楊民強(qiáng)

(中鐵十四局集團(tuán) 大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800)

引言

隨著城市化的進(jìn)程加劇和人口密度逐漸加大，地面交通已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，大量的地下交通工程急需開發(fā)，在城市修建地鐵和交通隧道的趨勢已成為必然并且任務(wù)日益繁重。盾構(gòu)機(jī)是目前最為常用的集機(jī)、電、液、伺服控制于一體的隧道掘進(jìn)工程機(jī)械，因其具備挖掘速度快、施工安全、經(jīng)濟(jì)效用高，可一次成型等優(yōu)點，同時能夠?qū)崿F(xiàn)自動換刀、管片吊裝拼接、隧道襯砌、激光導(dǎo)向和姿態(tài)調(diào)整等功能，在地鐵修建、水利、鐵路、公路等隧道建設(shè)方面都起到了至關(guān)重要的作用。

液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)最為核心的傳動裝置，也是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在盾構(gòu)機(jī)工作運(yùn)行過程中起著關(guān)鍵作用， 為整個盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行提供動力支持。本研究結(jié)合中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司目前在蕪湖長江隧道這個項目中使用的液壓驅(qū)動式大直徑泥水混合盾構(gòu)機(jī)，分析了盾構(gòu)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)并對液壓系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)原理及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為后續(xù)深入研究提供參考。

1 項目工程概況

蕪湖城南過江隧道起于江北規(guī)劃新民路，沿濱江大道南線布置，在長江大堤內(nèi)側(cè)拐向東南方向，穿越長江后，終于江南接大工山路。隧址距離下游長江大橋約9 km，路線全長5.965 km。主要建筑內(nèi)容包括盾構(gòu)隧道、明挖隧道、收費站、接線道路及風(fēng)塔，設(shè)備及管理用房等。隧道明挖暗埋段長度522.6 m，江北U槽敞開段長度285 m，接線道路長度880 m，江北設(shè)收費站一處，收費站規(guī)模11進(jìn)11出。江南U槽敞開段長度210 m，接線道路75 m。盾構(gòu)隧道采用雙管雙向設(shè)計，道路等級為城市快速路，雙向六車道，設(shè)計速度為80 km/h。盾構(gòu)隧道采用2臺泥水平衡盾構(gòu)同向掘進(jìn)，自江北始發(fā)，江南接收。其中左線盾構(gòu)隧道3957.77 m，右線盾構(gòu)隧道3967.4 m。隧道開挖直徑15.07 m，管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m。隧道結(jié)構(gòu)橫斷面分3層，上層為排煙通道，中層為行車道，下層為救援車道和管廊，整個隧道各段盾構(gòu)地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 蕪湖長江隧道工程項目盾構(gòu)地質(zhì)圖

2 盾構(gòu)機(jī)的工作原理及主體結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

盾構(gòu)機(jī)是一種采用盾構(gòu)法的圓柱型隧道掘進(jìn)器，能夠在完成推進(jìn)開掘過程的同時，在開掘區(qū)域鋪設(shè)支撐加固的管片裝置，使得整個施工過程不會發(fā)生坍塌事故，大大提高施工安全性。圖2是盾構(gòu)機(jī)在實際工況下的施工示意圖。

圖2 盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場施工圖

盾構(gòu)機(jī)通過圓柱體型的主體剛件，沿著隧洞軸線方向在不斷向前推進(jìn)的同時對土壤進(jìn)行挖掘，完成對周邊土壤的開采。在液壓系統(tǒng)驅(qū)動的盾構(gòu)機(jī)工作過程中，液壓馬達(dá)通過驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，完成對開挖面巖石的切削，被切碎的石塊會伴隨泥水一同滑動至土倉底部，通過皮帶機(jī)傳送到渣土車上[1]。盾構(gòu)機(jī)在不斷前進(jìn)的過程中，不僅能夠完成巖石泥土的切削，不斷向前掘進(jìn)各種隧道，而且其盾殼能夠承受住施工區(qū)域的各種土壓及地下水壓，同時也對挖掘出的還未襯砌的部分起支撐作用，從而支撐整段區(qū)域中未開采部分的完整形體，使其不會出現(xiàn)形變。在進(jìn)行支撐形體的同時，管片拼裝機(jī)同時進(jìn)行已掘進(jìn)部分的管片拼裝[2]。由于經(jīng)過刀盤的切削擾動，施工區(qū)域泥土的流塑性得到了大幅增加，具備較好的流動性，能夠自動填充泥土艙和輸送機(jī)殼體上的全部孔隙，避免出現(xiàn)受力不均的問題。最后注漿系統(tǒng)將管片固定形成隧道形體，完成隧道的整個建造工藝流程[3]。圖3展示出了目前中鐵十四局大盾構(gòu)公司用于蕪湖長江隧道項目中的大直徑泥水混合盾構(gòu)機(jī)的實物結(jié)構(gòu)圖。

