張新偉，郝鵬華

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450001）

盾構(gòu)是一種集機(jī)械、電氣、液壓、控制和信息等多種技術(shù)為一體的大型隧道掘進(jìn)設(shè)備，也被稱之為“地下蛟龍”。盾構(gòu)的推進(jìn)液壓系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)盾構(gòu)的推進(jìn)任務(wù)，包括為盾構(gòu)提供推進(jìn)力，完成盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎、姿態(tài)調(diào)整、糾偏及輔助管片拼裝，使得盾構(gòu)按照預(yù)定路線前進(jìn)并完成洞體支護(hù)[1]。因此，推進(jìn)系統(tǒng)性能的好壞直接影響盾構(gòu)的整體性能[2]。

在工程應(yīng)用中，由于地質(zhì)情況復(fù)雜和施工環(huán)境很多不確定因素等，使得盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)了各種各樣的問題[3]。盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)工作時(shí)有兩種模式，分別為推進(jìn)模式和拼裝模式，兩種模式下系統(tǒng)壓力和流量差別非常大。同時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)為了減小控制復(fù)雜程度，都是采用分區(qū)控制液壓油缸[4]，同一分區(qū)的幾根油缸進(jìn)回油路都相通。但在拼裝模式下需要每根油缸單獨(dú)動(dòng)作，完成管片拼裝[5]。這就要求盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)既要在推進(jìn)模式下能夠保證提供足夠推力并保證油缸的同步性，又要在拼裝模式下每根油缸能夠獨(dú)立并快速動(dòng)作。但目前盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)在拼裝模式下[6-8]，每根油缸都是采用單獨(dú)的插裝閥進(jìn)行回油，在回油路都想通的情況下，當(dāng)某根油缸單獨(dú)伸出時(shí)，在某些情況下系統(tǒng)回油背壓太大就會(huì)使得二通插裝閥打開，使得同一分區(qū)的其他油缸非正常回退，嚴(yán)重威脅管片拼裝人員的人身安全。

因此，為解決盾構(gòu)推進(jìn)液壓油缸非正常回退的問題，通過理論及仿真[9-10]對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理分析，提出3 種解決方案，并通過工程應(yīng)用加以驗(yàn)證。

1 盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)工作原理

圖1 為目前在大直徑盾構(gòu)上常見的推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖。與常規(guī)盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理不同，常規(guī)盾構(gòu)是采用三位四通換向閥控制油缸伸出與縮回，只有在拼裝模式下通過二通插裝閥進(jìn)行大腔回油。而盾構(gòu)開挖直徑越大，要求的推進(jìn)力就越大，油缸直徑和行程也就越大。但是為了加快施工效率，油缸的伸出速度與常規(guī)盾構(gòu)要求相同。因此，大直徑盾構(gòu)無(wú)論在拼裝模式還是推進(jìn)模式下，系統(tǒng)的流量都很大，常規(guī)的換向閥是不能滿足需求的，所以取消了三位四通換向閥。

圖1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 為推進(jìn)油缸分區(qū)布置示意圖。為了滿足推進(jìn)模式下推進(jìn)油缸分區(qū)要求，同一分區(qū)首聯(lián)都是使用比例減壓閥調(diào)控油缸大腔壓力。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層，每根油缸進(jìn)油路也加了比例減壓閥可以單獨(dú)調(diào)控油缸的大腔壓力。當(dāng)默認(rèn)分區(qū)不足以維持盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)，切換到自由分區(qū)模式。即通過每個(gè)油缸的比例減壓閥對(duì)油缸大腔壓力進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)某幾根推進(jìn)油缸的比例減壓閥給定電信號(hào)相同時(shí)，推進(jìn)油缸大腔壓力相等，即認(rèn)為這幾根油缸屬于同一分區(qū)。即可以對(duì)推進(jìn)油缸進(jìn)行自由組合，打破了原來固定分區(qū)的界限。在圖2中表示即在掘進(jìn)過程中當(dāng)C 分區(qū)油缸壓力達(dá)到設(shè)定最大壓力后依然不能維持土倉(cāng)壓力，則可以將B 分區(qū)油缸Z11 和D 分區(qū)油缸Z17 進(jìn)油路上的比例減壓閥給定與C 分區(qū)比例減壓閥相同的比例電信號(hào)，相當(dāng)于將油缸Z17 與油缸Z11 并入了C 分區(qū)，實(shí)現(xiàn)自由分區(qū)。

