi)各盾構(gòu)的使用工況，不難發(fā)現(xiàn)，土體改良技術(shù)的應(yīng)用情況，對降低工程造價和提高工程施工進(jìn)度都有著決定性作用。發(fā)泡劑作為一種優(yōu)良的土體改良劑，已經(jīng)得到廣泛的采用［1－5］。我國對盾構(gòu)用發(fā)泡劑的研究開發(fā)還處于起步階段，對改良劑的基本性能及其對開挖土體的改良效果缺乏研究，造成土壓平衡式盾構(gòu)中氣泡原料的浪費(fèi)。郭濤［6］提出了土壓平衡式盾構(gòu)用發(fā)泡劑性能的評價方法;喬國剛［7］進(jìn)行了泡沫改良砂土和黏土的微觀機(jī)制研究，提出了改良土“塑性流動性”特性評價試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和量化指標(biāo);汪國鋒［1］結(jié)合北京地鐵十號線一期盾構(gòu)隧道工程，對土壓平衡盾構(gòu)土體改良技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;郭勝忠［8］以沈陽地鐵1號線小什字街站——滂江街站區(qū)間為例，分析了土體改良技術(shù)在全斷面砂礫地層盾構(gòu)法施工中的應(yīng)用情況。他們大多是進(jìn)行單一的理論分析或工程實(shí)際案例分析，沒有將二者有效地結(jié)合起來。通過建立土體改良試驗(yàn)平臺，不僅可進(jìn)一步研究氣泡添加量、發(fā)泡劑濃度、發(fā)泡倍率等參數(shù)對土體改良效果的影響，還能模擬盾構(gòu)施工環(huán)境，進(jìn)而能得到更有效的數(shù)據(jù)和結(jié)論。由于試驗(yàn)平臺的推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋輸送系統(tǒng)及泡沫發(fā)生系統(tǒng)均由液壓系統(tǒng)來控制，液壓控制系統(tǒng)占據(jù)了試驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)的絕大部分，設(shè)計(jì)出高性能的液壓控制系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。本文詳細(xì)分析土體改良試驗(yàn)平臺三大液壓系統(tǒng)的液壓控制原理、主要參數(shù)計(jì)算及其控制策略。

1 土體改良試驗(yàn)平臺功能簡介

試驗(yàn)平臺要實(shí)現(xiàn)的主要功能有:1)實(shí)現(xiàn)土體改良劑的按比例加入，并能通過改變發(fā)泡劑的參數(shù)，得到泡沫添加量、發(fā)泡劑濃度、發(fā)泡倍率等與土體改良性能的關(guān)系;2)通過分析渣土流塑性情況，得到改良劑各參數(shù)與刀盤扭矩、掘進(jìn)效率等的關(guān)系;3)模擬盾構(gòu)推進(jìn)過程、密封倉土體攪拌過程、螺旋輸送機(jī)出土過程及土塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)過程。

2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理

利用同步閥來實(shí)現(xiàn)4個液壓缸的位置同步控制。推進(jìn)液壓系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 推進(jìn)功能回路原理圖Fig.1 Principle of loop of propulsion system

推進(jìn)回路的功能是通過4個相同液壓缸給試驗(yàn)筒體內(nèi)的土體施加推力，并將其緩慢壓入土倉。由于筒內(nèi)的土體質(zhì)量不斷減少，液壓缸的負(fù)載存在較大的波動，因此采用3個分流集流閥來實(shí)現(xiàn)4個液壓缸的同步運(yùn)動。3個分流集流閥按圖1所示連接，閥3通過的流量是閥4和閥9的2倍，在閥3分流基礎(chǔ)上再經(jīng)過閥4和閥9分流，即可保證4個液壓缸的流量相同，又實(shí)現(xiàn)了4個液壓缸的同步控制。

2.2 推進(jìn)液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由4個相同的推進(jìn)油缸組成。液壓系統(tǒng)要求的參數(shù)為:行程L=1.2 m，推進(jìn)速度 v1=0.001 m/s，快退速度 v2=0.001 m/s，最大推力F=2 600 kN，泵的工作壓力P1=25 MPa。

