（计算机应用技术专业论文）盾构机环流系统专用控制系统设计.pdf

武汉科技大学 硕士学位论文第 1 页 摘要 盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，目前是其发展的最好时期。盾构机运行时可 靠性要求极高，泥水系统是盾构机正常掘进的关键系统设备，分为泥水处理系统和泥水环 流系统。泥水环流系统负责泥浆的输送和排放，分为四个工作模式，其中在开挖模式下工 作实现泥水的循环。旧环流控制系统满足不了工程需要，存在电控配件难以购买、添加中 继泵不方便、改造工程繁琐等缺点。为了满足行业的要求，需要设计高可靠性、操作方便、 扩展性好、高性能的控制系统。 新系统与盾构机主机控系统完全分离，驱动泥浆泵的动力设备选择交流电机搭配交流 变频器a 1 v 7 l 。本文结合盾构机施工各工况参数的数学模型，给出了泥浆泵配套功率的计 算公式，即交流电机选型标准。叙述了变频器的优势和选型标准，给出了a = 7 1 的主要性 能参数并验证了其使用的可行性。 本文采用国产高可靠性p l c 国电智深e d p f b a 系列作为环流控制系统的控制核心， 采用l i c o nc u t e r 0 0 作为主从站的控制器，主从站采用工业以太网通讯实现运行信息的 交换，从站与变频器采用m o d b u s 通讯卡连接，实现变频器在主站的信息显示和主站对 变频器的远程调速。主站位于盾构机内部集控室，能够远程监控各从站状态，主站程序模 块化编译，方便扩展。针对盾构机运行环境特点，选用工业触摸屏为上位机，给出了h m i 画面。 本文给出了系统的调试步骤和方法，该系统已经在长江隧道工程多处工段中成功使 用，运行时间已达数个月，运行期间无故障，停机实时性好。实践表明，该系统从根本上 保证了泥水环流系统的稳定，实现了泥水环流自动化。 关键词：交流电机；国产p l c ；工业触摸屏；工业以太网 第 1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s m e l di sas p e c i a le n g i n e e r i n gm a c h i n ew h i c hi su s e di nt u n n e le x c a v a t i o na n dn o w a d a y si t sb e s t p e r i o do fd e v e l o p m e n ti sc o m i n g w h e ns h i e l di sr u n n i n g ，e x t r e m e l yh i 曲r e l i a b i l i t yi sn e e d e d f o a m e d - s o i ls y s t e md i v i d e di n t of o a m e d s o i lc i r c u m f l u e n c es y s t e ma n df o a m e d s o i lt r e a t m e n ti s t h ek e yd e v i c eu s e dt ok e e ps h i e l dr u n n i n gn o r m a l l y f o a m e d - s o i lc i r c u m f l u e n c es y s t e mh a v i n g f o u rw o r km o d e si su s e di nf o a m e d s o i lt r a n s p o r ta n df o a m e d s o i lc i r c u m f l u e n c ei sc a r r i e do u ti n e x c a v a t i o nm o d e t h eo l dc i r c u m f l u e n c ec o n t r o ls y s t e mc a n n o tm e e tt h ed e m a n d so ft h ep r o j e c t b e c a u s ei th a dm a n yw e a k n e s st h a ts y s t e ma c c e s s o r i e sw e r ed i f f i c u l tt op u r c h a s e ，a d d i n gp u m p a n dr e n o v a t i o np r o j e c tw a sb o t hi n c o n v e n i e n t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n d u s t r y , t h ec o n t r o ls y s t e mw i t hh i g h l yr e l i a b i l i t y , s c a l a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c ei sn e e d e d n e wc i r c u m f l u e n c ec o n t r o ls y s t e mw a si s o l a t e dw i t ht h eh o s ts h i e l dc o n t r o ls y s t e m a c m o t o r sw i t ha cc o n v e r t e r 删71w e r ec h o s