土体改良试验平台液压系统设计与分析

冯欢欢，王助锋，张合沛

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450003;2.西南交通大学机械工程学院，成都 610031)

0 引言

土压平衡盾构自身对地层的适应范围相对较窄，为扩大对地层的适应范围，必须采用土体改良技术来辅助土压平衡盾构施工。土体改良技术作为土压平衡盾构法施工的一个重要组成部分，对盾构法隧道的发展有着深远影响。纵观目前国内各盾构的使用工况，不难发现，土体改良技术的应用情况，对降低工程造价和提高工程施工进度都有着决定性作用。发泡剂作为一种优良的土体改良剂，已经得到广泛的采用［1－5］。我国对盾构用发泡剂的研究开发还处于起步阶段，对改良剂的基本性能及其对开挖土体的改良效果缺乏研究，造成土压平衡式盾构中气泡原料的浪费。郭涛［6］提出了土压平衡式盾构用发泡剂性能的评价方法;乔国刚［7］进行了泡沫改良砂土和黏土的微观机制研究，提出了改良土“塑性流动性”特性评价试验室标准和量化指标;汪国锋［1］结合北京地铁十号线一期盾构隧道工程，对土压平衡盾构土体改良技术的应用进行了系统的研究;郭胜忠［8］以沈阳地铁1号线小什字街站——滂江街站区间为例，分析了土体改良技术在全断面砂砾地层盾构法施工中的应用情况。他们大多是进行单一的理论分析或工程实际案例分析，没有将二者有效地结合起来。通过建立土体改良试验平台，不仅可进一步研究气泡添加量、发泡剂浓度、发泡倍率等参数对土体改良效果的影响，还能模拟盾构施工环境，进而能得到更有效的数据和结论。由于试验平台的推进系统、螺旋输送系统及泡沫发生系统均由液压系统来控制，液压控制系统占据了试验平台控制系统的绝大部分，设计出高性能的液压控制系统尤为关键。本文详细分析土体改良试验平台三大液压系统的液压控制原理、主要参数计算及其控制策略。

1 土体改良试验平台功能简介

试验平台要实现的主要功能有:1)实现土体改良剂的按比例加入，并能通过改变发泡剂的参数，得到泡沫添加量、发泡剂浓度、发泡倍率等与土体改良性能的关系;2)通过分析渣土流塑性情况，得到改良剂各参数与刀盘扭矩、掘进效率等的关系;3)模拟盾构推进过程、密封仓土体搅拌过程、螺旋输送机出土过程及土塞效应实现过程。

2 推进液压系统设计

2.1 推进液压系统原理

利用同步阀来实现4个液压缸的位置同步控制。推进液压系统的工作原理如图1所示。

图1 推进功能回路原理图Fig.1 Principle of loop of propulsion system

推进回路的功能是通过4个相同液压缸给试验筒体内的土体施加推力，并将其缓慢压入土仓。由于筒内的土体质量不断减少，液压缸的负载存在较大的波动，因此采用3个分流集流阀来实现4个液压缸的同步运动。3个分流集流阀按图1所示连接，阀3通过的流量是阀4和阀9的2倍，在阀3分流基础上再经过阀4和阀9分流，即可保证4个液压缸的流量相同，又实现了4个液压缸的同步控制。

2.2 推进液压系统参数计算

推进系统的执行机构由4个相同的推进油缸组成。液压系统要求的参数为:行程L=1.2 m，推进速度 v1=0.001 m/s，快退速度 v2=0.001 m/s，最大推力F=2 600 kN，泵的工作压力P1=25 MPa。

2.2.1 液压缸无杆腔直径D及活塞杆直径d计算液压缸无杆腔直径

按GB/T 2348—1993圆整后取 D=200 mm，d=0.7D=140 mm。因此可确定液压缸的尺寸为φ200/140×1 200 mm。

2.2.2 泵的参数计算与选型

推进油缸所需最大流量为Qmax，则推进时

根据系统工作压力及流量需求，选用轴向柱塞斜盘式变量泵，其排量为55 r/min。

2.2.3 电机的参数计算与选型

电机输出功率

式中:ηpm和ηpv分别为泵的机械效率和容积效率，均取0.95。

参考机械设计手册(JB/T 10447—2004)，选取电机的功率为37 kW。

3 螺旋输送液压系统设计

3.1 螺旋输送液压系统原理

螺旋输送机是试验平台的关键部件之一，其主要作用是将土仓内的渣土排出筒体。土仓内泥土通过螺旋杆输送压缩形成密封土塞，形成一定的阻力，可保持土仓内压力稳定在一定的范围内。试验平台运行时，要求螺旋输送机能根据土仓压力的反馈信号实时精确控制螺旋输送机的转速，进而确保土仓压力处于平衡状态［9］。采用电比例反馈控制的螺旋输送机液压系统，可实时控制螺旋机的转速。图2为螺旋输送机液压原理图。

