盾构机用空气自动保压系统的模拟试验

孟长跃 于文超 崔迎接

（济南中铁重工轨道装备有限公司，济南250109）

盾构机是一种在钢壳保护下，通过刀盘切削土体进行地下隧道开挖和衬砌作业的隧道施工设备，它具有施工速度快、安全性好、地面沉降小等优点，在隧道施工中应用广泛。在盾构施工过程中保持掌子面的稳定特别重要，掌子面出现失稳,比如塌方、涌水等事故可能引起沉降量加大，从而导致地面沉降、建筑物失稳等严重后果。另外，为进行盾构机的设备维修和掘进方向前方地质调查，人员和设备需要进入掌子面后方的开挖舱内，此时必须确保掌子面的稳定，否则将造成舱内作业人员的伤亡。利用加压空气维持掌子面稳定是目前盾构设备中常用的方法之一，特别是在人员进入开挖舱内时必须配置使用空气保压系统。目前，常用的保压系统原件组成复杂，价格较高，对土仓压力突然升高时，通过关闭进气源，依靠盾体之间的缝隙慢慢降至设置值，等待时间较长，有时甚至需人工手动进行放气处理，人工处理无法精确把握排气量，难精确控制土压情况，易发生事故。

1 空气保压系统试验台设计（见图1）

1.1 保压系统1

保压系统1是高压空气经过自力式压力变送器变成稳定的气源，再由气力调节器（PI）控制单座调节阀总成（进气）的进气大小。其中，压力变送器实时反馈开挖仓的压力变化，根据压力变送器的压力变化和气力调节器的设定压力来实现开挖仓的压力稳定。当开挖仓压力降低时，压力变送器检测到压力降低将信号反馈给气力调节器，再由气力调节器控制单座调节阀打开往开挖仓补压，直至压力提升至设置值。当开挖仓压力大于设置值时，压力变送器将压力反馈给气力调节器，气力调节器控制单座调节阀将阀门关闭，开挖仓通过盾体之间的缝隙慢慢降至设置值。

1.2 保压系统2

保压系统2是高压空气通过空气过滤器干燥后通过减压阀至气动阀门控制器，开挖仓的压力通过管路反馈给控制器，控制器通过控制气动阀的开合来保证开挖仓的压力。当开挖仓压力降低时控制器控制气动阀打开阀门往开挖仓补气直至压力达到设置值，当开挖仓压力大于设置值时，控制器控制先导阀打开气动球阀泄压，将多余压力排出开挖仓从而保证开挖仓的压力稳定。在排气的同时流量计能检测排出的气体流量。

试验台中将保压系统1和保压系统2连接到相同气源和开挖仓，通过设定不同压力来对比不同压力下两套保压系统对土压调节能力的响应时间、准确性及稳定性。

图1 保压试验台原理图

2 保压系统性能对比

表1 保压实验台保压性能对照表

保压系统1性能：保压系统1，包括进气控制部分、压力自动调节部分所述进气控制部分包括进气管路，进气管路上至少包括顺序连接的气源管路、自力式压力调节阀、单向阀和与开挖舱进气口连接的进气控制阀组；在进气控制部分上设有至少由过滤减压组件、减压阀、气动控制器、压力变送器顺序连接组成的控制管路；具有操作灵活、控制精度高、稳定性好、安全可靠的优点。

保压系统2性能：保压系统2是以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，并借助定位器，转换器，电磁阀等附件来驱动阀门，实现开关量或比例调节。它结构简单，动作可靠稳定，输出力大，安装维修方便，价格便宜且防火。缺点：响应时间大，信号不适与远传。

保压系统1结构复杂、性能可靠、适用性强，对执元件精度要求不高，对系统压降反应灵敏；相较之保压系统2结构简单、性能可靠、稳定性强、安装维修方便、价格便宜，对系统压降反应时间略长，均能满足使用要求，性价比更高。

3 结语

该实验台在工厂可以实时模拟盾构机在掘进过程中遇到的各种突发失压情况，并针对各种情况记录各种元器件的工作灵敏程度，可以对目前主流的两种保压系统进行精确真实的模拟，减少施工过程中对盾构机的损坏以及施工人员的伤亡和经济损失，提高了盾构机出厂时的产品质量，同时降低了隧道掘进施工过程中的风险，确保了隧道掘进的安全、速度和效益。