盾构掘进机液压技术应用|工程机械

杨华勇，龚国芳
（浙江大学流体传动与控制国家重点实验室， 浙江杭州310027）

摘要：简要介绍了盾构掘进机及其发展趋势。就液压技术在盾构驱动及控制上的应用提出了可能的途径，如：变转速泵控马达、负载敏感等技术的应用，不仅在节能的同时可望解决长期困扰盾构施工的发热问题。

关键词：盾构掘进机；电液控制系统；发展趋势

收稿日期：2003-10-15 
作者简介：杨华勇，男，教授、博导，浙江大学国家电液控制工程技术研究中心主任。

传统的隧道施工方法是用人工或机械方法将土挖掘下来，再装上矿车外运，紧接着对挖空了的隧道进行支护，这种方法当遇到淤泥或流沙层等地质条件时，很难做到“及时”支护，极易坍塌，造成大面积的地面塌陷。盾构施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形（或矩形、马蹄形等特殊形状）钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作。它的最大特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与传统的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较深时，只能依赖盾构施工。在发达国家盾构法施工隧道已占隧道总量的90%以上，日本就拥有千余台盾构设备。盾构法施工的隧道直径可以小到0.2 m，大到18 m，适用于地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧道、矿山巷道、城市市政隧道等各种隧道工程。随着隧道工程对施工质量和环保要求的逐步提高，现代盾构掘进机已演变成为一种高度智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型工程机械装备。

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。

2.1　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。

2.2　结构设计技术

目前，盾构掘进机已出现可折曲的盾体和多体等形式解决曲率半径小的弯道施工和复线隧道的一次施工等问题。可以把盾体分成两到三截，转弯灵活；截面有眼镜形、三圆形、拱形、H和V形等多种形式。比较先进的盾构除了转弯半径与爬坡方面的限制较小外，象H和V形盾构，在掘进过程中，可作水平与竖向的灵活转动，形成空间相对位置多样的隧道。大和灵活形状断面是盾体结构设计技术的发展趋势。

2.3　刀盘刀具技术

目前先进的盾构机出现了能有多种切割方向，可以伴随其位置的改变而作相应调整的刀盘；并且实现了通过盾构掘进机刀具的切割方向和刀盘的分解组合生成多种异形空间（如矩形，椭圆形，眼镜形，扩大形等等）。刀盘的多样性，对不同地层的适应性，刀具的可靠和长寿命是刀盘刀具技术的发展趋势。

2.4　液压推进与导向技术

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1#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。

2.5　衬砌技术

盾构施工大都采用管片拼装系统将砼管片拼装成隧道衬砌，管片拼装系统由中心支撑回转机构、径向和水平移动液压缸等组成，虽然实现了管片移动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装等基本还是靠人工作业，管片的拼装往往占用大量宝贵的掘进作业时间，直接影响施工进度和质量。日本已研制成功全自动化拼装系统，包括砼管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。目前欧洲和日本开始采用ECL（挤压混凝土衬砌施工法）技术代替传统的管片衬砌系统，在施工成本和衬砌质量方面都取得了良好的效果。管片拼装自动化或采用ECL技术是衬砌技术发展的两个方向。

2.6　防水和同步注浆技术

盾构施工隧道管片衬砌中，主要采用环向与纵向膨胀橡胶防水，还有采用土工防水布等技术。同步注浆技术是控制地层变形、地面沉降的重要措施，其关键是随着盾构的推进及时充分地充填盾壳外径与隧道衬砌外径之间的建筑空隙。

盾构掘进机传递功率大（一般超过1000 kW）、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“小闭环”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。(www.xing528.com)

图2　负载敏感系统示意图

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。

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Shield TBM and its applications of hydraulic technology

YANG Hua-yong， GONG Guo-fang
（The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control，Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract：This paper briefly introduced shield TBM and its development trend. The potential path of hydraulic technique was proposed as the power transmission and control system in shield TBM. The application of the variable-speed pump-control-motor and load sensitive control system， for example， can increase the energy efficiency and reduce the thermal value of the system.

Key words：Shield TBM， electro-hydraulic control system， development trend

中图分类号：TH137；TU94

文献标识码：B

文章编号：1008-0813（2004）01-0027-03