3.2 螺旋输送液压系统参数计算

根据设计指标及功能要求，对螺旋输送机液压系统的主要技术参数进行设计计算。螺旋输送机液压系统主要设计参数为:螺旋输送机转速0～25 r/min;螺旋输送机额定转矩2 500 N·m;螺旋输送机最大驱动转矩3 200 N·m。

3.2.1 马达

马达最大转速

式中:nmax为螺旋输送机最大转速;ij为齿轮箱传动比，取 5.6。

马达最大输出转矩

式中:Tmax为螺旋输送机最大输出转矩;ηj为齿轮箱的机械效率，取为 0.95。

根据马达最大转速和最大输出转矩，选择马达的排量为400 cm3/r。

图2 螺旋输送机液压系统原理图Fig.2 Principle of hydraulic system of screw conveyor

3.2.2 主驱动泵

马达进出口压差

式中:Vgm为马达的排量;ηmm为马达的机械效率，取0.95。由于液压系统为开式回路，马达出口直接接油箱，因此可认为系统的工作压力约为10 MPa。

马达实际所需流量

式中ηmv为马达的容积效率，取0.95。

根据系统工作压力及流量需求，选用轴向柱塞斜盘式变量泵，其排量为25 mL/r。

3.2.3 电机

泵的实际输出功率

式中Pmax为泵的工作压力。

电机的输出功率

式中:ηpm为泵的机械效率，取0.95;ηpv为泵的容积效率，取 0.95。

根据计算可选用额定功率为15 kW的电机。

3.3 螺旋输送液压系统控制策略

螺旋输送液压系统根据位于密封仓内的上压传感器的实测值调整螺旋输送机的转速。当土压力超过目标上压设定的上限时，螺旋输送机的转速增大，加大排土量;当土压力低于目标土压设定的下限时，螺旋输送机的转速减小，减少排土量;当土压力位于目标土压设定的范围内时，螺旋输送机以定速旋转排土。图3为土仓内土压平衡调节流程。

图3 土压平衡机制工作流程Fig.3 Working process of earth pressure balance mechanisms

系统根据实时测量的土压信号计算出需要的螺旋输送机转速，然后通过调整变量泵的排量以改变控制螺旋输送机的马达转速，安装在马达输出轴上的转速传感器将测得的转速信号反馈到控制器完成闭环控制，进而使得马达转速与土压的变化相适应。图4为螺旋输送机转速控制框图［10］。

图4 螺旋输送机转速控制框图Fig.4 Control of rotation speed of screw conveyor

4 泡沫发生液压系统设计

4.1 泡沫发生液压系统原理

泡沫发生系统的工作原理是分别利用2条可以控制压力和流量的系统向发泡枪内注入发泡剂溶液和压缩空气，在压缩空气的作用下，发泡剂溶液在发泡枪内形成稳定而又致密的泡沫，并将其注入到土仓中［6］。其主要液压系统原理如图5所示。

4.2 泡沫发生液压系统参数计算

经过计算与分析得出泡沫发生系统主要元器件的技术参数值为:接入水压力、风压力≥0.5 MPa;发泡剂容器体积为1 m3;泡沫泵压力为0.9 MPa，排量为5～300 L/h;变频电机功率为0.37 kW。

4.3 泡沫发生液压系统控制策略

土体改良试验平台泡沫发生系统不仅能够向土仓内注入泡沫进行土体改良，还要求能够通过实验分析出泡沫添加量、发泡剂浓度、发泡倍率参数等与土体改良性能的关系。因此，必须借助PLC实现对发泡剂、水和空气流量的比例控制以及水和空气压力的可调控制。

图5 泡沫发生液压系统原理图Fig.5 Principle of hydraulic system of foam generating system

4.3.1 发泡剂浓度的控制

发泡剂溶液为发泡剂与水按一定配合比混合所得溶液，发泡剂与混合液的质量配合比为发泡剂浓度。液压泵5控制发泡剂的流量，溢流阀3控制发泡剂的压力，电动球阀10控制水的流量，流量传感器8和12分别监测发泡剂和水的流量。通过5和10能够有效地控制发泡剂和水的混合比例，即实现了发泡剂浓度的控制。

4.3.2 发泡倍率的控制

发泡倍率即单位体积的发泡剂溶液所发出气泡的体积，利用流量传感器8，12和34可监测发泡剂溶液和空气的流量，通过电动球阀16和33分别调节发泡剂溶液和和压缩空气的相对流量，进而控制气泡的发泡倍率。

