盾构机液压系统研究进展综述

杨民强

(中铁十四局集团 大盾构工程有限公司， 江苏 南京 211800)

引言

随着城市化的进程加剧和人口密度逐渐加大，地面交通已经远远不能满足人们日益增长的需求，大量的地下交通工程急需开发，在城市修建地铁和交通隧道的趋势已成为必然并且任务日益繁重。盾构机是目前最为常用的集机、电、液、伺服控制于一体的隧道掘进工程机械，因其具备挖掘速度快、施工安全、经济效用高，可一次成型等优点，同时能够实现自动换刀、管片吊装拼接、隧道衬砌、激光导向和姿态调整等功能，在地铁修建、水利、铁路、公路等隧道建设方面都起到了至关重要的作用。

液压系统是盾构机最为核心的传动装置，也是盾构机的关键系统之一，在盾构机工作运行过程中起着关键作用， 为整个盾构机的运行提供动力支持。本研究结合中铁十四局集团大盾构工程有限公司目前在芜湖长江隧道这个项目中使用的液压驱动式大直径泥水混合盾构机，分析了盾构机的主体结构并对液压系统的相关技术原理及研究进展进行综述，为后续深入研究提供参考。

1 项目工程概况

芜湖城南过江隧道起于江北规划新民路，沿滨江大道南线布置，在长江大堤内侧拐向东南方向，穿越长江后，终于江南接大工山路。隧址距离下游长江大桥约9 km，路线全长5.965 km。主要建筑内容包括盾构隧道、明挖隧道、收费站、接线道路及风塔，设备及管理用房等。隧道明挖暗埋段长度522.6 m，江北U槽敞开段长度285 m，接线道路长度880 m，江北设收费站一处，收费站规模11进11出。江南U槽敞开段长度210 m，接线道路75 m。盾构隧道采用双管双向设计，道路等级为城市快速路，双向六车道，设计速度为80 km/h。盾构隧道采用2台泥水平衡盾构同向掘进，自江北始发，江南接收。其中左线盾构隧道3957.77 m，右线盾构隧道3967.4 m。隧道开挖直径15.07 m，管片外径14.5 m，内径13.3 m。隧道结构横断面分3层，上层为排烟通道，中层为行车道，下层为救援车道和管廊，整个隧道各段盾构地质情况如图1所示。

图1 芜湖长江隧道工程项目盾构地质图

2 盾构机的工作原理及主体结构

2.1 工作原理

盾构机是一种采用盾构法的圆柱型隧道掘进器，能够在完成推进开掘过程的同时，在开掘区域铺设支撑加固的管片装置，使得整个施工过程不会发生坍塌事故，大大提高施工安全性。图2是盾构机在实际工况下的施工示意图。

图2 盾构机现场施工图

盾构机通过圆柱体型的主体刚件，沿着隧洞轴线方向在不断向前推进的同时对土壤进行挖掘，完成对周边土壤的开采。在液压系统驱动的盾构机工作过程中，液压马达通过驱动刀盘旋转，完成对开挖面岩石的切削，被切碎的石块会伴随泥水一同滑动至土仓底部，通过皮带机传送到渣土车上[1]。盾构机在不断前进的过程中，不仅能够完成岩石泥土的切削，不断向前掘进各种隧道，而且其盾壳能够承受住施工区域的各种土压及地下水压，同时也对挖掘出的还未衬砌的部分起支撑作用，从而支撑整段区域中未开采部分的完整形体，使其不会出现形变。在进行支撑形体的同时，管片拼装机同时进行已掘进部分的管片拼装[2]。由于经过刀盘的切削扰动，施工区域泥土的流塑性得到了大幅增加，具备较好的流动性，能够自动填充泥土舱和输送机壳体上的全部孔隙，避免出现受力不均的问题。最后注浆系统将管片固定形成隧道形体，完成隧道的整个建造工艺流程[3]。图3展示出了目前中铁十四局大盾构公司用于芜湖长江隧道项目中的大直径泥水混合盾构机的实物结构图。

