地铁盾构施工电气控制系统与推进系统分析

许良海

摘 要：本文主要介绍了地铁隧道施工使用的盾构机电气控制系统及故障维修技术。介绍了盾构机工作基本流程、国内外发展概况，以地铁隧道盾构施工为重点，加强了对盾构机电气控制系统的认识。对盾构机电气设备的构成、类型、工作原理做了一定的介绍；对盾构机的电气构成、工作原理及推进系统进行了比较详细的介绍。提出了本研究工作的重要性和必要性。

关键词：地铁；盾构机；电气控制；系统设计；常见故障；维护保养

1 绪论

地铁减轻了公共交通出行的压力。地铁给人类文明注入新的活力，随着1863年伦敦地铁率先建成而进入新的起点，现在有超过100多个城市都有建设的地铁。城市地铁隧道施工主要是采用盾构法。盾构机是集掘进，出渣，衬砌（管片安装）于一体的大型现代化隧道施工机械，它将传统的隧道和地下工程施工变成工厂化作业。我国大中型城市如广州、上海、深圳、武汉等已建有正在运营的地铁线路和正在修建的线路。在人口密集的繁华市区挖掘地铁隧道，既不能用明挖法施工，又不能用矿山法施工，最好的选择就是盾构法。盾构法是一种暗挖隧道用的工程机械。它的最大特点就是可以很好的完成整个隧道掘过程，并且最大限度地避免地面塌陷。地铁盾构法施工将为解决我国交通拥堵问题和促进我国经济社会又好又快发展及全面建设小康社会提供有力保障，具有重要意义。

2 盾构机故障的预防

2.1 熟悉工作原理

我们对于盾构机要加强维修和日常维护，为此，首先要熟悉其工作原理和电气、液压和机械条件质量的联系，和每个系统的各个组件的作用，只有用这种方法才可以快速、准确地解决问题。

2.2 先“看”后“想”再“动手”

维修设备应遵循先“看”后“想”再“动手”的原则，机器出现故障时首先要看清楚是什么故障，是否是因为机械、液压或其他部分原因造成的，不要盲目动手，以免影响维修速度甚至将问题扩大化，开始工作前找到问题的根源，这样往往可以事半功倍果。

2.3 先外后内

维修设备时应先外后内，首先检查电线是否破皮、断裂、脱落等明显问题，往往简单明显的问题最容易被忽视。

2.4 详细记录

设备问题解决后做个详细记录：什么问题；维修过程及结果。以后再遇到同样问题看一看记录，可以节约时间提高效率。也可以使其他维修技术人员单独排除故障时有据可依，少走弯路。

3 盾构机推进系统分析

3.1 液压推进系统的数值仿真

根据系统中具体的液压元件和外部载荷的情况，可以确定状态方程中各系数的值，并在此基础上对状态方程进行求解（过程省略），从而分析整个系统的动态性能及各参数变化对系统性能的影响。選取液压缸开始推进的时刻进行数值仿真，千斤顶无杆腔的压力远远大于有杆腔的压力，这符合液压推进系统向前推进时的特点，向前推进的压力很大，以克服推进阻力，而回油压力较小。无杆腔压力与无杆腔面积的乘积，减去有杆腔压力与有杆腔面积的乘积，等于外部负载的数值。减压阀阀芯的位移能在很短的时间内稳定在40mm左右。当改变负载数值，千斤顶无杆腔的压力有明显变化，有杆腔压力变化不明显。改变减压阀的参数（减压阀阀口的液阻）时，减压阀阀芯的位移也随之改变，但对千斤顶压力影响不大。

3.2 推进系统参数控制

3.2.1 分组油缸推力控制。

在推进过程中一般操作手会根据隧道曲线和盾构姿态来调整分组油缸压力。从而实现盾构姿态可以按照需要进行调整。假设盾构姿态处于往右偏离轴线，那么这时我们就应该给右边这组油缸加大推力使它渐渐往左推进，纠偏过程中不应纠偏过急，防止因分组压力悬殊过大导致盾构机盾壳卡住管片等事故发生。

