（机械电子工程专业论文）盾构刀盘驱动液压系统及其功率自适应控制方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 盾构机是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体、专用于 地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它需要针对不同地层地质要求 进行设计制造，而且实际挖掘过程中会有不可预见因素的影响，所以有必要搭 建盾构模拟试验平台，用来模拟不同类型的盾构机在不同地层中的掘进过程， 开展盾构机在典型地质条件下的控制策略、设计理论及计算方法的研究。 土压平衡盾构代表当今世界盾构技术的先进水平，对它的研究将有利于提 高我国盾构机的设计制造水平，扩大盾构机的国产率。刀盘驱动液压系统作为 模拟盾构的一个重要组成部分，对其进行理论研究将有助于提高盾构机的整体 控制水平。 论文以盾构模拟试验平台刀盘驱动液压系统为研究对象，对采用了电液比 例技术的系统进行了原理设计、液压阀块设计和系统集成设计。对试验结果进 行了总结，分析了不同地层对刀盘扭矩和转速的影响。采用a m e s i m 仿真技术， 对液压系统进行了刀盘转速调节特性和负载适应特性的仿真分析。利用统计分 类方法对地层状况进行划分，并对刀盘前方土层进行预报，查询专家经验以输 出适应地层的控制参数，可以实现刀盘驱动液压系统的功率自适应控制。本文 的研究成果为实际盾构机的设计制造提供了相关参考依据。 本文的主要研究工作内容如下： 第一章，综述了国内外盾构技术和盾构掘进机的发展历程及研究现状，分 析了电液比例控制技术在盾构掘进机中的应用情况，介绍了盾构驱动系统的概 况。最后提出了本课题的研究意义以及论文的研究内容。 第二章，提出了适用于复杂工况的模拟盾构刀盘驱动液压系统设计方案， 分析了系统各控制功能模块的实现，并进行了该系统液压元件主要参数的计算 与选型，阀块与泵站的集成设计与加工。 第三章，介绍了模拟盾构试验平台的试验条件，分析了试验中盾构掘进历 经三种土层过程中刀盘扭矩的变化规律以及了刀盘转速的调节特性。参照刀盘 驱动液压系统物理模型，使用a m e s i m 软件搭建了仿真模型并确定了参数，仿 真结果表明系统具有较好的调速特性以及负载适应性。 第四章，针对所设计的液压系统提出了一种基于地层识别的刀盘功率自适 应控制方法。该方法以不同地层中的试验数据为依据，通过统计分类划分土的 类别，并使用贴近度的计算方法得到样本所属地层的量化参数，据此查询盾构 施工的专家经验库，使系统输出与地层相适应的控制参数，实现刀盘驱动液压 系统的功率自适应控制。 第五章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究 的工作和方向。 关键词：土压平衡式盾构；刀盘驱动液压系统；a m e s i m 仿真；地层识别；功 率自适应控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ei sat y p eo fc o m p l i c a t e de n g i n e e r i n ge q u i p m e n t w h i c hi sr e l a t e dw i t hs u b j e c t so fm a c h i n e r y , e l e c t r o n i c s ，h y d r a u l i c s ，m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l ，a n di sw i d e l ya p p l i e di nt h eu n d e r g r o u n dt u n n e le x c a v a t i o n b a s e du p o n t h ed i f f e r e n tk i n d so fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，e a c hs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n eh a st ob e d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di n d i v i d u a l l y h o w e v e r , t h ep r e s e n td e s i g nt h e o r ya n d m e t h o do ft h es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ea l en o tp e r f e c t t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt o e s t a b l i s has i m u l a t o rt e s tr i go fs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n et os i m u l a t et h et u n n e l e x c a v a t i o n su n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tl o c a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r e s i nt h i s a r t i c l e ，an e wd e s i g nt h e o r ya n dac a l c u l a t i o nm e t h o di