4.3.3 泡沫添加量的控制

泡沫添加量可以通过手动球阀19，20，21和22进行控制。

泡沫发生系统由控制台设置或维持操作，可通过3种方式来实现:1)手动控制——完全由工作人员根据经验来调节水、气的压力和流量来完成泡沫剂的注入;2)半自动控制——在半自动操作方式中，要求的泡沫流量将根据开挖仓中的支承压力注入(此种控制方式下，需要将电动调节阀一直保持在要求的设定值并显示在指示表上);3)自动控制——在系统自动操作中，泡沫生产可以自动实现，不需外部干涉，仅依据推进速度、泡沫公式及土仓中的压力条件即可实现。

5 结论与建议

分析得出，本文所设计的推进液压系统、螺旋输送液压系统及泡沫发生液压系统通过合适的控制策略能满足土体改良试验平台的动力驱动及控制要求。本研究不仅为该土体改良试验台的制造提高了理论依据，还能为其他类似试验平台的研制提供一定的参考。但由于3个液压系统是分开控制的，增加了控制元件的数量，提高了试验台的制造成本。鉴于系统集成控制技术的发展现状与趋势，应该针对如何实现3个子液压系统的集成控制作进一步研究。

［1］ 汪国锋.北京地铁十号线土压平衡盾构土体改良技术应用研究［J］.现代隧道技术，2009(4):77－82.(WANG Guofeng.Soil improvement technologies and implementation for EPB shield in Beijing Subway Line 10［J］.Modern Tunnelling Technology，2009(4):77 －82.(in Chinese))

［2］ 马连丛.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究［J］.隧道建设，2010，30(4):411 －415.(MA Liancong.Study on ground conditioning for EPB shield in water-rich cobble ground［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):411 － 415.(in Chinese))

［3］ 朱伟，郭涛，魏康林.盾构用气泡的性能及对开挖土体改良效果影响［J］.地下空间与工程学报，2006(4):571－577.(ZHU Wei，GUO Tao，WEI Kanglin.The performance of foams in shield tunneling method and its effect on the soil conditioning［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006(4):571 －577.(in Chinese))

［4］ 刘波，黄俐，杨丹丹，等，盾构法施工中泡沫剂效能及改良土体的试验研究［J］.市政技术，2009(2):154 －156，164.(LIU Bo，HUANG Li，YANG Dandan，et al.Experimental research on effciency of foaming agent and its modified-soil in shield tunneling construction［J］.Municipal Engineering Technology，2009(2):154 －156，164.(in Chinese))

［5］ 黄德中.超大直径土压平衡盾构施工土体改良试验研究［J］.现代隧道技术，2011(4):65 －71.(HUANG Dezhong.Research of soil improvement during super-large diameter earth pressure balanced shield［J］.Modern Tunnelling Technology，2011(4):65 －71.(in Chinese))

［6］ 郭涛.盾构用发泡剂性能评价方法研究［D］.江苏:河海大学土木与工程学院，2005.(GUO Tao.Study on the performance evaluation of foaming agents in PBS［D］.Jiangsu:Civil Enginesenyg，Hohai University，2005.(in Chinese))

［7］ 乔国刚.土压平衡盾构用新型发泡剂的开发与泡沫改良土体研究［D］.北京:中国矿业大学力学与建筑工程学院，2009.(QIAO Guogang.Development of new foam agent for EPB shield machine and foamed-soil modification［D］.Beijing:Mechanics and Architecture Engineefing，China University of Mining and Technology，2009.(in Chinese))

［8］ 郭胜忠.全断面砂砾地层盾构法施工土体改良技术［J］.都市快轨交通，2011(2):73 －75.(GUO Shengzhong.soil improvement techniques for full-face shield tunneling through sand and gravel stratum［J］.Urban Rapid Rail Transit，2011(2):73－75.(in Chinese))

［9］ 石前列，吴向东，黄贵川.电液比例柱塞泵控制仿真分析［J］.液压气动与密封，2011(6):20 －22.(SHI Qianlie，WU Xiangdong，HUANG Guichuan.Simulation analysis of electro-hydraulic proportional variable displacement piston pump［J］.Hydraulics Pneumatics ＆ Seals，2011(6):20 －22.(in Chinese))

［10］ 胡国良，龚国芳，杨华勇，等.盾构螺旋输送机液压驱动及控制系统［J］.液压与气动，2004(12):33－36.(HU Guoliang，GONG Guofang，YANG Huayong，et al.Hydraulic drive and control system of shield screw conveyor［J］.Chinese Hydraulics ＆ Pneumatics，2004(12):33 －36.(in Chinese))