盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

暢海潮 王永新 劉夏艷

摘 要：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量導(dǎo)向、控制、材料等多學(xué)科技術(shù)于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。盾構(gòu)法施工以自動(dòng)化程度高、施工速度快、安全可靠、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于地鐵、地下隧道、飲水工程等項(xiàng)目。推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，它主要承擔(dān)著推進(jìn)任務(wù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)控制。文章簡(jiǎn)要介紹6.28m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的推力計(jì)算、推進(jìn)油缸的規(guī)格參數(shù)和數(shù)量的確定、推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；推進(jìn)油缸的控制等。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；推進(jìn)；液壓系統(tǒng)；TBM

推進(jìn)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，它主要承擔(dān)著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)任務(wù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)彎、曲線行進(jìn)、姿態(tài)控制、糾偏以及同步運(yùn)動(dòng)等功能。

推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要包括推進(jìn)泵、控制閥組、推進(jìn)缸和管路附件等。[1] 以下就6.28m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱EPB）推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹：主要包括確定盾構(gòu)的推力；推進(jìn)油缸的規(guī)格參數(shù)和數(shù)量的計(jì)算；推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；推進(jìn)油缸的控制等。

1 推力計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)在前進(jìn)過(guò)程中主要克服以下幾種力：

（1）土壓對(duì)刀盤作用力：

（1）

式中，F(xiàn)1為土壓對(duì)刀盤作用力，kN；p±為土壓，bar；D為刀盤直徑，m。

（2）上方土體對(duì)盾體的力：

（2）

式中，F(xiàn)2為上方土體對(duì)盾體的力，kN；D為刀盤直徑，m；L為盾體長(zhǎng)度，m；de為土密度，kg/m3；MU為摩檫系數(shù)。

（3）盾體摩檫力（設(shè)備重力作用產(chǎn)生力）：

（3）

式中，F(xiàn)3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(shù)。

（4）刀具產(chǎn)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(jù)每把刮刀在軟土中的推進(jìn)力約為5.6 kN、每把撕裂刀的設(shè)計(jì)最大推力為250kN，計(jì)算刀具產(chǎn)生力：

（4）

式中，F(xiàn)4為刀具產(chǎn)生力，kN。

（5）后配套牽引力：

（5）

式中，F(xiàn)5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(shù)。

（6）

式中，F(xiàn)'為推進(jìn)力，kN。

EPB推力除克服以上阻力外，還應(yīng)考慮盾構(gòu)轉(zhuǎn)向、上坡等因素，所以EPB推力為以上5種力計(jì)算之和再乘以安全系數(shù)。

F總=iF'=1.1×36009.2=39610.12kN （7）

式中，F(xiàn)總為推進(jìn)總推力，kN；i為安全系數(shù)；F'為推進(jìn)力，kN。

綜上所述，EPB推力取整為40000kN。

2 推進(jìn)油缸布置及數(shù)量

EPB推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)力是作用在管片上，因此推進(jìn)油缸的布置主要考慮管片的結(jié)構(gòu)形式、分布方位、受力點(diǎn)布置、拼裝管片方便性等因素。EPB推進(jìn)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(duì)稱。

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

3 推進(jìn)油缸計(jì)算[2]

單缸推力：

（8）

式中，F(xiàn)為單缸推力，kN；F總為推進(jìn)總推力，kN；n為油缸數(shù)量。

無(wú)桿腔直徑：

（9）

式中，F(xiàn)為單缸推力，kN；p為工作壓力，bar；D為無(wú)桿腔直徑，mm。

圓整后按標(biāo)準(zhǔn)取220mm。

活塞桿直徑：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

d=0.8D=0.8×220=176 （10）

式中，D為無(wú)桿腔直徑，mm；d為有桿腔直徑，mm。

圓整后按標(biāo)準(zhǔn)取180mm。

活塞桿強(qiáng)度計(jì)算：（活塞桿材料45號(hào)鋼，查表許用應(yīng)力？滓p=400MPa）

（11）

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

活塞桿強(qiáng)度滿足要求。

綜上：油缸尺寸？椎220×180行程2100mm

4 活塞桿穩(wěn)定性校核[3]

因?yàn)橛透卓傂谐?100mm，而活塞桿直徑為170mm，LB/d=2100/180=11.67>10，需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力：

（12）

式中，F(xiàn)K為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力，kN；E1為材料的彈性模數(shù)，Mpa；J為活塞桿橫截面慣性矩，m4；K為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)；LB為極限長(zhǎng)度，m。

（13）

式中，F(xiàn)力為活塞桿彎曲時(shí)能承受最大力，kN；FK為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界力，kN；nk為安全系數(shù)。

油缸實(shí)際推力：

（14）

式中，F(xiàn)實(shí)為單缸實(shí)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(wěn)定性滿足要求。

5 流量計(jì)算

無(wú)桿腔面積：

（15）

式中，A1為無(wú)桿腔面積，m2；D為無(wú)桿腔直徑，mm。

有桿腔面積：

（16）

式中，A2為無(wú)桿腔面積，m2；D為無(wú)桿腔直徑，mm；d為有桿腔直徑，mm。

A 推進(jìn)模式

推進(jìn)速度80 mm/min時(shí)，需要流量：

（17）

式中，q1為推進(jìn)泵供流量，L/min；n為推進(jìn)模式工作油缸數(shù)量；v1為推進(jìn)速度，A1為無(wú)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(jìn)泵供流量，L/min；n1為拼裝模式工作油缸數(shù)量；v2為推進(jìn)速度，A1為無(wú)桿腔面積，m2。