圖3 盾構(gòu)機(jī)實物圖

液壓傳動是目前驅(qū)動盾構(gòu)機(jī)最常用的方式，與傳統(tǒng)機(jī)械及電力傳動有本質(zhì)區(qū)別。與傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動方式相比，液壓系統(tǒng)驅(qū)動的功率密度更高，能夠在達(dá)到同樣輸出功率的同時，將系統(tǒng)體積縮小，同時具有更好的過載保護(hù)性能，在使用過程中有更長的使用壽命周期[4]。液壓系統(tǒng)使用液體作為工作介質(zhì)，將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓的壓力能，最終通過液壓控制閥，比例閥等多個調(diào)節(jié)裝置、控制執(zhí)行裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將液體壓力能重新轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動負(fù)載進(jìn)行直線運(yùn)動[5]。

2.2 主體結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)作為大型機(jī)電一體化的復(fù)雜設(shè)備，隨著不斷地應(yīng)用衍生出諸多不同種類、不同形式的機(jī)型。本次蕪湖長江隧道中所使用的為大直徑泥水混合盾構(gòu)機(jī)。混合式盾構(gòu)機(jī)的獨特之處在于通過分隔擋板分為兩部分的開挖艙。為全幅面支撐掌子面，開挖艙前部區(qū)域在掘進(jìn)過程中完全采用懸浮液填充。與此相反，在分隔擋板與壓力擋板之間(也稱為工作艙)的后部區(qū)域幾乎僅通過機(jī)器軸處理懸浮液。工作艙通過上部區(qū)域中1個可以壓縮的氣墊對掌子面施加所需的背壓。2個艙室之間的通信通過底部區(qū)域的分隔擋板開口實現(xiàn)。根據(jù)其主體部分所實現(xiàn)的功能，通?？梢詫⒍軜?gòu)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)劃分為盾構(gòu)殼體、推進(jìn)系統(tǒng)及襯砌拼裝機(jī)三部分[6]。圖4給出了泥水混合盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。其中，掌子面進(jìn)行物料的挖掘；刀盤主要是通過刮刀和滾刀從待處理的掌子面上挖掘土體；開挖艙實現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生開挖物料；分隔擋板用來將開挖艙與工作艙分隔；用來確保所需的掌子面穩(wěn)定的氣泡；盾構(gòu)機(jī)的工作艙在正常工作時滿足工作艙的壓力等于待處理的土壤壓力和水壓；壓力隔板主要是將大氣區(qū)域和掘進(jìn)設(shè)備的施壓區(qū)域分隔；懸浮液在機(jī)械隧道掘進(jìn)過程中用作支撐和輸送介質(zhì)；管片拼裝機(jī)用于在管環(huán)安裝中安裝鋼筋混凝土管片；隧道襯砌通過預(yù)裝的精密鋼筋混凝土切塊進(jìn)行隧道洞身的襯砌；環(huán)向間隙填充通過注漿連續(xù)不斷地填充山體和襯砌之間的環(huán)向間隙；盾尾確保內(nèi)部工作空間與外部土壓和水壓層之間的密封。

1.掌子面 2.刀盤 3.開挖艙 4.分割擋板 5.穩(wěn)定氣泡 6.工作艙 7.壓力隔板 8.懸浮液 9.靶 10.水泥管路 11.進(jìn)漿管路 12.管片拼裝機(jī) 13.推進(jìn)油缸 14.隧道襯砌 15.環(huán)向間隙填充 16.盾尾

盾構(gòu)殼體是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，沿著盾構(gòu)軸線的前進(jìn)方向可以清晰地將其分為切口環(huán)、支承環(huán)以及盾尾，并且與豎直及水平隔板通過外殼鋼板連接成一體化結(jié)構(gòu)[8]。切口環(huán)又叫前盾，位于整個盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)的最前端，一般安裝有刃口，主要由前后隔板和筒體組成，用來實現(xiàn)開挖及擋土功能，在推進(jìn)施工過程中，能夠?qū)⑷锌谥苯忧腥肷巴翆?，完成安全開挖[9]。泥水混合盾構(gòu)機(jī)刀盤底部到前隔板之間的空間為開挖艙，前后隔板之間的空間為氣墊艙，前后隔板上設(shè)置有泥漿注入口，測壓口等眾多管線接口和備用扣，滿足泥漿循環(huán)，壓力調(diào)節(jié)和控制的需求。

與切口環(huán)相連的是位于中間部位的支承環(huán)，它是一種剛性非常好的圓形結(jié)構(gòu)，作為承受負(fù)載荷重的重要部位，承受盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的大部分荷載。與支承環(huán)共同起承壓作用的通常還包含水平及豎直隔板，分別用來承受拉力和壓力[10]。在開挖過程中，為了時刻保持開挖面的平衡穩(wěn)定，切口環(huán)需要一定的壓力，所以在支承環(huán)部分也會設(shè)計相關(guān)的人行加壓機(jī)減壓艙來完成對切口環(huán)壓力的調(diào)節(jié)。在支承環(huán)的后部通過盾構(gòu)機(jī)外殼鋼板延長形成了盾尾，盾尾與管片接觸的地方安裝四道密封鋼絲刷和一道鋼板束，并在密封刷與管片外徑形成的腔內(nèi)注入密封油脂，防止隧道內(nèi)水或砂漿進(jìn)入盾殼內(nèi)。盾尾能夠掩護(hù)管片的拼裝、襯砌作業(yè)。盾尾末端通常因為需要防止泥水和注漿材料從盾尾與襯砌之間的空隙內(nèi)流入而設(shè)有盾尾密封裝置[11]，盾尾的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)機(jī)盾尾結(jié)構(gòu)示意圖

