下沉式竖井掘进机及其控制系统简介

栾国宇

（徐工集团凯宫重工南京有限公司 沈阳分公司，辽宁 沈阳 110001）

1 背景及应用

近十年来，我国地下空间的开发速度越来越快，利用规模越来越大。在此过程中，需要建设大量的沉井作为其地下构造物。例如，地下隧道掘进机的始发和接收井、隧道通风井、城市排水系统竖井、地下立体车库和仓储竖井、采矿竖井、桥梁工程竖井、导弹发射井等。尤其是在市区内进行施工时，对其施工方法及其设备提出了很多新的要求。

下沉式竖井掘进机及其施工方法作为一种新型沉井施工装备和工法，与现有设备相比，具有安全、高效、占用场地小、地质适应性广、对周围环境影响小等独特的技术优势，尤其适合在大直径、大深度的竖井工程中使用。因此，将在未来的工程中发挥巨大的作用，具有广阔的市场应用前景。

以其在地下立体停车库方面的应用前景为例。根据相关数据显示，停车泊位数应达到车辆保有量的1.1～1.3 倍，按照1.3的比率计算，2020 年我国停车泊位需求缺口超过2 亿个。在城市商业中心、大型医院和老旧住宅等区域，车位供需矛盾将更加突出。若其中10%的车位需要采用地下立体车库的方式，每个车库按200 个设计，大约需要建设10 万座竖井。针对中心城区、核心商务区、医院等公共热点区域人流车流量大、老旧建筑布局密集、周边土地资源紧张等特点，采用传统明挖方式建设地下停车库遭遇建设用地有限、施工困难等瓶颈；而竖井掘进机及其工法恰好能在小空间内进行施工，解决停车位的供需问题。一个200 辆规模的传统停车场占地至少6000 平方米，而采用竖井掘进机建造同等规模的地下停车场占地面积不超过300平方米，可极大程度地利用城市中心区域的零碎的边角地块，释放停车空间。

2 现状

竖井掘进机由德国海瑞克公司研发，已经在欧洲、美国、中东和新加坡等多个国家和地区的地铁隧道的始发接收和通风竖井、城市污水系统的集水井、采矿业生产竖井的建设中得到广泛地应用。

我国使用此类装备的起步时间较晚。2020 年，在南京市建邺区沉井式地下智能停车库（一期）工程项目中首次应用，这也是此设备到目前为止在我国惟一的一次应用。而且，目前国内没实际应用的国产化设备，主要完全依靠进口设备，价格高昂，无核心技术。目前，多家大型机械制造型企业都在致力于设备的自主研发，以打破国外的垄断地位。

3 下沉式竖井掘进机设备构成简介

竖井掘进机主要包括掘进机主机、动力卷扬系统、回收卷扬系统、沉降系统、泥浆分离系统、液压动力系统、电气动力系统、电气控制系统等；其中掘进机主机还包括掘进单元、排浆单元、回转单元、支撑单元。

图1

掘进机主机通过支撑单元与竖井管壁连接，将整个主机部分悬挂在竖井中，掘进单元由铣挖头和排浆泵组成，铣挖头通过伸缩油缸和俯仰油缸与铣挖臂连接，铣挖臂与回转机构是机械硬连接，因此铣挖头可以挖掘到竖井同一个内所有泥土，然后通过排浆泵将泥浆排到地面的泥浆分离站进行泥浆处理；每挖掘完一个平面，拼装一环管片，完成后绞线油缸下放，进行下一个工作面的挖掘，直至整个竖井挖掘完成。

