下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)及其控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

欒國(guó)宇

（徐工集團(tuán)凱宮重工南京有限公司 沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

1 背景及應(yīng)用

近十年來(lái)，我國(guó)地下空間的開發(fā)速度越來(lái)越快，利用規(guī)模越來(lái)越大。在此過(guò)程中，需要建設(shè)大量的沉井作為其地下構(gòu)造物。例如，地下隧道掘進(jìn)機(jī)的始發(fā)和接收井、隧道通風(fēng)井、城市排水系統(tǒng)豎井、地下立體車庫(kù)和倉(cāng)儲(chǔ)豎井、采礦豎井、橋梁工程豎井、導(dǎo)彈發(fā)射井等。尤其是在市區(qū)內(nèi)進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)其施工方法及其設(shè)備提出了很多新的要求。

下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)及其施工方法作為一種新型沉井施工裝備和工法，與現(xiàn)有設(shè)備相比，具有安全、高效、占用場(chǎng)地小、地質(zhì)適應(yīng)性廣、對(duì)周圍環(huán)境影響小等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其適合在大直徑、大深度的豎井工程中使用。因此，將在未來(lái)的工程中發(fā)揮巨大的作用，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

以其在地下立體停車庫(kù)方面的應(yīng)用前景為例。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，停車泊位數(shù)應(yīng)達(dá)到車輛保有量的1.1～1.3 倍，按照1.3的比率計(jì)算，2020 年我國(guó)停車泊位需求缺口超過(guò)2 億個(gè)。在城市商業(yè)中心、大型醫(yī)院和老舊住宅等區(qū)域，車位供需矛盾將更加突出。若其中10%的車位需要采用地下立體車庫(kù)的方式，每個(gè)車庫(kù)按200 個(gè)設(shè)計(jì)，大約需要建設(shè)10 萬(wàn)座豎井。針對(duì)中心城區(qū)、核心商務(wù)區(qū)、醫(yī)院等公共熱點(diǎn)區(qū)域人流車流量大、老舊建筑布局密集、周邊土地資源緊張等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)明挖方式建設(shè)地下停車庫(kù)遭遇建設(shè)用地有限、施工困難等瓶頸；而豎井掘進(jìn)機(jī)及其工法恰好能在小空間內(nèi)進(jìn)行施工，解決停車位的供需問(wèn)題。一個(gè)200 輛規(guī)模的傳統(tǒng)停車場(chǎng)占地至少6000 平方米，而采用豎井掘進(jìn)機(jī)建造同等規(guī)模的地下停車場(chǎng)占地面積不超過(guò)300平方米，可極大程度地利用城市中心區(qū)域的零碎的邊角地塊，釋放停車空間。

2 現(xiàn)狀

豎井掘進(jìn)機(jī)由德國(guó)海瑞克公司研發(fā)，已經(jīng)在歐洲、美國(guó)、中東和新加坡等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的地鐵隧道的始發(fā)接收和通風(fēng)豎井、城市污水系統(tǒng)的集水井、采礦業(yè)生產(chǎn)豎井的建設(shè)中得到廣泛地應(yīng)用。

我國(guó)使用此類裝備的起步時(shí)間較晚。2020 年，在南京市建鄴區(qū)沉井式地下智能停車庫(kù)（一期）工程項(xiàng)目中首次應(yīng)用，這也是此設(shè)備到目前為止在我國(guó)惟一的一次應(yīng)用。而且，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)實(shí)際應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，主要完全依靠進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格高昂，無(wú)核心技術(shù)。目前，多家大型機(jī)械制造型企業(yè)都在致力于設(shè)備的自主研發(fā)，以打破國(guó)外的壟斷地位。

3 下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)備構(gòu)成簡(jiǎn)介

豎井掘進(jìn)機(jī)主要包括掘進(jìn)機(jī)主機(jī)、動(dòng)力卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、回收卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)、沉降系統(tǒng)、泥漿分離系統(tǒng)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、電氣動(dòng)力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等；其中掘進(jìn)機(jī)主機(jī)還包括掘進(jìn)單元、排漿單元、回轉(zhuǎn)單元、支撐單元。

圖1

掘進(jìn)機(jī)主機(jī)通過(guò)支撐單元與豎井管壁連接，將整個(gè)主機(jī)部分懸掛在豎井中，掘進(jìn)單元由銑挖頭和排漿泵組成，銑挖頭通過(guò)伸縮油缸和俯仰油缸與銑挖臂連接，銑挖臂與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是機(jī)械硬連接，因此銑挖頭可以挖掘到豎井同一個(gè)內(nèi)所有泥土，然后通過(guò)排漿泵將泥漿排到地面的泥漿分離站進(jìn)行泥漿處理；每挖掘完一個(gè)平面，拼裝一環(huán)管片，完成后絞線油缸下放，進(jìn)行下一個(gè)工作面的挖掘，直至整個(gè)豎井挖掘完成。

動(dòng)力卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)及輔助設(shè)備組成，是液壓系統(tǒng)管線及電氣系統(tǒng)電纜的延長(zhǎng)和回收裝置。

回收卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)由多臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)組成，主要功能是回收豎井掘進(jìn)機(jī)主機(jī)設(shè)備。