nt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e ma l ep r o p o s e dt oi m p r o v et h ed e s i g nl e v e lo ft h es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e e p bs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n er e p r e s e n t sf o rt h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g yo f m o d e ms h i e l dm a c h i n ea n ds oi t ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ho ni t t h i sw i l lb eh e l p f u l f o rp r o m o t i n gt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gl e v e lo fo u rn a t i o na n de n l a r g i n g d o m e s t i cs h i e l dm a c h i n eo c c u p a t i o np e r c e n t s h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e mf o rh e a d c u t t e ri sa ni m p o r t a n tc o n t e n to fs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n es i m u l a t o r s ot h ew h o l e l e v e lo fc o n t r o lq u a l i t yo fs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ew i l lb ep r o m p t e di fh e a dc u t t e r d r i v i n gs y s t e mi sp e r f e c t l yr e s e a r c h e d 1 n h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf o rh e a dc u t t e ri ns h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ei s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r 1 r h ee l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m i s d e s i g n e di n c l u d i n gt h e o r e t i c a ld e s i g n ，h y d r a u l i cv a l v ed e s i g na n ds y s t e mi n t e g r a t e d d e s i g n m o r e o v e r , t h eh e a dc u t t e rb e h a v e sq u i t cd i f f e r e n t l yi n d i f f e r e n te a r t h c o n d i t i o n s ot h et e s td a t aa r ec o n c l u d e dt oi n d i c a t et h ed i f f e r e n tm l ec u t t e rt o r q u e a n da n g u l a rs p e e df o l l o w e di nd i f f e r e n te a r t hc o n d i t i o n a n dt h es i m u l a t i v e a n a l y z i n go fh e a dc o r e rr o t a r ys p e e da n dl o a da d a p t a t i o ni sd o n eb yu s i n g a m e s i m r e a l i z i n gan e wm e t h o do fp o w e ra d a p t i v ec o n t r o lo nh e a dc o t t e rd r i v es y s t e mb y c l a s s i f y i n ga n dp r e d i c a t i n gt h ee a r t hc o n d i t i o nu s i n gp a t t e r nr e c o g n i t i o na n de x p e r t e x p e r i e n c e t h e s er e s u l t sw o u l dp r o v i d et h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rs h i e l dd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e t h em a i nc o n t e n to fe a c hc h a p t e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e