3.2.2 铰接油缸伸缩控制。

推进时应该时常关注铰接油缸压力变化，当铰接油缸压力较大时就应该注意了。找出引发压力过大的原因，一般情况是在推进过程中或停机时补注的双液浆或单液浆粘连住盾壳，导致在推进时拖拉盾壳致使压力变大。或者是盾构机姿态不好导致盾尾与前盾成曲线折角。卡住盾壳所致。这是应该调整盾构姿态。另外一种原因就是刀盘的边缘刀具磨损严重导致开挖面变小，盾壳卡住所致。这时就应该开仓检查刀具是否需要更换。

3.2.3 刀盘转速的设定。

在硬岩地层中刀盘转速应该设定转速快些。这样可以减小刀具的灌入度从而降低刀盘扭矩。

在软点的土质中则不需要太快的转速。如果转速太块刀盘问题会迅速提高增加了刀盘结泥饼的可能。甚至还会引起地面塌方等事故。

3.2.4 PLC程序控制。

通过plc调整参数或屏蔽来控制盾构机的各项条件。例如启动条件，自动控制条件，或者屏蔽一些无关紧要的启动条件，更改一些延时启动的时间条件等。

3.2.5 刀盘滚动角变化的原因分析。

刀盘启动前需要选择转向，顺时针或逆时针，一般情况盾构司机会依据滚动角的数值选择方向，左负有正。细心的盾构司机应该会发现滚动角的变化有时候变化很慢，有时候变化很快，当然首先影响滚动角变化的因素主要是刀盘扭矩，扭矩大贯入度较深就会造成盾体与刀盘的反作用力从而产生旋转形成滚动角。但还有一个因素会引起滚动角的快速变化，那就是同步注浆不饱满的时候，当管片外部没有浆液包裹此时摩擦力就会变小，所以在阻力很小的情况下就会加快与刀盘反作用力，造成滚动角很快变化。这时一定要及时补充浆液了，不然还会造成管片旋转角变大。盾体与刀盘成反作用力在旋转，那么盾体的油缸顶在管片上同时也会对管片造成反作用力，造成管片一直旋转。最明显的现象就是隧道的走道板越铺越高，或越铺越低。

4 结论

盾构机是修建地铁隧道使用最多的设备，特别是当前我国大力发展城市地下轨道交通。越来越多的工程建设单位首选盾构机来施工。由于我国盾构施工领域起步晚缺乏实践经验，仍然存在众多难题（如跨海隧道），决定了在未来地铁隧道盾构施工仍然面临各种难题的挑战。为了保证地铁隧道施工的安全，可靠，高质和经济，要求盾构机控制系统设计必须要更新设计理念，改进设计手段。

5 展望

虽然本文的研究工作为我国城市地下轨道交通建设打下了一定的理论基础，但是，由于作者水平有限和时间仓促，还有不少工作未能全面展开，从课题研究的延续性和对盾构推进系统控制技术的更高要求上，我认为课题在下一方面需要进一步的研究和完善，归纳如下：

（1）本文所提出的地铁盾构施工电气控制系统分析与故障检查维修原理，除部分在广州地铁3号线北延段、广佛地铁金融高新区间、广州地铁7号线8标及广州地铁21号线4标得到了验证外，未能全部得到所有盾构施工现场的验证。由于盾构机控制系统复杂、盾构机型式多样，虽然本文提出的各种原理及维修、保养方法但仍然需要在以后的工作中逐步验证。

（2）对盾构机监控管理系统进行进一步完善。

（3）对盾构机液压驱动部分进行深入研究。

6 结束语

本设计从2016年9月份开始，到3月份结束，为了得到原始数据，多次到广州地铁在建项目参观学习并像他们请教盾构施工出现的各种故障情况，并进行了系统地分析，从中找出一些解决此类问题的办法。由于本人的知识面及经验有限，对所涉及到的问题及解决方法存在一定的局限性，希望老师们对本文多提批评指正意见。

在设计中，对盾构机电气控制系统及故障处理作了详细分析，对盾构机液压驱动部分也作出部分分析，由于盾构机各个系统涉及范围太广时间紧迫无法做出全面细致的分析研究，还有待我在今后的工作中去总结。

参考文献

[1] 王刚.盾构电气组成系统及常见故障的解决[J].建筑机械化， 2013（02）.