（机械设计及理论专业论文）盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的 盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用 最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备，其刀盘驱动系统具有大惯 性、大功率和变负载的特点，而近来迅速发展起来的电液控制技术在 继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体，成为 盾构机驱动方式的发展趋势。论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出 发，针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象， 分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题，探讨了一种具有更高可 靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统，重点研究了系统的动态特性 及其冲击适应性，主文主要研究内容如下： 1 介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究 现状。分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点，对变频电机驱动和液 压驱动两种方式进行了对比。 2 从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性， 分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型，论述了 盾构扭矩的构成情况及计算方法。重点研究了盾构刀盘在切削过程中 负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。通过盾构刀具 切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合，验证和分析了盾构掘进 过程中负载的随机性和冲击的产生原因。 3 分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘 驱动液压系统的优缺点，针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变 化的变量泵一变量马达容积控制驱动回路，并采用比例阀控蓄能器来 控制负载的动态冲击。 4 建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动态特性 入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身 的影响，揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法，在蓄能器 模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。 5 在已建立的数学模型的理论基础上，利用舢衄s i m 图形化仿 真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建系统的动态 特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。研究结果表明，采用比例 阀控蓄能器的盾构刀盘回转驱动液压系统可以能够很好地吸收负载 冲击，有效避免溢流损失，并回收部分冲击能量，具有较好的节能性 生童奎堂堡主堂堡笙壅摘要 ：竺兰 和可靠性。 关键词：盾构掘进机；刀盘驱动液压系统；a m e s i m 仿真；负载冲击； 蓄能器 n 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s h l e l d t u n n e l i n g m a c h i n eo nw h i c h m e c h a n i c a l ， e l e c t r i c a i ， i n f o r m a t i o n ，m e a s u r e m e m ，h y d r a u l i ca n dc o n t r o l t e c h i q u e sw e r ea p p l i e d h a sf e a t u r e so f h i 曲e m c i e n c y ，q u i c k n e s s ，h i 曲q u a l 时a i l ds a f e 坝w h i c h m a d ei tb et h em o s tw i d e l yu s e dc o n s t n l c t i o ne q u i p m e n ti nu n d e 唱r o u n d t u n n e l i n gp r o j e c ti nt l l ew o r l d t h ed r i v es y s t e mo fi t sc u t t e r h e a di sw i t h t h e 传a t u r e so fl a r | 弦i n e i t i a ，h i 曲p o w e ra n dv 撕a b l el o a d s i n c et h e e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o lt