et od r i v em u dp u m p ，t h ea r t i c l ec o m b i n e dw i t h m a t h e m a t i c a lm o d e l so fs o m ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o np a r a m e t e r sp r o v i d e dt h ep o w e rf o r m u l ao f m u dp u m pp a c k a g e ，t h a ti s ，t h es e l e c t i o nc r i t e r i ao fa cm o t o r n es e l e c t i o nc r i t e r i aa n d a d v a n t a g e so fc o n v e r t e rw a sd e s c r i b e da n dt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sv a l u eo fa t v 7 1 w a s g i v e l lt ov e r i f yi t sf e a s i b i l i t y t h ea r t i c l eu s e dh i g hr e l i a b l eh o m e m a d ep l c g u o d i a n z h i s h e ne d p f b as e r i e sa st h ec o r e o fc i r c u m f l u e n c ec o n t r o ls y s t e m l i c o nc u t e 4 0 0w a su s e da st h ec o n t r o l l e ro fm a s t e rs t a t i o n a n ds l a v es t a t i o n sa n dm a s t e rs t a t i o nc o m m u n i c a t e dw i t hs l a v es t a t i o n sb yi n d u s t r i a le t h e m e t s l a v es t a t i o nc o m m u n i c a t e dw i t hc o n v e r t e rb ym o d b u sc a r dt oa c h i e v et h ee x c h a n g eo f i n f o r m a t i o ns ot h a tt h ei n f o r m a t i o no fc o n v e r t e r sw a sd i s p l a y e di nm a s t e rs t a t i o na n dm a s t e r s t a t i o nc a nr e m o t e l yc o n t r o lm o t o r s s p e e d t h em a s t e rs t a t i o nl o c a t e di nt h ec o n t r o lc e n t e ro f s h i e l da n di tc a nr e m o t e l ym o n i t o re v e r ys l a v es t a t i o ns t a t u s m o d u l a rc o m p i l e rp r o g r a m f a c i l i t a t et h ee x p a n s i o no ft h em a s t e rs t a t i o n f o rt h ee n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs h i e l d r u n n i n g ，i n d u s t r i a lt o u c hs c r e e nw a ss e l e c t e da sh m ia n de v e r yt y p i c a lf r a m ew a sg i v e i l t h ea r t i c l ep r o v i d e dt h es y s t e md e b u g g i n gs t e p sa n dm e t h o d s n es y s t e mh a sb e e n s u c c e s s f u l l yu s e di nt h es o m es e c t i o n so fy a n g t z er i v e rt u n n e lp r o j e c ta n d1 a s ts e v e r a lm o n t h s d u r i n gt h er u n n i n gt i m et h e r ea r en ot r o u b l eh a p p e n i n ga n dt h es y s t e mh a sg o o dr e a l - t i m es t o p t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h es y s t e mf u n d a m e n t a l l yg u a r a n t e e st h es t a b i l i t yo ff o a m e d s o i l c i r c u m f l u e n c es y s t e ma n dc a r r i e so u tf o a l t l e d s o i lc i r c u m f l u e n c ea u t o m a t i o n k e yw o r d s ：a cm o t o r ；h o m e m a d ep l c ；i n d u s t r i a lt o u c hs c r e e n ；i n d u s t r i a le t h e m e t 武汉科技；弋学 研究生学位论：史创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论：艾是! 