2.2.1 液壓缸無桿腔直徑D及活塞桿直徑d計(jì)算液壓缸無桿腔直徑

按GB/T 2348—1993圓整后取 D=200 mm，d=0.7D=140 mm。因此可確定液壓缸的尺寸為φ200/140×1 200 mm。

2.2.2 泵的參數(shù)計(jì)算與選型

推進(jìn)油缸所需最大流量為Qmax，則推進(jìn)時

根據(jù)系統(tǒng)工作壓力及流量需求，選用軸向柱塞斜盤式變量泵，其排量為55 r/min。

2.2.3 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選型

電機(jī)輸出功率

式中:ηpm和ηpv分別為泵的機(jī)械效率和容積效率，均取0.95。

參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(JB/T 10447—2004)，選取電機(jī)的功率為37 kW。

3 螺旋輸送液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 螺旋輸送液壓系統(tǒng)原理

螺旋輸送機(jī)是試驗(yàn)平臺的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是將土倉內(nèi)的渣土排出筒體。土倉內(nèi)泥土通過螺旋桿輸送壓縮形成密封土塞，形成一定的阻力，可保持土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。試驗(yàn)平臺運(yùn)行時，要求螺旋輸送機(jī)能根據(jù)土倉壓力的反饋信號實(shí)時精確控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確保土倉壓力處于平衡狀態(tài)［9］。采用電比例反饋控制的螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)，可實(shí)時控制螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2為螺旋輸送機(jī)液壓原理圖。

3.2 螺旋輸送液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及功能要求，對螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速0～25 r/min;螺旋輸送機(jī)額定轉(zhuǎn)矩2 500 N·m;螺旋輸送機(jī)最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩3 200 N·m。

3.2.1 馬達(dá)

馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速

式中:nmax為螺旋輸送機(jī)最大轉(zhuǎn)速;ij為齒輪箱傳動比，取 5.6。

馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)矩

式中:Tmax為螺旋輸送機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩;ηj為齒輪箱的機(jī)械效率，取為 0.95。

根據(jù)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速和最大輸出轉(zhuǎn)矩，選擇馬達(dá)的排量為400 cm3/r。

圖2 螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of hydraulic system of screw conveyor

3.2.2 主驅(qū)動泵

馬達(dá)進(jìn)出口壓差

式中:Vgm為馬達(dá)的排量;ηmm為馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.95。由于液壓系統(tǒng)為開式回路，馬達(dá)出口直接接油箱，因此可認(rèn)為系統(tǒng)的工作壓力約為10 MPa。

馬達(dá)實(shí)際所需流量

式中ηmv為馬達(dá)的容積效率，取0.95。

根據(jù)系統(tǒng)工作壓力及流量需求，選用軸向柱塞斜盤式變量泵，其排量為25 mL/r。

3.2.3 電機(jī)

泵的實(shí)際輸出功率

式中Pmax為泵的工作壓力。

電機(jī)的輸出功率

式中:ηpm為泵的機(jī)械效率，取0.95;ηpv為泵的容積效率，取 0.95。

根據(jù)計(jì)算可選用額定功率為15 kW的電機(jī)。

3.3 螺旋輸送液壓系統(tǒng)控制策略

螺旋輸送液壓系統(tǒng)根據(jù)位于密封倉內(nèi)的上壓傳感器的實(shí)測值調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)土壓力超過目標(biāo)上壓設(shè)定的上限時，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速增大，加大排土量;當(dāng)土壓力低于目標(biāo)土壓設(shè)定的下限時，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速減小，減少排土量;當(dāng)土壓力位于目標(biāo)土壓設(shè)定的范圍內(nèi)時，螺旋輸送機(jī)以定速旋轉(zhuǎn)排土。圖3為土倉內(nèi)土壓平衡調(diào)節(jié)流程。

