卜壯志，蒲曉波，馮培培

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450052)

長沙湘江隧道泥水盾構刀盤及主驅動的改造

卜壯志，蒲曉波，馮培培

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450052)

由于工程地質條件改變，為了更好地適應湘江隧道的施工，將一臺NFM泥水盾構進行改造。本次改造增加了2臺主驅動電機，對刀盤刀具的布置進行了優(yōu)化設計。詳細介紹盾構刀盤、主驅動控制系統(tǒng)等的改造。改造后泥水盾構在施工過程中使用效果良好，目前隧道已順利貫通。通過應用效果，證明本次改造的方案是可行的。

湘江隧道；大直徑泥水盾構；刀盤；主驅動；改造

0 引言

在此次盾構改造工作之前，已有相當豐富的盾構研制和改造經驗[1-4]，能確保改造工作的順利與成功。文獻[1]是將海瑞克泥水盾構的開挖直徑6 600 mm改造成6 280 mm，屬于直徑縮小改造，改造工作集中在盾體結構方面；文獻[2]是將NFM泥水盾構開挖直徑11 380 mm改造成11 650 mm，同時對盾構刀盤、盾尾密封、管片吊機、管片安裝機和后配套拖車等進行了改造；文獻[3]和文獻[4]分別介紹了小直徑和大直徑泥水盾構控制系統(tǒng)的設計與模擬試驗，包含了主驅動、推進、泥水循環(huán)等系統(tǒng)的控制方法、程序設計與試驗。

綜上所述，前期所開展的改造工作主要集中在結構方面，缺少電氣控制方面的改造，僅針對控制系統(tǒng)的設計開展了一些模擬試驗工作。但本次改造是將杭州運河隧道使用的一臺大直徑泥水盾構(NFM)拆機后進行改造并用于長沙市南湖路湘江隧道工程，改造工作包含了結構與電氣控制系統(tǒng)。杭州運河隧道工程地質條件以軟巖為主，南湖路湘江隧道工程主要是在強風化-中風化礫巖中穿過，河西局部地段穿越含水砂礫和圓礫地層，河東端為中風化礫巖地層，中間部分存在上軟下硬地層。不良地質主要表現(xiàn)為小規(guī)模的斷裂破碎帶以及隱伏的小溶洞。由于工程地質條件改變，需要對刀盤和主驅動控制系統(tǒng)進行改造。

1 改造前后工程地質適應性分析

盾構改造前所施工的杭州運河隧道工程地質條件為粉質黏土，粉質黏土夾粉砂，粉細砂圓礫、砂礫和卵石層，具有水量大、強透水、承壓性等特點。

盾構改造后所施工的南湖路湘江隧道主要是在強風化-中風化礫巖中穿過，河西局部地段穿越含水砂礫和圓礫地層，河東端為中風化礫巖地層，中間部分存在上軟下硬地層。

2 改造方案

由于地質情況的變化，刀盤結構與刀具需要進行改造。為了提高刀盤扭矩，主驅動部分需增加2套驅動組，因此電氣控制部分需要進行的改造有：變壓器擴容分析、變頻器控制柜的改造、PLC控制程序更改及上位機監(jiān)控系統(tǒng)更改。

2.1 刀盤結構改造

由于刀盤使用的地質情況發(fā)生變化，刀盤結構進行了以下幾個方面的改造，見圖1和圖2。

圖1 改造前刀盤總圖

圖2 改造后刀盤總圖

1)刀盤中心區(qū)域結構改造。將原刀盤中心區(qū)域安裝的軟土刀具更改為硬巖中心滾刀，改造后刀盤中心區(qū)域的開口率由原來的36%更改為34%。

2)刀盤周邊區(qū)域扇形塊結構改造。為了增加邊滾刀的數(shù)量，在8個扇形塊周邊開孔并增加邊滾刀的安裝位置。

3)刀箱改造。為了提高渣土在刀箱內的流動性，把刀箱盒子的厚度由780 mm改為500 mm。為防止因刀箱盒子厚度的改變而引起刀梁失穩(wěn)，在刀梁的側面增加圓鋼，此結構在換刀的時候可以作為吊點以及梯子，如圖3所示。

圖3 刀箱改造設計(單位：mm)

2.2 刀具型式及布置方式改造

1)在原刀盤焊接中心魚尾刀的位置，設計安裝4把17″中心滾刀。

2)原刀盤39把17″單刃滾刀改造為65把17″單刃滾刀。

3)原刀盤切刀和邊刮刀不改動。由于刀盤的開挖直徑變大(由原來的11 650 mm加大至11 680 mm)，增加了16把邊刮刀，邊刮刀的高度與原刀盤切刀的高度一致。原刀盤外圈梁表面的保徑刀已經起不到保徑的作用。為更好地保證開挖直徑，在原刀盤外圈梁表面增加32把5刃保徑刀。刀盤在該地質條件下掘進時，外圈梁(切口環(huán)相對)的端部磨損較為嚴重，在外圈梁的端部增加16把保護刀，以提高其耐磨性能。

4)增加加強型焊接撕裂刀。撕裂刀與滾刀設計在同一軌跡，內部區(qū)域每條軌跡布置1把撕裂刀，外部區(qū)域每條軌跡布置2把撕裂刀。

5)17″單刃滾刀與可更換撕裂刀可以互換。

2.3 變壓器容量分析

NFM主驅動系統(tǒng)配置1臺2 500 kVA變壓器，見圖4。2個次級繞組各1 250 kVA，每一繞組各帶動4臺主驅動電機，同時給500 kW的P2.1泥漿泵變頻器供電，總功率為2 148 kW(8×206 kW +500 kW )。