r1 ，t h eh i s t o r ya n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so ft h es h i e l dt u n n e l i n g m a c h i n ea r ei n t r o d u c e db a s e do nal o to ft h ep u b l i c a t i o n sa n dc o n f e r e n c ep a p e r s 1 n h ek e yt e c h n i q u e so fe l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m so fs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e a l ea l s od e s c r i b e d 1 n h eg e n e r a lc u r r e n ts t a t u so ft e c h n i q u e si nc u t t e rh e a dd r i v i n g l l 浙江大学硕士学位论文 s y s t e mi ss u m m a r i z e dc o n s e q u e n t l y , t h er e s e a r c ha n dg o a lo f t h ep r o j e c ta r eb r o u g h t f o r w a r d i nc h a p t e r2 ，ap l a ns c h e d u l eo fh e a dc u l l e rd r i v eh y d r a u l i cs y s t e mt h a tc o u l df i t t h ec o m p l i c a t ew o r kc o n d i t i o n so fs h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ei si n t r o d u c e di nt h i s c h a p t e r a n a l y z i n gt h ef u n c t i o na n dt h e o r yo fc o n t r o lm o d u l e si n t h i ss y s t e ma n d c o m p l e t ei t st h e o r e t i c a l l yd e s i g n ，c a l c u l a t i o na n dc o m p o n e n ts e l e c t i n 吕 i nc h a p t e r3 t h et e s tc o n d i t i o ni si n t r o d u c e da n dt h ed i f f e r e n tr o l e st h a th e a d c u r e rt o r q u ea n da n g u l a rs p e e df o l l o w e di nd i f f e r e n te a r t hc o n d i t i o na r ea l s o d i s c u s s e d s i m u l a t i v ea n a l y z i n gt h eh e a dc u t t e rh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e mw i t ht h e s i m u l a t i n gs o f t w a r ea m e s i m t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h i ss y s t e mw i t hb e t t e r a n g u l a rs p e e dr e g u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n db e t t e rl o a da d a p t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c i n c h a p t e r4 ，an e wp o w e ra d a p t i v ec o n t r o lm e t h o du s i n go nt h i sh y d r a u l i c s y s t e mb a s i n go ne a r t hc o n d i t i o nr e c o g n i t i o ni sd e s i g n e d t h i sm e t h e dc l a s s i f i e st h e e a r t hc o n d i t i o nb ys t a t i s t i cb a s i n go nt h et e s tr e s u l t t h en u m e r i c a lp a r a m e t e r s t a n d i n gf o re a r t hc o n d i t i o ni s c a l c u l a t e db ym e a n so fc l o s e n e s si sa c c e p t e db y e x p e r te x p e r i e n c el i b r a r ya n dt h e no u t p u tt h ec o n t r o lp a r a m e t e ro fh e a dc u r e rt h a t w i l