盾构机推进液压系统设计

畅海潮 王永新 刘夏艳

摘 要：盾构掘进机是一种集机械、电气、液压、测量导向、控制、材料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。盾构法施工以自动化程度高、施工速度快、安全可靠、对周边环境影响小等优点，已广泛用于地铁、地下隧道、饮水工程等项目。推进系统是盾构机的关键系统，它主要承担着推进任务，同时能够实现姿态控制。文章简要介绍6.28m土压平衡盾构机的推力计算、推进油缸的规格参数和数量的确定、推进液压系统设计；推进油缸的控制等。

关键词：盾构机；推进；液压系统；TBM

推进系统是盾构机的关键系统，它主要承担着盾构机的推进任务，同时能够实现盾构机的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及同步运动等功能。

推进液压系统主要包括推进泵、控制阀组、推进缸和管路附件等。[1] 以下就6.28m土压平衡盾构机（以下简称EPB）推进液压系统设计做简要介绍：主要包括确定盾构的推力；推进油缸的规格参数和数量的计算；推进液压系统设计；推进油缸的控制等。

1 推力计算

盾构机在前进过程中主要克服以下几种力：

（1）土压对刀盘作用力：

（1）

式中，F1为土压对刀盘作用力，kN；p±为土压，bar；D为刀盘直径，m。

（2）上方土体对盾体的力：

（2）

式中，F2为上方土体对盾体的力，kN；D为刀盘直径，m；L为盾体长度，m；de为土密度，kg/m3；MU为摩檫系数。

（3）盾体摩檫力（设备重力作用产生力）：

（3）

式中，F3为盾体摩檫力，kN；m为盾体重量，kg；g为重力加速度；f为摩檫系数。

（4）刀具产生力：

刀盘上共安装了60把刮刀、12把周边刮刀、撕裂刀26把。根据每把刮刀在软土中的推进力约为5.6 kN、每把撕裂刀的设计最大推力为250kN，计算刀具产生力：

（4）

式中，F4为刀具产生力，kN。

（5）后配套牵引力：

（5）

式中，F5为后配套牵引力，kN；m1为后配套重量，kg；g为重力加速度；f为摩檫系数。

（6）

式中，F'为推进力，kN。

EPB推力除克服以上阻力外，还应考虑盾构转向、上坡等因素，所以EPB推力为以上5种力计算之和再乘以安全系数。

F总=iF'=1.1×36009.2=39610.12kN （7）

式中，F总为推进总推力，kN；i为安全系数；F'为推进力，kN。

综上所述，EPB推力取整为40000kN。

2 推进油缸布置及数量

EPB推进时，推进力是作用在管片上，因此推进油缸的布置主要考虑管片的结构形式、分布方位、受力点布置、拼装管片方便性等因素。EPB推进油缸采用圆周均布，可以保证管片受力平衡、Key块方便安装、油缸上下左右布置均对称。

推进缸数量取决于一环管片轴向穿螺栓孔数量。采用5+1管片，轴向一圈螺栓孔数量为16个。该设备采用16组油缸（双撑靴，防止撑靴因重力左右旋转，破坏管片止水条），共32个油缸。

3 推进油缸计算[2]

单缸推力：

（8）

式中，F为单缸推力，kN；F总为推进总推力，kN；n为油缸数量。

无杆腔直径：

（9）

式中，F为单缸推力，kN；p为工作压力，bar；D为无杆腔直径，mm。

圆整后按标准取220mm。

活塞杆直径：根据经验公式

d=0.8D=0.8×220=176 （10）

式中，D为无杆腔直径，mm；d为有杆腔直径，mm。

圆整后按标准取180mm。

活塞杆强度计算：（活塞杆材料45号钢，查表许用应力？滓p=400MPa）

（11）

式中，σ为活塞杆许用应力，Mpa；F为单缸推力，kN；d为有杆腔直径，mm。

活塞杆强度满足要求。

综上：油缸尺寸？椎220×180行程2100mm

4 活塞杆稳定性校核[3]