沉降系統(tǒng)是都多個(gè)絞線油缸組成，通過(guò)鋼絲繩作用于豎井的管片，主要功能是控制整個(gè)豎井的下降高度和下降速度。

泥漿分離系統(tǒng)，是將排除的泥漿進(jìn)行分離過(guò)濾，然后再將密度適宜的液體排回到豎井內(nèi)，以保證豎井內(nèi)外水壓的平衡，避免沉降和坍塌。

液壓動(dòng)力系統(tǒng)、電氣動(dòng)力系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。液壓系統(tǒng)的最高工作壓力為35MPa；供電系統(tǒng)采用TN-S 系統(tǒng)，選用2000kVA 連接組別為Dyn11 的配電變壓器，并配有功率補(bǔ)償系統(tǒng)。

電氣控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)豎井掘進(jìn)機(jī)工作方式的控制核心，由上位機(jī)及PLC（可編程邏輯控制器）組成，集數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、自動(dòng)化控制控制于一體，安全可靠。

4 下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

豎井掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)由一臺(tái)上位機(jī)（包含上位機(jī)監(jiān)控軟件）和一臺(tái)PLC（可編程邏輯控制器）及PLC 的多個(gè)遠(yuǎn)程從站組成。

圖2

控制系統(tǒng)的上位機(jī)及顯示器安裝在地面的控制室操作臺(tái)上，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存，操作人員可時(shí)時(shí)觀測(cè)掘進(jìn)機(jī)的工作狀況，與PLC（可編程邏輯控制器）采用PROFINET 的通訊方式，此種方式傳輸速率快且穩(wěn)定應(yīng)高，是目前比較主流的通訊方式。

控制系統(tǒng)的PLC（可編程邏輯控制器）分別與上位機(jī)和從站進(jìn)行通訊，內(nèi)部包含編寫好的邏輯程序，通過(guò)復(fù)雜的邏輯運(yùn)算控制著掘進(jìn)機(jī)的工作過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。PLC 有兩個(gè)不同的通訊接口，一個(gè)是PROFIBUS 接口，另一個(gè)是PROFINET 接口；PROFIBUS 是上位機(jī)與PLC 的通訊接口，PROFINET 是PLC與從站的通訊接口。

PLC 從站是由通訊卡以及I/O 模塊組成，從站與多個(gè)執(zhí)行元（傳感器、電磁閥等）件連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)作的執(zhí)行。由于豎井的一般深度為100 米，且控制系統(tǒng)主站要位于地面的控制室內(nèi)，通訊電纜只能通過(guò)卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)與井下的從站進(jìn)行通訊連接，且中間無(wú)法加網(wǎng)絡(luò)中繼（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)），這樣就導(dǎo)致通信的最大距離可能會(huì)大于甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 米，而現(xiàn)在比較主流的的基于以太網(wǎng)的PROFINET 通訊最大通訊距離理論上是100 米（網(wǎng)線連接），所以無(wú)法使用。

PROFIBUS 的優(yōu)點(diǎn)是通訊距離長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，已經(jīng)很成熟；而他的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，PROFIBUS 是“手拉手”的網(wǎng)絡(luò)組成，這就導(dǎo)致，一旦網(wǎng)絡(luò)中間出現(xiàn)故障，故障點(diǎn)后面的從站將完全丟失，就無(wú)法工作了；針對(duì)這樣情況唯一的解決辦法就是將系統(tǒng)做成冗余系統(tǒng)，一旦一條通訊出現(xiàn)問(wèn)題可以馬上切換到另一條線路上，不會(huì)影響設(shè)備的正常工作，當(dāng)然成本上會(huì)更高。

另一種解決方法就是將PROFINET 通訊的網(wǎng)絡(luò)用光纖進(jìn)行連接，光纖的傳輸距離極高，但光纖本身較為脆弱，易損壞，不適合在頻繁移動(dòng)設(shè)的備上使用，下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)的工作方式?jīng)Q定它是一直在移動(dòng)的，所以此方法理論上可行，但無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際的工作項(xiàng)目中。

綜上所述，主站與從站之間選擇了PROFIBUS 通訊；下表是PROFIBUS 通訊傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系。

表1

我們可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的通訊長(zhǎng)度和內(nèi)部程序的數(shù)據(jù)量選擇適合的通訊速率以滿足設(shè)備的工作要求。

5 結(jié)論

裝備制造業(yè)水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力強(qiáng)大與否標(biāo)志，我國(guó)是傳統(tǒng)的制造業(yè)大國(guó)，“made in china”遍布世界每一個(gè)角落，但是我們還是缺乏很多領(lǐng)域的核心技術(shù)，致使被很多西方勢(shì)力“卡脖子”，只有真正的掌握核心技術(shù)才能成為真正的技術(shù)強(qiáng)國(guó)，真正的從“中國(guó)制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊?guó)創(chuàng)造”；下沉式豎井掘進(jìn)機(jī)的目前技術(shù)同樣掌握在國(guó)外人手里，但很多企業(yè)已經(jīng)在取得了突破性的成果，相信豎井掘進(jìn)機(jī)在不久的將來(lái)就會(huì)像我們當(dāng)年生產(chǎn)制造盾構(gòu)機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)、自主設(shè)計(jì)、自主制造，打破技術(shù)壁壘。