本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文牛已经注明弓1 月i 豹内容或属台作研究；志同完成的 工作外。本论文不包含任何其他个人亘z 集体已经发表或撰写过雕作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和多毫体，均已在：艾中以明确王i 式标明。 申请学位论文与资料若刁i 不实之处，本人承担一切相关责任， 论文作者签名：e l 期：冽t 77 1 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研冤成果归武汉科技大学所有。其研究p j 容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学1 i 关保留、使用学位：笼：文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论j ( 收录 t 作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被鸯阅和借阀， 同意学校将本论文的全部或部分内容编歹、学校认可的国家相关；孜据厍进行 检索和对外服务。 讼艾储签名：私钟 割手教师签名：趣n e l 期：逊纠 | 武汉科技大学 硕士学位论文 第 l 页 第一章绪论 1 1 概述 随着经济的发展和我国城市化进程的快速推进，城市交通压力越来越大。虽然城市在 不断修建各式各样的立交桥，但是仍然无法解决同益突出的交通问题。因此，我们的交通 枢纽向地下延伸，通过修建地铁来缓解交通压力。修建地铁，就必须要有安全高效的施工 机械来挖掘地下隧道。而市区明挖隧道施工，对城市生活的干扰r 趋严重，尤其是遇到埋 深较大，地质复杂的情况，用明挖法建造难以实现时，就需要采用盾构法施工。采用盾构 法施工最重要的大型施工机械就是盾构机。 盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机 集机、光、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，涉及地质和水文地质、土木、力学、机械、液压、电气、控制、 测量等多门学科技术。用盾构机进行隧道施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、 一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开 挖时不影响水面交通等特点，在隧道洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经 济合理。盾构机最重要的特点就是要按照不同的地质和水文地质条件进行“量体裁衣”式的 设计和制造，每台配置都不一样，可靠性要求极高。 1 2 盾构机国外发展状况 迄今为止，盾构技术己有1 8 0 年的历史，1 8 2 5 年英国的布鲁诺首次使用断面高6 8 m ， 宽1 1 4 m 矩形盾构在伦敦泰晤士河下修建了一条河底隧道，到二十世纪初，盾构施工法已 在英、美、德、俄、法等国开始推广。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 术难题的相继攻克，使盾构机的制造技术得到高速发展。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。盾构法己经成为一种成熟的隧道施工技 术和地下工程建设的首选常规技术。 目前，盾构机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家和地区。据统计全球己累计生 产各种盾构机8 0 0 0 多台，主要生产厂家有日本三菱重工( 1 3 0 0 多台) ，川崎重工( 1 2 0 0 多台) ， 德国海瑞克公司( 8 0 多台) 。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： ( 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、沙砾层、卵石层、沙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： 第 2页武汉科技大学硕士学位论文 ( 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、摄像 及视觉信号处理技术等现代高新技术成果拉儿引。 1 3 盾构机国内发展状况 我国的盾构技术经过近二十年来的高速发展，己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己接 近国际先进水平；在某些领域，如异形盾构的研究方面，已挤身世界先进行列。 