la d a p tf o r t h ee a r t hc o n d i t i o n h c h a p t e r5 s o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e na n ds o m en e wv i e w sa r ep u tf o r w a r d i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：e a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e ，c u t t i n gw h e e l h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m ，a m e s i ms i m u l a t i o n ，e a r t hc o n d i t i o nr e c o g n i t i o n ，p o w e r s e l f - a d j u s tc o n t r o l i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得一迸鎏盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：牙蔫莲二 签字日期：瑚d 7 年9 月1 2 - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘竺有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权澎鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缀 签字日期：2 0 0 7 年甲月z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 导师签名： 磐，耐 辩明；1 年c l 刖加 电话： 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 【摘要】本章首先介绍了盾构机旖工技术的优点以及盾构掘进机的分类，分析了土压 平衡盾构机的基本构造和工作原理。国内外发展历史现状，概述了若干不同种类的盾构刀盘 驱动液压系统及各自特点，最后提出了本课题的研究意义和任务。 1 1 盾构机概述 盾构掘进机( s h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e ) 是一种隧道掘进的专用工程机械。现代 盾构机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、 拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，是目前最先进的隧道掘进设备。与传统的 隧道掘进技术相比，盾构法旄工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土 方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道 埋深较大时，只能依赖盾构1 1 4 l 。 近年来，随着我国开展大规模的城市市政工程建设、尤其是几个重要城市都 己开始了地下铁路的建设工程，在这些地下工程中，由于受到施工场地、道路交 通等城市环境因素的限制，使得传统的施工方法难以普遍适用。在这种情况下， 对城市正常机能影响很小的隧道施工方法一盾构施工法得到了人们的普遍关注， 并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。面对2 1 世纪我国城市地下空间开发 利用的广阔市场，在2 0 0 0 2 0 0 9 年1 0 年间，我国将有2 0 余座城市建设地铁，至少 将建2 5 0k m 。而采用盾构掘进机施工将是必然的选择【5 叫。 图1 - 1 盾构隧道掘进机施工流程 盾构技术的基本方法如图1 - 1 所示：在隧道的一端建造竖井，以供盾构机安 装就位，盾构机从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线向另一竖井推 浙江大学硕士学位论文 进。盾构推进过程中所受到的地层阻力通过液压缸传到盾构尾部的隧道衬砌结 构。盾构每推进一个工作行程，就在盾尾支护下拼装一段衬砌，并及时地向靠近 盾尾后面的地层与衬砌环外周之间的空隙中压注浆液，以防止隧道及地面下沉， 同时不断从开挖面排出土方同。 1 1 1 盾构机的分类 由于地质状况的差异，使得盾构掘进机的种类繁多。但它们有着共同的基本 功能和相应的机构【8 】。 按照不同的项目，盾构掘进机可以分成不同的类别。 1 ) 按直径分类如表1 1 表1 - 1 盾构掘进机按直径划分类别表 直径( m ) 巾 11 m 墨33 垂s 7 7 1 0 类别 微小中大特大 2 ) 按盾壳数量分： 有单护盾、双护盾、叁护盾。 3 ) 按控制方式分： 有地面遥控和随机控制。 4 ) 按开挖方法分： 有手掘式、半机械式、机械式。 手掘盾构机的正面是敞开的，开挖采用铁锹、风镐、碎石机等工具由人工进 行，对开挖面采取自然的堆土压力支护及机械挡板支护。这种盾构机适用于开挖 面自稳性强的围岩，对开挖面不能自稳的围岩和渗漏地层，可根据具体情况结合 采用压气施工法或采取改良地层、降低地下水位等措施。 半机械式盾构机开挖及石碴装运都采用专用机械，配备液压挖掘机、臂式掘 进机等掘进机械和皮带输送机等出碴机械，或配备具有掘进与出碴双重功能的挖 装机械。为防止开挖面坍塌，盾构机装备了活动前檐和半月形千斤顶。适用土质 以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主，也可用于软弱冲积层，但须同时采 用压气施工法，或采取降低地下水位、改良地层等辅助措施。 