圖2 推進(jìn)油缸布置示意圖

拼裝模式下要求每根油缸都能單獨(dú)并且快速動(dòng)作，所以在每根油缸的油路上都裝有二通插裝閥，通過二位三通電磁換向閥控制二通插裝閥的啟閉。推進(jìn)換向閥組控制整個(gè)系統(tǒng)的換向與進(jìn)回油。推進(jìn)換向閥組中的三位四通換向閥控制二通插裝閥的啟閉，進(jìn)而控制油缸的伸出與縮回。

2 推進(jìn)油缸非正?；赝嗽蚍治?/h2>

以前，盾構(gòu)始發(fā)都是由工程項(xiàng)目人員先利用暗挖法掘進(jìn)到足夠盾構(gòu)整體進(jìn)入隧道中后，再利用盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)?，F(xiàn)在為了提高施工效率，盾構(gòu)都采用分體始發(fā)，即只需要在始發(fā)井中掘進(jìn)足夠放置盾體的距離，后配套系統(tǒng)放置在地面上，在始發(fā)井洞口墻壁上建立反力架為推進(jìn)提供反力進(jìn)行掘進(jìn)，大大節(jié)省了人力成本。隨著地下空間開挖深度越來越大，油箱距離始發(fā)井的豎直高度也越來越高，這就使得回油管路背壓越來越大。在管片拼裝過程中，當(dāng)需要油缸縮回時(shí)，電磁球閥和電磁換向閥左位得電后，油缸大腔油液通過打開的二通插裝閥進(jìn)行回油。

圖3 是二通插裝閥插裝件基本結(jié)構(gòu)形式。由于拼裝模式下的進(jìn)回油都需要通過二通插裝閥，因此二通插裝閥選用的是面積比αA＝AX∶AA＝1.5∶1，可以正反向都打開。目前盾構(gòu)上使用的二通插裝閥的先導(dǎo)彈簧開啟壓力為1bar，即在先導(dǎo)控制壓力為零時(shí)，在主油口A 處有油液壓力為1bar 時(shí)，二通插裝閥A→B 流向打開。在盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)分體始發(fā)進(jìn)行管片拼裝時(shí)，需要推進(jìn)油缸輔助將管片壓緊。

圖3 二通插裝閥插裝件基本結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)圖2 中Z17 油缸縮回后，油缸大腔壓力與回油路連通，油缸大腔壓力近似為零。此時(shí)如果回收油缸Z18，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)油缸Z17 也會(huì)縮回。

圖4 為現(xiàn)場(chǎng)在拼裝模式下油缸Z17 的位移。由圖4 可知，油缸Z17 在2s 的時(shí)間內(nèi)油缸活塞桿回退超過2 500mm。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)油缸位移

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管路梳理后發(fā)現(xiàn)二通插裝閥這在分體始發(fā)時(shí)，油箱距離地面高度一般在15m 以上，回油背壓為

P＝ρgh＝1.31bar＞1bar

式中ρ——油液密度；

h——豎直高度差。

因此當(dāng)圖2 中在Z18 大腔壓力近似為零，始發(fā)井高度較高時(shí)，二通插裝閥就會(huì)在回油背壓下打開。在將油缸Z17 縮回時(shí)，由原理圖可知Z18也會(huì)同步縮回，并且在拼裝模式下推進(jìn)泵全排量輸出，流量非常大，油缸縮回速度非?？?，該現(xiàn)象對(duì)于盾構(gòu)施工存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

由分析可知，推進(jìn)油缸回退的原因是先導(dǎo)壓力太小，二通插裝閥在回油背壓下打開。因此，只需要增大二通插裝閥先導(dǎo)彈簧壓緊力或者增大二通插裝閥先導(dǎo)壓力，就能避免推進(jìn)液壓油缸非正?；赝藛栴}。

3.1 增大先導(dǎo)彈簧壓緊力

二通插裝閥的插裝閥芯先導(dǎo)彈簧壓緊力最大可以選用7bar，即豎直高度最大可以為

增大彈簧預(yù)緊力可以有效地防止始發(fā)井中在拼裝模式下推進(jìn)油缸回退問題。但增大先導(dǎo)彈簧壓緊力會(huì)導(dǎo)致在拼裝模式下正?；厥沼透讜r(shí)，為了打開二通插裝閥，根據(jù)面積比αB＝AX∶AB＝3∶1，油缸大腔壓力需要達(dá)到21bar才能反向打開。拼裝模式下的系統(tǒng)壓力在實(shí)際操作中只有60bar 左右，背壓太大會(huì)增加系統(tǒng)發(fā)熱量，降低能耗利用率。因此，在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)不同的施工條件，應(yīng)選擇合適的彈簧壓緊力。