单就国内市场近几年来的需求来看，目前应用盾构施工最多的城市是上海，借助上海 隧道股份成熟的研发制造和良好的地质条件，当前已经达到了8 0 多台，有望超过1 0 0 台 的需求量。地铁建设的活跃城市一广州目前已经保有量已经达到5 0 台以上。北京在奥运 前后地铁建设规模不断扩大，如果新建6 条线全部开工的话，起码估计需要三四十台。盾 构机除了在地铁建设用的比较多以外，铁路建设和引水隧道也开始大量使用了，在城市地 下管网施工中应用还不多，但是城市地下管道建设采用明挖对城市生活影响太大，应用机 会将逐步增多，西气东输武汉长江隧道工程就是使用盾构机施工。据不完全统计，2 0 1 5 年 以前，我国已建城市轨道的1 5 座城市将新建轨道交通6 5 条线，总长度为1 7 0 0 公里，还 将有若干城市批准承建，投入施工的盾构约3 0 0 台以上，而采用盾构掘进机施工将是必然 的选择。加上大型的越江工程，我国的各类盾构未来潜在市场将有2 0 0 亿元以上的产值， 这是近年来盾构机应用发展最快的机遇h 1 。 但是，随着我国经济济进入良性发展的快车道，公路、铁路、水利建设的城市化进程 等达到了前所未有的发展速度，对盾构的市场的需要大大超过了国内的盾构研制水平。近 年来进行的几项重大工程如南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路等，所采用的盾构 设备和施工技术基本上依赖进口。目前，国内许多企业虽然也开展了盾构设备的研制和相 关技术的研发，制造了多种形式的盾构，但目前盾构仅能适用于周围环境要求不高和地质 条件单一的地区，不适合建筑密集工区、管线和地质条件复杂的地区。当环境要求高、破 坏后治理费用大时，综合考虑之后还是不得不花费大量外汇采用进口盾构。可以说，我国 现代盾构掘进设备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成针对不同地质条件和环境要求设 计、制造适用的盾构掘进机的能力。 另一方面，虽然国内盾构机专业研制公司如上海隧道股份和沈阳重型机械公司能够研 制出一些具有自主知识产权的盾构机，占领了一部分市场，但一些精细部件包括大型轴承、 液压马达、泵、检测元件、特殊刀具仍需要从国外进口，直接导致盾构机价格居高不下， 真正的国产化还有很长的路要走。 因此，发展我国的盾构技术己成当务之急，必须在引进、消化、吸收国外先进技术的 基础上，认真分析制约我国盾构技术发展的关键性瓶颈技术，并组织力量，联合攻关，以 加速我国盾构机的国产化步伐。需攻克的关键性技术主要体现在以下几个方面聆儿们h 1 ： ( 1 ) 施工工艺与应用研究。如开挖面稳定控制、隧道施工质量监控技术等。 武汉科技大学硕士学位论文 第3页 ( 2 ) 总体结构设计理论、计算方法、机型应用性设计和系统设计软件的研发。 ( 3 ) 刀盘切削系统关键技术研究。 ( 4 ) 推进和排渣系统关键技术研究。 ( 5 ) 液压及电气系统优化设计与应用。 ( 6 ) 掘进中导向与监控系统装置的研究。 ( 7 ) 施工中在线工况监测与事故预警系统的研究。 ( 8 ) 关键专用零部件的研究与丌发。 国内一些文献对上述技术进行了深入研究。文献 8 介绍了一种盾构推进机构电液控 制系统，具体叙述了盾构机推进系统压力及速度控制的实现方法；文献 9 介绍了一种基 于c a n 总线的盾构机控制系统，实现工作参数的自动监控、掘进、姿态、拼装等参数的自 动控制；文献 1 0 介绍了一种用于泥水加压式盾构机的泥水处理系统的泥浆参数监控系 统；文献 1 1 1 2 介绍了盾构机导向技术的研究，文献 1 1 介绍了一种自动导向系统，文 献 1 2 介绍了一种精密定位的导向技术；文献 1 3 介绍了对盾构施工工艺和刀盘切削机理 的研究；文献 1 4 介绍了对盾构机整机选型、参数匹配和关键部件的强度设计等问题的研 究；文献 1 5 介绍了一种基于a l e 方法的三维有限元盾构刀盘切削技术。 1 4 课题背景及研究内容 本文的研究对象为泥水环流控制系统，用于控制泥水式盾构机中的泥水系统，即为上 述有待攻关技术中第四条的排渣系统。泥水系统包括泥水环流系统和泥水处理系统，前者 负责掘进中泥浆的传输和排放，后者负责泥浆的制造，两者相对独立，为了便于维护和降 低运行风险，通常将两个系统的控制系统分开，其中泥水处理控制系统已经成熟，文献 1 0 就是泥水处理系统的整套控制系统设计，并且市场上已出现了成套产品，图1 1 为宜昌黑 旋风工程机械有限公司设计的z x - 5 0 0 泥水处理设备。而泥浆环流系统虽然应用广泛，改造 工程颇多，但是其中的关键设备如p l c 和泥浆泵几乎全部为进口，并且由于每个工程需求 不同导致的系统差异，同一工程中泥浆泵的数目也是根据掘进距离的增长而变化，环流控 制系统很难做成成套设备，只能根据各个工程的实际需求来设计控制系统，增加了改造工 程的数量，间接影响工程进度。另外，虽然进口的设备无论是在设计上还是技术性能上都 是比较先进，但其格很高，仍存在设计不是很合理、使用不是很方便，电控设备配件难以 购买的地方。为此，有必要对盾构机环流系统进行技术改进和国产化。 作为控制系统核心的p l c 是自动化领域用途最广的控制系统，国际大公司如 s i e m e n s 、r o 咖d l 、g e 、s c l l i l e i d e r 等基本上控制和垄断了我国自动化装备的中高端市场。 