图3 盾构机实物图

液压传动是目前驱动盾构机最常用的方式，与传统机械及电力传动有本质区别。与传统电机驱动方式相比，液压系统驱动的功率密度更高，能够在达到同样输出功率的同时，将系统体积缩小，同时具有更好的过载保护性能，在使用过程中有更长的使用寿命周期[4]。液压系统使用液体作为工作介质，将原动机的机械能转化为液压的压力能，最终通过液压控制阀，比例阀等多个调节装置、控制执行装置进行能量转换，将液体压力能重新转化为机械能，驱动负载进行直线运动[5]。

2.2 主体结构

盾构机作为大型机电一体化的复杂设备，随着不断地应用衍生出诸多不同种类、不同形式的机型。本次芜湖长江隧道中所使用的为大直径泥水混合盾构机。混合式盾构机的独特之处在于通过分隔挡板分为两部分的开挖舱。为全幅面支撑掌子面，开挖舱前部区域在掘进过程中完全采用悬浮液填充。与此相反，在分隔挡板与压力挡板之间(也称为工作舱)的后部区域几乎仅通过机器轴处理悬浮液。工作舱通过上部区域中1个可以压缩的气垫对掌子面施加所需的背压。2个舱室之间的通信通过底部区域的分隔挡板开口实现。根据其主体部分所实现的功能，通常可以将盾构机的主体结构划分为盾构壳体、推进系统及衬砌拼装机三部分[6]。图4给出了泥水混合盾构机的结构组成示意图。其中，掌子面进行物料的挖掘；刀盘主要是通过刮刀和滚刀从待处理的掌子面上挖掘土体；开挖舱实现刀盘旋转并产生开挖物料；分隔挡板用来将开挖舱与工作舱分隔；用来确保所需的掌子面稳定的气泡；盾构机的工作舱在正常工作时满足工作舱的压力等于待处理的土壤压力和水压；压力隔板主要是将大气区域和掘进设备的施压区域分隔；悬浮液在机械隧道掘进过程中用作支撑和输送介质；管片拼装机用于在管环安装中安装钢筋混凝土管片；隧道衬砌通过预装的精密钢筋混凝土切块进行隧道洞身的衬砌；环向间隙填充通过注浆连续不断地填充山体和衬砌之间的环向间隙；盾尾确保内部工作空间与外部土压和水压层之间的密封。

1.掌子面 2.刀盘 3.开挖舱 4.分割挡板 5.稳定气泡 6.工作舱 7.压力隔板 8.悬浮液 9.靶 10.水泥管路 11.进浆管路 12.管片拼装机 13.推进油缸 14.隧道衬砌 15.环向间隙填充 16.盾尾

盾构壳体是盾构机的重要组成部分，沿着盾构轴线的前进方向可以清晰地将其分为切口环、支承环以及盾尾，并且与竖直及水平隔板通过外壳钢板连接成一体化结构[8]。切口环又叫前盾，位于整个盾构机结构的最前端，一般安装有刃口，主要由前后隔板和筒体组成，用来实现开挖及挡土功能，在推进施工过程中，能够将刃口直接切入砂土层，完成安全开挖[9]。泥水混合盾构机刀盘底部到前隔板之间的空间为开挖舱，前后隔板之间的空间为气垫舱，前后隔板上设置有泥浆注入口，测压口等众多管线接口和备用扣，满足泥浆循环，压力调节和控制的需求。