3.2 增大先導(dǎo)壓力

增大二通插裝閥的先導(dǎo)壓力有兩種方法，一是引入外部控制油液作用于二通插裝閥先導(dǎo)控制面，二是引入內(nèi)部壓力油直接作用于先導(dǎo)控制面。

圖5 是通過由盾構(gòu)輔助系統(tǒng)引入外部控制油作用于二通插裝閥先導(dǎo)控制面，通過梭閥比較油缸大腔壓力與外部控制壓力油選取較大的壓力作用于先導(dǎo)壓力控制面。在實(shí)際應(yīng)用中拼裝模式下推進(jìn)油缸非正常回退現(xiàn)象消失。

圖5 外接控制油路的推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖

引入外部控制回路雖然能夠解決拼裝模式下油缸回退問題，但在實(shí)際應(yīng)用中切換為自由分區(qū)模式進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)油缸的壓力不受控制，所有油缸壓力趨于一致。這是因?yàn)槎軜?gòu)輔助系統(tǒng)的壓力為60bar，推進(jìn)模式下的泵頭壓力比較高。當(dāng)泵頭壓力大于90bar 時(shí)，所有的二通插裝閥就會(huì)全部打開，不同分區(qū)之間的油缸大腔油液與泵頭油液直接連通，所有油缸大腔壓力都趨于泵頭壓力，壓力不在受控制，導(dǎo)致無(wú)法正常掘進(jìn)。因此切換為自由分區(qū)模式時(shí)，需要在推進(jìn)模式下引入外部高壓控制油路時(shí)，在拼裝模式下引入外部低壓控制回路。與增大彈簧壓緊力和內(nèi)部控制回路相比，引入外部控制回路相對(duì)較為復(fù)雜，但是在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)更加簡(jiǎn)單方便。

圖6 是引入內(nèi)部控制壓力油直接作用于二通插裝閥的先導(dǎo)控制面。通過梭閥比較油缸大腔壓力與二通插裝閥進(jìn)口壓力后選取較大的壓力作用于二通插裝閥先導(dǎo)控制面。此時(shí)無(wú)論回油背壓多大，在面積差的作用下，二通插裝閥能夠始終保持關(guān)閉狀態(tài)。在推進(jìn)模式下梭閥將泵頭壓力引入二通插裝閥先導(dǎo)控制面，使得在推進(jìn)模式下每個(gè)油缸壓力都受比例減壓閥進(jìn)行調(diào)控。

圖6 引入內(nèi)部控制壓力油的推進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖

目前大直徑盾構(gòu)已經(jīng)都采用引入內(nèi)部控制壓力油作用于二通插裝閥的先導(dǎo)控制面。圖7 是現(xiàn)場(chǎng)在拼裝模式下油缸的位移對(duì)比曲線。由圖7 可知，油缸位移基本穩(wěn)定不變，回退現(xiàn)象消失。同時(shí)，無(wú)論是推進(jìn)模式還是拼裝模式下都是直接將泵頭壓力作用于二通插裝閥的先導(dǎo)壓力控制面，可以保證在電磁球閥在不得電下二通插裝閥始終關(guān)閉狀態(tài)，油缸處于鎖定狀態(tài)。

圖7 改進(jìn)后現(xiàn)場(chǎng)油缸位移曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)目前通用大直徑盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)控制原理進(jìn)行了論述，結(jié)合在工程實(shí)際中對(duì)拼裝模式下在始發(fā)階段推進(jìn)液壓油缸非正?；赝嗽蜻M(jìn)行分析，得到目前在始發(fā)階段推進(jìn)液壓系統(tǒng)因油箱與油缸豎直高度太高，推進(jìn)液壓系統(tǒng)背壓太高，導(dǎo)致回油路二通插裝閥打開，使得推進(jìn)液壓油缸非正?；赝?。針對(duì)推進(jìn)液壓油缸非正?；赝?，提出了增大彈簧壓緊力、外接控制壓力回路和內(nèi)部直接控制回路三種改進(jìn)解決方案。三種方式各有優(yōu)勢(shì)，針對(duì)不同的施工工況，應(yīng)選用合理的控制方式。