机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的掘进能力。开挖的土 砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机，围岩开挖和排土可以连续进行。适用土 质同手掘式及半机械式盾构。 5 ) 按开挖断面分： 有单圆、复圆和非圆盾构。其中复圆盾构可分为双圆( 图1 2 a ) 和三圆( 图 一2 一 浙江大学硕士学位论文 1 - 2 b ) 盾构。非圆盾构可分为椭圆形、矩形( 图1 2 c ) 、马蹄形和复数微小盾构 机( 图1 2 d ) 1 9 。 6 ) 按千斤顶布置位置分： 千斤顶与机分离布置在混凝土环后称顶管机和千斤顶随机布置在混凝土环 前。 7 ) 按支撑面稳定性分： 对不稳定的支撑面必须采用土压平衡或泥水平衡式盾构，以稳定被开挖地 层。对支撑面基本稳定的隧道可用广义的常规盾构机。 8 ) 按切割头刀盘形式分： 刀盘固定称网格刀盘； 刀盘回转，刀盘上只装切割土的铲刀； 刀盘回转，刀盘上装有切削土的铲刀与切割岩石的滚刀称混合型盾构。 图1 - 2 各种截面盾构机 1 1 2e p b m s 的工作原理和基本构造 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边 - - 3 浙江大学硕士学位论文 对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段 起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水 挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行【1 0 l 。 盾构掘进时，由刀盘切削下来的泥土进人泥土舱，再通过螺旋输送机不断向 后方排土口排出。由于泥土通过刀盘切削和扰动后会增加泥土的塑流性，因此即 使粘结性较大的泥土在受到刀盘旋转切削扰动和螺旋输送机传送扰动后也会变 得更为松软，具有较大的流动性，因面能较好的充满泥土舱和螺旋输送机壳体内 的全部空洞，使泥土舱内的土压能均匀传递，通过调节螺旋输送机转速或调节盾 构推进液压缸的推进速度，使盾构开挖土量和排出土量保持或接近平衡，即同时 使密封泥土舱土压接近开挖面静止土压，以保持开挖面土层稳定。这种盾构一般 采用面板式刀盘，面板上开有进土槽口，供切下的泥土流人。这种刀盘还可与充 满泥土舱的泥土共同起支护开挖面土层的作用。另外在螺旋输送机排土口装有排 土闸门，调节闸门开口大小，使通过螺旋输送机的泥土产生断面收缩，有利于稳 定泥土舱中的土压和控制排土量。当盾构停止推进时，将闸门关闭，以防止泥土 流出和影响泥土舱土压的稳定1 1 1 l 。 土压平衡式盾构( e a r t h p r e s s u r e b a l a n c e dm a c h i n e s ) 通常简写为e p b m s 。 目前，土压平衡盾构己基本定型：凡在盾构密封泥土舱内采用刀盘开挖和用螺旋 输送机从密封泥土舱直接排出弃土的盾构，即称为土压平衡盾构1 1 1 l 。土压平衡式 盾构，通过大量的工程实践，大大地显示出技术经济上的优越性，因而得到了快 速的发展和推广。 图1 3e p b m s 工作原理图 土压平衡式盾构主要是将开挖土砂通过各种搅拌剪在压力舱内搅拌，使其形 成一种塑性流动状态然后通过千斤顶的推进力和控制螺旋式排土器的排十量调 节压力舱内的泥土压力使其与开挖面上的土压力和水压力进行平衡【1 2 ，1 3 l ，如图 1 3 所示。 正 浙江大学硕士学位论文 土压平衡盾构主要由盾壳、刀盘、螺旋输送机、盾构推进液压缸、管片拼 装机以及盾尾密封装置等构成( 图1 - 3 ) 。它是在普通盾构基础上，在盾构中部增 设一道密封隔板，把盾构开挖面与隧道截然分隔，使密封隔板与开挖面土层之间 形成一密封泥土舱，刀盘在泥土舱中工作，另外通过密封隔板装有螺旋输送机。 当盾构经盾构推进液压缸向前推进时，由刀盘切削下来的泥土充满泥土舱和螺旋 输送机壳体内的全部空间，同时依靠充满的泥土来顶住开挖面土层的水土压力， 另外可通过调节螺旋输送机的转速控制排土量或通过调节盾构推进液压缸推进 速度控制开挖量，使盾构排土量和开挖量保持或接近平衡，以此来保持开挖面地 层的稳定和防止地面变形。但由于随着土质特性和流入压力的不同，螺旋输送机 排土效率亦不同，因此要直接从调整螺旋输送机转速而得到准确的排土量是不可 能的，要使排土量和开挖量达到平衡就更难以掌握。所以，实际上是通过调整排 土量或开采量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土压力相平 衡，同时直接利用泥土舱的泥土对开控面地层进行支护，从而使开挖面土层保持 稳定，保证掘进工作的顺利进行i n i 。 1 2 盾构机国内外发展历史及现状 自1 8 1 8 年m a r ci s a m b a r db r u n e l 获得隧道盾构法施工专利至今，盾构技术已 经有1 8 0 多年的历史了。在这1 8 0 多年的发展历程中，盾构技术取得了巨大的进 步，同时被应用到越来越广阔的工程领域。 国外盾构机发展历史及现状 1 8 1 8m a r ci s a m b a r db r u n e l 获得隧道施工法的专利，并在1 8 2 5 年到1 8 4 3 年 间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初步证明盾构法隧道 施工的价值【1 2 1 。 图1 - 4b r u n e l 发明的盾构施工法“” 一5 一 浙江大学硕士学位论文 1 8 3 0 年由劳德考克让施( l o r dc o c h r a n c e ) 发明了施加压缩空气防止涌水的 “气压法”。 