（机械电子工程专业论文）全断面掘进机综合试验台液压系统及调速特性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 全断面掘进机是集机械、液压、土木、力学、控制、电气、材料、信息等 多学科技术于一体的大型隧道掘进装备，广泛应用于城市地铁、铁路、公路、市 政、水电等隧道工程的建设中。随着我国城市地铁建设的高速发展，对于盾构的 需求量也越来越大，但是目前我国还是主要以进口盾构为主，这主要是因为盾构 需要针对不同的地质构造进行设计制造，而目前国内并没有合适的设计理论进行 指导。因此搭建全断面掘进机综合试验台，模拟不同盾构在不同地质条件下的掘 进过程，对于盾构在不同的地质条件下的控制方法、设计理论的研究有重要意义。 本文以全断面掘进机综合试验台为研究对象，对试验台的四个液压系统包括 土箱加载系统以及盾构机的刀盘驱动系统、螺旋输送机系统和推进系统进行了相 关参数的确定、液压系统设计等工作。并在此基础上，对所设计变量泵一变量马 达刀盘驱动液压系统进行了数学建模，使用a m e s i m 仿真软件对刀盘驱动系统的 调速特性进行了相关研究。本文的主要研究内容如下： 第一章综述了目前国内外盾构掘进机的发展历史和现状，以及目前国内外盾 构试验台的情况，对本课题所研究的全断面掘进机综合试验台进行了介绍。介绍 了课题研究意义，概述了本文的研究内容。 第二章设计了一种基于比例溢流阀的双泵加载液压系统用于土箱加载，完成 模拟土箱水土压力为0 6 5 m p a 的要求。文中对液压系统主要元件进行了相关的 选型以及校核。采用s o l i d w o r k s 三维设计软件对主油路阀块以及各个分区阀块进 行了集成设计，同时采用s o l i d w o r k s 软件对加载横梁进行了设计，并采用软件中 的插件c o s m o s x p r e s s 对加载横梁进行了相关的校核。 第三章根据试验台功能要求，以及实际盾构的掘进过程分析，对模拟盾构的 刀盘扭矩、总推力等参数进行了相关计算。对盾构三大液压系统进行了原理设计， 包括变量泵变量马达刀盘驱动液压系统、采用分组分区控制的推进系统和螺旋 输送机液压系统。此外，还对液压系统的主要元件进行了选型计算和相关校核。 第四章对国外先进盾构刀盘驱动系统进行了介绍，从变量泵定量马达系统 入手，依次建立了定量泵变量马达系统和变量泵变量马达系统的数学模型，并 进行了相关的参数分析。 第五章对所设计的变量泵变量马达闭式大范围调速刀盘驱动系统采用 a m e s i m 仿真软件进行了仿真分析。仿真结果表明所设计液压系统能满足刀盘系 统调速范围大、扭矩变化大等特点，闭环控制优于开环控制方式，在高转速采用 马达无级调速的方式可增大马达在较高扭矩下的转速调节范围，液压马达的容积 效率降低对马达的同步性影响不大，但是机械效率的降低将影响马达的同步性。 第六章对全文进行了总结和展望，并建立了土压平衡盾构总推力数学模型。 浙江大学硕士学位论文 关键词：试验台；盾构机；土箱加载系统；刀盘驱动系统；推进液压系统；螺旋 输送机系统；变量泵变量马达系统：数学模型；a m e s i m 仿真 l l 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h es h i e l dt u n n e l 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 t h a ti sw i d e l yu s e di nu n d e r g r o u n dt u n n e le x c a v a t i o na n dr e l a t e dw i t hs u b j e c t so f m a c h i n e r y , h y d r a u l i c ，c i v i l ，c o n t r o l ，m e a s u r e m e n t ，e l e c t r i c i t ye t c f o l l o w i n gt h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h em e t r oi no u rc o u n t r y , t h ed e m a n do ft h es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n e i si n c r e a s i n g a tp r e s e n tt h es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n eu s e di nc h i n aa l m o s ti s i m p o r t e d ，a tt h e s a l t l et i m ee a c ho n eo ft h es 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 yb a s e do nt h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ， h o w e v e rt h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o da r en o tm a s t e r e di no u r c o u n t r y b