推進(jìn)系統(tǒng)主要是由推進(jìn)油缸為整個盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)提供動力支持。在推進(jìn)時，推進(jìn)油缸伸出，撐靴作用到管片上提供盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的反力。

各組油缸可以相互獨立調(diào)節(jié)，整個盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度由一個流量控制閥調(diào)節(jié)。通過實時調(diào)整每組油缸的推進(jìn)壓力和速度可以實現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的糾偏和調(diào)向。推進(jìn)油缸活塞桿前端與撐靴通過球軸承和碟形彈簧連接，撐靴可以在側(cè)向力的作用下自由轉(zhuǎn)動。撐靴表面和油缸墊板能保證推力均勻緩和地作用在管片上，防止管片損壞。同時在推進(jìn)油缸設(shè)計浮動支撐，可以實時保持推進(jìn)油缸的中心線與管片中心線重合。

管片拼裝機(jī)工作在盾尾區(qū)域，用于安裝襯砌管片。管片拼裝機(jī)主要由托梁、回轉(zhuǎn)架、移動架、軛架、真空吸盤和提升油缸等組成。拼裝機(jī)由單獨的液壓系統(tǒng)提供動力，通過對液壓馬達(dá)和液壓油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的比例控制，可實現(xiàn)拼裝管片的縱向移動、徑向移動、橫向移動、回轉(zhuǎn)、橫搖和俯仰動作，使得管片能夠快速精確的完成定位并安裝。根據(jù)盾構(gòu)直徑的大小、襯砌構(gòu)件的材料和形式、出土方式的不同具有不同的樣式[12]。

3 盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的組成

目前盾構(gòu)機(jī)中最常見的驅(qū)動系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，通過液壓驅(qū)動系統(tǒng)為盾構(gòu)機(jī)的各部分提供動力支持[13]。作為盾構(gòu)機(jī)的主驅(qū)動系統(tǒng)，其密封性能的好壞直接決定了盾構(gòu)機(jī)水土承壓的能力。盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)通過驅(qū)動液壓泵工作的電動機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓油的液壓能，然后通過整套設(shè)備上的各種控制元件及閥組到達(dá)執(zhí)行元件的液壓馬達(dá)中，再完成一次能量轉(zhuǎn)換，將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能去帶動每一部分的負(fù)載[14]。通常來講，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)主要包含推進(jìn)液壓系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)、物料運(yùn)輸系統(tǒng)、管片拼裝液壓系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)等5個組成部分，一起驅(qū)動盾構(gòu)機(jī)完成整個隧道掘進(jìn)工作流程。

3.1 推進(jìn)液壓系統(tǒng)

推進(jìn)液壓系統(tǒng)通過沿盾體分布的液壓缸來分組控制，實現(xiàn)為盾構(gòu)機(jī)提供前進(jìn)動力的功能[15]。在實際工作中，主要的推進(jìn)動力來源于推進(jìn)液壓系統(tǒng)中的推進(jìn)油缸。推進(jìn)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上依靠高壓過濾器及控制閥組的分組控制實現(xiàn)多油缸的同步操作，實現(xiàn)直線隧道的掘進(jìn)，提高掘進(jìn)過程中的準(zhǔn)確度。圖6 給出了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)缸組示意圖。圖7給出了本次蕪湖項目中使用的鐵建重工泥水盾構(gòu)機(jī)中推進(jìn)系統(tǒng)油缸的分組示意圖，本次項目所使用的鐵建重工大直徑泥水混合盾構(gòu)機(jī)中的推進(jìn)系統(tǒng)包含56根推進(jìn)油缸，共對稱分布有6組油缸，并安裝有位移傳感器，便于施工人員實時監(jiān)控每組油缸的行程和壓力。

圖6 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)液壓系統(tǒng)缸組示意圖[16]

圖7 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸分組示意圖

推進(jìn)液壓系統(tǒng)完整的工作過程如下：首先通過液壓泵站的電機(jī)帶動液壓泵工作，將動力液壓油泵出，經(jīng)管路傳輸至推進(jìn)油缸的控制閥組，通過驅(qū)動控制閥組工作，實現(xiàn)液壓油在閥組內(nèi)的控制。液壓油在閥組的控制下進(jìn)入推進(jìn)油缸，驅(qū)動推進(jìn)油缸的伸縮；同時為了提高盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)工作效率，每組油缸都設(shè)定有特定的控制閥，每組油缸也可以獨立地通過各自對應(yīng)的控制閥進(jìn)行伸縮工作，從而帶動盾構(gòu)機(jī)完成掘進(jìn)[17]。