e c l u l i q u e sc l o s e l yh l t e 铲a t e dw i t l le l e c 订o n i c t e c h l o l o g 凡i th a sb e c o m et h en e wn e n do fm ed r i v i n gm o d e b a s e do n t h ea c t l j a l w o r 姑n gc o n d i t i o n s ，a i m i n ga ti i i l p a c t l o a da n dc u t t e r h e a d d e a d l o c k i n g ，t 1 1 ep r o b l e m so fe x i s t i n g ( 1 r i v i n gm o d ew e r ea n a l y z e d ，a d r i v i n gs y s t e mw i t hh i 曲e rr e l i a b i l i 哆a n dh i 曲e re n er j g ) ，e m c i e n c yw a s p u tf o n a r d ，t h es y s t e m sd y i l a m i cp e r f o n l l a n c ea n di m p a c ta d 印t a b i l i 锣 w e r em a i n l ys t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p m e n tc o u r s ea n dr e s e 劭c hs t a t u so fs h i e l dt e c h n o l o g y w e r er e v i e w e d t h ee x i s t i n g 越v i n gm o d eo fc 僦e r h e a dw a sa n a l y z e d 、，缸i a b l e 一仔e q u e n c yd r i v i n gm o d ew a sc o m p a r e dw i t hh y d r a u l i cd r i v i n g m o d e 2 f r o mm ep e r s p e c t i v eo fl o a d ，t h eb a s i cp r o p e n i e so fr o c ka n ds o i l w e r e d i s c u s s e d ， t 1 1 e c u t t i n g m e c h a n i c a lm o d e la n dm e p h y s i c a l p h e n o m e n ai nc u t t i n gp r o c e s sw e r ee x p o u l l d e d t h ec o m p o s i t i o no f t o r q u ea n di t sr e s e 2 u r c hm e t h o dw a sd e s c 曲e di nd e t a i l 1 1 1 ei m p a c tl o a d a n di t se f f e c ta sw e ua st l l er e a s o no fc u 仕e r h e a dd e a d l o c k i n gw e r e m a i n l y s t u d i e d b a s e do nt h es h i e l d t o o l c 眦i n ge x p 耐m e n ta n dt h e d a t a c o l l e c t e d6 o mt i l es h i e l ds i t e ， t l l ec a u s e so ft h el o a d sr a n d o n m e s sa n d i m p a c t 、v e r ev e r i f i e da n da n a l y z e d 3 s h i e l dc 眦e r “v es y s t e m ss t m c t u r ew a s a 1 1 a l y z e d t 1 1 e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gs h i e l dc u t t e rd r i v eh y d r a u l i c s y s t e mh a sb e e ns t u d i e d t h ed e s i g ni d e a so fs h i e l dd r i v e nh y d r a u l i c s y s t e mw a sp r o p o s e du i l d e rt h ee n v i r o n m e n tf o rl o a d b a s e do nt h el o a d ，a v o l u m em o t o rc o n 们l l o 叩 o fv 撕a b l ep 啪p - v 撕a b l em o t o rw a s p r o p o s e d t h ec o m b i n a t i o no fp r o p o r t i o n a lv a l v ea i l da c c u m u l a t i d rw a s u s e dt oc o n t r o lt l l ed y n 锄i ci m p a c tl o a d s 4 b a s e do nf l u i dm e c h a n i c s t