a s e do nt h e a b o v er e a s o n s ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc o n s t r u c tt h et e s t b e do ft h es h i e l dt u n n e l l i n g m a c h i n ef o rs i m u l a t i n gt h ed i f f e r e n ts h i e l dt u n n e l l i n gm a c h i n ew o r k si nd i f f e r e n t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n di ti sv e r ym e a n i n g f u lt os t u d yt h ec o n t r o lm e t h o da n dt h e d e s i g nt h e o r yb a s e do nt h et e s t b e d t h ec o m p r e h e n s i v et e s t b e di sr e g a r d e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r t h e m a i np a r a m e t e r so ft h et e s tr i gw e r ed e t e r m i n e d t h e r ea r ef o u rh y d r a u l i cs y s t e m sa r e d e s i g n e di n c l u d i n gt h el o a d i n gs y s t e mo ft h es o i lb o x a n dt h ec u t t i n gw h e e ls y s t e m ， t h et h r u s ts y s t e ma n dt h es c r e wc o n v e y o rs y s t e mo ft h es i m u l a t e ds h i e l dt u n n e l l i n g m a c h i n e b a s e do nt h et e s t - b e d ，u s i n gt h ea m e s i ms o t t w a r et h es i m u l a t i o nr e l a t e dt o t h ec u t t i n gw h e e lh y d r a u l i cs y s t e mw a sd o n e t h ec o n t e n to ft h ep a p e ri ss u m m a r i z e d a 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 dt h ec 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 l i n g m a c h i n ea n dt h es i m u l a t i o nt e s t b e dw e r ei n t r o d u t e db a s e do nl o t so f p u b l i c a t i o n sa n d c o n f e r e n c ep a p e r s t h ec o m p r e h e n s i v et e s t - b e d ，t h er e s e a r c ho b j e c to ft h ep a p e rw a s i n t r o d u c e d t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dt h ec o n t e n to ft h ep a p e rw e r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，ad u a l - p u m ph y d r a u l i cs y s t e mw h i c hi sb a s e do n p r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v ew a sd e s i g n e df o rs o i ll o a d i n gb o xl o a d e d ，c o m p l e t i n gw i t hs o i lw a t e ra n ds o i l p r e s s u r et ot h er e q u i r e m e n t so f0 6 5m p a i nt h i sp a p e r , t h em a i nh y d r a u l i cs y s t e m c o m p o n e n t sw e r es e l e c t e da n dt h es e l e c t i o n sw e r ec h e c k e d t h em a i nc i r c u i tv a l v e b l o c ka n dt h ed i s t r i c tv a l v eb l o c k