与切口环相连的是位于中间部位的支承环，它是一种刚性非常好的圆形结构，作为承受负载荷重的重要部位，承受盾构机掘进过程中的大部分荷载。与支承环共同起承压作用的通常还包含水平及竖直隔板，分别用来承受拉力和压力[10]。在开挖过程中，为了时刻保持开挖面的平衡稳定，切口环需要一定的压力，所以在支承环部分也会设计相关的人行加压机减压舱来完成对切口环压力的调节。在支承环的后部通过盾构机外壳钢板延长形成了盾尾，盾尾与管片接触的地方安装四道密封钢丝刷和一道钢板束，并在密封刷与管片外径形成的腔内注入密封油脂，防止隧道内水或砂浆进入盾壳内。盾尾能够掩护管片的拼装、衬砌作业。盾尾末端通常因为需要防止泥水和注浆材料从盾尾与衬砌之间的空隙内流入而设有盾尾密封装置[11]，盾尾的结构示意图如图5所示。

图5 盾构机盾尾结构示意图

推进系统主要是由推进油缸为整个盾构机的掘进提供动力支持。在推进时，推进油缸伸出，撑靴作用到管片上提供盾构机前进的反力。

各组油缸可以相互独立调节，整个盾构机的推进速度由一个流量控制阀调节。通过实时调整每组油缸的推进压力和速度可以实现盾构机的纠偏和调向。推进油缸活塞杆前端与撑靴通过球轴承和碟形弹簧连接，撑靴可以在侧向力的作用下自由转动。撑靴表面和油缸垫板能保证推力均匀缓和地作用在管片上，防止管片损坏。同时在推进油缸设计浮动支撑，可以实时保持推进油缸的中心线与管片中心线重合。

管片拼装机工作在盾尾区域，用于安装衬砌管片。管片拼装机主要由托梁、回转架、移动架、轭架、真空吸盘和提升油缸等组成。拼装机由单独的液压系统提供动力，通过对液压马达和液压油缸等执行机构动作的比例控制，可实现拼装管片的纵向移动、径向移动、横向移动、回转、横摇和俯仰动作，使得管片能够快速精确的完成定位并安装。根据盾构直径的大小、衬砌构件的材料和形式、出土方式的不同具有不同的样式[12]。

3 盾构机液压系统的组成

目前盾构机中最常见的驱动系统为液压系统，通过液压驱动系统为盾构机的各部分提供动力支持[13]。作为盾构机的主驱动系统，其密封性能的好坏直接决定了盾构机水土承压的能力。盾构机液压系统通过驱动液压泵工作的电动机，将机械能转换为液压油的液压能，然后通过整套设备上的各种控制元件及阀组到达执行元件的液压马达中，再完成一次能量转换，将液压能转换成机械能去带动每一部分的负载[14]。通常来讲，泥水平衡盾构机液压系统主要包含推进液压系统、刀盘驱动液压系统、物料运输系统、管片拼装液压系统以及其他辅助系统等5个组成部分，一起驱动盾构机完成整个隧道掘进工作流程。

3.1 推进液压系统

推进液压系统通过沿盾体分布的液压缸来分组控制，实现为盾构机提供前进动力的功能[15]。在实际工作中，主要的推进动力来源于推进液压系统中的推进油缸。推进液压系统的稳定性很大程度上依靠高压过滤器及控制阀组的分组控制实现多油缸的同步操作，实现直线隧道的掘进，提高掘进过程中的准确度。图6 给出了盾构机推进液压系统缸组示意图。图7给出了本次芜湖项目中使用的铁建重工泥水盾构机中推进系统油缸的分组示意图，本次项目所使用的铁建重工大直径泥水混合盾构机中的推进系统包含56根推进油缸，共对称分布有6组油缸，并安装有位移传感器，便于施工人员实时监控每组油缸的行程和压力。

图6 盾构机推进液压系统缸组示意图[16]

图7 盾构机推进油缸分组示意图

推进液压系统完整的工作过程如下：首先通过液压泵站的电机带动液压泵工作，将动力液压油泵出，经管路传输至推进油缸的控制阀组，通过驱动控制阀组工作，实现液压油在阀组内的控制。液压油在阀组的控制下进入推进油缸，驱动推进油缸的伸缩；同时为了提高盾构机的推进工作效率，每组油缸都设定有特定的控制阀，每组油缸也可以独立地通过各自对应的控制阀进行伸缩工作，从而带动盾构机完成掘进[17]。