h em a m e m a t i c a lm o d e lo ft h e l 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u t t e r h e a d sh y d r a u l i c “v i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d 疵i 1 1 9a ts y s t e m d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，廿1 ee a 、e c t so ft h ep a r 锄e t e r so ft 1 1 es y s t e mo nt h e s y s t e mi t s e l fu n d e rh e a v yi m p a c tl o a dw e r es t u d i e d h y d r a u l i ci m p a c ta n d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fi t sp e a kw e r ee l a b o r a t e d b a s e do nt t l em o d e lo f h y d r a u l i ca c c u m u l a t o r i t sd y n 锄i cc h 2 u r a c t e r i s t i c sw e r e 锄a l y z e d 5 b a s e do nt 1 1 em a t h e m a t i c a lm o d e le s t a b l i s h e d ，t h es i m u l a t i o n m o d e lo fc u t t e r h e a d sh y d r a u l i cs y s t e mw a sb u i l tb yu s eo fm es o r w 2 u r e a m e s i m t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 es y s t e ma n da d a p t a b i l 畸o f t 1 1 ei m p a c tw e r es t u d i e db ys i m u l a t i o n t h er e s u h ss h o wt h a tt h es h i e l d r o t a l yc u t t e rd r i v eh y d r a u l i cs y s t e mc a na b s o r bl o a di m p a c tw e l l ，a v o i d t h eo v e r f l o wi o s se n e c t i v e l y 觚dr e c o v e rp a r to fm ei m p a c te n e 玛yb y u s i n gm ep r o p o n i o n a lv a l v et oc o m r a la c c u m u l a t o r i th a sb e t t e re n e 玛y e f ! f i c i e n c va i l dr e l i a b i l i 坝 三yw o r d ss h i e l dt u l l l l e l i n gm a c h i n e ，c 吡e r h e a d sh y d r a u l i c “v i n g s y s t e m ，a m 匣s i ms i m u l a t i o n ，l o a di m p a c t ，a c c w n m a t o r 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国现代化建设水平的不断提高，许多地区产生了诸如城市扩张、人口 膨胀、交通拥挤、大气污染、噪音污染等一系列问题，如果继续开发地面交通无 疑将导致上诉诸多问题陷入恶性循环。合理开发利用地下空间已逐渐成为目前国 内外公认解决建设用地与土地资源日益严重不足问题、促进社会可持续发展和环 境保护的最佳途径1 1 捌。 图l - 1 盾构掘进机 地下建筑物的修建一般采用明挖法、暗挖法和盾构法。一般而言，明挖法多 用于平坦地形或埋深小于3 0 m 的场合，该方法几乎可以适应各种不同类型的结 构形式，使结构空间得到充分而有效的利用。但随着埋深的增加，采用明挖法会 使工期和费用显著增加且工期可预见性较差，在大型越江( 海) 工程中还会因为 所面临工程量浩大、不利影响因素过多而几乎无法实施；隧道暗挖法需要采取较 多辅助措施，旌工降水等措施所引起的临近地区地下水位降低、地面沉降量增加 等问题较为突出，安全隐患严重，且当地基无自承载能力或承载能力较低、地下 水位较高时，隧道将无法开挖通过；盾构隧道施工( 除竖井外) 几乎不会对外界 产生交通影响，施工所产生的招生和振动也只发生在竖井口附近，该施工法能较 好地控制地下水渗漏和地表沉降，不影响地面交通和地下水位，工程费用几乎不 受隧道埋深的影响，目标工期和工程造价可控性好，施工风险相对较小，施工期 间不影响江河通航，不易受河床变迁影响，因而在国内外众多地铁隧道、排污隧 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 道和大型越江( 河) 隧道修建中广为采用1 3 5 j 。 目前，我国的城市轨道交通建设正处于史无前例的高潮。