液压推进系统在土压盾构机上的应用分析❋

廖雪梅

（首钢工学院，北京 100144）

0 引言

随着城市化进程的加快以及城市地下空间的进一步利用，我国开始大规模地引进、应用国际先进的盾构施工技术和设备。

盾构是一种集机、电、液、气、光等技术为一体的大型隧道施工工程机械。盾构机的液压系统主要分为8个液压单元系统，其中液压推进系统在盾构正常工作中占有重要的地位。本文主要介绍盾构机液压系统的工作原理和液压推进系统的原理与应用。

1 盾构机液压系统的工作原理

液压泵站在电机的驱动下向各液压系统提供一定压力的动力液压油，在各液压阀件的控制下，通过动力液压油的作用，完成油缸的伸缩或者液压马达的驱动和制动，从而完成盾构机的刀盘旋转、盾构的前进、管片的拼装和管片移运等工作。

盾构液压系统的原理框图如图1所示。

图1 盾构液压系统原理框图

2 液压推进系统在土压盾构机上的应用分析

2.1 推进及铰接系统

盾构机的前进动力来自推进液压系统中推进油缸的工作，推进油缸是推进系统中的最终执行部件。在推进系统中，系统的工作顺序为：首先启动液压泵站的电机，带动液压泵工作，液压泵泵送出动力液压油，动力液压油经管路传输到推进油缸的控制阀组，液压油在阀组的控制下进入推进油缸的有杆腔或无杆腔，从而实现油缸的伸缩；在油缸收缩时，液压油同样需要通过控制阀组的控制经控制阀组和管路流回安装在二号拖车上的油箱。

推进系统的液压油供给泵位于盾构机二号拖车上，在一个75kW的电机带动下工作；控制阀组位于盾构机的中体内，每组油缸都对应有相应的控制阀，每组油缸在控制阀的控制下都可以单独工作。

2.2 注浆系统及管片移运系统

注浆系统主要由4个柱塞泵完成泵送出砂浆的工作，过滤后的液压油经两个节流分流阀分流，在液压阀件的控制下液压油进入油缸形成进油和回油回路，促使油缸完成伸缩动作。在管片移运系统回路中，油液经过单向阀、溢流阀和调速阀后流入油缸，其中单向阀对油液的流向进行控制，确保单方向形成回路，有效预防油缸非正常回缩；溢流阀在油压过大时溢流减压；调速阀对油液的流速进行控制。

2.3 刀盘驱动系统及超挖刀液压系统

在刀盘驱动系统中，首先启动补油泵和液压泵工作，将泵送出的液压油经过滤器过滤后，输送至液压泵，液压泵泵送出的动力液压油经管路传输到驱动液压马达，在8个驱动马达中，2号马达带有制动装置，由控制油路供给的液压油经过蓄能器后与2号马达相连，当马达制动时，蓄能器的液压油对马达进行制动缓冲，降低制动过程中产生的冲击。

在超挖刀液压系统中，液压原理与上述类似，不同的是电机采用7.5kW电机，执行机构采用50mm的油缸。

2.4 控制油路液压系统及螺旋输送机液压系统

控制油路主要用来控制螺旋输送机液压泵站的液控换向阀，通过油路与蓄能器相连来缓冲刀盘驱动马达制动时产生的冲击，油路中布置有电磁阀和溢流阀，当油路油压过大时，进行溢流泄压；另外通过手动阀、溢流阀对驱动马达油路油压过大时进行溢流减压。

系统回路的泵站控制阀与控制油路连接，在启动泵站工作前首先应启动控制油路开始工作，然后启动系统供油泵站工作泵送出高压液压油，油液经管路传输至螺旋机驱动马达，与驱动马达连接的还有补油泵，当驱动马达工作油压不足时，补油泵输出油液进行油液补充，以确保马达的正常工作。