日本公司在小型p l c 领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型p l c 领域 也有一定市场份额，中国大陆p l c 厂商的市场份额几乎可以忽略。国产品牌和国际大公司 相比，面临品牌劣势，应用业绩劣势，产品线劣势，研发实力劣势，需求优势，产品定制 优势和成本优势。 武汉科技大学硕f 学位论文 图11 熙旋风z x 泥浆处理系统 在市场待遇上，幽产p l c 受到不公正的市场待遇大都突破不了首台首套规则，严重 缺乏应用业绩。自动化装各要与主装备紧密耦合、互动发展的特点使其技术创新又必须通 过太景的应用实践才能实现。由于存在政策缺陷，我国自动化装各企业在技术追赶的关键 时期，却很难得到市场应用的机会他们的创新成果由于不能在本国率先应用，一些企业 被迫先到国外实现销售，然后再打回国内市场；一些企业虽然与国外企业相比还有一定差 距，但却处于技术突破的临界点，只要给它一个工程实践的机会，它就有可能在这个点上 实现技术跨越，但争取这样的机会埘中国自动化装备企业来讲，非常困难。多数自动化装 各企业反映：市场进入的困难大于研发，落实试点应用耗费的时问精力超过技术攻关【l q 。 因此，利用凼产p l c 作为盾构机泥水环流控制系统的控制核心，对后构机环流系统进 行技术改进和国产化具有极其重要的意义。奉文以国产p l c 国电智深l i c o nc u t e 4 0 0 为主控核心，以武汉长江隧道几个盾构机环流系统改造工程为实例，着眼于制造成本、扩 展性和通j f i 性三个方面设计面向盾构机环流系统的专用控制系统既发展了盾构机泥水 环流系统控制技术，又解决了盾构机工程的通病，既推广了国产品牌又丰富了关于国产 p l c 的文献资料，并且大大降低了使用成本，具有很强的现实意义。论文主要内容如下： 第二章介绍盾构机及其施工特点，重点介绍泥水系统、渣浆泵的选型和环流控制系统 的要求。 第三章介绍p l c 控制特点，叙述控制系统的硬件设计，详细阐述系统的结构设计，电 气设计和硬件配置。 第四章叙述系统的软件设计，包括程序设计( 主从站程序和通讯) ，上位机设计。 第五章介绍系统的调试和运行期间的问题总结。 武汉科技大学 硕士学位论文第5页 第二章盾构机环流系统 2 1 盾构法施工与盾构掘进机 2 1 1 盾构概述 盾构法施工需要根据隧道所处的地质条件选择合适的盾构机类型，以及需要根据具体 的旄工参数设计符合要求的盾构掘进机。盾构法旌工的概貌如图21 所示。构成盾构法的 主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构机安装就位。盾构机从竖井 或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。 盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传到盾构机尾部己拼装的预制隧道衬砌结 构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构掘进机是这种施工方法中最重要的独特施工机具。 它是一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒 结构，和钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周围内面安装顶 进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧 道衬砌环。盾构机每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环村砌，并及时向紧靠后尾后 面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止及地面下沉，在盾 构机推进过程中不断从开挖面排出适量的土方7 】。 m n 自m n 图2 a 盾构法施工概貌 采用盾构法施工有以下优点： ( 1 ) 除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又可减少对附近居民 的噪音影响： ( 2 ) 盾构机推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也比 较少； ( 3 ) 土方量较少： ( 4 ) 穿越河道时不影响航运； ( 5 ) 施工不受风雨等气候条件影响； ( 6 ) 在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道盾构法有较高的技术经济优越性。 箱 6 页武汉科技大学 硕上学位论文 2 1 2 盾构的分类 根据不同项目，盾构可以分成不同的类别。我国城市隧道施t 中最常用的是土压半衡 式盾构和泥水加压式盾构。 土压平衡式盾构( e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l d ) ，如图2 2 所示，它的自口端有一个全 断面切削刀盘，刀盘的后面有一个储留切削土体的密封舱在密封舱中心线下部装置长筒 形螺旋输送机，输送机一头设有出入口。土址平衡就是密封舱中切削下柬的土体和泥水充 满密封舱并且具有适当压力与开挖面土压平衡，以减少对土体的扰动，控制地表沉降。 这种盾构可节省泥水盾构中所必须的泥水平衡及泥水处理装置的大量费用。主要适用于粘 性一f ：或有一定粘性的粉砂土。现已有加水或加泥水的新型土压平衡盾构，可适用于多种土 层i 。 