推进液压系统一般还在一定程度上承担着调整盾构姿态的功能。在软岩及泥沙地层中，一旦遇到地层中坚硬石块部分，通常会因为盾构机瞬时受力不平衡而出现姿态偏移情况。在这种情况下，通常通过加大左右两组油缸的差值来满足整个盾构机姿态向一方偏移的情况，具体的倾向根据实际情况进行调整，而对于软岩地层中出现的独立石块，一般只能控制推进速度，利用导向油缸缓慢进行伸缩，将其慢慢磨碎。在断层中掘进时，有时会出现盾壳抱死现象，即盾尾的铰接油缸完全不能缩回。通常可以通过加注膨土，并在盾尾铰接油缸连接处焊接钢板，带动盾尾移动，直到通过断层地面。在通过硬岩地层中时，通过控制导向油缸的伸长量以及相对的两组油缸之间伸长量的差值进行调控盾构机姿态，使其在掘进过程中保持较好的平衡性，一般我们在正常推进过程中保持导向油缸的伸长量为2～3 mm左右，同时控制2组的差值维持在20 mm以下，更有利于在硬岩中保持姿态的平衡。

3.2 刀盘驱动液压系统

刀盘驱动液压系统主要为刀具的正常切削提供动力。刀具是完成盾构机掘进的核心部分[16]，所以刀盘驱动液压系统作为主要工作机构的驱动系统，协助推动液压系统驱动刀盘进行旋转，从而能够切割土体，实现盾构机的推进任务[18]。刀盘驱动液压系统通过高压大流量变量泵驱动多个变量马达，马达再经过减速机后驱动整个刀盘开始旋转工作[19]。图8是用于芜湖长江隧道项目中的泥水盾构机的刀盘实体结构。

图8 刀盘结构示意图

从功能上看，整个驱动液压系统可以看作是一个变排量容积调速系统。其中，主驱动泵通常会与补油回路和变量控制回路进行集成，使得整个系统结构得到简化。在工作过程中，主驱动泵通过液控比例变量，调整斜盘倾角以及工作象限，达到控制变量泵排量及调整马达正反转的效果，使得在各个方向上都能够满足驱动要求。经过变量泵驱动后的变量马达减速后带动盾构机刀盘旋转，所以在结构上变量马达一般与减速装置直接相连。因为实际工况的复杂性，需要面对的挖掘工况并不一样，最典型的两种工况便是硬土层与软土层，其对转速及扭矩的要求不尽相同，所以需要灵活进行变量马达的速度档位调控来满足不同地况的需求。目前，为了应对盾构施工过程中不同区域的地层差异性，通过进行不同地层的识别，根据不同地层的情况调整盾构机参数，起到节能减耗的作用[20]。同时，目前为了进行系统安全保护，通常会在系统内部安装压力切断装置，保证因障碍物产生过压后，整个系统能够及时进入安全保护状态，避免过压对设备造成的损害[21]。

在硬岩条件下，刀具极易破损，一旦发生刀具的破损，会造成整个刀盘受力不均，从而加剧刀具过度磨损。在实际工程中，通常是监测刀盘压力反映刀具的磨损情况，如果出现刀盘压力突然增大，或者瞬间跳动至一个较高的阈值后出现连续跳动的现象，一般会进行刀具磨损的检查。在断层地面中，通常会出现刀盘抱死，刀盘扭力增大而不能转动的现象，排浆量会急速下降，进浆压力明显增大。在工程中应对这样情况的常用措施是及时把进浆压力调大，同时将排浆量增大，通过进浆与排浆之间的压力差，将泥沙推出，防止刀盘抱死。