所有的电气控制部分都在主控室完成，操作伸缩按钮接通电磁阀工作，从而使油路畅通，完成各油缸的伸缩。

3 土压平衡盾构机液压推进系统的设计

盾构机液压推进系统的设计主要包括：确定盾构的推力；确定推进油缸的规格参数、外形尺寸和数量；确定推进油缸的布置方式；确定推进油缸的控制。液压推进系统原理图见图2。

图2 液压推进系统原理图

3.1 盾构推力计算

盾构向前行进时，盾构千斤顶应有足够的推力克服盾构推进时所遇到的阻力。这些推进阻力主要有：

（1）盾构四周与地层间的摩擦阻力或粘结力F1：

其中：μ1为钢与土的摩擦因数，取0.3；D为盾构机外径；LM为盾构本体长度；pm为作用在盾构上的平均土压力；G1为盾构重量。

（2）盾构刀具切入土层产生的贯入阻力F2：

（3）开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力F3：

其中：pf为开挖面正面阻力（支护千斤顶反力，作用在盾构隔板上的土压力和泥浆压力等）。

（4）在盾尾处盾尾板与衬砌间的摩擦阻力F4：

其中：μ2为管片与盾尾钢丝刷的线摩擦阻力，取10 kN/m。

（5）盾构后面台车的牵引阻力F5：

其中：μ3为车轮与钢轨间的摩擦因数，取0.15；G3为盾构后面台车重量（如隧洞有纵坡时，还应考虑纵坡的影响）。

在使用时，须考虑各种盾构机械的具体情况，并留出一定的裕量，则盾构千斤顶的总推力Fn：

其中：F为推进阻力总和，F＝F1＋F2＋F3＋F4＋F5。

3.2 推进油缸的选型和配置

盾构在土层中掘进，主要是靠安装在支承环内的推进机构完成的。推进机构主要由液压油缸（千斤顶）和相关液压设备构成，以衬砌管片为支承座。由于盾构内部空间狭窄，安装条件恶劣以及盾构工作情况和其他机械不同，要求液压油缸体积小、质量轻、结构简单、同步性能好，便于安装和布置，有必要的防护装置，避免灰尘、泥水、砂浆混入油内或千斤顶内。

推进油缸沿圆周对称均匀分布，根据盾构设备在掘进中推力的需要和管片拼装的要求进行布置。每个油缸的推力和数量应根据盾构外径、总推力、管片结构和隧道路线等因素确定。一般情况下推进油缸可以分为4组，4个缸组同时动作，且推进油缸轴线平行于盾构轴线，盾构直线前进。如果按照规定分别动作，就可获得盾构的调向动作。各液压油缸内的液压油压能够在0%～100%的系统压力范围变化，最大安全压力为34MPa。特殊设计的液压油缸油缸杆缩回速度比伸出速度快，使油缸杆能快速收回。

推进缸的个数n由下式计算：

其中：p为液压系统压强。

推进油缸的长度是根据盾构壳体的长度、千斤顶伸长量以及其他配套结构设计等参数来确定的。推进油缸的长度为：

其中：L1为推进油缸行程；La为缸底尺寸和导向套尺寸；L2为油缸固定端安装尺寸；L3为油缸铰接端安装尺寸。

推进油缸的伸出长度为管片宽度、封顶块的搭接长度（一般为管片宽度的2/3）、推进油缸千斤顶预留长度之和。

海瑞克盾构机的液压千斤顶为30个油缸，其布置方式为单双油缸间隔布置。单双油缸按每隔18°间隔布置，在封顶块位于正上方时，油缸的推力中心线与管片中心基本重合。封顶块偏离正上方36°和72°时，推进油缸与管片能够相适应，因此这种油缸布置方案可行。

4 结束语

本文讨论了盾构机液压系统的工作原理以及液压推进系统在盾构机上的应用，液压系统作为盾构系统的动力源，其运转正常与否对盾构推进施工影响极大。

［1］侯会喜.液压与气动技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［2］杨杨，龚国芳，胡国良，等.模拟盾构机推进液压系统泵站集成设计［J］.机床与液压，2006（4）：118－120.