sw e r ei n t e g r a t e dd e s i g n e db yt h e3 ds o f t w a r e s o l i d w o r k s t h e3 ds o f t w a r ew a su s e do nt h el o a d i n gb e a md e s i g na n dt h el o a d i n g b e a mw a sc h e c k e db yc o s m o s x p r e s s ，t h ep l u g - i no fs o l i d w o r k s i nc h a p t e r3 ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h et e s tr i ga n dt h ea n a l y s i s o ft h er e a ls h i e l dt u n n e l i n gp r o c e s s ，t h ep a r a m e t e r so ft h es i m u l a t i o ns h i e l dt u n n e l i n g m a c h i n e ，s u c ha st h ec u t t e rt o r q u ea n dt h et h r u s tw e r ec a l c u l a t e d t h et h r e ep r i n c i p l e s i i i o ft h et h r e em a i nh y d r a u l i cs y s t e m so nt h es i m u l a t i o ns h i e l d t u n n e l i n gm a c h i n e i n c l u d i n gv a r i a b l ep u m p - v a r i a b l em o t o rh y d r a u l i cc u t t i n gw h e e ls y s t e m ，t h ed i s t r i c t c o n t r o lt h r u s ts y s t e ma n ds c r e wc o n v e y o rh y d r a u l i cs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em a i n h y d r a u l i cs y s t e mc o m p o n e n t sw e r es e l e c t e da n dt h es e l e c t i o n sw e r ec h e c k e d i nc h a p t e r4 ，t h ec u t t i n gw h e e lh y d r a u l i cs y s t e m so ft h ef o r e i g na d v a n c e ds h i e l d t u n n e l l i n gm a c h i n ew e r ei n t r o d u c e d f r o mt h ev a r i a b l e p u m p q u a n t i t a t i v em o t o r s y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eq u a n t i t a t i v em o t o r - v a r i a b l ep u m pa n dt h e v a r i a b l ep u m p v a r i a b l em o t o rw e r ee s t a b l i s h e da n dt h e r e l e v a n tp a r a m e t e r sw e r e a n a l y z e d i nc h a p t e r5 ，t h ev a r i a b l ep u m p v a r i a b l em o t o r l a r g e s c a l es p e e dc l o s e dh y d r a u l i c c u t t i n g w h e e ls y s t e mw a sa n a l y z e du s e d t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ea m e s i m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e h y d r a u l i cs y s t e mm e e tt h e l a r g e - s e a l es p e e d r e g u l a t i o na n dt h eh i g hc h a n g et o r q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u t t i n gw h e e ls y s t e m c l o s e d - l o o pc o n t r o lm o d ei sb e t t e rt h a no p e n - l o o pc o n t r o lm o d e i nh i g hs p e e da