3.3 物料运输液压系统

物料运输系统主要由喂片机、单管片吊机、双管片吊机和箱涵吊机组成，主要的功能是将管片运输车上的箱涵、管片、辅助物料、仰拱块通过各种吊机吊运至所需位置[22]。

输送系统主回路通常包含主泵和液压马达，主泵多为双向比例变量泵，整个系统又可以分解为主回路及控制回路[23]，其中，主回路中安装有溢流阀、补油单向阀和低压排放阀；溢流阀主要起定压溢流、稳压、系统卸荷和安全保护作用，补油单向阀则是控制油液流动方向，防止油路中的油回流。控制回路中安装有主泵斜盘伺服油缸及双向伺服控制阀[24]。因为在实际工作中，物料运输液压系统的功率较大，会使得整个系统升温迅速，因此需要通过设置补油回路[25]，实现系统散热及进行补油操作，其中，2个单向阀能够满足向2个方向进行补油操作，不仅能够为输送马达提供高压油，并且能通过闭式回路的2个油口的低压端进行补油。同时补油回路还能够在一定程度上保护马达，在遇到马达过载情况下，能够及时将多出来的压力油重新送回油箱，实现对马达过载情况下的安全保护[26-27]。

3.4 管片拼接液压系统

管片拼装机工作在盾尾区域，用于安装衬砌管片[28]。管片拼装机主要由托梁、回转架、移动架、轭架、真空吸盘和提升油缸等组成。管片拼接液压系统负责给管片拼装机提供动力支持，进行管壁混凝土的管片拼装以及堆砌工作[29]，通过对液压马达和液压油缸等执行机构动作的比例控制，可实现拼装管片的纵向移动、径向移动、横向移动、回转、横摇和俯仰动作，使得管片能够快速精确的完成定位并安装。因为一般情况下管片拼装机工作的频率几乎是整个系统中最高的，所以其出现故障的频率也几乎是整个盾构机液压系统中最高的。通常情况下，管片拼接液压系统具备灵活高效的特点，在目前的多数盾构机设备中能够独立自主完成工作，帮助在掘进隧道过程中筑成圆形隧洞[30]。

管片拼装机液压系统最为常见的动力源是由恒功率控制双联柱塞泵提供，该动力源与马达之间安装有高压滤波器、负载敏感比例多路阀、控制阀组。马达作为驱动机构，能够驱动管片旋转机实现一定度数范围内的正负方向旋转，并且在旋转过程中，通过液压缸驱动提升系统完成对管片的回收。各组控制阀组能够控制整个管片拼装机的多方向移动，包含旋转、抓取等一系列机械动作的实现。目前为了提高调整动作的准确性以及提升旋转自由度，通常会将负载敏感比例多路阀安装在系统中，完成高精度的位置及角度调整，促进整个管片拼接液压系统完成拼接及提升的工作效率。

3.5 其他辅助系统

除了上述一些液压系统之外，泥水平衡盾构机还有泥浆环流系统、油脂密封润滑系统、同步注浆系统等其他辅助系统配合完成整个工作流程。

泥浆环流系统主要由进浆泵、排浆泵、进浆管路、排浆管路、控制阀门、管路延伸机构、碎石机、泥水处理厂等组成。泥浆环流系统的主要作用是在和自动保压系统配合下稳定开挖面，防止地面坍塌，以及盾构机出碴。进浆泵将地面泥水处理厂调配好的泥浆通过进浆管路输送至盾构机开挖掌子面，通过自动保压系统控制开挖舱压力，以稳定掌子面。排浆泵将携带渣土的泥浆从气垫舱吸出，并通过排浆管路输送至地面的泥水处理厂进行处理，以便再次利用。

润滑系统包括4部分：HBW 油脂密封系统、油脂集中润滑系统、盾尾密封系统和主驱动润滑系统。前3个系统都以压缩空气为动力源，靠油脂泵活塞的往复运动将油脂输送到各个部位，当油脂泵站的油脂用完时，油脂控制系统可以向操作室发出报警信号，并锁定操作系统，直到重新换上油脂，这样可以充分保证油脂系统的正常工作。