北京、天津、南京、 沈阳、成都、西安、深圳、长沙等地铁项目正在如火如荼地建设中，另外还有多 个城市的轨道交通建设规划获批或正在申报待批。城市地铁在扩大内需的政策支 持下，纷纷加大投资、加快建设。据不完全统计，目前全国有2 5 个大城市正在 进行轨道交通的前期工作，总规划里程超过5 0 0 0 k m ，总投资超过8 0 0 0 亿元。“十 一五 期间，全国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1 5 0 0 k m 【6 】。 在国内地铁隧道建设施工中，盾构法施工以其对周围环境影响小、自动化程 度高、施工快速、安全环保等优点显现出强大的优势，应用越来越多。随着长距 离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟，盾构法越来越受到 重视和青睐。特别是在地层条件差、地质情况复杂、地下水位高等情况下，盾构 法更具有明显的优越性。因此，盾构产业化将具有广阔的市场前景【7 1 。 目前，盾构机的主要技术和设备生产主要集中在美、日、欧等少数几个发达 国家和地区，其中日、德的盾构机技术性能最为优越。作为隧道施工中极为重要 的掘进装备，盾构机在国外公司的垄断下依然大多依赖进口。【8 j 其高昂的购置费 和维护费，制约着施工成本的降低，致使基础设施耗资巨大。发展国产盾构，研 究、设计、制造符合中国国情的盾构，对打破国外技术垄断，提高我国设计制造 水平，振兴民族工业，带动重大装备制造业的发展具有显著的示范作用，提高盾 构技术水平对国民经济和国防建设都具有深远意义。 1 2 盾构施工法及盾构机概述 1 2 1 盾构施工法概述 盾构施工是指使用盾构掘进机，一边控制开挖面使围岩不发生坍塌失稳，一 边进行隧道掘进、出碴，并同时在机器内部拼装管片形成衬砌环实施壁后注浆， 尽量不扰动围岩而修建隧道的方法。采用盾构法修建而成的隧道称为盾构隧道。 盾构隧道施工的工作原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而 最大限度地减少施工对地面和地中建筑物的影响。工程中主要通过主动控制围岩 的应力释放和变形以达到削弱施工影响的目的，其措施包括：使用压力仓内的泥 土或泥水压力以平衡开挖面所承受的前方土、水压力；使用切削刀盘和盾构钢壳 对开挖四周进行被动支护；使用壁后注浆及时充填欠挖及盾尾孔隙等【4 5 l 。 如图1 2 所示，盾构隧道施工流程主要包括如下几个步骤： ( 1 ) 在修建区间隧道两侧端头修建竖井( 或基坑) ，作为盾构始发和接受竖 井( 或始发和接受基坑) 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图l - 2 盾构施工流程图 ( 2 ) 将盾构主机和相应配件分批次吊入始发竖井( 或始发基坑) ，于设计预 留始发掘进位置完成整机组装，调试各项参数以满足施工要求。 ( 3 ) 在始发竖井( 或始发基坑) 预留开口处破壁施工，延隧道设计轴线顶 推前行。 ( 4 ) 完成设计盾构区间隧道顶推施工。施工全过程主要可分为几个步骤： 核心土体的开挖：保持盾构开挖面土、水压力略小于压力仓内支护压力以保持 掌子面的不断前行。盾尾管片环拼装：当掌子面顶推单环装配式管片环幅宽长 度时，在刚性盾壳保护下完成整环管片拼装。壁后注浆回填：为避免脱离盾壳 庇护管片环河实际开挖毛洞间所留下的盾尾孔隙附近无支护土体坍塌所引起的 较大地层损失和地表位移，通过设置在盾尾和管片上的预留注浆孔进行同步和壁 后注浆。重复上述过程，开挖面不断前行，行成连续管片环和注浆环直至整条 隧道贯通。 ( 5 ) 顶推施工至设计预定接受竖井( 或接收基坑) ，盾构再次破壁以结束施 工，拆卸盾构机并吊运完成【5 ，9 1 0 1 。 就本质而言，盾构隧道施工属于暗挖施工方法之一，故其没有明挖施工法的 诸多缺点。目前以开发的盾构施工法不仅适用于软土地层，而且适用于硬质地层 和岩层情况。归纳起来，盾构隧道施工具有以下主要优点： ( 1 ) 施工对环境影响小。主要包括：出土量小，场地附近地层扰动沉降小， 对周围建筑物影响小；不影响地表交通，无需切断或搬迁地下管线等各种地下设 施，从而节省了大量的工程附加费用；对周围居民生活和出行影响小；无空气、 噪声和振动污染等问题。 ( 2 ) 施工不受地形地貌、江河水域等地表环境条件的限制。 ( 3 ) 地表占地面积小，施工占地和征地费用小。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 适用于大深度、长距离和高水头等恶劣条件下的施工，施工费用可控 性好。 ( 5 ) 施工受天气状况和气候条件影响小。 ( 6 ) 开挖出土量小，有利于降低工程成本。 ( 7 ) 施工构筑盾构隧道柔度大，抗震性好。 ( 8 ) 使用范围广，可广泛适用于软土、砂卵石、软岩乃至硬岩等各类地层 条件。 盾构隧道虽然优点众多，但仍存在一些不足之处，主要有： ( 1 ) 当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。 ( 2 ) 修建城市隧道时，弱隧道覆土太浅则施工困难较大；水下施工时，若 覆土太浅则将导致施工安全性较低。 ( 3 ) 施工中隧道上方一定范围内的地表沉陷难以完全消除，特别是对于饱 和含水松软地层而言，施工中应采取严密的技术措施以将沉降控制在设计要求范 围内。 ( 4 ) 饱和含水地层和水下隧道施工过程中，该施工法所采用的拼装衬砌对 达到整体结构防水性的技术要求较高【u l 。 1 2 2 盾构机概述 盾构掘进机( s h i e l dt u l l l l e l i n gm a c l l i n e ) 是一种隧道掘进的专用工程机械。