图2 2 土压平衡式盾构 图2 3 泥水加压式盾构 泥水加压式盾构( s l u r r ys h i e l d ) 如图2 3 所示是在盾构正面与支撑环前面装置隔板 的密封舱中，注入适当压力的泥浆柬支撑开挖面，并以安装在i f 面的大刀盘切削土体，进 土与泥水混合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，泥水加压盾构主要有同本体系和德国 体系两种。两种的区别是：德国式的密封舱中设置了起缓冲作用的气压舱，以便于人工控 制工f 面泥浆压力，构造较简单；而同本式密封舱中全是泥水，要有一套自动控制泥水平衡 的装置。一般来浼，泥水盾构对地层扰动虽小，地面沉降也最小但费用也比较高。本文 的泥水系统就是用于泥水加压式盾构机，全貌图如图2 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文 地质条件 k 二= 稳定开挖面 辅助施工法 图2 泥水加压式盾构机总貌 地下水 一一 直1l 盾梅机煳村商形式 ， ，蓐喜静齑 ，? i 厂二d ，7 7 一隧道长度、线形 - 盾构机选型事i j ，7 周围机工作环境 l 。， 一。 可靠性安全性经济性 施工性 疆盖层厚度 图2 5 后构选型因素关系圈 影响盾构施工的因素很多，主要有地层条件( 岩土体的强度、软硬程度、颗粒级配、 石英的含量、是否含有沙砾和大卵石等) 、地下水的含量及水压、隧道长度和线形、后续 设备与盾构机的配套能力、工作环境、覆盖层厚度以及有无辅助工法。盾构机的合理选择 要保证开挖面的稳定性，要具有良好的掘进性能，要结合衬砌的类型防止渗漏和坍塌，而 且还要与配套系统具有紧凑的配合关系。因此，盾构的选型应该是一个系统问题，需要综 合考虑。另外，以盾构机选型为核心的整个施工系统的经济性也是不容忽视的。图2 5 表 示了以盾构选型为核心的各因素的影响及其相互作用关系【l9 】。 在武汉长江隧道工程中，使用就是德国制海瑞克泥水加压式盾构机，而本课题中的环 流系统就是属于泥水加压式盾构机的泥水系统。泥水盾构施工工艺流程图如图2 6 所示。 第8页武汉科技大学硕士学位论文 泥水环流系统设备安装 泥东处理系统设鲁安装 准备i 一 同步注浆设鲁安装 中央控制室布置 r 、 r 就位+ 一后后支捧布置i - 一后构安装调试k | 拆除盾构、车架及- g q t 设g 壶 图2 6 泥水盾构施工工艺流程 2 2 泥水系统 泥水系统有两个作用：一是及时向丌挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨 润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面 的要求：二是及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理( 达到环保要求 后排放) ，再将回收的泥浆调整利用。因此，泥水系统分为泥水处理系统与泥水环流系统 两部分，其组成参见图2 6 。进浆泵p 1 1 位于地面上，位置固定，随着盾构机掘进距离的 增加，进浆压力减小，当减小到一定数值时，这时须在隧道内适当位置增加中继进浆泵p 1 2 、 p 1 3 ；初级排浆泵( 即主排浆泵p 2 1 ) 位于盾构机主机第三节内，随盾构机推进而前进；二 级排浆泵位于隧道中及竖井下方，一般当与主排浆泵的直线距离超过一定距离时，须设置 二级排浆泵p 2 2 ，如距离更长时还须增加中继泵p 2 3 ，p 2 4 或p 2 5 ，以保证泥水输送系统 工作的压力和流量。另外在机头还有p o 泵，清洗盾构机刀盘等。 泥水处理系统设于地面，由泥水分离设备和泥浆制备设备两部分组成：主要包括旋流 器、振动筛、沉淀池、清水池、粘土( 膨润土) 溶解池、密度计及取水口、排泥口等。盾构 机掘进后由排泥管排出的泥渣经过一级处理设备进行净化处理，若处理后的泥水含砂率满 足要求，则可以直接排入一个迷宫式的沉淀槽进行溢流沉淀，否则排到二级处理设备进行 武汉科技大学硕士学位论文 第 9 页 进一步处理，然后再排入沉淀槽进行溢流沉淀。经过一级处理和二级处理筛选出来的碴土 运送到指定的弃碴场堆放。泥浆溢流进入调整槽后，若泥浆量过剩则可以将泥浆捧进弃浆 池储存起来泥浆量超出弃浆池容量时泵送到附近的运输船上运送到弃浆场；若泥浆量不 能满足需求量时，则可以用抽浆机进行人工造浆进行补浆。当调整槽的泥浆浓度满足要求 时要以直接由送浆泵泵送到盾构机；若泥浆浓度太浓就加清水进行稀释：若泥浆浓度太低， 则制浆进行调节加大泥浆浓度后泵送到盾构机唧j 。其工艺流程图如图27 所示。 图2 辱后构机掘承系统示意图 泥水环流系统，也称为泥水输送系统，如图2 8 所示，具有两个基本功能，一是稳定 掌子面，二是通过排泥泵将开挖碴料从泥水仓通过排泥管输送到分离站。掌子面的稳定性 靠膨润土泥浆对掌子面的压力以及靠膨润土泥浆的流变特性来确保。泥水循环系统由送捧 泥泵、送排泥管、延伸管线、辅助设备等组成。送泥泵将调制好的泥水通过送泥管输送到 泥水仓；而排泥泵则将携带碴土的泥水排出，通过排泥管输送到地面的泥水处理设备进行 分离拉”。 泥水环流系统有四个工作模式；开挖模式、旁通模式、模式隔离、逆行模式。如图2 9 所示，开挖模式即为j 下常挖掘工作模式；待机模式用于安装管片时的情况；隔离模式使隧 洞里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，设在地面的分离厂和调浆池之间的 回路仍保持连通，常用于隧道泥浆管道延伸时的情况。