推進(jìn)液壓系統(tǒng)一般還在一定程度上承擔(dān)著調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的功能。在軟巖及泥沙地層中，一旦遇到地層中堅硬石塊部分，通常會因為盾構(gòu)機(jī)瞬時受力不平衡而出現(xiàn)姿態(tài)偏移情況。在這種情況下，通常通過加大左右兩組油缸的差值來滿足整個盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)向一方偏移的情況，具體的傾向根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，而對于軟巖地層中出現(xiàn)的獨立石塊，一般只能控制推進(jìn)速度，利用導(dǎo)向油缸緩慢進(jìn)行伸縮，將其慢慢磨碎。在斷層中掘進(jìn)時，有時會出現(xiàn)盾殼抱死現(xiàn)象，即盾尾的鉸接油缸完全不能縮回。通?？梢酝ㄟ^加注膨土，并在盾尾鉸接油缸連接處焊接鋼板，帶動盾尾移動，直到通過斷層地面。在通過硬巖地層中時，通過控制導(dǎo)向油缸的伸長量以及相對的兩組油缸之間伸長量的差值進(jìn)行調(diào)控盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，使其在掘進(jìn)過程中保持較好的平衡性，一般我們在正常推進(jìn)過程中保持導(dǎo)向油缸的伸長量為2～3 mm左右，同時控制2組的差值維持在20 mm以下，更有利于在硬巖中保持姿態(tài)的平衡。

3.2 刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)

刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)主要為刀具的正常切削提供動力。刀具是完成盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的核心部分[16]，所以刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)作為主要工作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)，協(xié)助推動液壓系統(tǒng)驅(qū)動刀盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而能夠切割土體，實現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)任務(wù)[18]。刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)通過高壓大流量變量泵驅(qū)動多個變量馬達(dá)，馬達(dá)再經(jīng)過減速機(jī)后驅(qū)動整個刀盤開始旋轉(zhuǎn)工作[19]。圖8是用于蕪湖長江隧道項目中的泥水盾構(gòu)機(jī)的刀盤實體結(jié)構(gòu)。

圖8 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

從功能上看，整個驅(qū)動液壓系統(tǒng)可以看作是一個變排量容積調(diào)速系統(tǒng)。其中，主驅(qū)動泵通常會與補(bǔ)油回路和變量控制回路進(jìn)行集成，使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化。在工作過程中，主驅(qū)動泵通過液控比例變量，調(diào)整斜盤傾角以及工作象限，達(dá)到控制變量泵排量及調(diào)整馬達(dá)正反轉(zhuǎn)的效果，使得在各個方向上都能夠滿足驅(qū)動要求。經(jīng)過變量泵驅(qū)動后的變量馬達(dá)減速后帶動盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)，所以在結(jié)構(gòu)上變量馬達(dá)一般與減速裝置直接相連。因為實際工況的復(fù)雜性，需要面對的挖掘工況并不一樣，最典型的兩種工況便是硬土層與軟土層，其對轉(zhuǎn)速及扭矩的要求不盡相同，所以需要靈活進(jìn)行變量馬達(dá)的速度檔位調(diào)控來滿足不同地況的需求。目前，為了應(yīng)對盾構(gòu)施工過程中不同區(qū)域的地層差異性，通過進(jìn)行不同地層的識別，根據(jù)不同地層的情況調(diào)整盾構(gòu)機(jī)參數(shù)，起到節(jié)能減耗的作用[20]。同時，目前為了進(jìn)行系統(tǒng)安全保護(hù)，通常會在系統(tǒng)內(nèi)部安裝壓力切斷裝置，保證因障礙物產(chǎn)生過壓后，整個系統(tǒng)能夠及時進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)，避免過壓對設(shè)備造成的損害[21]。

在硬巖條件下，刀具極易破損，一旦發(fā)生刀具的破損，會造成整個刀盤受力不均，從而加劇刀具過度磨損。在實際工程中，通常是監(jiān)測刀盤壓力反映刀具的磨損情況，如果出現(xiàn)刀盤壓力突然增大，或者瞬間跳動至一個較高的閾值后出現(xiàn)連續(xù)跳動的現(xiàn)象，一般會進(jìn)行刀具磨損的檢查。在斷層地面中，通常會出現(xiàn)刀盤抱死，刀盤扭力增大而不能轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，排漿量會急速下降，進(jìn)漿壓力明顯增大。在工程中應(yīng)對這樣情況的常用措施是及時把進(jìn)漿壓力調(diào)大，同時將排漿量增大，通過進(jìn)漿與排漿之間的壓力差，將泥沙推出，防止刀盤抱死。

3.3 物料運(yùn)輸液壓系統(tǒng)