n d l a r g et o r q u ec o n d i t i o n ，t h es c o p eo ft h es p e e dw i l li n c r e a s e ，i ft h es t e p l e s ss p e e d c o n t r o lw a su s e di nv a r i a b l em o t o r t h e r ei sl i t t l ei m p a c tt ot h es y n c h r o n i z a t i o n i f t h e v o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h em o t o rd e c l i n e b u ti ft h em e c h a n i c a le f f i c i e n c yd e c l i n e t h es y n c h r o n i z a t i o nw i l lb ei n f l u e n c e d i nc h a p t e r6 ，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 w v i e w sa r ep u tf o r w a r di n t h ef u t u r e t h et h r u s tm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d k e yw o r d ：t e s t - b e d ，s h i e l dt u n n e l l i n gm a c h i n e ，l o a d i n gs y s t e mo f t h es o i lb o x ，c u t t i n g w h e e ls y s t e m ，t h r u s ts y s t e m ，s c r e wc o n v e y o rs y s t e m ，v a r i a b l ep u m p v a r i a b l em o t o r h y d r a u l i cs y s t e m ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s i m u l a t i o nu s e da m e s i m i v 浙江大学硕上学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得迸垄盘堂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。 学位论文作者躲锱刍签字魄学位论文作者签名：砩。廖砭，3 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂 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和传播，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) 学位论文作者戤：苷 签字日期：游6 月 蜀 导师签名： l )j 必1 唠 1 口酮签字日期：沙萨占月f 乙日 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章详述了盾构工法施工原理，盾构机的国内外发展历史及现状，以及国内外 盾构试验台的情况。简要介绍了本课题所研究的全断面掘进机综合试验台和本课题研究的背 景和意义，概述了本文的研究内容。 1 1 盾构介绍 盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构 机，全名盾构隧道掘进机，是一种遂道掘进的专用工程机械。现代盾构掘进机是 集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼 装隧道衬砌、测量、导向、纠偏等功能的隧道掘进的专用工程机械。现代盾构掘 进机按照不同的地质进行量体裁衣 式的设计制造，可靠性要求极耐1 3 1 。 1 1 1 盾构工法介绍 盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。盾构是 与隧道形状一致的盾构外壳内，装备着推进机构、挡土机构、出土运输机构、安 装衬砌机构等部件的隧道开挖专用机械。采用此法建造隧道，其埋设深度可以很 深而不受地面建筑物和交通的限制。而近年来由于盾构法在施工技术上的不断改 进，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越好。在城市市区建筑公用设 施密集，交通繁忙，明挖隧道施工对城市生活干扰严重，特别是在市中心，若隧 道埋深较大，地质条件又复杂时，用明挖法建造隧道很难实现；同时由于盾构工 法具有排渣简单、可靠性高、地层适应性好、对环境的影响小等特点，因而盾构 法施工被广泛应用于城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种 隧道施工过程中。 盾构法是一项综合性的施工技术。盾构法施工的概貌如图1 1 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，以供盾构安装就位。 盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或 基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至 盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。在盾构的前部设置 各种类型的支撑和开挖土体的装置，在盾构中段周圈内安装顶进所需的千斤顶， 盾构尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾 构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环 外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉。 m 江 学碗l 学位论 嚣首嘲蒽 匿秘暧嘶蒜藏细啷。4 。 一旦卜， 1 1 2 盾构机介绍 图卜1 盾构 去施工概貌示意图 盾构，全名盾构隧道掘进机，其英文名称为“s h i e l dt u n n e l l i n gm a c h i n e ”， 是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护 下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的 遂道掘进的专用工程机械。盾构是一种机械、土木、力学、测量、控制、电气、 材料、信息等多学科交叉的多种科学技术综合的掘进装备，其突出特点是大型重 载、高精度、推进和拼装自动化、定位与控制智能化，施工管理信息化。大型复 杂隧道掘进成套装备经过几十年的发展，已经越来越成熟，越来越多的新兴技术 及新兴设各被用于其中，比如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通汛技 术等的最新成果，既展现了多学科的相通又体现了多技术的集成。但是安全、效 率、节能等仍是世界性的重大技术难题。 刀盘推进系统注浆系统螺旋输送机 圈卜2 士压平衡盾构结构示意图 浙江大学硕士学位论文 盾构主要由刀盘系统、推进系统、排渣系统、管片拼装系统、注浆系统以及 各种后配套等组成。图1 2 为土压平衡盾构结构示意图。刀盘系统主要完成盾构 切削前方土体的任务；推进系统主要完成盾构向前推进、姿势调整以及转弯等功 能；排渣系统( 此图中为螺旋输送机和皮带输送机) 主要是将刀盘切削下来的土 体排出隧道；当盾构向前推进一环后，管片拼装系统将管片拼装好；注浆系统再 进行注浆；后配套为盾构的工作提供各种支持，盾构的电气、液压、控制等系统 及其它辅助设备都安装在后配套台车上，开挖物料也在后配套上卸入出渣矿车并 运出洞外。 由于盾构施工的各种地质条件以及相关的工程要求不同，盾构般依据不同 的地质条件和工程要求进行相应的设计制造，因此盾构的种类繁多。盾构一般可 依据直径、头部结构、开挖方式、支护地层形式等进行相关分类。 根据盾构直径进行相关分类，如表1 1 所示； 表1 - 1 盾构按直径分类 直径( m ) o 11 翊 33 蚓 7 1 0 类别微小中大特大 根据盾构的头部结构，大致可将盾构分为闭胸式和敞开式： 此外盾构按支护地层的形式，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气 支护式、泥浆支护式，土压平衡支护式五种类型；根据其断面形状可分为：单圆 盾构、复圆盾构、非圆盾构。其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构。非圆盾 构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾 构统称为“异形盾构”。 近年来，随着多种科学技术的迅速发展以及地下设施实际需要的不断增加， 出现了各种新型的盾构来适应各种工况的需要。与此同时，盾构的可靠性、经济 性以及高效率使得盾构的应用越来越广泛。 1 2 盾构国内外发展历史及研究现状 1 2 1 国外盾构发展历史及现状 迄今为止，盾构技术已有1 8 0 多年的历史。英国工程师布鲁诺( m a r ci s a m b a r d b r u n e l ) 受小虫腐蚀木船底板成洞启示，提出了盾构隧道的概念，并申请到盾构 施工法的专利 4 1 。并于1 8 2 5 1 8 4 3 年间使用断面高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，第一次证明了盾构工法的价值。从此盾构工 法因为其特有的优点而被推广开来。 1 9 世纪末到2 0 世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、苏联 浙江 学硕t 学位论史 等国，得到不同程度的发展。美国于1 8 9 2 年最先开发了封闭式盾构；同年法国 巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道；1 9 1 3 年德国建造了断面为马蹄形的易 北河隧道；1 9 1 7 年日本采用盾构工法建造国铁羽越线，后因地质条件差而停止 使用；1 9 3 1 年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注浆 和冻结工法：1 9 3 9 年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7 m 的关门隧道；1 9 5 7 年同本采用封闭式盾构建造东京地铁隧道。