同步注浆系统主要由砂浆泵、压力传感器、手动阀门、液动刀闸阀、砂浆罐、砂浆转运泵、液动刀闸阀及配套管路等组成。同步注浆系统的主要作用是控制地表沉降，防止管片变形和隧道上浮，管片缝隙防渗防漏。盾构机配有4 台液压驱动的注浆泵，通过盾尾的注浆管将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙中。注浆压力可以调节，注浆泵泵送频率在可调范围内实现连续调整，并通过压力传感器检测其压力变化，主控室可以看到单个注浆点的注入量和注浆压力信息。

4 盾构机液压系统的故障诊断

对于使用液压系统作为主驱动的盾构机设备，液压系统的正常有效工作是整套设备处于正常工作状态的重要保障，其不仅直接影响着推进功能的实现，还在一定程度上决定了工程质量。为了保障盾构机液压系统正常运行，需要保持液压系统稳定[31]，从而能够在整个工期中能够持续处于正常工作状态，因此对于液压系统的故障诊断与维护就显得尤为重要。近年来有关液压系统故障诊断的方法也逐渐成熟起来，通过一些技术手段对液压系统的一些参数进行测量，达到识别故障及预测可能发生的故障的效果[32]。

4.1 常见故障类型及特点

常见的液压系统故障大致是分为以下2种：第一种是由于系统内部个别零部件损坏或者磨损，使得整个系统出现流量、压力不足等问题，导致液压系统无法正常工作；另一种则是结构本身出现的问题，例如一些控制元件会发生动作失灵异常等情况。目前有关大型机电设备的故障诊断技术已经发展较为成熟，对盾构机液压系统进行故障诊断，能够在盾构机工作过程中，监测系统所出现的问题，并提出解决方案，增加盾构机掘进效率[33]。

通常来讲，泥水平衡盾构机作为一个复杂的机电液一体化复杂设备，其液压系统所存在的故障类型也表现出多样性与复杂性。在实际的故障发生时，往往不是因为某一单独原因造成系统无法正常运行，一般都是多种因素共同作用的结果[34]，同时，同一故障因素有时也并不是唯一的造成某一部位出现故障，有可能造成多个部位出现无法正常运行的情况[35]。有关内部结构的故障类型通常无法直观地从外部观测得到，需要通过内部的一些参数去反映系统故障。液压系统故障也具备一定的偶然性，因为设备的复杂性决定了在整个系统中的环节过多，其中个别环节的偶然故障都会引起整个系统的停滞工作，这就需要我们日常进行设备的巡检，以降低故障发生的频率。最后，液压系统的故障也会受到环境的影响[36]，尤其是涉及液压油的一些故障，一般都会受到环境温度的密切影响。