物料運(yùn)輸系統(tǒng)主要由喂片機(jī)、單管片吊機(jī)、雙管片吊機(jī)和箱涵吊機(jī)組成，主要的功能是將管片運(yùn)輸車上的箱涵、管片、輔助物料、仰拱塊通過各種吊機(jī)吊運(yùn)至所需位置[22]。

輸送系統(tǒng)主回路通常包含主泵和液壓馬達(dá)，主泵多為雙向比例變量泵，整個系統(tǒng)又可以分解為主回路及控制回路[23]，其中，主回路中安裝有溢流閥、補(bǔ)油單向閥和低壓排放閥；溢流閥主要起定壓溢流、穩(wěn)壓、系統(tǒng)卸荷和安全保護(hù)作用，補(bǔ)油單向閥則是控制油液流動方向，防止油路中的油回流?？刂苹芈分邪惭b有主泵斜盤伺服油缸及雙向伺服控制閥[24]。因為在實際工作中，物料運(yùn)輸液壓系統(tǒng)的功率較大，會使得整個系統(tǒng)升溫迅速，因此需要通過設(shè)置補(bǔ)油回路[25]，實現(xiàn)系統(tǒng)散熱及進(jìn)行補(bǔ)油操作，其中，2個單向閥能夠滿足向2個方向進(jìn)行補(bǔ)油操作，不僅能夠為輸送馬達(dá)提供高壓油，并且能通過閉式回路的2個油口的低壓端進(jìn)行補(bǔ)油。同時補(bǔ)油回路還能夠在一定程度上保護(hù)馬達(dá)，在遇到馬達(dá)過載情況下，能夠及時將多出來的壓力油重新送回油箱，實現(xiàn)對馬達(dá)過載情況下的安全保護(hù)[26-27]。

3.4 管片拼接液壓系統(tǒng)

管片拼裝機(jī)工作在盾尾區(qū)域，用于安裝襯砌管片[28]。管片拼裝機(jī)主要由托梁、回轉(zhuǎn)架、移動架、軛架、真空吸盤和提升油缸等組成。管片拼接液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)給管片拼裝機(jī)提供動力支持，進(jìn)行管壁混凝土的管片拼裝以及堆砌工作[29]，通過對液壓馬達(dá)和液壓油缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的比例控制，可實現(xiàn)拼裝管片的縱向移動、徑向移動、橫向移動、回轉(zhuǎn)、橫搖和俯仰動作，使得管片能夠快速精確的完成定位并安裝。因為一般情況下管片拼裝機(jī)工作的頻率幾乎是整個系統(tǒng)中最高的，所以其出現(xiàn)故障的頻率也幾乎是整個盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)中最高的。通常情況下，管片拼接液壓系統(tǒng)具備靈活高效的特點，在目前的多數(shù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備中能夠獨立自主完成工作，幫助在掘進(jìn)隧道過程中筑成圓形隧洞[30]。

管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)最為常見的動力源是由恒功率控制雙聯(lián)柱塞泵提供，該動力源與馬達(dá)之間安裝有高壓濾波器、負(fù)載敏感比例多路閥、控制閥組。馬達(dá)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，能夠驅(qū)動管片旋轉(zhuǎn)機(jī)實現(xiàn)一定度數(shù)范圍內(nèi)的正負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，并且在旋轉(zhuǎn)過程中，通過液壓缸驅(qū)動提升系統(tǒng)完成對管片的回收。各組控制閥組能夠控制整個管片拼裝機(jī)的多方向移動，包含旋轉(zhuǎn)、抓取等一系列機(jī)械動作的實現(xiàn)。目前為了提高調(diào)整動作的準(zhǔn)確性以及提升旋轉(zhuǎn)自由度，通常會將負(fù)載敏感比例多路閥安裝在系統(tǒng)中，完成高精度的位置及角度調(diào)整，促進(jìn)整個管片拼接液壓系統(tǒng)完成拼接及提升的工作效率。

3.5 其他輔助系統(tǒng)

除了上述一些液壓系統(tǒng)之外，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)還有泥漿環(huán)流系統(tǒng)、油脂密封潤滑系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)等其他輔助系統(tǒng)配合完成整個工作流程。

泥漿環(huán)流系統(tǒng)主要由進(jìn)漿泵、排漿泵、進(jìn)漿管路、排漿管路、控制閥門、管路延伸機(jī)構(gòu)、碎石機(jī)、泥水處理廠等組成。泥漿環(huán)流系統(tǒng)的主要作用是在和自動保壓系統(tǒng)配合下穩(wěn)定開挖面，防止地面坍塌，以及盾構(gòu)機(jī)出碴。進(jìn)漿泵將地面泥水處理廠調(diào)配好的泥漿通過進(jìn)漿管路輸送至盾構(gòu)機(jī)開挖掌子面，通過自動保壓系統(tǒng)控制開挖艙壓力，以穩(wěn)定掌子面。排漿泵將攜帶渣土的泥漿從氣墊艙吸出，并通過排漿管路輸送至地面的泥水處理廠進(jìn)行處理，以便再次利用。