各排浆泵停止运转，进浆泵p 1l 仍 保持运行；逆行模式使开挖室里的泥浆逆向流动，仅用于一些特别情况，特别是用于清理 排渣管道的堵塞和刀头【圳。 第 1 0 页武汉科技大学 硕士学位论文 图2 7 泥水处理系统工艺流程 二1 流釉缈置 ， f f 挖舱气压舱 ll 羹| - 1 j ： r i 一 翻 【 p 曹 进浆泵 巾!i l l - 一 乡 竺一1 垒 珥 刁一 流量计 庐 盈 一 。 【 i“ 破碎机 - o 邕 图2 8 泥水环流系统总貌 武汉科技大学硕士学位论文 匝园 ( a ) 开挖模式b ) 待机模式 ( c ) 隔离模式( d ) 逆行模式 图2 9 泥水环流系统工作模式 23 泥水系统交流电动机的选型 泥水系统中交流电动机的作用是驱动各泥浆泵，而影响电动机选型的泥浆泵参数是泵 的配套功率。 2 3 1 泥浆泵的配套功率计算 泵装置是泵及其附件、吸入管路、排出管路等的总称，泵的配套功率n 是整个泵装置 的功率。而配套功率n 与泵的轴功率p 的关系如公式( 2 1 ) 所示。 n = k p | u ? ( 2 1 ) 式中n t 为泵传动装置效率，见表21 ；k 为功率裕量系数，见表2 2 ( 当泵的额定流量远 小于最佳效率点时，k 值要按经验放大) 。 表2 1 泵传动装置效率q t 三角皮带 齿轮传动蜗杆传动 嚣 直联传动平皮带传动 传动 q t10o9 509 209 09 707 0 0 9 0 表2 2 离心泵功率裕量系数k k 泵的轴功率p ，k w 电动机 1 5 1 2 5 1 5 h z ，多余的能量促使管内流速增加，泵的流量增加，工况 点从a 点移向m 点，反之从b 点移向m 点，最后都要回到m 点稳定下来。故泵的稳定 工况点一定是泵特性睦线和装置特性曲线的交点。但是对有驼峰性能曲线的泵，当工作点 m 在驼峰附近时，一旦偏离，将回不到m 点，因此一般不允许采用有驼峰性能曲线的泵。 h q 口j ( a ) 装置特性曲线( b ) 泵运转工况点 图2 1 0 泵运转特性 流量与管道内径d 、流速v 的关系为公式2 5 。 v = 4 q # d 2 ( 2 5 ) 泥浆流量q ( m 3 1 1 ) 是另一个影响功率的参数，计算公式如公式2 6 所示： 武汉科技大学硕士学位论文第 1 3 页 q = l o o s q s s m c w ( 2 6 ) 式中s 为固体物料比重；s m 为浆体比重；q s 为固体的体积流量，m 3 l l ；c w 为浆体的重 量百分浓度。 表2 3 武汉长江隧道工程排浆泵工况参数 dhl r ls msc w 入 p 2 一p 1 pg mmm 5 0 1 42 6 54 5 9 0 31 50 0 2 l1 0 9 09 在武汉长江隧道工程中，上述工况参数具体值排浆泵见表2 3 所示。代入公式3 6 中， 得到q = 8 2 5m 3 h ；代入3 5 中，得到v = 3 2 4m s ：代入到3 4 中，得到h v = 4 1 m ；因此 h z = 1 5 9 + 4 1 + 3 = 5 0m ( 3 m 为富裕量) ，p = 3 1 4 k w 。对照表3 2 ，k = i 1 0 ，而泥浆泵采用直联 传动，装置效率系数qt = 1 0 ，n = 3 4 5 4 k w 。同理，进浆泵的轴功率p = 1 6 0 k w ，n = 1 7 6 k w 。 2 3 2 交流电机调速系统选型 泥浆泵在实际运行中，一般处于变负载状态，甚至轻载状态下，电机功率因数小，效 率低，电能严重浪费，并且泥浆泵启动电流一般为额定电流的5 8 倍，严重影响电机的 寿命，所以需要配套变频器驱动电机。 变频器调速具有以下优点：调速时平滑性好，效率高；低速时特性静关率较高，相对 稳定性好；调速范围大，精度高：启动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。变 频器通常根据负载的转矩特性和防护等级来选型。 生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和流体 类负载。 恒转矩负载。在这类负载中，负载转矩t l 与转速n 无关，任何转速下t l 总保持恒定 或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机 械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负 载。 变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载 能力。如果需要在低速下长时稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免 电动机温升过高。 恒功率负载。这类负载的特点是需求转矩t l 与转速n 大体成反比，但其乘积即功率 却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机 等，都属于恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度 很低时，受机械强度的限制，t l 不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒 功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输 出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于 恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一 致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。 