張英明 邵明月

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

南京市緯三路越江通道位于長江大橋與緯七路長江隧道之間，北接江北岸浦口區(qū)浦珠路，南接江南定淮門大街(S線)和揚子江大道(N線)，南線盾構(gòu)段長4 135 m，北線盾構(gòu)段長3 537 m。隧道采用雙向雙層X型八車道結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)開挖直徑達14.96 m，是目前世界上最大的盾構(gòu)隧道之一。江中存在巖層、卵石復合地層及卵石層、砂礫石復合地層，石英含量高達65%，硬巖強度在70 MPa～80 MPa;復合型地質(zhì)中上部為細砂、粉質(zhì)粘土，下部為粉砂巖，構(gòu)成軟硬不均勻的工作面。對于這樣長距離、大直徑、高水壓、淺埋深、復雜斷面的越江隧道工程，結(jié)合實際地質(zhì)條件和工程條件的特點，設計制造出自動化水平高、設備性能完善的盾構(gòu)機及配套設施顯得尤為重要。因此，針對本工程地層條件差、地質(zhì)情況復雜、地下水位高等特點，以及盾構(gòu)施工過程中對刀具質(zhì)量要求極高，必要時需更換刀具。南京市緯三路過江通道項目部在盾構(gòu)機選型和設計初期，發(fā)揮制造商和施工單位各自的優(yōu)勢，通過專家論證、國內(nèi)外招標采購14.96 m超大直徑泥水平衡復合式盾構(gòu)機。在盾構(gòu)機設計上，打破以往國內(nèi)外常規(guī)理念，首次采用刀盤驅(qū)動部滑動系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有機械化、自動化、數(shù)字化水平高等優(yōu)點，使盾構(gòu)機的配套設施更加完善合理、適應能力更強、設備性能更可靠、作業(yè)效率不斷提高。本文主要對刀盤驅(qū)動滑動裝置的系統(tǒng)原理、設計理念及實際運用進行分析與研究。

1 刀盤驅(qū)動部滑動系統(tǒng)原理

刀盤驅(qū)動滑動系統(tǒng)是由人機界面進行操作，PLC系統(tǒng)進行控制，運用液壓傳動原理，通過滑動油缸作用于刀盤驅(qū)動部整體結(jié)構(gòu)上，使其沿盾體軸線方向在切口環(huán)內(nèi)表面前后滑動，通過鎖緊油缸帶動制動塊實現(xiàn)對刀盤驅(qū)動部滑動裝置制動功能，是集機械、液壓、電氣、自動化控制技術(shù)的一體化裝置。該裝置與傳統(tǒng)的盾構(gòu)機驅(qū)動部相比較，傳統(tǒng)盾構(gòu)機驅(qū)動部與切口環(huán)無相對運動，驅(qū)動部外周設置2道～4道高強度唇形密封，唇口緊貼切口環(huán)內(nèi)筒體表面，通過向驅(qū)動部密封腔內(nèi)注入齒輪油、液壓油或潤滑油脂，保證其密封效果。而具有滑動功能的刀盤驅(qū)動部裝置，驅(qū)動部外周安裝滑動軸套，并在滑動軸套和前后密封填料內(nèi)設計潤滑油脂通道，通過向其注入潤滑油脂，保證其潤滑性和密封性。

2 泥水盾構(gòu)刀盤驅(qū)動部滑動裝置的設計

隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，長隧短打的方式正在逐漸淘汰，盾構(gòu)機單次掘進長度大大增加，以及地質(zhì)條件的復雜多變，這對盾構(gòu)機的適應性與可靠性提出了更高的要求，優(yōu)化創(chuàng)新設計顯得尤為重要。根據(jù)南京市緯三路越江隧道工程特殊地質(zhì)情況及工程特點，對盾構(gòu)機優(yōu)化設計，合理利用盾構(gòu)機內(nèi)部空間，在盾體內(nèi)設計增加刀盤驅(qū)動部滑動系統(tǒng)，在盾構(gòu)施工生產(chǎn)中該系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用。下面從刀盤驅(qū)動滑動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣控制方面進行分析。

2.1 機械結(jié)構(gòu)設計

刀盤驅(qū)動部滑動裝置位于盾構(gòu)切口環(huán)與承壓環(huán)內(nèi)部，上、下滑動接觸面為水平面，左、右為對稱圓弧面。為滿足驅(qū)動部能夠在盾體軸線方向相對滑動功能的要求，在結(jié)構(gòu)制作過程中，要保證加工精度在設計要求范圍內(nèi);而且由于刀盤驅(qū)動部負荷重、直徑大，對潤滑系統(tǒng)提出了較高要求。在驅(qū)動部外周前后密封填料內(nèi)及滑動軸套上，設計5排潤滑油脂注入孔和壓力檢測孔，并將潤滑油脂孔合理分配至驅(qū)動部外周(見圖1，表1)。通過油脂供給泵可將油脂沿通道均勻注入驅(qū)動部外周表面。在實際應用中，潤滑油脂具有冷卻及防銹作用，還可以降低滑動面之間的摩擦，減少磨損，延長刀盤驅(qū)動部滑動裝置的使用壽命。

圖1 驅(qū)動部外周潤滑油脂注入及檢測孔

表1 驅(qū)動部外周潤滑油脂注入及檢測點標號及名稱

在油缸配置方面，刀盤驅(qū)動部滑動裝置包括滑動油缸和鎖緊油缸兩種?；瑒佑透滓?guī)格型號:4 000 kN×150s×35 MPa×24 No，所有油缸左右對稱布置在驅(qū)動部電動馬達下方，油缸一端作用于驅(qū)動部上，另一端作用在承壓環(huán)內(nèi)垂直水平梁上，通過鉸接進行連接，在連接銷上安裝止脫板，防止定位銷脫落。鎖緊油缸位于滑動油缸活塞桿上，其規(guī)格型號:17 kN×280s×14 MPa×24 No，鎖緊油缸一端安裝制動塊，通過制動塊與滑動油缸之間相對位置，實現(xiàn)其制動功效，見圖2。