总之在这5 0 6 0 年的时间罩盾构工法 虽然也有进步，但这一时期的主要特点是盾构工法在世界各囡得以推广普及。 2 0 世纪6 0 8 0 年代盾构工法继续发展完善，成绩显著。1 9 6 0 年英国伦敦丌 始使用滚筒式挖掘机；同年美国纽约最先使用油压千斤顶后构；1 9 6 4 年r 本墒 玉隧道中最先使用泥水盾构；1 9 6 9 年只奉在东京首次实施泥水加压盾构施工： 】9 7 4 年第一台土压平衡盾构( e a r t h b a l a n c e ds h i e l d ，简称e p b ) 在日本东京使用， 用于掘进长1 9 0 0 m 的隧道，该盾构由闩本i h i 公司制造，其外径为37 2 m ：1 9 7 5 年同本推出泥土加压盾构成功；1 9 7 8 年h 本开发高浓度泥水盾构成功：1 9 8 1 年 同本开发气泡盾构成功：1 9 8 8 年r 本开发泥水式双圆措接盾构工法成功；1 9 8 9 年门本开发h v 工法、注浆盾构工法成功。总之这一时期的特点是丌发了多种新 型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。 1 9 9 0 年2 0 0 7 这一段时间罩后构工法的技术进步极为显著。归纳起来有以下 几个特点： ( 1 ) 盾构隧道长距离化、大直径化。首先是英法两崮共同建造的英吉利海 峡隧道( 长4 8 k m ) 采用0 88 m 的土压盾构工法下1 9 9 3 年竣工，该隧道最大承 受水压10 m p a ；日本东京湾隧道( 长15l k m ) 采用泥水盾构( 0 1 41 4 m ) 于1 9 9 6 年竣工：德国易北河第4 条隧道采用复合盾构( 0 1 42 m ) t2 0 0 3 年竣工：荷兰 格累思哈特隧道( 0 1 48 7 m 、泥水式) 2 0 0 4 年竣工。 ( 2 ) 盾构多样化。从断面形状方面讲出现了矩形，马蹄形、椭圆形、双圆 搭接形( 图1 - 3 ) 等多种异圆断面盾构：从功能上讲出现了球体盾构( 图1 4 ) 、 母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构等特种盾构；从盾构机的掘削方式上 看出现了摇动、摆动掘削方式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。 图i o 双睡搭接盾构图l 一球体盾构 ( 3 ) 施工自动化。施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾 浙江大学硕士学位论文 构机掘进中的方向、姿态自动控制系统；施工信息化、自动化的管理系统及施工 故障自诊断系统。 目前，盾构机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家和地区。当前世界上 主要厂家有德国海瑞克、维尔特、法国n f m 、日本三菱重工、i h i 、川崎重工、 小松制作所和加拿大l o v a t 公司等。据统计全球已累计生产盾构机8 0 0 0 多台， 日本三菱重工生产总量为1 6 0 0 余台；i h i 公司为1 3 0 0 台( 其中2 0 0 4 年生产1 3 0 台) ；川崎重工生产的也有1 3 0 0 台以上( 其中日本国内为1 1 0 0 台) ；德国海瑞克公 司8 0 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。日本的盾 构机花样多些，德国盾构与日本盾构相比造价相对高些，但是耐久性、可靠性、 重复使用性要好些。日德两国的盾构的技术领先体现在以下几个方面哺。1 训： ( 1 ) 地层适应性广，可靠性高，对环境的影响小； ( 2 ) 基本实现了掘进、衬砌、排渣等施工工艺的机械化和自动化； ( 3 ) 掘进端面多样化，盾构尺寸范围大，从0 2 m - - - 1 8 m 盾构均可制造； ( 4 ) 电液比例技术在盾构上的应用较为普遍成熟，同时变频技术也被应用于 盾构刀盘驱动系统之中； ( 5 ) 大量的现代高新科学技术诸如新型传感材料、信号分析技术、神经网络 控制技术、故障辨识及诊断技术等被广泛采用。 随着微电子技术、电液比例技术、遥控技术、激光技术、卫星制导技术和计 算机技术的发展，盾构的发展趋势可归纳为以下三点： ( 1 ) 机型研发基本方向 适用于大深度化、高地下水压、大口径化的盾构机；应用隧道截面更合理、 空间利用率高的异形断面盾构机；断面尺寸向超大型和微小型两个方向发展。 ( 2 ) 盾构机的机器人化 盾构机不断采用类似机器人的技术，如控制、传感器、导向、测量、通信技 术等，盾构机的机器人化发展趋势势不可挡。 ( 3 ) 盾构的节能技术发展 由于液压驱动方式由于其功率重量比大，液压技术被广泛应用于盾构中，液 压系统效率不高，因此盾构存在很大的节能空间，目前压力适应、负载敏感等液 压技术都被应用于盾构之中。变频技术也开始在刀盘驱动系统中得到应用。 1 2 2 国内盾构发展历史及现状 2 0 世纪5 0 年代初，东北阜新煤矿用直径2 6 m 的手掘式盾构及小混凝土预 制块修建疏水巷道，这是我国首条用盾构掘进机施工的隧道。 1 9 6 3 年，上海隧道股份结合上海软土地层对盾构掘进机、预制混凝土衬砌、 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l 台直径4 2 m 浙江大学硕士学位论文 的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，掘进长度6 8 m 。 