1 8 7 4 年格雷蒙特( j a m e sh e n r yg r e a t h e a d ) 在伦敦地铁南线的隧道建设中采用 了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施 工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥水流的方式排出 1 1 4 1 。 1 8 9 6 年h a a g 在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水 式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展【1 5 】。 到2 0 世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国开始推广。1 9 1 7 年日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1 9 3 8 年正式在国铁关 门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1 9 6 7 年由英国提 出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出 土的泥水加压式盾构值径为3 1 m ) 。1 9 7 4 年日本独创性地研制成功土压平衡盾 构，同时德国w a y s s & f r e y t a g 也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面 的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、 地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。 目前，盾构机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家和地区【摇1 9 1 。据统计 全球已累计生产各种盾构机8 0 0 0 多台，主要生产厂家有日本三菱重t ( 1 3 0 0 多 台) ，j l0 畴重i ( 1 2 0 0 多台) ，德国海瑞克公百q ( 8 0 0 多台) 【盖功】。在盾构机技术性能 方面，日本和德国处于世界领先水平。其先进性主要表现为i 翻： 1 ) 基本实现了掘进、衬砌、排土施工工艺的全机械化和全自动化； 2 ) 地层适应性广。可用于硬岩、砂砾层、卵石层、砂层和软土等各种地层； 3 ) 掘进断面的形状多样化，尺寸变化范围较大。已生产出圆形、矩形、双 圆、三圆、球型和子母型盾构等，径向尺寸从0 2 m 到1 8 m ： 4 ) 普遍采用液力驱动和电液比例控制技术，具有大功率、变负载、低能耗 的特点，以及自动检测、自动纠偏、故障诊断等功能； 5 ) 广泛地采用了遥控技术、激光雷达技术、卫星制导技术、现场总线控制 技术、摄象及视觉信号处理技术等现代高新技术成果。 1 2 2 国内盾构机的发展历史和现状 我国从2 0 世纪5 0 年代开始盾构技术的研究，但是由于受这一时期经济技术 的限制，盾构技术一直没有受到足够的重视，发展非常缓慢，应用业相当有限 1 2 3 - z s l 。1 9 6 3 年，上海隧道工程公司结合上海软土地对盾构掘进机、预制钢混凝 土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统的试验研究。研制了1 台 直径4 2 m 的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度6 8 m 。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 1 9 6 5 年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2 台直径5 8 m 的 网格挤压型盾构掘进机，掘进了2 条地铁区间隧道，掘进总长度1 2 0 0 m 。 1 9 6 6 年，上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院 设计、江南造船厂制造的我国第一台直径1 0 2 m 超大型网格挤压盾构掘进施工， 辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺得掘进隧道，掘进总长度1 3 2 2 m 。 7 0 年代，采用1 台直径3 6 m 和两台直径4 3 m 的网格挤压型盾构，在上海 金山石化总厂建设1 条污水排放隧道和2 条引水隧道，掘进了3 9 2 6 m 海底隧道， 并首创了垂直顶升建筑取排水的新技术。 1 9 8 0 年，上海市进行了地铁1 号试验段施工，研制了一台直径6 4 1 m 的刀 盘式盾构掘进机，后改为网格挤压型盾构掘进机，要淤泥质粘土地层中掘进隧道 1 2 3 0 m 。 1 9 8 5 年，上海延安东路越江隧道工程1 4 7 6 m 圆形主隧道采用上海隧道股份 设计、江南造船厂制造的直径1 1 3 m 网格水力机械出土盾构掘进机。 1 9 8 7 年上海隧道股份成功了我国第一台直径4 3 5 m 加泥式土压平衡盾构掘 进机，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度5 8 3 m ， 技术成果达到8 0 年代国际先进水平，并获得1 9 9 0 年国家科技进步一等奖。 1 9 9 0 年，上海地铁1 号线开工，1 8 k m 区间隧道采用7 台由法国f c b 公司、 上海隧道股份、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的直径6 3 4 m 土压平 衡盾构掘进机。