动力卷扬系统由一台卷扬机及辅助设备组成，是液压系统管线及电气系统电缆的延长和回收装置。

回收卷扬系统由多台卷扬机组成，主要功能是回收竖井掘进机主机设备。

沉降系统是都多个绞线油缸组成，通过钢丝绳作用于竖井的管片，主要功能是控制整个竖井的下降高度和下降速度。

泥浆分离系统，是将排除的泥浆进行分离过滤，然后再将密度适宜的液体排回到竖井内，以保证竖井内外水压的平衡，避免沉降和坍塌。

液压动力系统、电气动力系统是整个设备液压执行机构和电气执行机构的动力源。液压系统的最高工作压力为35MPa；供电系统采用TN-S 系统，选用2000kVA 连接组别为Dyn11 的配电变压器，并配有功率补偿系统。

电气控制系统是实现整个竖井掘进机工作方式的控制核心，由上位机及PLC（可编程逻辑控制器）组成，集数据监控、数据采集、数据记录、自动化控制控制于一体，安全可靠。

4 下沉式竖井掘进机控制系统简介

竖井掘进机控制系统由一台上位机（包含上位机监控软件）和一台PLC（可编程逻辑控制器）及PLC 的多个远程从站组成。

图2

控制系统的上位机及显示器安装在地面的控制室操作台上，负责现场数据监控、数据采集和数据保存，操作人员可时时观测掘进机的工作状况，与PLC（可编程逻辑控制器）采用PROFINET 的通讯方式，此种方式传输速率快且稳定应高，是目前比较主流的通讯方式。

控制系统的PLC（可编程逻辑控制器）分别与上位机和从站进行通讯，内部包含编写好的逻辑程序，通过复杂的逻辑运算控制着掘进机的工作过程，进而实现了自动控制。PLC 有两个不同的通讯接口，一个是PROFIBUS 接口，另一个是PROFINET 接口；PROFIBUS 是上位机与PLC 的通讯接口，PROFINET 是PLC与从站的通讯接口。

PLC 从站是由通讯卡以及I/O 模块组成，从站与多个执行元（传感器、电磁阀等）件连接，负责数据的采集和动作的执行。由于竖井的一般深度为100 米，且控制系统主站要位于地面的控制室内，通讯电缆只能通过卷扬系统与井下的从站进行通讯连接，且中间无法加网络中继（网络交换机），这样就导致通信的最大距离可能会大于甚至远远大于100 米，而现在比较主流的的基于以太网的PROFINET 通讯最大通讯距离理论上是100 米（网线连接），所以无法使用。

PROFIBUS 的优点是通讯距离长，且经过多年的实践，已经很成熟；而他的缺点也显而易见，PROFIBUS 是“手拉手”的网络组成，这就导致，一旦网络中间出现故障，故障点后面的从站将完全丢失，就无法工作了；针对这样情况唯一的解决办法就是将系统做成冗余系统，一旦一条通讯出现问题可以马上切换到另一条线路上，不会影响设备的正常工作，当然成本上会更高。

另一种解决方法就是将PROFINET 通讯的网络用光纤进行连接，光纤的传输距离极高，但光纤本身较为脆弱，易损坏，不适合在频繁移动设的备上使用，下沉式竖井掘进机的工作方式决定它是一直在移动的，所以此方法理论上可行，但无法应用到实际的工作项目中。

综上所述，主站与从站之间选择了PROFIBUS 通讯；下表是PROFIBUS 通讯传输速率与传输距离的关系。

表1

我们可以根据项目实际的通讯长度和内部程序的数据量选择适合的通讯速率以满足设备的工作要求。

5 结论

装备制造业水平是一个国家综合国力强大与否标志，我国是传统的制造业大国，“made in china”遍布世界每一个角落，但是我们还是缺乏很多领域的核心技术，致使被很多西方势力“卡脖子”，只有真正的掌握核心技术才能成为真正的技术强国，真正的从“中国制造”转变为“中国创造”；下沉式竖井掘进机的目前技术同样掌握在国外人手里，但很多企业已经在取得了突破性的成果，相信竖井掘进机在不久的将来就会像我们当年生产制造盾构机一样，实现自主研发、自主设计、自主制造，打破技术壁垒。