1 9 6 5 年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造了2 台直径5 8 m 的 网格挤压型盾构掘进机，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1 3 2 2 m 。 1 9 8 0 年，上海市进行了地铁1 号线试验段施工，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，在淤泥质粘土地层掘进1 2 3 0 m 。 1 9 8 5 年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进一台日本川崎重工制造的直径 4 3 3 m 小刀盘土压盾构，掘进1 5 0 0 m ，该盾构具有机械化切削和螺旋机出土功能。 1 9 8 7 年上海隧道股份研制成功了我国第一台0 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 年代国际选进水平，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 号线工程全线开工，1 8 k m 区问隧道采用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等联合制造的0 6 3 4 m 土压平衡盾构。 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 k m 区间隧道，上海地铁2 号线的1 0 号盾构为 上海隧道股份自行设计制造。 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 0 11 2 2 m 泥水加压平衡盾构掘进机施工。 1 9 9 9 年5 月，上海隧道股份研制成功国内第l 台3 8 m 3 8 m 矩形组合刀盘 式土压平衡项管机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进1 2 0 m ，建成2 条过街人行地道。 2 0 0 0 年，北京首台加泥式土压平衡盾构机“京盾一号”也在最近研制并试运 转成功，该机是专门针对北京地区含水砂卵石地层而研制的盾构机，直径3 6 3m ， 同掘进速度1 0m ，是传统开槽施工的1 0 倍【l 副。 2 0 0 1 年，国家科技部将盾构国产化列入国家“8 6 3 ”计划。在科技部领导下， 分别由中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份公司为主，组织了由浙江大 学、同济大学、沈阳九久技术开发有限公司等单位参加的产学研结合的课题组， 分阶段在多项关键技术进行研究和攻关，已在设计和制造上有了明显突破，研制 出了拥有自主知识产权的先进大型多功能盾构模拟试验平台。 2 0 0 2 年，中铁隧道集团承担国家科技部“8 6 3 计划的“0 6 3 m 全断面隧道 掘进机研究设计”项目，主要针对岩石结构进行相关研究。中隧集团承担的“8 6 3 计划中有5 个项目已申报国家发明专利，盾构后配套的研制取得了7 项国家实用 新型专利；完成了6 3 m 土压平衡盾构的结构设计，控制原理流程图，液压系统、 电气系统、流体输送系统以及元器件的选型，刀具的研究设计与制造，泡沫添加 6 剂、盾尾密封油脂的肝发应用 1 6 1 。 2 0 0 3 年3 月，上海隧道股份与闩本i h i 公司合作，联合制造了d o t 烈圆士 、平衡盾构，如图l 一5 所示，使中国成为世界上第二个拥有相关技术的国家。 2 0 0 4 年，钱伟长先生在给胡锦涛主席的建议信中，着重提到希望国家大力扶 持国产盾构的发展，为“盾构的国产化、产业化”制定相应的配套政策。2 0 0 4 年3 月，胡锦涛主席在钱先生的建议信上亲笔写下批复【1 7 1 2 0 0 5 年1 0 月下旬，由上海隧道股份有限公司牵头负责完成的我国第一台具 有自主知识产权的0 63 m 的上压平衡盾构( 先行号) ，见图i 一6 ，应用于上海地 铁二号线西延伸隧道工程。至2 0 0 7 年5 月，由上海隧道股份有限公司生产的具 有完全自主知识产权的“先行号”系列盾构接到了2 0 0 7 年以束的第9 台订单， 使日产地铁盾构自2 0 0 6 年1 2 月实现批量生产后的订单总数增至3 l 台【1 ”。 圈1 - 5 我国第一台双圆盾构图l 石先行号 2 0 0 7 年，由浙江大学牵头的“伞断面大型掘进装备设计制造中的基础科学问 题”被确立为2 0 0 7 年国家重点基础研究发展计划( “9 7 3 计划”) 项目。这也标志 着国家在“十五”期问将大力支持全断面掘进机的国产化，也说明全断面掘进 机的需求越来越大，进行全断面掘进机的相关基础研究刻不容缓。 1 3 盾构试验台介绍 1 3 1 国内外盾构试验台研究及发展 由j i 府构的施工条件恶劣，施工安全要求较高，在实际盾构掘进过程中进行 相关研究成本较高且安全风险大，因此通过模拟试验进行盾构施工的相关研究是 主要的研究手段。目前来说，国内外许多盾构制造厂、施工企业、大学和专业研 究所均建造过一些模拟试验平台总体柬说，国外的模拟试验平台主要分为以下 三类： 浙人学顶t 学论文 j m h籼n灿* 目q * m 月5 b 图1 7 离心试验模拟机 第一娄是研究盾构掘进引起的地层位移场变化的试验平台。