潤滑系統(tǒng)包括4部分：HBW 油脂密封系統(tǒng)、油脂集中潤滑系統(tǒng)、盾尾密封系統(tǒng)和主驅(qū)動潤滑系統(tǒng)。前3個系統(tǒng)都以壓縮空氣為動力源，靠油脂泵活塞的往復(fù)運(yùn)動將油脂輸送到各個部位，當(dāng)油脂泵站的油脂用完時，油脂控制系統(tǒng)可以向操作室發(fā)出報警信號，并鎖定操作系統(tǒng)，直到重新?lián)Q上油脂，這樣可以充分保證油脂系統(tǒng)的正常工作。

同步注漿系統(tǒng)主要由砂漿泵、壓力傳感器、手動閥門、液動刀閘閥、砂漿罐、砂漿轉(zhuǎn)運(yùn)泵、液動刀閘閥及配套管路等組成。同步注漿系統(tǒng)的主要作用是控制地表沉降，防止管片變形和隧道上浮，管片縫隙防滲防漏。盾構(gòu)機(jī)配有4 臺液壓驅(qū)動的注漿泵，通過盾尾的注漿管將砂漿注入到開挖直徑和管片外徑之間的環(huán)形間隙中。注漿壓力可以調(diào)節(jié)，注漿泵泵送頻率在可調(diào)范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，并通過壓力傳感器檢測其壓力變化，主控室可以看到單個注漿點的注入量和注漿壓力信息。

4 盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷

對于使用液壓系統(tǒng)作為主驅(qū)動的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，液壓系統(tǒng)的正常有效工作是整套設(shè)備處于正常工作狀態(tài)的重要保障，其不僅直接影響著推進(jìn)功能的實現(xiàn)，還在一定程度上決定了工程質(zhì)量。為了保障盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要保持液壓系統(tǒng)穩(wěn)定[31]，從而能夠在整個工期中能夠持續(xù)處于正常工作狀態(tài)，因此對于液壓系統(tǒng)的故障診斷與維護(hù)就顯得尤為重要。近年來有關(guān)液壓系統(tǒng)故障診斷的方法也逐漸成熟起來，通過一些技術(shù)手段對液壓系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行測量，達(dá)到識別故障及預(yù)測可能發(fā)生的故障的效果[32]。

4.1 常見故障類型及特點

常見的液壓系統(tǒng)故障大致是分為以下2種：第一種是由于系統(tǒng)內(nèi)部個別零部件損壞或者磨損，使得整個系統(tǒng)出現(xiàn)流量、壓力不足等問題，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法正常工作；另一種則是結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)的問題，例如一些控制元件會發(fā)生動作失靈異常等情況。目前有關(guān)大型機(jī)電設(shè)備的故障診斷技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟，對盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，能夠在盾構(gòu)機(jī)工作過程中，監(jiān)測系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題，并提出解決方案，增加盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率[33]。

通常來講，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)作為一個復(fù)雜的機(jī)電液一體化復(fù)雜設(shè)備，其液壓系統(tǒng)所存在的故障類型也表現(xiàn)出多樣性與復(fù)雜性。在實際的故障發(fā)生時，往往不是因為某一單獨原因造成系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，一般都是多種因素共同作用的結(jié)果[34]，同時，同一故障因素有時也并不是唯一的造成某一部位出現(xiàn)故障，有可能造成多個部位出現(xiàn)無法正常運(yùn)行的情況[35]。有關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的故障類型通常無法直觀地從外部觀測得到，需要通過內(nèi)部的一些參數(shù)去反映系統(tǒng)故障。液壓系統(tǒng)故障也具備一定的偶然性，因為設(shè)備的復(fù)雜性決定了在整個系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)過多，其中個別環(huán)節(jié)的偶然故障都會引起整個系統(tǒng)的停滯工作，這就需要我們?nèi)粘＿M(jìn)行設(shè)備的巡檢，以降低故障發(fā)生的頻率。最后，液壓系統(tǒng)的故障也會受到環(huán)境的影響[36]，尤其是涉及液壓油的一些故障，一般都會受到環(huán)境溫度的密切影響。

目前比較常見的盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)故障大致有以下幾種：液壓油污染造成的故障、油溫過高造成的故障、液壓系統(tǒng)的泄漏問題以及盾構(gòu)機(jī)零部件磨損問題等[37]。