每台盾构月掘进2 0 ( 0 以上，地表沉降控制达+ 1 一3 e m 。1 9 9 6 年， 上海地铁2 号线再次使用原7 台土压盾构，并从法国f m t 公司弓l 进2 台土压平 衡盾构，掘进2 4 k m 区间隧道，上海地铁2 号的1 0 号盾构为上海隧道公司自行设 计制造。 9 0 年代，上海隧道工程股份有限公司自行设计制造了6 台直径3 8 6 3 4 m 土压平衡盾构，用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等，掘进总长度约1 0 k m 。 在9 0 年代中，直径1 5 3 0 m 的顶管工程也采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡 项管机，在上海地区使用了1 0 余台，掘进管道约2 0 k m 。1 9 9 8 年，上海黄浦江观光 隧道工程购买国外二手7 6 5 m 铰接式土压平衡盾构，经修复后掘进机性能良好， 顺利掘进隧道6 4 4 m 。 1 9 9 6 年，上海延安东路隧道南线工程1 3 0 0 m 圆形主隧道采用从日本引进的 直径1 1 2 2 m 泥水平加压平衡盾构掘进机施工。 1 9 9 8 年，上海隧道股份研制成功国内第1 台直径2 2 m 泥水加压平衡顶管机， 用于上海污水治理二期过江倒虹管工程，顶进出1 2 2 0 m 。 1 9 9 9 年5 月，上海隧道股份研制成功国内第1 台3 8 m x 3 8 m 矩形组合刀盘 式土压平衡顶管机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进1 2 0 m ，建成了2 条过街人行地 道。 2 0 0 0 年2 月，广州地铁2 号线海珠广场到江南新村区间隧道采用上海隧道 浙江大学硕士学位论文 股份改制的2 台6 1 4 m 复合型土压平衡盾构，在珠江底风化岩地层中掘进。 2 0 0 4 年7 月中旬，在上海地铁二号线西延伸隧道工程，由中铁隧道集团有限 公司、浙江大学共同负责完成的盾构掘进机刀盘一刀具及液压驱动系统等关键技 术进行了综合性应用。至验收时掘进总里程1 2 9 6 m ，平均月进尺3 2 4 n l ，单月最 高进尺4 7 0 6m ，达到了国际先进水平。实现了盾构机刀盘和液压驱动系统的国 产化研制，为盾构整机的国产化打下了坚实的基础。 2 0 0 5 年1 0 月下旬，由上海隧道工程股份有限公司牵头负责完成我国第一台 拥有自主知识产权的巾6 3 m 土压平衡式盾构( 先行号) 应用于上海地铁二号线 西延伸隧道工程，每分钟推进速度达6 0 毫米，创造了日掘进1 6 米、月掘进4 0 0 米的良好成绩，各项施工性能和主要技术指标均达到引进土压盾构的先进水平。 为我国掘进机制造业打下了坚实的基础。 经过近二十年来的高速发展，我国的盾构技术已经取得了长足的进步。在 3 8 m 6 3 4 m 国产土压平衡盾构掘进机中采用的隧道导向和监控技术已达到国 际先进水平，为测控技术的国产化奠定了良好的基础：在异形刀盘、刀具材料、 以及衬砌、出土与密封技术等方面也取得了一批具有自主知识产权的先进成果； 国产土压平衡盾构和泥水加压盾构技术已接近国际先进水平；在某些领域，如异 形盾构的研究方面，已跻身世界先进行列。但盾构机电液控制系统的研究与开发 相对滞后，目前国产中小型盾构机电液控制系统主要元器件，如：液压泵、液压 马达、高性能电液控制器等，几乎全部依赖进口。液压技术已经成为制约我国盾 构机技术发展的主要瓶颈技术之一。可以说，我国现代盾构掘进设备和技术的研 制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境的要求设计制造适用盾构 的能力1 2 9 - 3 ”。 1 3 电液控制技术及其在盾构机中的应用 传统的电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护 费用比较高，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受。而传统的电液开关 控制又不能满足高质量控制系统的要求。因此，人们希望开发一种可靠、价廉， 控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术，这就是 6 0 年代末以来电液比例技术得以发展的背景。 比例阀以传统的工业用液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟式电机械 转换器和与之相适应的阀内机构设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同、 价廉、阀内压力损失低、性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。 1 9 7 5 1 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁 铁和比例放大器技术上也日趋成熟，工作频宽5 - 1 5 h z 稳态滞环减d , n3 ，可 用于开环、闭环控制。8 0 年代以来，由于采用了更加完善的压力、流量、位移 一8 一 浙江大学硕士学位论文 内反馈、动压反馈和电校正等手段和优化设计，器件的稳定特性除因制造成本所 限，仍保留中位死区外，某些性能如线性度、滞环、重复精度等稳态特性上已和 伺服阀相当，阀的稳态精度、动态响应和稳定性有了进一步提高，而工作频宽 ( 3 2 5 h z ) 又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平，在对介质过 滤精度要求( 过滤要求：比例阀约2 5 9 m ，伺服阀1 却m ) 、阀内压力损失和价格 方面，低于伺服阀，颇具竞争力1 3 2 - 3 3 1 。 