縮回（速度為3000mm/min）需要流量：

（19）

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

6 推進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖設(shè)計(jì)

6.1 液壓泵設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算可知，該系統(tǒng)在拼裝模式時(shí)需要的流量很大，壓力較低；而推進(jìn)模式時(shí)需要的壓力很高，流量較低。因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)約能源的角度考慮，考慮采用雙泵供油回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。又考慮到拼裝模式伸出、縮回需要流量以及推進(jìn)伸出需要流量都相差較大，故采用三聯(lián)泵的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖1所示：

推進(jìn)油缸在工作過(guò)程中有兩種模式，一種是掘進(jìn)模式，另一種是管片拼裝模式。[4]

掘進(jìn)模式用比例變量泵1來(lái)供油：通過(guò)給比例閥4電磁鐵賦值大小來(lái)控制斜盤擺角，從而實(shí)現(xiàn)流量控制；此時(shí)，定量泵2和3采用空載啟動(dòng)回路，流量直接通過(guò)先導(dǎo)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(gè)定量泵2和3來(lái)實(shí)現(xiàn)；油缸縮回需要流量是由變量泵1和定量泵2來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

該液壓系統(tǒng)采用2級(jí)調(diào)壓。在推進(jìn)過(guò)程中，主要是由電磁閥5的b得電，溢流閥7設(shè)定壓力350bar來(lái)保證推進(jìn)壓力。在管片拼裝過(guò)程中，主要是由電磁閥5的a得電，溢流閥6設(shè)定壓力100bar來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力控制。

6.2 油缸分組控制設(shè)計(jì)

由于地層變化頻繁、軟硬交錯(cuò)，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常通過(guò)掌子面軟硬不均地層，造成刀盤受力不均，從而使盾構(gòu)姿態(tài)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、抬頭、低頭的現(xiàn)象，導(dǎo)致盾構(gòu)的掘進(jìn)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏離。為了糾正盾構(gòu)姿態(tài)，將32個(gè)推進(jìn)油缸共16組，分成上3組、下5組、左4組、右4組共4區(qū)，每個(gè)分區(qū)都有一只油缸配置位移傳感器[5]，并可以單獨(dú)調(diào)整每組推進(jìn)油缸的推進(jìn)力和推進(jìn)行程，這樣就可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行。采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，操作者根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)每組推進(jìn)油缸的壓力，及時(shí)地調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)，從而可以使掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的軸線盡量擬合隧道設(shè)計(jì)軸線。

在獨(dú)立分組中，采用節(jié)流控制方式，通過(guò)比例溢流閥和比例調(diào)速閥來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力和流量的復(fù)合控制，提高系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其分組控制原理圖如圖2所示。

掘進(jìn)模式，壓力油從進(jìn)油口P進(jìn)油，經(jīng)過(guò)比例調(diào)速閥1后，再經(jīng)過(guò)三位四通電磁閥6（b端得電），然后壓力油經(jīng)過(guò)單向閥8后進(jìn)入推進(jìn)油缸無(wú)桿腔，壓力傳感器12將檢測(cè)到的壓力信號(hào)傳遞給PLC，最后反饋給比例溢流閥2，根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)比例溢流閥的值，以保證推進(jìn)缸輸出力；推進(jìn)速度大小的控制，則由油缸內(nèi)置位移傳感器檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給PLC，最終反饋到比例調(diào)速閥1，從而調(diào)節(jié)調(diào)速閥1開口度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。形成兩個(gè)互鎖的閉環(huán)控制，保證推進(jìn)系統(tǒng)控制精度。推進(jìn)缸有桿腔的油液直接通過(guò)三位四通電磁閥6流回油箱。另外，當(dāng)遇到硬巖或者特殊條件時(shí)，負(fù)載瞬間加大，為了保護(hù)系統(tǒng)安全，特添加溢流閥11保證推進(jìn)模式系統(tǒng)的安全。

管片拼裝模式，先是兩位兩通電磁閥7得電，把無(wú)桿腔高壓油卸荷。壓力油經(jīng)過(guò)進(jìn)油口P進(jìn)油，經(jīng)過(guò)插裝閥3（兩位四通電磁閥4得電），再經(jīng)過(guò)三位四通電磁閥6（a端得電）進(jìn)入油缸有桿腔；無(wú)桿腔的油液經(jīng)過(guò)插裝閥9（兩位兩通電磁閥10得電），直接回油箱。

當(dāng)一片管片拼裝完畢后，需要推進(jìn)缸伸出頂緊該管片。此時(shí)壓力油經(jīng)過(guò)進(jìn)油口P進(jìn)油，經(jīng)過(guò)插裝閥3（兩位四通電磁閥4得電），再經(jīng)過(guò)三位四通電磁閥6（b端得電），然后通過(guò)單向閥8后進(jìn)入油缸無(wú)桿腔；同時(shí)有桿腔的油液經(jīng)過(guò)三位四通電磁閥6后直接流回油箱。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)6.28m的TBM推進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)確定推進(jìn)油缸參數(shù)和流量計(jì)算形成了一套成熟的計(jì)算方法，并深入了解TBM的推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)思想（尤其是大流量的設(shè)計(jì)），這些成果對(duì)于以后盾構(gòu)的開發(fā)、改造及施工選型起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張成，徐莉萍，任德志，等.雙護(hù)盾推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)床與液壓，2010， 38（16）：44-46.

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[5]劉福東，郭京波.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].隧道建設(shè)，2011.

作者簡(jiǎn)介：暢海潮（1986，3-），大學(xué)本科，北方重工集團(tuán)有限公司盾構(gòu)機(jī)分公司，助理工程師。