液壓油的質(zhì)量是盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)正常工作的重要保障，所以液壓油的污染也是目前盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的主要問題之一。液壓元件隨著工作時間的推移，會產(chǎn)生一些磨損的金屬碎屑，這些碎屑會混入油液對液壓油產(chǎn)生污染；同時，當(dāng)接觸到工作環(huán)境中的水或空氣，不僅會使油液更容易氧化變質(zhì)，還存在與高溫高壓的液壓油混合后爆炸的風(fēng)險。當(dāng)產(chǎn)生上述液壓油污染后，污染物會堵塞濾油器以及管路通道，從而造成液壓油流量不足以及壓力無法達(dá)到正常要求的故障，在盾構(gòu)機(jī)的正常工作過程中會造成整個設(shè)備突發(fā)失效，存在非常大的安全隱患。油溫過高也是目前液壓系統(tǒng)常見的故障類型，因為盾構(gòu)機(jī)實際工況較為復(fù)雜，外負(fù)載通常是多變的，所以液壓系統(tǒng)也會不斷跟隨外負(fù)載發(fā)生變化，這個過程中一部分的液壓能會轉(zhuǎn)化成為熱能，造成液壓油溫度升高；另外，液壓油在傳輸過程中與一些管路和閥組摩擦碰撞也會產(chǎn)生熱量，造成液壓油區(qū)域溫度大幅度升高[38]。當(dāng)液壓系統(tǒng)油溫升高至一定程度后，會使得油液黏度降低，各個部件之間的摩擦?xí)黾樱麄€系統(tǒng)的溫度會持續(xù)上升，最終會造成執(zhí)行元件動作遲緩等故障，降低工作效率，隨著時間推移會大幅度損害設(shè)備，縮短設(shè)備使用壽命。高溫也會加快油液通道的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生一些附著物，造成管路的堵塞，影響整個系統(tǒng)的正常工作。液壓系統(tǒng)另一個比較常見的故障為發(fā)生泄漏[39]。常見的泄漏一般可以分為內(nèi)泄漏和外泄漏，內(nèi)泄漏指的是在液壓閥的內(nèi)部發(fā)生泄漏，會影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。張軒等[40]使用dB4小波對液壓壓力信號進(jìn)行間隔點檢測，分割出高壓平穩(wěn)端的時域信號并提取其時域和小波域特征，然后通過主成分分析的方式提取有效特征并剔除分敏感特征，最后使用譜聚類對泄漏的嚴(yán)重程度進(jìn)行了診斷；師沖等[41]提出了一種經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂鸵痪S密集連接卷積網(wǎng)絡(luò)的電液換向閥內(nèi)泄漏故障診斷方法，準(zhǔn)確、有效地對電液換向閥內(nèi)泄漏故障進(jìn)行診斷。外泄漏則是指液壓缸或者是一些管路在工作過程中發(fā)生泄漏，造成液壓油外漏或滲油的情況。在正常工作中，還有一種故障是由于元器件的磨損造成的[42]，其中最容易產(chǎn)生磨損的部件是液壓閥與液壓泵，通常在液壓油傳輸過程中，其自身成分里很難保證沒有顆粒狀的金屬污染，一旦這樣的顆粒狀金屬污染物卡在液壓泵及液壓閥之間的密封間隙中，就會因無法清除而反復(fù)磨損，造成關(guān)鍵部件的損壞，從而影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.2 故障診斷技術(shù)

通常所指的液壓系統(tǒng)故障是指液壓系統(tǒng)沒有辦法在保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定的前提下正常工作。目前的故障診斷主要采用的方法是通過技術(shù)手段測量系統(tǒng)的特征參數(shù)，從而通過一些參數(shù)的變化反映整個系統(tǒng)的故障情況。

液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了原始診斷、模型診斷、智能化診斷3個發(fā)展階段。在原始診斷階段，一般針對的對象較為簡單，不需要太多的儀器參與，通過相關(guān)領(lǐng)域的專家技術(shù)人員的經(jīng)驗完成對簡單設(shè)備故障的判斷，這種方法需要依賴豐富的經(jīng)驗且準(zhǔn)確率較低；模型階段則是隨著動態(tài)檢測技術(shù)及傳感器的發(fā)展而得到了發(fā)展，時頻分析、時域分析、動態(tài)分析、狀態(tài)空間分析、卡爾曼濾波等診斷方法能夠診斷稍微復(fù)雜的液壓系統(tǒng)故障，并進(jìn)行進(jìn)一步的評估與決策，結(jié)合統(tǒng)計檢驗方法進(jìn)行分析診斷，大大提升了診斷的準(zhǔn)確性。但是基于模型診斷階段的診斷方法需建立較為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，雖然實踐中也取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，其診斷過程存在明顯的局限性；智能化診斷階段是目前最為常用的一種方式，以常規(guī)診斷技術(shù)和信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)，以人工智能為核心技術(shù)，構(gòu)建出智能診斷模型和診斷系統(tǒng)，具備廣泛的適用性與高準(zhǔn)確率。液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了大型復(fù)雜機(jī)電設(shè)備故障診斷的需求，下邊將對相關(guān)液壓系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)研究情況進(jìn)行綜述。

