盾构掘进机及其液压技术的应用

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【摘要】我国地大河多, 大部分河流西东走向, 在东部形成淤积平原, 用于输水、交通、市政等隧道均需盾构掘进机施工。本文介绍了盾构掘进机概念和分类，探讨了液压技术极其应用。

【关键词】盾构 掘进机 液压 技术

【 abstract 】 in the river in our country, most of the rivers east, formed in the eastern alluvial plain, for water, transportation, municipal, and construction of shield tunnel are need. This paper introduces the concept and classification of shield, hydraulic technology is used is discussed .

【 key words 】 shield machine, boring machine, hydraulic, technique

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

盾构是一种集机械、电器、液压、测量和控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备．它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。

二、盾构掘进机的概念和分类

盾构掘进机是一种在地下工程施工中开挖软弱地质如淤泥、粘土、粉砂、卵石等使之成洞的有效机具。它最明显的特点是整机卷裹在盾壳之中, 盾壳是开挖软弱地质、保护机器的必要条件。

1、盾构掘进机的共性

由于地质状况的差异, 使得盾构掘进机的种类繁多。但它们有着共同的基本功能和相应的机构切割隧道围岩, 并将之输送到洞外的功能和机构。由于岩质的不同, 盾构机的切割方式和输送方式有很大差别, 大体可分类机械水力切割、泥浆泵输送；机械切割、螺旋机矿车输送；机械切割、胶带机矿车输送

2、保护整机的盾壳和随盾壳之后的混凝土衬砌功能和机构

盾构机都具有盾构, 而且大部分盾构都呈圆形断面。其后的衬砌绝大部分采用预制混凝土块拼装。所不同的只是混凝土块形状、数量和张紧形式。隧洞与混凝土环外壁用填料回填固结。

3、使盾构机沿洞线推进的功能和机构

所有的盾构机都采用了液压千斤顶方式使盾构机沿洞线推进。所不同的只是液压千斤顶的数量、压力和布置位置。如液压千斤顶布置在混凝土环与竖井之间, 盾构机就成了顶管机。盾构机的导向绝大部分采用了先进可靠的激光装置。

阐述盾构机的共性, 主要是想有利于国产化。通过对盾构机基本功能及相应机构的规范化、系列化、标准化、积木化设计制造将有利于缩短盾构机的设计制造周期及降低成本而有利于盾构机的推广。

2、盾构掘进机的分类

按照不同的项目, 盾构掘进机可以分成不同的类别

（1）按直径分类（如表1所示）

（2）按盾壳数量分：有单护盾、双护盾、叁护盾。

（3）按控制方式分：有地面遥控和随机控制。

（4）按开挖方法分：有人工、半机械、机械。

（5）按开挖断面分：有部分断面开挖和全断面开挖。

（6）按千斤顶布置位置分：千斤顶与机分离布置在混凝土环后称顶管机和千斤顶随机布置在混凝土环前。

（7）按支撑面稳定性分：对不稳定的支撑面必须采用土压平衡或泥水平衡式盾构, 以稳定被开挖地层。对支撑面基本稳定的隧道可采用广义的常规盾构机。

（8）按切割头刀盘形式分：刀盘固定称网格式刀盘；刀盘回转, 刀盘上只装切割土的铲刀；刀盘回转, 刀盘上装有切削土的铲刀与切割岩石的滚刀称混合型盾构。

阐述以上盾构机的分类, 主要是为发展我国盾构掘进机, 究竟是发展哪一类型提供依据, 否则会在品种繁多的盾构机中, 不得要领而无从着手。

三、盾构掘进发展趋势

纵观盾构隧道掘进180多年的发展历史，盾构隧道施工法和盾构掘进机都是围绕着地层稳定和地面沉降控制；机械化、自动化掘进和掘进速度（其中液压技术的发展及应用起到了至关重要的作用）衬砌和隧道质量这三个要素进行改进。