1 3 1 电液比例控制系统特点 电液比例控制系统，由电子放大及校正单元、电液比例控制单元( 含机械转 换器在内的比例阀、电液比例变量泵及变量马达) 、动力执行单元及动力源、工 程负载及信号检测反馈处理单元所组成。系统可通过设置液压( 压力和流量) 和机 械参数中间变量检测反馈闭环或动力执行单元输出参数检测反馈闭环，来改善其 稳态控制精度和动态品质。信号处理单元可采用模拟电子电路、数字式微处理芯 片或微机来实现。数字式集成电路在精度、可靠性、稳定性等项均占优势，其成 本也越来越低廉，故应用日益广泛。 随着电液比例技术的发展，对于常用的常规阀，一般都有相对应的比例阀。 比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。它可以接收电信号的 指令，连续地控制液压系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例地变 化。它可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大 元件用于闭环控制系统。与比例阀配套供应的电控制器，要具有断电保持功能， 控制信号中要迭加高频小振幅的颤振信号，以克服摩擦力，保证控制灵活，要有 斜坡信号发生器，以便控制压力变化，速度或位移部件的加速度，有效防止惯性 冲击；要有函数发生器，以便补偿死区特性。 比例阀分为压力、流量、方向控制三大类，近年来出现了复合化趋势，极大 地提高了比例阀( 电反馈) 的工作频宽。在基础阀的基础上，发展出先导式电反 馈比例方向阀系列，它与定差减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合，构成电反 馈比例方向流量复合阀，可进一步取得与负载协调和节能效果。这种高性能的电 反馈比例液压元件将在高精度、快响应的比例控制系统中获得广泛应用。 由比例方向节流阀和定差减压阀组成压力补偿型比例方向流量阀，被控制量 是输出流量，与输入控制电流成正比，可连续比例地控制液压缸，而与供油压力、 负载压力、回油压力变化无关，与压力阀组合在一起，就构成了可同时实现液流 方向、流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复合阀我国生产的品种少，而国 外很多，如德国力士乐( r e x r o t h ) 产品系列，由于该产品的控制特性、抗污染 性、可靠性和经济性，己成液控技术发展趋势，具有广阔的市场前景。其稳态性 能的滞环、重复精度、分辨率、非线性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当，但 一9 一 浙江大学硕士学位论文 动态响应比伺服阀稍低，在较大的参数调节范围内运行，故控制回路中的非线性 因素不能忽略。在仿真设计中，需同时考虑其时域和频域的动态特性，其主阀大 多采用三位四通滑阀。 电液比例控制系统特点： 1 ) 可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性； 2 ) 利用电信号便于实现远距离控制或遥控。将阀布置在最合适的位置，提高 主机的设计柔性； 3 ) 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标。 4 ) 能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的 连续控制，并易实现无级调速。 1 3 2 电液比例技术在盾构机中的应用 盾构掘进机传递功率大，运算复杂，要求控制精度高、安装空间小，且工作 环境恶劣。近年来迅速发展的电液控制技术，综合运用电子技术在信号处理检测、 放大、处理和传输方面的优势和液压在功率转换和发达执行上的优势，已经成了 盾构掘进机动力传递和控制的首选 3 4 - 3 8 。典型的盾构掘进机电液控制系统如图 1 5 所示： 图卜5 盾构电液控制系统典型方框图 在压力、流量等参数通过大机械液压反馈形成小闭环的基础上，土压、推 进速度、刀盘转速、出土量等盾构工作参数可以通过电反馈的形式形成大闭环， 采用适当的控制策略使盾构施工的地面沉降控制、推进控制和方向控制、刀盘切 削功率等实现智能化控制。 在盾构中采用电液比例控制技术是非常必须且可行的，它和国外现有的盾构 机的开关控制和伺服控制相比，具有以下显著的优点： 一1 0 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 可以明显简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高可靠性； ( 2 ) 采用电信号便于实现远距离控制或者遥控，提高主机设计的灵活性； ( 3 ) 利用反馈控制可以显著的提高控制精度和响应特性； ( 4 ) 采用比例技术可以实现流量、压力的连续控制，并易实现无级调速。 液压传动和电液控制技术的固有特性非常适合盾构掘进机动力传递和控制 的特殊要求，采用先进的液压传动及控制技术将是盾构掘进机动力传递及控制的 发展方向。 1 4 盾构刀盘驱动系统的概况 盾构刀盘驱动系统具有功率大、功率变化范围宽的特点。是盾构机的重要组 成部分，其承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任务p 9 1 。 盾构驱动方式有三种：一是定速电机驱动，二是变频电机驱动，三是液压驱 动。鉴于定速电机驱动时，刀盘转速不能调节，一般不采用；目前刀盘驱动方式 常见有变频电机驱动、液压驱动方式，表1 2 为盾构刀盘驱动方式对比表。 表卜2 盾构刀盘驱动方式对比表 驱动方式变频电机驱动液压驱动 体积：驱动部分 大 小 附属部分中 大 传动效率高低 维修保养技