目前比较常见的盾构机液压系统故障大致有以下几种：液压油污染造成的故障、油温过高造成的故障、液压系统的泄漏问题以及盾构机零部件磨损问题等[37]。

液压油的质量是盾构机液压系统正常工作的重要保障，所以液压油的污染也是目前盾构机液压系统的主要问题之一。液压元件随着工作时间的推移，会产生一些磨损的金属碎屑，这些碎屑会混入油液对液压油产生污染；同时，当接触到工作环境中的水或空气，不仅会使油液更容易氧化变质，还存在与高温高压的液压油混合后爆炸的风险。当产生上述液压油污染后，污染物会堵塞滤油器以及管路通道，从而造成液压油流量不足以及压力无法达到正常要求的故障，在盾构机的正常工作过程中会造成整个设备突发失效，存在非常大的安全隐患。油温过高也是目前液压系统常见的故障类型，因为盾构机实际工况较为复杂，外负载通常是多变的，所以液压系统也会不断跟随外负载发生变化，这个过程中一部分的液压能会转化成为热能，造成液压油温度升高；另外，液压油在传输过程中与一些管路和阀组摩擦碰撞也会产生热量，造成液压油区域温度大幅度升高[38]。当液压系统油温升高至一定程度后，会使得油液黏度降低，各个部件之间的摩擦会增加，整个系统的温度会持续上升，最终会造成执行元件动作迟缓等故障，降低工作效率，随着时间推移会大幅度损害设备，缩短设备使用寿命。高温也会加快油液通道的氧化反应，产生一些附着物，造成管路的堵塞，影响整个系统的正常工作。液压系统另一个比较常见的故障为发生泄漏[39]。常见的泄漏一般可以分为内泄漏和外泄漏，内泄漏指的是在液压阀的内部发生泄漏，会影响到系统的正常运行。张轩等[40]使用dB4小波对液压压力信号进行间隔点检测，分割出高压平稳端的时域信号并提取其时域和小波域特征，然后通过主成分分析的方式提取有效特征并剔除分敏感特征，最后使用谱聚类对泄漏的严重程度进行了诊断；师冲等[41]提出了一种经验模式分解和一维密集连接卷积网络的电液换向阀内泄漏故障诊断方法，准确、有效地对电液换向阀内泄漏故障进行诊断。外泄漏则是指液压缸或者是一些管路在工作过程中发生泄漏，造成液压油外漏或渗油的情况。在正常工作中，还有一种故障是由于元器件的磨损造成的[42]，其中最容易产生磨损的部件是液压阀与液压泵，通常在液压油传输过程中，其自身成分里很难保证没有颗粒状的金属污染，一旦这样的颗粒状金属污染物卡在液压泵及液压阀之间的密封间隙中，就会因无法清除而反复磨损，造成关键部件的损坏，从而影响整个系统的正常运行。

4.2 故障诊断技术

通常所指的液压系统故障是指液压系统没有办法在保证系统性能稳定的前提下正常工作。目前的故障诊断主要采用的方法是通过技术手段测量系统的特征参数，从而通过一些参数的变化反映整个系统的故障情况。

液压系统故障诊断技术的发展大致经历了原始诊断、模型诊断、智能化诊断3个发展阶段。在原始诊断阶段，一般针对的对象较为简单，不需要太多的仪器参与，通过相关领域的专家技术人员的经验完成对简单设备故障的判断，这种方法需要依赖丰富的经验且准确率较低；模型阶段则是随着动态检测技术及传感器的发展而得到了发展，时频分析、时域分析、动态分析、状态空间分析、卡尔曼滤波等诊断方法能够诊断稍微复杂的液压系统故障，并进行进一步的评估与决策，结合统计检验方法进行分析诊断，大大提升了诊断的准确性。但是基于模型诊断阶段的诊断方法需建立较为系统的数学模型，虽然实践中也取得了较为显著的经济效益和社会效益，其诊断过程存在明显的局限性；智能化诊断阶段是目前最为常用的一种方式，以常规诊断技术和信号处理技术为基础，以人工智能为核心技术，构建出智能诊断模型和诊断系统，具备广泛的适用性与高准确率。液压系统故障诊断技术的发展满足了大型复杂机电设备故障诊断的需求，下边将对相关液压系统的故障诊断技术研究情况进行综述。