圖2 滑動油缸與鎖緊油缸相對位置

2.2 液壓系統(tǒng)設計

刀盤驅(qū)動滑動裝置液壓系統(tǒng)與盾構(gòu)機推進系統(tǒng)共用液壓泵單元，通過電磁液壓換向閥進行推進模式與滑動模式之間的轉(zhuǎn)換。對刀盤驅(qū)動滑動系統(tǒng)操作、分別進行液壓滑動油缸及滑動鎖油缸的動作，從而實現(xiàn)刀盤驅(qū)動裝置的滑動功能。1)滑動油缸設計。液壓系統(tǒng)由24個滑動油缸組成，分為6組，各組液壓油路并聯(lián)，每組4個油缸由電磁換向閥進行方向控制。當電磁換向閥工作時，油缸動作并作用于刀盤驅(qū)動部結(jié)構(gòu)上。在滑動油缸液壓系統(tǒng)中，最大溢流壓力為35 MPa，設計液控單向閥及單向閥，使油缸運行平衡，減小外部沖擊對刀盤驅(qū)動滑動裝置的干擾，從而保證液壓系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。另外，在調(diào)試滑動油缸時，可將排氣端常閉截止閥打開，待油缸動作平穩(wěn)無殘余氣體時，再將其關(guān)閉，避免液壓油中混有空氣，減少外部因素對液壓系統(tǒng)的影響，液壓原理見圖3。2)鎖緊油缸設計。鎖緊油缸與滑動油缸數(shù)量相對應，每個油缸油路并聯(lián)，由電磁換向閥單獨進行控制，通過鎖緊油缸帶動制動塊對滑動油缸制動控制。另外，在液壓油路中安裝減壓閥，保證鎖緊油缸液壓系統(tǒng)壓力安全可靠。

圖3 滑動油缸液壓系統(tǒng)原理

2.3 電氣控制設計

刀盤驅(qū)動部滑動裝置PLC控制采用三菱Q系列PLC模塊，應用CC-Link網(wǎng)絡技術(shù)。通過CC-Link專用電纜可將I/O模塊、智能功能模塊和特殊功能模塊進行連接，由PLC CPU程序控制，從而實現(xiàn)主站和遠程站之間的通訊。充分利用其開放性現(xiàn)場總線特點，提高網(wǎng)絡的可靠性，簡化接線工作。PLC模塊主站和遠程站CC-Link網(wǎng)絡接線見圖4。CC-Link網(wǎng)絡系統(tǒng)采用型號為AJ65SBTB1-16D，AJ65SBTB2NA6R遠程I/O站執(zhí)行外部設備輸入和輸出，AJ65SBT-64AD遠程設備站執(zhí)行外部模擬數(shù)據(jù)量交換。通過CC-Link將遠程站與主站連接進行網(wǎng)絡刷新通訊。本地控制可將觸摸屏與主站QJ71C24N-R4功能模塊進行連接;遠程控制通過MELSECNET/H網(wǎng)絡系統(tǒng)，由中控室人機界面操作。

3 刀盤驅(qū)動部滑動系統(tǒng)的運用

3.1 準備工作

刀盤驅(qū)動滑動裝置在實際運用過程中，需綜合考慮掘進參數(shù)及泥水指標等影響因素。操作前，先將刀盤扭矩調(diào)至最大脫困扭矩，并使刀盤旋轉(zhuǎn)速度最低，避免對掌子面土體擾動過大，然后再開啟液壓及其他輔助系統(tǒng)裝置。

圖4 PLC模塊CC-Link網(wǎng)絡

3.2 操作順序

1)推出刀盤驅(qū)動部。選中1區(qū)～6區(qū)滑動油缸，使刀盤驅(qū)動部向開挖側(cè)滑動10 mm。在動作運行中，控制各組油缸行程差在設定值范圍內(nèi)。2)解除制動限制。動作24個鎖緊油缸，使其退回且限位指示燈全部亮起后，鎖緊油缸自動停止工作。此時，已解除對滑動油缸動作限制。3)退回刀盤驅(qū)動部。將1區(qū)～6區(qū)滑動油缸向盾尾方向整體滑動100 mm，待操作過程結(jié)束后，關(guān)閉液壓及輔助系統(tǒng)裝置。反之操作，可將刀盤驅(qū)動部推出至基準位置。

4 結(jié)論與體會

通過對盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動部滑動系統(tǒng)的設計制造及工程實際運用研究得知，運用刀盤驅(qū)動部滑動功能特性，使刀盤整體脫離掌子面土體。不僅在刀具更換過程中，給新刀具留有足夠的余量，減小刀具安裝阻力，為換刀人員快速、高效作業(yè)提供必要條件;而且可在盾構(gòu)施工中作為刀盤脫困應急方案。當?shù)侗P扭矩達到上限時，利用刀盤驅(qū)動部滑動系統(tǒng)，可減少掌子面土體作用在刀盤上的扭矩，使盾構(gòu)機快速恢復到正常掘進工作中。在南京市緯三路越江通道施工過程中，刀盤驅(qū)動滑動系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用，是整個盾構(gòu)機不可或缺的系統(tǒng)，以實踐證明該系統(tǒng)取得成功。

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