最早的有關(guān)液壓系統(tǒng)故障診斷開始于1960年，英國Bath大學(xué)機(jī)器保健狀態(tài)監(jiān)測協(xié)會[43]利用加速度傳感器與壓力傳感器完成了信號的測量，以此來實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的故障診斷。隨著傳感檢測技術(shù)的發(fā)展，目前許多國家都已經(jīng)成立了專用的故障診斷研究中心，已經(jīng)從最初始的簡單診斷到智能信息化診斷的轉(zhuǎn)變。SRIYANANDA H等[44]通過研究總結(jié)出了一種能夠?qū)⒐收蠝y得數(shù)據(jù)充分利用的時域分析方法，并引入最優(yōu)化思想，將數(shù)據(jù)與時間延遲選擇排序結(jié)合，確定出最優(yōu)的診斷方案；ABBOTT K H等[45]實現(xiàn)了專家系統(tǒng)在飛行器液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用，通過時間、因果關(guān)系等多因素對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生推力進(jìn)行分析，實現(xiàn)飛行器液壓系統(tǒng)故障診斷；在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)展成熟的階段，CROWTHER W J等[46]創(chuàng)新性的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通過實驗與仿真運(yùn)用液壓制動系統(tǒng)回路的故障診斷中；CHEN等[47]成功建立容錯控制系統(tǒng)，將最常見的液壓系統(tǒng)故障類型進(jìn)行整理，并能夠通過容錯系統(tǒng)根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行自適應(yīng)反推；MA等[48]通過故障樹分析法實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)定性分析及定量的計算，可以對整個系統(tǒng)各個組成部分進(jìn)行可靠性計算。FANG等[49]提出了一種視覺動態(tài)診斷技術(shù)，針對復(fù)雜液壓系統(tǒng)進(jìn)行常見的故障類型診斷，證明了該方法的可行性；HE等[50]從模型角度出發(fā)，提出基于多網(wǎng)絡(luò)模型的工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障診斷方法，計算動態(tài)GRNN模型的測試閾值，并利用樣本的殘差進(jìn)行模型準(zhǔn)確率測試，驗證方法可行性。LI等[51]針對掘進(jìn)過程液壓系統(tǒng)的故障診斷問題，將傳統(tǒng)故障樹方法與專家系統(tǒng)結(jié)合，生成診斷規(guī)則數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的研究發(fā)展提供新思路。POLLMEIER K 等[52]建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與故障類型聯(lián)系，通過訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，保證不同的網(wǎng)絡(luò)可以對應(yīng)不同的故障類型，再將所有網(wǎng)絡(luò)的并行輸出作為一個新網(wǎng)絡(luò)的輸入，就可以實現(xiàn)對多類故障的識別；DONG等[53]在傳統(tǒng)BP、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)后的PSO-BP與PSO-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群各自的優(yōu)點結(jié)合起來，可以大大提升神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)效果；ANGELI C等[54]為了解決專家系統(tǒng)的接口問題，利用超文本和用戶建模設(shè)計出一個用戶界面，目前已用于液壓系統(tǒng)故障診斷。

國內(nèi)近幾年有關(guān)液壓系統(tǒng)故障診斷的研究也完成了從模型階段至智能診斷階段的過渡。付耀琨[55]建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型用來分析液壓系統(tǒng)的常見故障；唐宏賓等[56]通過提取故障特征，利用主元分析結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)的思想，先通過主成分分析法進(jìn)行故障特征向量進(jìn)行降維處理，將降維后的故障特征向量輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障訓(xùn)練和識別，完成對液壓系統(tǒng)故障的診斷；黃克等[57]運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想，根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測所測得的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，并將所提方法運(yùn)用于刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)中，對所提方法進(jìn)行驗證；周曉群[58]在傳統(tǒng)PCA方法的基礎(chǔ)上，提出了將PCA與SVM相結(jié)合的方法，建立了刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)模型，并對常見的典型故障進(jìn)行了建模，模型具備較高的準(zhǔn)確率，適用于工程推廣。后續(xù)的一些相關(guān)研究采用基于知識處理的智能故障診斷方法，專家系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)故障診斷中應(yīng)用較為廣泛，張洪瑾[59]運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)；邱寒雨等[60]在傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和AdaBoost算法，建立故障診斷模型。

液壓系統(tǒng)是集液、機(jī)、電為一體的耦合系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷通常具有隨機(jī)性、復(fù)雜性、隱蔽性。盾構(gòu)機(jī)液壓驅(qū)動設(shè)備通常具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此針對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷對于精確度的要求較高。盡管通過現(xiàn)有的研究，已經(jīng)將液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)與盾構(gòu)機(jī)實際工程需要進(jìn)行結(jié)合，但是在實際應(yīng)用過程中仍存在很多問題。因此，為進(jìn)一步提高液壓系統(tǒng)的故障診斷效率，后續(xù)有關(guān)故障診斷的研究需要將知識理論與實際工程應(yīng)用進(jìn)行充分融合，給盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司在蕪湖長江隧道項目中所使用的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，通過對盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，詳細(xì)從泥水平衡盾構(gòu)機(jī)工作原理、組成成分、液壓系統(tǒng)等方面介紹泥水平衡盾構(gòu)機(jī)及其液壓驅(qū)動系統(tǒng)，圍繞故障診斷的相關(guān)技術(shù)，分析了目前有關(guān)盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷理論的研究進(jìn)展，為后續(xù)該領(lǐng)域技術(shù)推進(jìn)及盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)研究提供參考和思路。