最早的有关液压系统故障诊断开始于1960年，英国Bath大学机器保健状态监测协会[43]利用加速度传感器与压力传感器完成了信号的测量，以此来实现对液压系统的故障诊断。随着传感检测技术的发展，目前许多国家都已经成立了专用的故障诊断研究中心，已经从最初始的简单诊断到智能信息化诊断的转变。SRIYANANDA H等[44]通过研究总结出了一种能够将故障测得数据充分利用的时域分析方法，并引入最优化思想，将数据与时间延迟选择排序结合，确定出最优的诊断方案；ABBOTT K H等[45]实现了专家系统在飞行器液压系统上的应用，通过时间、因果关系等多因素对液压系统产生推力进行分析，实现飞行器液压系统故障诊断；在神经网络逐渐发展成熟的阶段，CROWTHER W J等[46]创新性的结合神经网络算法通过实验与仿真运用液压制动系统回路的故障诊断中；CHEN等[47]成功建立容错控制系统，将最常见的液压系统故障类型进行整理，并能够通过容错系统根据故障现象进行自适应反推；MA等[48]通过故障树分析法实现了回转液压系统定性分析及定量的计算，可以对整个系统各个组成部分进行可靠性计算。FANG等[49]提出了一种视觉动态诊断技术，针对复杂液压系统进行常见的故障类型诊断，证明了该方法的可行性；HE等[50]从模型角度出发，提出基于多网络模型的工程机械液压系统故障诊断方法，计算动态GRNN模型的测试阈值，并利用样本的残差进行模型准确率测试，验证方法可行性。LI等[51]针对掘进过程液压系统的故障诊断问题，将传统故障树方法与专家系统结合，生成诊断规则数据库，为后续的研究发展提供新思路。POLLMEIER K 等[52]建立神经网络与故障类型联系，通过训练网络，保证不同的网络可以对应不同的故障类型，再将所有网络的并行输出作为一个新网络的输入，就可以实现对多类故障的识别；DONG等[53]在传统BP、Elman神经网络的基础上，提出一种改进后的PSO-BP与PSO-Elman神经网络，将神经网络和粒子群各自的优点结合起来，可以大大提升神经网络学习效果；ANGELI C等[54]为了解决专家系统的接口问题，利用超文本和用户建模设计出一个用户界面，目前已用于液压系统故障诊断。

国内近几年有关液压系统故障诊断的研究也完成了从模型阶段至智能诊断阶段的过渡。付耀琨[55]建立小波神经网络数学模型用来分析液压系统的常见故障；唐宏宾等[56]通过提取故障特征，利用主元分析结合BP神经网的思想，先通过主成分分析法进行故障特征向量进行降维处理，将降维后的故障特征向量输入神经网络进行故障训练和识别，完成对液压系统故障的诊断；黄克等[57]运用数据驱动的思想，根据运行监测所测得的数据建立数学模型，并将所提方法运用于刀盘驱动液压系统中，对所提方法进行验证；周晓群[58]在传统PCA方法的基础上，提出了将PCA与SVM相结合的方法，建立了刀盘驱动液压系统模型，并对常见的典型故障进行了建模，模型具备较高的准确率，适用于工程推广。后续的一些相关研究采用基于知识处理的智能故障诊断方法，专家系统在液压系统故障诊断中应用较为广泛，张洪瑾[59]运用模糊神经网络算法，设计出基于模糊神经网络的掘进机液压系统故障诊断专家系统；邱寒雨等[60]在传统BP神经网络的基础上，提出了一种基于BP神经网络和AdaBoost算法，建立故障诊断模型。

液压系统是集液、机、电为一体的耦合系统，针对该系统进行故障诊断通常具有随机性、复杂性、隐蔽性。盾构机液压驱动设备通常具有复杂的结构，因此针对其液压系统进行故障诊断对于精确度的要求较高。尽管通过现有的研究，已经将液压系统故障诊断技术与盾构机实际工程需要进行结合，但是在实际应用过程中仍存在很多问题。因此，为进一步提高液压系统的故障诊断效率，后续有关故障诊断的研究需要将知识理论与实际工程应用进行充分融合，给盾构机液压系统故障诊断技术带来新的发展机遇。

5 结论

本研究结合中铁十四局集团大盾构工程有限公司在芜湖长江隧道项目中所使用的泥水平衡盾构机，通过对盾构机液压系统研究进展进行综述，详细从泥水平衡盾构机工作原理、组成成分、液压系统等方面介绍泥水平衡盾构机及其液压驱动系统，围绕故障诊断的相关技术，分析了目前有关盾构机液压系统的故障诊断理论的研究进展，为后续该领域技术推进及盾构机液压系统研究提供参考和思路。