液壓推進(jìn)系統(tǒng)在土壓盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用分析?

廖雪梅

（首鋼工學(xué)院，北京 100144）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快以及城市地下空間的進(jìn)一步利用，我國開始大規(guī)模地引進(jìn)、應(yīng)用國際先進(jìn)的盾構(gòu)施工技術(shù)和設(shè)備。

盾構(gòu)是一種集機(jī)、電、液、氣、光等技術(shù)為一體的大型隧道施工工程機(jī)械。盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)主要分為8個(gè)液壓單元系統(tǒng)，其中液壓推進(jìn)系統(tǒng)在盾構(gòu)正常工作中占有重要的地位。本文主要介紹盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理和液壓推進(jìn)系統(tǒng)的原理與應(yīng)用。

1 盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓泵站在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向各液壓系統(tǒng)提供一定壓力的動(dòng)力液壓油，在各液壓閥件的控制下，通過動(dòng)力液壓油的作用，完成油缸的伸縮或者液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，從而完成盾構(gòu)機(jī)的刀盤旋轉(zhuǎn)、盾構(gòu)的前進(jìn)、管片的拼裝和管片移運(yùn)等工作。

盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)液壓系統(tǒng)原理框圖

2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)在土壓盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用分析

2.1 推進(jìn)及鉸接系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)動(dòng)力來自推進(jìn)液壓系統(tǒng)中推進(jìn)油缸的工作，推進(jìn)油缸是推進(jìn)系統(tǒng)中的最終執(zhí)行部件。在推進(jìn)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的工作順序?yàn)椋菏紫葐?dòng)液壓泵站的電機(jī)，帶動(dòng)液壓泵工作，液壓泵泵送出動(dòng)力液壓油，動(dòng)力液壓油經(jīng)管路傳輸?shù)酵七M(jìn)油缸的控制閥組，液壓油在閥組的控制下進(jìn)入推進(jìn)油缸的有桿腔或無桿腔，從而實(shí)現(xiàn)油缸的伸縮；在油缸收縮時(shí)，液壓油同樣需要通過控制閥組的控制經(jīng)控制閥組和管路流回安裝在二號拖車上的油箱。

推進(jìn)系統(tǒng)的液壓油供給泵位于盾構(gòu)機(jī)二號拖車上，在一個(gè)75kW的電機(jī)帶動(dòng)下工作；控制閥組位于盾構(gòu)機(jī)的中體內(nèi)，每組油缸都對應(yīng)有相應(yīng)的控制閥，每組油缸在控制閥的控制下都可以單獨(dú)工作。

2.2 注漿系統(tǒng)及管片移運(yùn)系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)主要由4個(gè)柱塞泵完成泵送出砂漿的工作，過濾后的液壓油經(jīng)兩個(gè)節(jié)流分流閥分流，在液壓閥件的控制下液壓油進(jìn)入油缸形成進(jìn)油和回油回路，促使油缸完成伸縮動(dòng)作。在管片移運(yùn)系統(tǒng)回路中，油液經(jīng)過單向閥、溢流閥和調(diào)速閥后流入油缸，其中單向閥對油液的流向進(jìn)行控制，確保單方向形成回路，有效預(yù)防油缸非正?；乜s；溢流閥在油壓過大時(shí)溢流減壓；調(diào)速閥對油液的流速進(jìn)行控制。

2.3 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及超挖刀液壓系統(tǒng)

在刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，首先啟動(dòng)補(bǔ)油泵和液壓泵工作，將泵送出的液壓油經(jīng)過濾器過濾后，輸送至液壓泵，液壓泵泵送出的動(dòng)力液壓油經(jīng)管路傳輸?shù)津?qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，在8個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)中，2號馬達(dá)帶有制動(dòng)裝置，由控制油路供給的液壓油經(jīng)過蓄能器后與2號馬達(dá)相連，當(dāng)馬達(dá)制動(dòng)時(shí)，蓄能器的液壓油對馬達(dá)進(jìn)行制動(dòng)緩沖，降低制動(dòng)過程中產(chǎn)生的沖擊。

在超挖刀液壓系統(tǒng)中，液壓原理與上述類似，不同的是電機(jī)采用7.5kW電機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用50mm的油缸。

2.4 控制油路液壓系統(tǒng)及螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)

控制油路主要用來控制螺旋輸送機(jī)液壓泵站的液控?fù)Q向閥，通過油路與蓄能器相連來緩沖刀盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，油路中布置有電磁閥和溢流閥，當(dāng)油路油壓過大時(shí)，進(jìn)行溢流泄壓；另外通過手動(dòng)閥、溢流閥對驅(qū)動(dòng)馬達(dá)油路油壓過大時(shí)進(jìn)行溢流減壓。

系統(tǒng)回路的泵站控制閥與控制油路連接，在啟動(dòng)泵站工作前首先應(yīng)啟動(dòng)控制油路開始工作，然后啟動(dòng)系統(tǒng)供油泵站工作泵送出高壓液壓油，油液經(jīng)管路傳輸至螺旋機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)連接的還有補(bǔ)油泵，當(dāng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作油壓不足時(shí)，補(bǔ)油泵輸出油液進(jìn)行油液補(bǔ)充，以確保馬達(dá)的正常工作。