这类试验台士箱 比较小，采用有机玻璃士箱和离心模拟机进行试验研究。图1 7 即为同本利用离 心力加速装置进行盾构开挖模拟试验的装置图。浚装置通过采用实物进行力学相 似原理，可正确模拟并确认作用在管片e 的载荷，并提供盾构推进模拟试验方法。 国鋈 图1 - 8 盾构掘进模拟试验台图1 - 9 西松公司模拟试验土箱 第二类是研究后构掘进施工性能的模拟试验平台。试验后构机与实体相接 近，模拟土箱较小。同奉一些盾构隧道施工企业的研究所就建有该类试验平台。 图1 8 为h 本大丰公司研制的盾构掘进模拟试验平台。图1 9 为同本西松公司的 盾构掘进模拟试验土箱。 图l 1 0c t s 公司盾构泡沫注浆剂的试验装置 图i 1 10 4 0 0 m m 盾构模拟试验台 第三类是盾构部件的试验检测装置，一般盾构制造厂家或公司都建有此类试 验检测装置。图l - 1 0 即为美国c t s 公( c o n s t r u c t i o n t u n n e l i n gs e r v i c e s ，l n c ) 学倒* 女 - j 二1 9 9 7 年生产的用于测试盾构泡沫注浆剂的试验装茕q 。为了研究刀具寿命和 磨损原因，国外科研机构二t 要以美国科罗拉多矿业学院和挪威科学技术大学为代 表，分别建立了全断面j 掘进机性能预测c s m 模型和n t n u 模型。 在国内，煤炭科学研究院1 9 9 3 年做过0 3 2 0 0 m m 和0 5 2 0 0 n t m 模拟掘进机， 建有约2 0 0 m 2 的掘进实验室和高达】0 m 的试验台。e 海隧道股份有限公司于1 9 9 6 年建造试验台，盾构直径为0 4 0 0 m m ，模拟试验土箱尺寸为12 m 12 m 24 m ， 如图1 一l i 所示。上海隧道股份有限公司联合浙江大学、同济大学等于2 0 0 4 年2 月研制成功01 8 0 0 m m 模拟盾构掘进机、( 0 3 8 0 0 6 0 0 0 m m 模拟土箱咀及试验数 据采集和分析系统，试验台如图1 1 2 所示。该模拟盾构掘进机考虑了刀具刀盘 可换、丌口率可调、刀盘和螺旋输送机速度可调等试验模式。初步实现了盾掏掘 进上层变化和掘进机性能参数的综台试验，但醣平台采用圆形截面土箱难以实现 不同土层三维原始土雎力的模拟；采用推进液压缸后置模式难以实现真正意义上 的盾构推进，4 ：能进行姿态调整等推进方式的模拟；模拟盾构简略了管片拼装、 同步注浆等。因此，该平台没有实现真正意义上的综合掘进试验，不能完成整个 掘进过程的模拟实验，难以综合分析埘进过程巾地层地质参数、掘进机结构参数、 掘进参数、地层扰动和地表变形等的相互影响。2 0 0 6 年中铁隧道股份公司研制 成功大型泥水盾构控制系统模拟试验台，如罔1 1 3 ，馥实验平台采用半物理模拟 实验方式研究泥水盾构控制系统，用于控制系统的参数确定和可靠性试验，系统 中的控制系统是泥水盾构简化的实际系统，载荷采用液雎加载方式模拟，各种测 控信号采用计算机模拟的方式产生。这类实验台的共同特点是针对某些功能部 件，采用模拟加载的方式开展相应功能部件的性能研究，有定的局限性。此外 中国矿、l k 人学地f 工程实验宅也曾设计了用于模拟地f 压力的囊袋加压试验装 置。浙江大学建筑学院也建造了模拟地质条件的钢结构土箱。 图卜1 2 盾构模拟试验台 图卜1 3 中隧盾构模拟试验台 综上所述，目前建立的全断面捌进机相关模拟试验台规模都比较4 、，模拟掘 进机简化过多，模拟掘进环境与实际掘进环境有较大的差异，过度简化的模拟载 荷土层很难反映实际工况。现有的模拟试验多偏重于在全断面掘进机掘进过程中 以及隧道成形后的土体变形、应力变化特性的研究，而少有将全断面掘进机结构 参数、工作参数、地层特性和士体变形联系起来的综合研究。同本在适应软土层 盾构掘进方面的实验研究较多，己在盾构刀盘地层适应性设计理论、方法的研究 方面提出丁许多设计计算方法，但是在盾构机的推进力、推进速度、螺旋输送机 转速、刀盘转速、刀盘扭矩等_ 作参数与地质条件的关系研究方面仍显不足。 1 3 2 本课题试验台介绍 图t 1 4 全断面掘进机综合试验台工作原理示意图 模拟试验台的工作原理如图1 1 4 所示。本试验台主要由可模拟不同地质条 件的土箱、刀盘和排渣系统可互换的模拟盾构机以及电控系统组成。针对过去试 验台规模较小，模拟掘进机系统简化过多，模拟掘进环境与实际地层中的掘进环 境有较大差异等问题，本试验台规模较大，尽可能的模拟实际的盾构掘进环境和 掘进过程。模拟试验台的主体部分均位于地下，其t 要参数为：模拟后构直径为 0 3 1 6 0 m m ，土箱为钢筋混凝上结构，容土净体积为7 m 9 m x 2 0 m ，模拟加载压 力为06 5 m p a ，其中最大水廿 力为03 5 m p a 。图i1 5 为试验台总体结构示意图。 图l _ 1 5 全断面却进机综台试验台总体结构示意圉 土箱是全断面掘进机综合试验台的重要组成部分，为盾构掘进试验提供各种 典型的地质环境，并与分段多点加载系统一起实现多种负载工况下盾构掘进模拟 试验。在盾构掘进过程中，士箱及加载系统所设置的信号采集系统能够实时检测 一画 浙江大学硕士学位论文 水土压力的变化，确定掘进对土体的扰动以及掘进引起的地面沉降。 当土箱内填土全部为土时，最大加载压力可以模拟地下3 5 m - - 3 9 m ( 与填土 重度有关) 掘进负载工况。此外土箱内盾构项上有3 m 厚度的覆土