流体类负载。这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。 各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。流体类负载通过变频器调速来调节风 第 1 4 页武汉科技大学 硕士学位论文 量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载 转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行1 2 4 1 。 变频器的防护结构要与其安装环境相适应，这就要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱 度、腐蚀性气体等因素，这与变频器能否长期、安全、可靠运行关系重大【2 5 1 。大多数变频 器厂商可提供以下几种常用的防护结构供用户选用： ( 1 ) 开放型i p 0 0 ，它从正面保护人体不能触摸到变频器内部的带电部分，适用于安 装在电控柜内或电气室内的屏、盘、架上，尤其是多台变频器集中使用较好，但它对安装 环境要求较高。 ( 2 ) 封闭型i p 2 0 、i p 2 l ，这种防护结构的变频器四周都有外罩，可在建筑物内的墙 上壁挂式安装，它适用于大多数的室内安装环境。 ( 3 ) 密封型i p 4 0 、i p 4 2 ，它适用于工业现场环境条件较差的场合。 ( 4 ) 密闭型口5 4 、5 5 ，它具有防尘、防水的防护结构，适用于工业现场环境条件 差，有水淋、粉尘及一定腐蚀性气体的场合。 泥浆泵属于流体类负载，武汉长江隧道工程中的泵性能参数为n ：3 5 5 k w ，额定转速 为7 4 0r m i n 。由于盾构机施工现场条件较差，从站控制柜放置在地面上，需选择i p 2 0 以 上的防护等级。 本设计选用的变频器是s c t u l d d f fa t v 7 1 系列。6 州7 l 系列高性能变频器于2 0 0 5 年5 月正式在中国市场发布。它除了常见的控制方式开环，闭环矢量控制和v f 控制之外，还 增加了转矩控制和同步电机控制方式等；除了继承施耐德电气传统的宽电压工作范围，强 过载能力外，更有多达1 5 0 多种应用功能，不论在“质”还是“量”上都能满足中国用户对于 品质和革新不断提高的需求。在转矩控制中增加了速度限制功能，避免了意外可能出现的 速度突变；而内置控制卡更是自带的精巧的p l c ，且比起外加p l c 来其传输速度要快的多。 a t v 7 1 适用于复杂的大功率机械，通信卡支持各种常见现场总线技术，适用于泵和风 扇这类需要大转矩、低速时具有高精度和高动态性能要求的负载，其主要性能参数如表3 4 所示。 a ，7 l 配备了一些不同防护等级的工具包，例如i p 5 4 保护盒，用于保持对功率元件 的d 5 4 级保护；e m c 板( 抗干扰性和电磁散射性) 和i p 2 1 或i p 3 1 的盖板。 表2 4 a t v 7 1 性能参数 功率范围o 3 7 5 0 0 k w 单相或三相 电压范围 2 0 0 v - 1 5 2 4 0 v + 1 0 额定工作 一1 0 。c 5 0 。c 环境温度 调速范围开环1 1 0 0 闭环1 1 0 0 0 调速精度开环：1 0 输出频率 0 1 5 0 0 h z 支持总线类型m o d b u s ，p r o f ib u s d p ，c a n o p e n 等 武涎年 杖大学硕士学位论文第 1 5 页 2 4 环流控制系统需求分析 环流系统在盾构机开挖时只设有一个进浆泵和一个排浆泵，称为进、排浆主泵，排浆 泵功率大于进浆泵功率，随着掘进距离的增加，当掘进距离达到4 5 0 m 时，进浆管道就需 要添加一个中继泵，以保证管道进口压力，而排浆泵数量则要根据现场情况而定，在掘进 距离小于或等于4 5 0 m 就需要增加一个中继泵，以保证出口压力。因此排浆泵数量通常大 于或等于进浆泵数量。 由于泥水处理系统与环流系统相互独立，没有需要交换的信息量，因此两个系统都自 成体系，与盾构机主机控制系统完全分离，方便系统改造和操作维护。 各泥浆泵控制系统设在地面上，主控系统设在盾构机内部的中央控制室，主控系统要 享有最高权限，能够控制各泥浆泵，并能够对各变频器进行远程调速。主控系统能够实时 显示各泥浆泵控制系统的关键信息，设有完善的故障监视和联锁保护，确保设备安全可靠， 能够显示各泥浆泵的出口压力、进口压力、电机温度、电机转速、出口流量的大小。另外， 盾构机运行过程中，振动强烈，主控系统必须注意防震。 根据对旧有控制系统的深入分析和现场调研，泥浆泵控制系统有如下要求： ( 1 ) 具备三个模式：远程操作模式、就地操作模式和检修模式，三者为互斥关系。 ( 2 ) 进浆泵和捧浆泵工艺流程除进、出口压力值设定不同外完全一致，图21 1 为泥 浆泵工作状态。泥浆泵控制系统的控制对象为密封水泵、风机和变频器，系统必须设有关 键设备的启停按钮及其运行信息的显示。 ( 3 ) 由于控制系统放置在施工现场的地面上，环境潮湿，因此还需增加温湿度检测 装置和空调机。 ( 4 ) 实现泥浆泵系统工作过程。按下“系统启动”按钮后，供水阀、密封水泵依次 启动，等待进口压力到达规定标准时，变频器运行然后速度给定；当系统出现故障(