圖3 土壓平衡機(jī)制工作流程Fig.3 Working process of earth pressure balance mechanisms

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時測量的土壓信號計(jì)算出需要的螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，然后通過調(diào)整變量泵的排量以改變控制螺旋輸送機(jī)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，安裝在馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器將測得的轉(zhuǎn)速信號反饋到控制器完成閉環(huán)控制，進(jìn)而使得馬達(dá)轉(zhuǎn)速與土壓的變化相適應(yīng)。圖4為螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖［10］。

圖4 螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖Fig.4 Control of rotation speed of screw conveyor

4 泡沫發(fā)生液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 泡沫發(fā)生液壓系統(tǒng)原理

泡沫發(fā)生系統(tǒng)的工作原理是分別利用2條可以控制壓力和流量的系統(tǒng)向發(fā)泡槍內(nèi)注入發(fā)泡劑溶液和壓縮空氣，在壓縮空氣的作用下，發(fā)泡劑溶液在發(fā)泡槍內(nèi)形成穩(wěn)定而又致密的泡沫，并將其注入到土倉中［6］。其主要液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。

4.2 泡沫發(fā)生液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算與分析得出泡沫發(fā)生系統(tǒng)主要元器件的技術(shù)參數(shù)值為:接入水壓力、風(fēng)壓力≥0.5 MPa;發(fā)泡劑容器體積為1 m3;泡沫泵壓力為0.9 MPa，排量為5～300 L/h;變頻電機(jī)功率為0.37 kW。

4.3 泡沫發(fā)生液壓系統(tǒng)控制策略

土體改良試驗(yàn)平臺泡沫發(fā)生系統(tǒng)不僅能夠向土倉內(nèi)注入泡沫進(jìn)行土體改良，還要求能夠通過實(shí)驗(yàn)分析出泡沫添加量、發(fā)泡劑濃度、發(fā)泡倍率參數(shù)等與土體改良性能的關(guān)系。因此，必須借助PLC實(shí)現(xiàn)對發(fā)泡劑、水和空氣流量的比例控制以及水和空氣壓力的可調(diào)控制。

圖5 泡沫發(fā)生液壓系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle of hydraulic system of foam generating system

4.3.1 發(fā)泡劑濃度的控制

發(fā)泡劑溶液為發(fā)泡劑與水按一定配合比混合所得溶液，發(fā)泡劑與混合液的質(zhì)量配合比為發(fā)泡劑濃度。液壓泵5控制發(fā)泡劑的流量，溢流閥3控制發(fā)泡劑的壓力，電動球閥10控制水的流量，流量傳感器8和12分別監(jiān)測發(fā)泡劑和水的流量。通過5和10能夠有效地控制發(fā)泡劑和水的混合比例，即實(shí)現(xiàn)了發(fā)泡劑濃度的控制。

4.3.2 發(fā)泡倍率的控制

發(fā)泡倍率即單位體積的發(fā)泡劑溶液所發(fā)出氣泡的體積，利用流量傳感器8，12和34可監(jiān)測發(fā)泡劑溶液和空氣的流量，通過電動球閥16和33分別調(diào)節(jié)發(fā)泡劑溶液和和壓縮空氣的相對流量，進(jìn)而控制氣泡的發(fā)泡倍率。

4.3.3 泡沫添加量的控制

泡沫添加量可以通過手動球閥19，20，21和22進(jìn)行控制。

泡沫發(fā)生系統(tǒng)由控制臺設(shè)置或維持操作，可通過3種方式來實(shí)現(xiàn):1)手動控制——完全由工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)水、氣的壓力和流量來完成泡沫劑的注入;2)半自動控制——在半自動操作方式中，要求的泡沫流量將根據(jù)開挖倉中的支承壓力注入(此種控制方式下，需要將電動調(diào)節(jié)閥一直保持在要求的設(shè)定值并顯示在指示表上);3)自動控制——在系統(tǒng)自動操作中，泡沫生產(chǎn)可以自動實(shí)現(xiàn)，不需外部干涉，僅依據(jù)推進(jìn)速度、泡沫公式及土倉中的壓力條件即可實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論與建議