现 代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、 探测、通讯技术等，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。盾构掘进机是世界上最先进的 隧道掘进设备，主要由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、 液压中继项进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等 几个部分组成，适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖，被广泛应 用于地铁、公路、铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程建设【1 2 1 。 由盾构机与特定的基础地质、工程地质和水文地质特征的匹配情况决定了在 不同施工环境，盾构机所具有的三种类别：软土盾构机、硬岩盾构机( t b m ) 和混合盾构机三类【1 3 1 5 1 。 1 软土盾构机 软土盾构机是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩以及全风化和强 风化围岩条件下的一类盾构机。北京、上海、南京、天津等地在纯软土地层中使 用的盾构机是典型的软土盾构机。比如，上海地铁使用的双圆软土盾构机的刀盘， 仅安装刮刀，不需要滚刀。 2 硬岩盾构机 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 广义的硬岩盾构机是指岩石掘进机( t b m ) 。它适用于硬岩且围岩岩层较致 密完整的一类盾构机。秦岭铁路隧道和引大入秦、引黄入晋水利工程使用的是典 型的硬岩盾构机。山西万家寨引黄工程使用的硬岩盾构机球面刀盘，只安装滚刀， 不安装刮刀【1 6 1 。 软土和硬岩盾构机是在均一地层中使用的盾构机。 3 混合盾构机 混合盾构机是指设备具有的功能的“混合”，这类盾构机既具有软土盾构机 的功能又具有硬岩盾构机的功能；既具有土压平衡功能又具有泥水加压功能；既 可以开胸式掘进又可以闭胸式掘进，等等。这是一类能适应更为复杂多变的复合 地层的盾构机。广州地铁大塘一汉溪区间使用的是混合盾构机，其刀盘兼有软土 和硬岩盾构机的特点。 在特定的盾构施工环境，根据盾构机采用的“出渣进料方式或最优开挖和 出土功能的方式，可以分为开胸式、半开胸式、闭胸式和气压式。 1 开胸式 严格意义上的开胸式掘进，是典型的硬岩掘进机( t b m ) 采用的掘进方式 该掘进机在掘进中，皮带运输机伸入到刀盘后面，直接将渣土运输到矿车内，无 需经过螺旋输送器运输这个环节。这种模式适用于围岩自立性好的硬岩地层，如 微风化和中风化的围岩。 2 半开胸式 半开胸式通常又称半闭胸式或欠土压平衡式。在这种模式下施工时，密封土 仓内的渣土并不“饱满，压力传感器显示的水力压力小于工作面的主动土压力。 也就是说，密封土舱内的渣土处于一种非平衡状态，且对于工作面的水力压力而 言，是在欠土压状态下施工的。采用这种模式施工时，工作面的岩土基本上能在 短时间内保持自立，或者盾构推进速度大于围岩变形失稳速度，因此不至于发生 软岩或软土自然塌落而出现过量超挖现象，从而可以避免地表发生沉降。这种模 式适用的地层一般是强风化地层、某些全风化地层、第三系半固结地层、自立状 况较好的某些硬塑残积地层，以及上述地层的组合地层。 3 闭胸式 闭胸式掘进应该是真正意义上的土压平衡式掘进，也就是盾构机密封土舱内 的土压力要与工作面的水土压力保持平衡。在实际操作时，是将密封土舱内的土 压设置为稍稍大于工作面的主动水土压，这样更有利于防止由于某种原因过量开 挖造成的地表沉降。这种模式适用的地层是第四系土层、部分残积土层、全风化 岩层、断层破碎带以及第四系土层与下部各种风化程度的岩石地层组成的复合地 层1 1 7 l 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 4 气压式 气压式是指在加气压状态下的施工模式，既可以用于泥水加压式盾构机，也 适用于土压平衡式盾构机。这种装置对控制地表沉降非常有利，广州地铁三号线 泥水盾构机配置了该装置。 1 3 盾构机的发展研究现状 1 3 1 盾构机的国外发展历史和现状 图1 3 布鲁诺发明的横穿泰晤士河盾构施工隧道 图1 - 4 布鲁诺盾构施工现场图 1 8 1 8 年法国工程师布鲁诺( m i b r u n e l ) 从蛆虫腐蛀船底成洞得到启发，提出 了盾构工法，并申请专利。1 8 2 5 年布鲁诺采用敞开式手掘盾构向横穿英国泰晤士 河的水下隧道发起了挑战，如图1 3 所示。当时因为在泰晤士河口附近有军港， 不能架桥、过河或者乘渡轮。以特雷比西克为首的几个技术人员曾向该横跨隧道 发起了挑战。但终因涌水事故而以失败告终，伤亡惨重。当时，提出将盾构法应 用于该隧道计划的布鲁诺一再强调，盾构法是在稳固的钢架内从事开挖作业及衬 砌作业的，是相当安全的施工方法，如图1 4 所示。在几度遭遇涌水事故，盾构 中南大学硕士学位论文第一章绪论 机受损，迫于无奈施工中断了7 年。在1 8 4 1 年，布鲁诺还是和他的盾构机成功地 顶到了彼岸，第一条盾构隧道贯通了，于1 8 4 3 年正式投入使用【1 8 】。 1 8 7 4 年英国工程师格雷蒙德( a t h e a d ) 在英国伦敦南线v 3 ，n 】、 ，) r 隧道修建 中创造了比较完整的运用压缩空气进行防水的气压盾构施工法，其利用压缩空气 保持开挖面稳定，进行掘进，并且在盾构中拼装管片，通过其反力使盾构机向前 推进，这与现在的盾构法基本思路大致相同，为盾构隧道修建奠定了基础。 