因为油缸总行程2100mm，而活塞杆直径为170mm，LB/d=2100/180=11.67>10，需要进行稳定性校核。

活塞杆弯曲失稳临界力：

（12）

式中，FK為活塞杆弯曲失稳临界力，kN；E1为材料的弹性模数，Mpa；J为活塞杆横截面惯性矩，m4；K为液压缸安装及导向系数；LB为极限长度，m。

（13）

式中，F力为活塞杆弯曲时能承受最大力，kN；FK为活塞杆弯曲失稳临界力，kN；nk为安全系数。

油缸实际推力：

（14）

式中，F实为单缸实际最大推力，kN；D为活塞杆直径，mm；p为最大工作压力，bar。

所以稳定性满足要求。

5 流量计算

无杆腔面积：

（15）

式中，A1为无杆腔面积，m2；D为无杆腔直径，mm。

有杆腔面积：

（16）

式中，A2为无杆腔面积，m2；D为无杆腔直径，mm；d为有杆腔直径，mm。

A 推进模式

推进速度80 mm/min时，需要流量：

（17）

式中，q1为推进泵供流量，L/min；n为推进模式工作油缸数量；v1为推进速度，A1为无杆腔面积，m2。

B 拼装模式

伸出（速度为2000mm/min）需要流量：

（18）

式中，q2为推进泵供流量，L/min；n1为拼装模式工作油缸数量；v2为推进速度，A1为无杆腔面积，m2。

缩回（速度为3000mm/min）需要流量：

（19）

式中，q3为推进泵供流量，L/min；n1为拼装模式工作油缸数量；v3为推进速度，A2为有杆腔面积，m2。

6 推进系统液压原理图设计

6.1 液压泵设计

通过计算可知，该系统在拼装模式时需要的流量很大，压力较低；而推进模式时需要的压力很高，流量较低。因此从提高系统效率、节约能源的角度考虑，考虑采用双泵供油回路来实现。又考虑到拼装模式伸出、缩回需要流量以及推进伸出需要流量都相差较大，故采用三联泵的形式来实现，如下图1所示：

推进油缸在工作过程中有两种模式，一种是掘进模式，另一种是管片拼装模式。[4]

掘进模式用比例变量泵1来供油：通过给比例阀4电磁铁赋值大小来控制斜盘摆角，从而实现流量控制；此时，定量泵2和3采用空载启动回路，流量直接通过先导溢流阀11和12流回油箱。

管片拼装模式油缸伸出需要流量是由变量泵1、两个定量泵2和3来实现；油缸缩回需要流量是由变量泵1和定量泵2来实现。

泵出口处安装了单向阀13、14、15，可防止当系统检修或泵停止工作时油液倒流；同时14和15还能保证推进模式高压油倒流到定量泵中。

该液压系统采用2级调压。在推进过程中，主要是由电磁阀5的b得电，溢流阀7设定压力350bar来保证推进压力。在管片拼装过程中，主要是由电磁阀5的a得电，溢流阀6设定压力100bar来实现压力控制。

6.2 油缸分组控制设计

由于地层变化频繁、软硬交错，盾构机经常通过掌子面软硬不均地层，造成刀盘受力不均，从而使盾构姿态产生偏转、抬头、低头的现象，导致盾构的掘进轴线与隧道设计轴线发生偏离。为了纠正盾构姿态，将32个推进油缸共16组，分成上3组、下5组、左4组、右4组共4区，每个分区都有一只油缸配置位移传感器[5]，并可以單独调整每组推进油缸的推进力和推进行程，这样就可以实现盾构左转、右转、抬头、低头或直行。采用激光导向系统对盾构的姿态进行监控，操作者根据反馈信息调节每组推进油缸的压力，及时地调整盾构的姿态，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。

在独立分组中，采用节流控制方式，通过比例溢流阀和比例调速阀来实现压力和流量的复合控制，提高系统的控制精度和动态响应，其分组控制原理图如图2所示。

掘进模式，压力油从进油口P进油，经过比例调速阀1后，再经过三位四通电磁阀6（b端得电），然后压力油经过单向阀8后进入推进油缸无杆腔，压力传感器12将检测到的压力信号传递给PLC，最后反馈给比例溢流阀2，根据负载大小自动调节比例溢流阀的值，以保证推进缸输出力；推进速度大小的控制，则由油缸内置位移传感器检测到的信号传递给PLC，最终反馈到比例调速阀1，从而调节调速阀1开口度大小来实现。形成两个互锁的闭环控制，保证推进系统控制精度。推进缸有杆腔的油液直接通过三位四通电磁阀6流回油箱。另外，当遇到硬岩或者特殊条件时，负载瞬间加大，为了保护系统安全，特添加溢流阀11保证推进模式系统的安全。

管片拼装模式，先是两位两通电磁阀7得电，把无杆腔高压油卸荷。压力油经过进油口P进油，经过插装阀3（两位四通电磁阀4得电），再经过三位四通电磁阀6（a端得电）进入油缸有杆腔；无杆腔的油液经过插装阀9（两位两通电磁阀10得电），直接回油箱。

当一片管片拼装完毕后，需要推进缸伸出顶紧该管片。此时压力油经过进油口P进油，经过插装阀3（两位四通电磁阀4得电），再经过三位四通电磁阀6（b端得电），然后通过单向阀8后进入油缸无杆腔；同时有杆腔的油液经过三位四通电磁阀6后直接流回油箱。

7 结束语

通过对6.28m的TBM推进液压系统的设计，对确定推进油缸参数和流量计算形成了一套成熟的计算方法，并深入了解TBM的推进系统的结构及其设计思想（尤其是大流量的设计），这些成果对于以后盾构的开发、改造及施工选型起到积极的作用。

参考文献

[1]张成，徐莉萍，任德志，等.双护盾推进液压系统设计与研究[J].机床与液压，2010， 38（16）：44-46.

[2]周德繁，张德生.液压与气压传动[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013.

[3]李壮云.液压气动与液力工程手册：上册[M].北京：电子工业出版社，2008.2：375-379.

[4]王国义.盾构推进系统及故障排除[J].山西建筑，2008，26（2）：338-340.

[5]刘福东，郭京波.土压平衡盾构机推进液压系统设计分析[J].隧道建设，2011.

作者简介：畅海潮（1986，3-），大学本科，北方重工集团有限公司盾构机分公司，助理工程师。