分析得出，本文所設(shè)計(jì)的推進(jìn)液壓系統(tǒng)、螺旋輸送液壓系統(tǒng)及泡沫發(fā)生液壓系統(tǒng)通過合適的控制策略能滿足土體改良試驗(yàn)平臺的動力驅(qū)動及控制要求。本研究不僅為該土體改良試驗(yàn)臺的制造提高了理論依據(jù)，還能為其他類似試驗(yàn)平臺的研制提供一定的參考。但由于3個液壓系統(tǒng)是分開控制的，增加了控制元件的數(shù)量，提高了試驗(yàn)臺的制造成本。鑒于系統(tǒng)集成控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，應(yīng)該針對如何實(shí)現(xiàn)3個子液壓系統(tǒng)的集成控制作進(jìn)一步研究。

［1］ 汪國鋒.北京地鐵十號線土壓平衡盾構(gòu)土體改良技術(shù)應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(4):77－82.(WANG Guofeng.Soil improvement technologies and implementation for EPB shield in Beijing Subway Line 10［J］.Modern Tunnelling Technology，2009(4):77 －82.(in Chinese))

［2］ 馬連叢.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工渣土改良研究［J］.隧道建設(shè)，2010，30(4):411 －415.(MA Liancong.Study on ground conditioning for EPB shield in water-rich cobble ground［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):411 － 415.(in Chinese))

［3］ 朱偉，郭濤，魏康林.盾構(gòu)用氣泡的性能及對開挖土體改良效果影響［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(4):571－577.(ZHU Wei，GUO Tao，WEI Kanglin.The performance of foams in shield tunneling method and its effect on the soil conditioning［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006(4):571 －577.(in Chinese))

［4］ 劉波，黃俐，楊丹丹，等，盾構(gòu)法施工中泡沫劑效能及改良土體的試驗(yàn)研究［J］.市政技術(shù)，2009(2):154 －156，164.(LIU Bo，HUANG Li，YANG Dandan，et al.Experimental research on effciency of foaming agent and its modified-soil in shield tunneling construction［J］.Municipal Engineering Technology，2009(2):154 －156，164.(in Chinese))

［5］ 黃德中.超大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工土體改良試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(4):65 －71.(HUANG Dezhong.Research of soil improvement during super-large diameter earth pressure balanced shield［J］.Modern Tunnelling Technology，2011(4):65 －71.(in Chinese))

［6］ 郭濤.盾構(gòu)用發(fā)泡劑性能評價方法研究［D］.江蘇:河海大學(xué)土木與工程學(xué)院，2005.(GUO Tao.Study on the performance evaluation of foaming agents in PBS［D］.Jiangsu:Civil Enginesenyg，Hohai University，2005.(in Chinese))

［7］ 喬國剛.土壓平衡盾構(gòu)用新型發(fā)泡劑的開發(fā)與泡沫改良土體研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，2009.(QIAO Guogang.Development of new foam agent for EPB shield machine and foamed-soil modification［D］.Beijing:Mechanics and Architecture Engineefing，China University of Mining and Technology，2009.(in Chinese))

［8］ 郭勝忠.全斷面砂礫地層盾構(gòu)法施工土體改良技術(shù)［J］.都市快軌交通，2011(2):73 －75.(GUO Shengzhong.soil improvement techniques for full-face shield tunneling through sand and gravel stratum［J］.Urban Rapid Rail Transit，2011(2):73－75.(in Chinese))

［9］ 石前列，吳向東，黃貴川.電液比例柱塞泵控制仿真分析［J］.液壓氣動與密封，2011(6):20 －22.(SHI Qianlie，WU Xiangdong，HUANG Guichuan.Simulation analysis of electro-hydraulic proportional variable displacement piston pump［J］.Hydraulics Pneumatics ＆ Seals，2011(6):20 －22.(in Chinese))

［10］ 胡國良，龔國芳，楊華勇，等.盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)液壓驅(qū)動及控制系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，2004(12):33－36.(HU Guoliang，GONG Guofang，YANG Huayong，et al.Hydraulic drive and control system of shield screw conveyor［J］.Chinese Hydraulics ＆ Pneumatics，2004(12):33 －36.(in Chinese))