到了2 0 世纪，盾构隧道施工在美国、英国、德国、前苏联、法国、日本等发 达国家开始得到应用和广泛推广：1 9 3 0 年到1 9 4 0 年左右，这些国家和地区已成功 使用盾构并相继建成了直径为3 肚1 4 o m 的多条公路、铁路、地下铁道、上下水 道等工程；1 9 6 0 年起，盾构法在日本得到迅速发展，用途越来越广，成就也越来 越大，仅1 9 5 5 年到1 9 8 0 年的3 0 几年内，日本就制作了3 0 0 0 台盾构机。1 9 7 0 年初， 法国、德国及日本等国针对城市建设区的软弱含水地层中，由于盾构施工引起的 地表沉降，预制高精度管片和接缝防水等技术问题，研制了各种新型衬砌和防水 技术以及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套 设备。整个2 0 世纪9 0 年代盾构工法的发展速度极快，其特点是： ( 1 ) 泥水、土压盾构技术的普及推广，技术细节的完善： ( 2 ) 特种盾构工法的问世( 各种异形断面工法，以及球体盾构、母子盾构、变 径盾构工法等) ： ( 3 ) 大深度、大口径、长距离、高速施工、高地下水压等条件下各种施工 措施的成功运用： ( 4 ) 特种施工技术的应用，如地下对接、管片自动组装、掘削面前方障碍物 的预报、掘除等技术【1 睨5 1 。 近年来，伴随液压技术、自动化技术、测控技术和相关产业的发展以及土压 平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发与接收等一系列关键技术难题相继攻克， 盾构机的制造技术得到了高速发展。世界范围内工程建设规模的不断扩大又为盾 构技术的发展提供了广阔的市场空间。 1 3 2 盾构机的国内发展历史和现状 我国的盾构掘进机制造和应用始于1 9 6 3 年，上海隧道工程公司结合上海软土 地层实际情况对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝 防水进行了系统试验研究。研制了1 台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 。 1 9 6 5 年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的两台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上海隧道工程设计院设 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 计、江南造船厂制造的我国第一台1 0 2 m 超大型网格挤压盾构掘进机施工，辅 以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1 3 2 2 m 。 2 0 世纪7 0 年代，采用一台3 6 m 和两台西4 3 m 的网格挤压型盾构，在上海金 山石化总厂建设1 条污水排放隧道和两条引水隧道，掘进了3 9 2 6 m 海底隧道，并 首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。 1 9 8 0 年，上海市进行了地铁l 号线试验段施工，研制了一台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，在淤泥质粘土地层中掘进隧道 1 2 3 0 m 。 1 9 8 7 年上海隧道工程股份公司研制成功了我国第一台4 3 5 m 加泥式土压平 衡掘进机，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2 0 世纪8 0 年代国际先进水平，并获1 9 9 0 年国家科技进步一等奖。 1 9 9 0 年，上海地铁1 号线工程全线开工，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6 3 4 m 土 压平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进2 0 0 m 以上，地表沉降控制+ 1 3 c m 。1 9 9 6 年，上海地铁2 号线再次使用原7 台土压盾构，并又从法国f m t 公司引进2 台土压 平衡盾构，掘进2 4 l ( i i l 区间隧道。上海地铁2 号线的1 0 号盾构为上海隧道公司自行 设计制造。 2 0 世纪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3 8 m 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 m ，o o m 的项管工程也采用了小刀盘的土压平衡顶管 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 8 年，上海隧道股份成功研制国内第一台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1 2 2 0 m 。 1 9 9 9 年，上海隧道股份研制成功国内第一台3 8 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 ，建成两条过街人行地道。 2 0 0 0 年2 月，广州地铁两号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股 份改制的两台6 1 4 m 复合型土压平衡盾构，在珠江底风化地层中掘进。 