所有的電氣控制部分都在主控室完成，操作伸縮按鈕接通電磁閥工作，從而使油路暢通，完成各油缸的伸縮。

3 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)液壓推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：確定盾構(gòu)的推力；確定推進(jìn)油缸的規(guī)格參數(shù)、外形尺寸和數(shù)量；確定推進(jìn)油缸的布置方式；確定推進(jìn)油缸的控制。液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理圖

3.1 盾構(gòu)推力計(jì)算

盾構(gòu)向前行進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)千斤頂應(yīng)有足夠的推力克服盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)所遇到的阻力。這些推進(jìn)阻力主要有：

（1）盾構(gòu)四周與地層間的摩擦阻力或粘結(jié)力F1：

其中：μ1為鋼與土的摩擦因數(shù)，取0.3；D為盾構(gòu)機(jī)外徑；LM為盾構(gòu)本體長度；pm為作用在盾構(gòu)上的平均土壓力；G1為盾構(gòu)重量。

（2）盾構(gòu)刀具切入土層產(chǎn)生的貫入阻力F2：

（3）開挖面正面作用在切削刀盤上的推進(jìn)阻力F3：

其中：pf為開挖面正面阻力（支護(hù)千斤頂反力，作用在盾構(gòu)隔板上的土壓力和泥漿壓力等）。

（4）在盾尾處盾尾板與襯砌間的摩擦阻力F4：

其中：μ2為管片與盾尾鋼絲刷的線摩擦阻力，取10 kN/m。

（5）盾構(gòu)后面臺車的牽引阻力F5：

其中：μ3為車輪與鋼軌間的摩擦因數(shù)，取0.15；G3為盾構(gòu)后面臺車重量（如隧洞有縱坡時(shí)，還應(yīng)考慮縱坡的影響）。

在使用時(shí)，須考慮各種盾構(gòu)機(jī)械的具體情況，并留出一定的裕量，則盾構(gòu)千斤頂?shù)目偼屏n：

其中：F為推進(jìn)阻力總和，F(xiàn)＝F1＋F2＋F3＋F4＋F5。

3.2 推進(jìn)油缸的選型和配置

盾構(gòu)在土層中掘進(jìn)，主要是靠安裝在支承環(huán)內(nèi)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)完成的。推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由液壓油缸（千斤頂）和相關(guān)液壓設(shè)備構(gòu)成，以襯砌管片為支承座。由于盾構(gòu)內(nèi)部空間狹窄，安裝條件惡劣以及盾構(gòu)工作情況和其他機(jī)械不同，要求液壓油缸體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、同步性能好，便于安裝和布置，有必要的防護(hù)裝置，避免灰塵、泥水、砂漿混入油內(nèi)或千斤頂內(nèi)。

推進(jìn)油缸沿圓周對稱均勻分布，根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備在掘進(jìn)中推力的需要和管片拼裝的要求進(jìn)行布置。每個(gè)油缸的推力和數(shù)量應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)外徑、總推力、管片結(jié)構(gòu)和隧道路線等因素確定。一般情況下推進(jìn)油缸可以分為4組，4個(gè)缸組同時(shí)動(dòng)作，且推進(jìn)油缸軸線平行于盾構(gòu)軸線，盾構(gòu)直線前進(jìn)。如果按照規(guī)定分別動(dòng)作，就可獲得盾構(gòu)的調(diào)向動(dòng)作。各液壓油缸內(nèi)的液壓油壓能夠在0%～100%的系統(tǒng)壓力范圍變化，最大安全壓力為34MPa。特殊設(shè)計(jì)的液壓油缸油缸桿縮回速度比伸出速度快，使油缸桿能快速收回。

推進(jìn)缸的個(gè)數(shù)n由下式計(jì)算：

其中：p為液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)。

推進(jìn)油缸的長度是根據(jù)盾構(gòu)殼體的長度、千斤頂伸長量以及其他配套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等參數(shù)來確定的。推進(jìn)油缸的長度為：

其中：L1為推進(jìn)油缸行程；La為缸底尺寸和導(dǎo)向套尺寸；L2為油缸固定端安裝尺寸；L3為油缸鉸接端安裝尺寸。

推進(jìn)油缸的伸出長度為管片寬度、封頂塊的搭接長度（一般為管片寬度的2/3）、推進(jìn)油缸千斤頂預(yù)留長度之和。

海瑞克盾構(gòu)機(jī)的液壓千斤頂為30個(gè)油缸，其布置方式為單雙油缸間隔布置。單雙油缸按每隔18°間隔布置，在封頂塊位于正上方時(shí)，油缸的推力中心線與管片中心基本重合。封頂塊偏離正上方36°和72°時(shí)，推進(jìn)油缸與管片能夠相適應(yīng)，因此這種油缸布置方案可行。

4 結(jié)束語

本文討論了盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理以及液壓推進(jìn)系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用，液壓系統(tǒng)作為盾構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力源，其運(yùn)轉(zhuǎn)正常與否對盾構(gòu)推進(jìn)施工影響極大。

［1］侯會(huì)喜.液壓與氣動(dòng)技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［2］楊楊，龔國芳，胡國良，等.模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)泵站集成設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2006（4）：118－120.