土压平衡式盾构机(土木工程机械论文)

土压平衡式盾构机

摘要：

隨着土木工程行业的迅速发展，与土木工程相关的施工机械也在不断地进步，特别是地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现。

关键字： 土压平衡式盾构机 机械用途、结构组成、工作原理、性能特点、有关技术参数、参数设定、常见问题

土压平衡式盾購機是一種隧道掘进的专用工程机械，用盾构机进行隧洞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，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。.以下将从如下几个方面对其进行简单的介绍

机械用途

土压平衡式盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用

结构组成

土压平衡式盾构机主要由刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、皮带输送机、推进千斤顶、液压系统、电气控制系统、集中润滑系统、盾尾注浆系统、盾尾密封系统、加泥系统、泡沫系统、水系统、气路系统、盾构壳体、车架系统、双梁吊运系统等组成。

工作原理

土体由土压平衡式盾构机上的旋转刀盘上的刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土舱，与土舱内已有的粘性土浆混合。推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体，从而保证开挖面的稳定。

当土舱内的土体不能再被土压力和水压力压紧时，就达到了土压平衡，这时开挖面的土压约等于土舱中土体的压力。当土舱中土体的压力增加至超过平衡时的土压时，土舱中土体就会压紧开挖面的土体，这会导致盾构前方的地面隆起。当土舱中的土体压力小于平衡土压时，通常会引起地面下沉。

土舱中的土体在压力的作用下通过螺旋输送机被输送出去。

性能特点：

施工中不使用土体加固等辅助措施，节省技术措施费用；

本身具备改善土体的性能，能适应多种环境和地层的需求；

根据土压变化调整出土和推进速度，易于达到工作面的稳定，减少地面变形沉降； 土压平衡式盾构机没有泥水分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅；

能够保持开挖面的稳定，且土仓密封性好，施工的安全性和可操作性高。

主要参数

抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。

过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。

比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。

积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E, 也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。积分时间越小，调控效果越好。

微分时间：根据偏差变化率de/dt 的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，可以克服因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。

参数设定

参数设置分为两步，第一步是在设备组装完毕，无负荷的状态下进行的一次调试，第二步是在掘进开始，土层稳定后，根据土层状况和操作习惯进行的微调。

1、无负荷调试

（1）比例系数P，首先不执行&nbspI和D，I调至数值上限，D设定为&nbsp0,这样系统只执行比例动作P，变动土压目标值，制造约0.01 －&nbsp0.03Mpa 的系统偏差,接下来逐渐增大&nbspP 值，使螺旋机转速逐渐增大，当&nbspP 值上升到一定值时，螺旋机的旋转速度会出现大幅度地反复升降，即系统形成振荡，我们把出现振荡时P 值的&nbsp85% －&nbsp90% 设定为系统的比例系数。

（2）积分时间I，比例系数确定后，调节积分时间I，变动土压目标值，制造一个系

统偏差，观察螺旋机回转速度以怎样的速度变化，继续加一定的偏差时，系统向偏差减小的方向增加或减小操作量，操作量的变化程度随积分时间I的变化而变化，此时可以根据操作人员的操作习惯来确定积分时间，一般来说，I在数值上为P值的70% 左右。

（3）微分时间D，在盾构机PID 控制中，管理对象是土仓内的土压，如果掘进速度一定，则土压与切削土量减排土量之差的时间累积成正比，另一方面，系统的控制对象是螺旋机转速，而螺旋机转速同单位时间的排土量成正比，这样从系统输入来看，系统的输出是以时间微分的形式使用，所以盾构机PID控制中可以不执行微分动作，把D值设置为0。 &nbsp2、土层掘进时的调整

（1）过滤系数，进入土层后，如果腔内土压、螺旋机的输入信号在短周期内大幅振荡的话，可以慢慢增大过滤系数，在短周期内如果再次出现小的振荡，不需要再增大过滤系数，即使在长周期内出现较大幅度的振荡，也只需略微增大过滤系数。

（2）比例系数P，掘进中，把I值和D值固定，按每次0.5%的幅度调节P值，P值一变，控制整体的增益就发生变化，相对于同一土压偏差的操作量的大小也发生变化,观察螺旋机转速变化量，直到满意即可固定P值。

（3）积分时间I，与积分时间相对应的是操作量增减时的梯度，掘进中对现有I值不满意可以调整，固定P值和D值，如果希望操作量增加更快时，减小I值，反之增大I值，每次增减的幅度以1－3秒为宜，如果I值过小，可能会引起振荡，调整时注意掌握。

（4）微分时间，原则上，土压平衡式盾构机不需要设置微分时间，但有些大口径盾构机对偏差反应会比较迟钝，这种情况下，使用微分环节，可以改善盾构机对偏差的初始反应，但D 值限于2ms 之间。

常见问题

在盾构机各参数设定完毕，正常掘进以后，常见故障往往出现在外围设备之中，现简要说明设备各主要环节及常见故障处理。

&nbsp1、刀盘电机，刀盘电机即驱动刀盘所用电机，单机功率一般在55KW左右,最常见的控制方式为PLC控制变频器，变频器拖动电动机，这一环节最易出现故障的就是变频器。变频器在布线时应考虑以下两点：

——变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这种情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

——电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样可以减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90°角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

变频器常见故障有如下三点：

——过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路损坏，需要更换变频器。

——过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载，可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者

则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。

——欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需要查检主电源，排除故障后方可运行。 &nbsp2、拼装机，拼装机是拼装管片之用，是由油泵通过电磁阀控制相应油缸来完成收缩、扩张、压紧等动作，这个环节最易出现故障的是电磁阀，在熟悉图纸的基础上，拼装机摇控器上哪个按键对应的动作没有反应，就查相应电磁阀及其相关电缆是否正常。另外摇控器受信头，由于使用频率很高，偶尔也会出现故障。

&nbsp3、双梁电动葫芦，双梁电动葫芦的作用是将电机车运送进来的管片吊运至管片拼装机，这个环节最易出问题的是电缆，要经常检查电缆有无受拉损坏，滑环是否正常等，另外接触器因为频繁动作也是易损部件，出现问题时可作为重点排查对象。

参考文献：

1、《土木械程机械》 黄士基 主编 2010年9月第二版

2、土压平衡式盾构机简介

3、土压平衡式盾构机原理及技术参数

杜长华制作