2 0 0 4 年，上海隧道股份公司开发成功了我国首个拥有自主知识产权的0 6 3 4 m 地铁土压盾构“先行号 ，凭借“先行号 在施工中的优异表现和出色性能， 2 0 0 6 年上遂一举承接了2 2 台国产盾构订单，打破了“洋盾构 的垄断。 2 0 0 8 年，由北方重工沈重集团研制的“q j r n 二1 1 2 泥水平衡盾构 ，是能够 同时在高水压、软硬不均、渗透性强、高石英含量等复杂地质构造中进行隧道掘 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 进的大直径( 1 1 1 8 2 m ) 膨润土气垫式泥水平衡盾构【2 触引。 我国在盾构的研制过程投入了大量的人力物力，取得了一定的成果，在一定 程度上打破了国外盾构厂商牢不可破的垄断局面。但是由于我国盾构发展起步较 晚，国内盾构技术仍然存在如下问题： ( 1 ) 对土层地质条件的适应能力差。我国现有盾构机与地质条件的适应性、 盾构机刀具与土体的适应性、刀具磨损问题及刀盘刀具组合配置与地质条件的适 应性研究还较落后，己经严重影响到盾构技术的发展。 ( 2 ) 总体设计和系统集成技术落后，制约我国盾构机技术的发展。我国目 前尚没有完全适合国情的系统的设计经验数据，没有完全掌握系统的安装、调试 技术，所以国产盾构存在性能不稳定的现象。 ( 3 ) 国内配套设备和关键件的设计、生产技术水平低。盾构关键部件如大 轴承、驱动马达、液压阀件许多还需要进口，影响盾构机的国产化进程。刀盘刀 具设计技术、刀具的可靠性和寿命方面还存在一定的差距。 ( 4 ) 缺乏必要的模型试验与系统仿真研究。在盾构机虚拟样机建立与动态 仿真，盾构机施工作业过程的数值仿真，刀盘系统与纠偏系统的数值仿真与模型 试验等方面与国外存在一定的差距，直接影响了自主研发水平的提升。 ( 5 ) 可靠性低，自动化程度低，盾构自动方向控制和盾构姿态控制等相关 技术方面还不成熟。国内盾构施工所采用的管片拼装系统虽然实现了管片移动的 机械化，但是管片的对中、就位、拼装等大多数还是靠人工作业。 ( 6 ) 盾构工法不多。地下盾构对接技术、竖井隧道施工一体化技术、盾构 直接切削竖井井壁的进出洞技术等课题目前均属空白。 1 4 盾构刀盘驱动方式概述 1 4 1 现有驱动方式分析 刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾 构的刀盘工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，要求刀盘的 驱动系统需具备：大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调，在满足使 用要求的前提下减小装机功率、节能降耗等工作特点。刀盘的驱动系统必须具有 高可靠性和良好的操作性能。目前常见的刀盘的驱动方式有电机驱动方式和液压 驱动方式。 其中电机驱动方式又分为单速电机驱动方式、双速电机驱动方式和变频电机 驱动方式。双速电机驱动方式采用变换极对数达到变速，但只有两档。其结构简 单、可靠性强、价格便宜，但体积大，不适合中、小型盾构机的选用，启动电流 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大也是它的劣势，但对于变化不十分突出地质而言，采用双速电机也是合适的。 单速电机驱动方式不能调节速度，并且不能带负载启动，需要增加磁粉离合器。 在投入和功能的比较上，越来越缺乏竞争力，因此较少使用。因此，电机驱动方 式中现在较为常用的为变频电机驱动方式【2 9 】。 变频电机驱动方式调速在5 0h z 范围内可达到全额扭矩，电动机功率恒定。 变频驱动的优点是：启动电流小，效率高，调节环路的反映好，配备的标准感应 变频电机维修简单；噪音低、冷却性能好，可改善环境温度。但其控制部分要求 具备一定的工作环境，需要解决潮湿环境下的潮湿问题，对环境中的湿度也很敏 感。近年来随着对变频技术和设备的开发，使得应用范围越来越广泛，价格上比 液压驱动具有优势。它的另一个优点是便于盾构机的使用和保养，更换刀具时， 刀盘转动可随时停止在指定的角度，也非常方便地通过改变相序，来改变刀盘转 动方向。 采用变频调速驱动时，应按每台电机有其自己的变频器配置，目的是在主变 频器不工作时，盾构机仍能正常运行，从而实现刀盘驱动的平稳性；从性能及控 制上，要求各变频器之间信号交换时间要降到最低，以保证他们之间的同步性； 电机上应装有扭矩限制器以保护主驱动器不受尖峰扭矩的损坏，并在扭矩限制器 动作后及时复位1 3 0 1 。 液压驱动方式通常采用变量泵嫂量马达闭式容积调速回路。主泵采用比例 变量控制，可以控制泵的变量斜盘方向，控制马达的正反转。还可以实现输出流 量根据输入电信号大小而改变，从而满足液压马达输出转速连续调节的要求。主 泵还集成了补油泵、闭式控制回路和主泵变量控制回路，通过集成使系统结构简 单，减少了管路和降低了泄漏，便于维护和使用。主泵与马达直接相连，马达采 用轴向柱塞变量马达，通过变速箱的小齿轮驱动主轴承大齿轮，带动刀盘产生旋 转切削运动。调节马达的排量可以实现软土挖掘工况的低速大扭矩和硬岩工况的 高速小转矩运行。主泵还具有压力切断功能，防止系统超压工作，相应速度快， 调节方便，可以有效降低压力冲击，提高系统的可靠性，为系统双向作业提供良 好的安全保护。当预测有卵石的易于产生冲击荷载的地质条件及小半径曲线施工 想缩短盾构机长时，多半都选择液压驱动【3 l 删。