盾构掘进技术是液压技术、机电控制技术、测控技术、 计算机技术、 材料技术等各类技术水平的综合体现，随着这些相关技术的发展而不断发展完善。

地层稳定和地面沉降控制技术：现代盾构控制地面沉降和减少对土体扰动的最基本和有效的方法是采用泥水平衡和土压平衡(包括加压、加泥水、泡沫和其它土质改性剂）技术。 现有的平衡式盾构一般是通过预先设定土仓内压力值以达到稳定地层的目的， 在施工工程中根据地表沉降情况再进行调整，是一种“滞后式”的土压纠正。由于开挖面上土层的原始应力比较复杂，这种预先设定与滞后调整的结果会使机头处的地面隆起或塌陷， 所以地层稳定和地表沉降控制的效果在很大程度上取决于施工人员的经验!施工质量难以保证。先进的平衡式盾构，在土仓内都设置先进的土压传感器，配备实时反馈及调整的机、电、液与计算机控制系统，在通常情况下都能很好地保证地层稳定的效果。以减少地层扰动，避免地面沉降为目标的盾构智能化控制是盾构技术的主要发展趋势之一。

四、液四压推进与导向技术

目前比较先进的盾构施工通常在开挖面与盾构周边必要的位置布置有各种监控点，采集盾构运行状态，土压和地层扰动等多种信号。 这些信号和地表沉降信号一起输送给信号处理计算机，计算机分析这些数据后，发送液压系统控制信号，实现对盾构推进和导向的自动控制，基本可以实现无人化的精确操作。上海地铁线使用的法国盾构及延安东路复线隧道使用的日本盾构，都有先进的计算机信息处理与控制系统，既减少了人员劳动强度，又增加了盾构机的工作效率与施工精度。通过实时数据分析处理，快速反馈工程状态显示，实时控制方便现场人员实时决策，达到信息化施工，施工信号的自动采集和实现自动控制是推进和导向技术的发展趋势。

五、液压技术的应用

盾构掘进机传递功率大(一般超过1000KW)、运动复杂、要求控制精度高、安装空间小、并且工作环境恶劣。近年迅速发展的电液控制系统技术，综合利用电子技术在信号检测、放大、处理和传输方面的优势和液压在功率转换放大和执行上的优势，已经成了盾构动力传递和控制的首选。典型的电液控制系统如图1所示

图1盾构电液控制系统的典型方框图

在压力、流量等参数通过机械液压反馈，形成“闭环”的基础上，土压、推进速度、刀盘转速、出土量等盾构工作参数可以通过电反馈的形式形成“大闭环”，采用适当的控制策略使盾构施工的地面沉降控制、推进速度和方向控制、刀盘切削功率控制等实现智能化。

盾构掘进机刀盘驱动或推进具有功率大，功率变化范围宽的特点。负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削力矩及转速的变化很大。如果采用阀控马达的系统形式，系统功率必然按所需的最大功率设计，在遇到欠负载工况时，系统效率低下， 大量的功率将通过热的形式耗散， 使系统发热严重。采用负载敏感和全局功率自适应的泵控马达、 缸系统是解决这一问题的有效途径， 也是盾构液压驱动的发展趋势。

负载敏感控制是指通过某种形式的传感器检测出负载变化信号， 由负载变化信号对主泵的流量作相应的调节，使主控阀进出口两端压差保持不变，即泵的压力总是等于负载压力与主控阀两端压差之和， 从而使得主泵的流量始终与主控阀上所需要的流量相适应。负载敏感系统若采用变量泵形式，可以避免压力损失和流量损失，实现泵与负载间的功率匹配。 图2a是由变量泵和节流阀组成的负载敏感液压系统。负载敏感装置的弹簧力决定了节流阀两端的压差，且保证了节流阀两端压差不变，只需调节节流阀1的开口就可调节执行元件的速度和液压泵排量的大小，消除了流量损失，只有节流阀两端的微小压差损失，如图2b 所示。

总之，液压传动和电液控制技术固有的特性非常适合盾构掘进机动力传递和控制的特殊要求， 采用先进的液压传动及控制技术将是盾构掘进机动力传递及控制系统的发展方向。

结论

总而言之，盾构掘进机中的液压技术的发展对于我国经济的发展、人们生活水平的提高都有着不可磨灭的作用。在其应用前景上，液压技术的重要性是不能忽略的。所以，液压技术的发展创新，我们要加强研究，以实现现代盾构掘进机高度智能化、集机、电、液、光、计算机技术为一体的目标。

【参考文献】

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[2] 邢彤,龚国芳,杨华勇.盾构刀盘驱动液压系统的实验研究[J]. 液压与气动. 2006(06)

[3] 胡国良,周新建,龚国芳,杨华勇.盾构推进液压系统的设计及试验研究[J]. 工程机械. 2007(03)