盾构中两种刀盘驱动方式性能 对比如表1 1 所示i j 引： 通过表卜1 可以看出虽然液压驱动方式效率较低、噪声较高、发热量大，后 续台车需要的体积大，但是其同时也具有跟盾构刀盘驱动环境相关的一些优点： 1 更好的功率质量比，同等功率下马达体积甚至可以达到电机的1 0 9 6 1 2 左右， 这使得马达的轴向尺寸小，便于布置；2 工作平稳，更易于实现快速启动、制动 和频繁地换向；3 能在大范围内实现无级调速，包括在运行过程中随时调整转速； l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 4 通过与电液比例控制技术相结合，更易于实现远程自动化，更易于根据环境情 况实时修改调节系统参数。5 相对于电气装置，液压系统更易于实现过载保护， 并且液压元件能够自润滑，使用寿命较长。6 相对于变频控制柜对于环境的温度 湿度等维护要求，液压系统的维护更为简单和方便。7 变频调速运行时对井下其 它设备的运行干扰大，特别是对信号和控制系统干扰更大，液压系统对周围系统 的影响较小。 表1 1 盾构刀盘驱动方式比较 总之，液压传动和电液控制技术固有的特性非常适合盾构掘进机动力传递和 控制的特殊要求。在液压元件的制造工艺不断改进，液压系统控制策略不但优化 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的发展趋势下，液压系统的传动效率将会逐步提高，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系统的发展方向【翊。 1 4 2 盾构刀盘驱动液压系统发展方向 在盾构技术的进步与发展中，其一大跨越是在盾构隧道施工中引入了机械开 挖来代替人工开挖，这大大提高了盾构的掘进效率及施工工人的安全性。第一个 机械化盾构的专利于1 8 7 6 年出自英国人约翰荻克英森布伦顿( j o h nd i c l ( i n s o n b 眦t o n ) 和姬奥基布伦顿( g e o r g eb r u n t o n ) 的申请。其设计的盾构由几块板构 成半球型的旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转 运至胶带输送机上，再将它转到后面从盾构中运出。1 8 9 6 年普莱斯( p r i c e ) 以 自己的名字申请了新的盾构专利，并于1 8 9 7 成功应用于伦敦的粘土地层。它第 一次将格瑞海德盾构与旋转刀盘组合在一起，通过驱动轴由电机驱动，具有了现 代盾构驱动方式的特点。1 9 6 3 年，日本s a t 0k o g y o 公司首先开发出了土压平衡 盾构，此时其盾构上已经成功应用了液压驱动技术。在它的盾构上采用了液压油 缸式刀盘推进系统以及液压马达驱动的刀盘和螺旋输送器了。局限于当时的液压 技术水平，此时的盾构液压系统只能采用效率较低的阀控调速系统【3 9 1 。 由于液压动力传动的能量利用率不高，整机系统的效率较低，因此，节能一 直是液压动力传动的主要研究方向之一。针对液压控制方式的节能发展，江木正 夫( 日本流体动力工业会会长) 将其分为五个阶段，“阀控制”为第一阶段，“负载敏 感阀控制”为第二阶段，“负载敏感泵控制”为第三阶段，“泵容积控制”为第四阶 段，“泵回转速控制”为第五阶段 4 0 j 。 与此对应的，随着液压技术发展，2 0 世纪7 0 年代的盾构刀盘驱动开始采用变 量泵驱动液压马达技术，但控制方式还比较简单。2 0 世纪8 0 年代以后，大排量比 例变量泵的出现后，盾构刀盘驱动普遍采用电液比例控制的变量泵驱动变量马达 ( 泵马达) ，以及比例恒功率控制技术1 4 1 1 。二次调节技术也有应用的实例，即驱动 元件采用泵马达，主要用于改善马达故障时刀盘工作性能【4 2 1 。由于变频技术的 发展，变转速容积调速技术逐渐受到重视，是未来盾构刀盘驱动节能的重要发展 方向h 3 。4 5 1 。 在国内，浙江大学首先开始了盾构刀盘驱动液压系统的研究工作，设计并建 立了盾构掘进机模拟实验台，把节能性作为了盾构液压驱动系统的研究方向。 4 3 j 对盾构推进系统进行了基于压力流量复合的负载敏感泵控系统的研究，并提 出了相应的先进控制方法【4 9 睨】。同时，对于刀盘回转驱动液压系统，提出了大闭 环控制的变排量容积调速驱动方式，进行了刀盘转速智能控制的研究【5 3 。5 5 1 。同时， 研究了盾构刀盘变频驱动液压系统，其综合了变频电机与变排量泵控马达的优 点，在小扭矩工况下具有更好的节能效果【5 6 j 。此外，广东工业大学将二次调节 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 技术应用于盾构e p b 模拟系统，使驱动系统工作在恒压状态，并能够对螺旋输送 器的惯性动能进行回收1 5 7 】。 此外，在盾构施工过程中，刀盘驱动系统一直面临着地质条件复杂、负载变 化剧烈、冲击频繁的不利工况，这对刀盘驱动系统的机械特性以及可靠性同样提 出了要求。如何在掘进过程中利用液压系统的本身特性来降低负载冲击对刀盘驱 动系统的影响，减小刀盘驱动系统的故障率，提高系统的可靠性，保障系统长时 间持续稳定的工作状态同样是未来盾构驱动系统需要考虑的。尤其现在在一些特 殊隧道所要求的巨型化盾构上，如西班牙马德里m 3 0 公路隧道使用了1 5 2 m 盾 构采用了5 0 台液压马达、2 4 台泵和1 2 台电机组成刀盘驱动液压系统，驱动功率达 1 4 0 0 0 k w 【5 8 】；a 3 0 公路南隧道使用的矽1 5 1 盾构，其推进系统有5 7 只液压缸，能 发出最大3 1 7 0 0 0 m 的推力，刀盘驱动使用2 8 台变频电机，每个3 5 8 k w ，总共 1 0 0 2 4 k w ，系统总安装功率达1 5 0 0 0 k w 网。在盾构的巨型化发展趋势下，刀盘驱 动液压系统也面临着高压大流量的发展趋势，这在一方面对刀盘驱动系统的节能 性提出了要求，同时也对系统的可靠性提出了要求。这不仅仅要求液压元件提高 自身的可靠性，同时也要求驱动系统