圖4 變壓器示意圖

現(xiàn)增加2臺主驅動變頻器，變壓器的2個副繞組各增加1臺主驅動電機的負載，總功率將達到2 560 kW(10×206 kW +500 kW)。變壓器容量

式中:P30為變壓器低壓側有功計算負荷，kW；Q30為變壓器低壓側無功計算負荷，kW。

無功計算負荷

Q30=P30tan (arccosφ)。

式中 cosφ為補償后的平均功率因數(shù)。

由于變頻器的功率因數(shù)近似于1，根據(jù)公式計算可得需要的變壓器容量為2 560 kVA，與變壓器的額定功率2 500 kVA基本相同。但考慮到刀盤主驅動與泥漿泵同時滿負荷長時間工作的概率很小，基本工作在額定功率的85%，并且變壓器在冷卻、環(huán)境溫度等條件良好的情況下，按照國家關于油浸式變壓器過載能力及時間的相關規(guī)定(見表1)，在不擴容變壓器的情況下基本可以滿足使用要求[5]。

表1油浸式變壓器過載能力及時間
Table 1 Overload capacity and time of oil-immersed transformer

過載倍數(shù)/%變壓器正常運行的過載時間/min101802015030120604575151007．51403．52001．5

2.4 主驅動系統(tǒng)的改造

2.4.1 改造前

刀盤驅動電機是無級變速驅動，每個電動機都有各自的變頻器。電動機由防塵防水的變頻驅動控制柜(IP55)進行控制，該系統(tǒng)符合歐洲EMC標準及EC的低電壓使用導則[6]。NFM泥水盾構主驅動變頻器選用的是西門子6SE7 032-1HG60-Z。變頻器一共8臺，以“一拖一”的方式驅動，電機額定電壓690 V，功率206 kW。同步控制模式采用主從控制方式，其中1#和8#電機帶有轉速傳感器，可被選為主機(一用一備，即工作時1#或8#中的任一臺被選為主機工作，其他為從機)。主機采用有速度傳感器的矢量控制方式，從機跟隨主機保持力矩跟隨。8臺變頻器均配置了Profibus DP通訊卡與主控制室的PLC通訊，主PLC通過向變頻器寫命令、控制字、讀狀態(tài)字的方式實現(xiàn)對刀盤主驅動系統(tǒng)的控制與監(jiān)測。變頻器之間通過光纖建立SIMOLINK環(huán)網，實現(xiàn)變頻器之間數(shù)據(jù)的快速互換(主要是主機將運行同步性的數(shù)據(jù)實時傳遞給從機，從而保持同步)。

2.4.2 改造后

為提高刀盤驅動扭矩，需增加刀盤電機數(shù)量?？紤]到保持原有柜體的完整性和密封性，將2臺新增的變頻器重新制作成新的變頻柜，安裝在現(xiàn)有控制柜之間的空平臺上，采用軟電纜連接方式進行供電，同時需將Profibus DP及光纖控制線連接到增加的變頻控制柜。電纜規(guī)格為3×70 mm2+1×35 mm2，并將同等規(guī)格電纜從變頻柜連接到盾體新增電機，變頻控制柜增加相應的電機檢測系統(tǒng)(溫度檢測、熱敏電阻檢測及加熱控制等)。同時需要增加相應繼電器、控制信號線纜等細化工作[7]。

2.5 PLC控制系統(tǒng)的改造

增加2套驅動組之后需要對現(xiàn)有的PLC控制程序進行相應修改，增加對2套變頻柜的控制與檢測功能。軟件方面，控制主要是通過控制字(CMD)實現(xiàn)(見表2)，另外還有頻率給定及力矩限幅給定等；檢測主要是通過狀態(tài)字(ETA)實現(xiàn)(見表3)，狀態(tài)字的各個位信息反應了變頻器的工作狀態(tài)，另外PLC讀取的數(shù)據(jù)還有輸出頻率、輸出力矩、輸出功率、輸出電流及故障代碼等。程序中還需注意刀盤總功率、總扭矩等的變化，同時增加新增驅動組的故障報警信號。

表2 6SE70變頻器控制字Table 2 CMD of 6SE70 frequency converter

表3 6SE70變頻器狀態(tài)字Table 3 ETA of 6SE70 frequency converter

2.5.1 控制系統(tǒng)的Profibus DP組態(tài)

新增2套變頻器與PLC建立Profibus DP通信，因此需要對PLC的DP模塊進行重新配置。DP模塊的Profibus DP總線配置是在施耐德(SyCon)軟件中進行的，通過導入西門子6SE70變頻器的GSD文件，即可配置DP總線。原Profibus DP總線一共有9個從站，分別是主驅動1#至8#變頻器和泥漿泵P2.1變頻器，站號設置分別是11，12，…，18，20；在此配置的基礎上，插入2個從站(即9#和10#變頻器)，站號分別設置成21和22，并對從站進行模塊站號配置及通訊數(shù)據(jù)的地址設置。在SyCon軟件中重新組態(tài)之后的總線系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 變頻器的Profibus DP組態(tài)

2.5.2 PLC控制程序的修改

PLC控制程序是在施耐德編程軟件PL7 Pro V4.4環(huán)境下編寫的。該編程軟件主要有4種編程語言，即：梯形圖(LD)、樹形圖(Grafcet)、結構化文本(ST)和指令列表(IL)。在一個應用程序中，4種語言可以混合使用，以最安全、最簡化的程序達到控制目的。本工程的應用程序就混合有LD，ST，Grafcet 3種語言，程序的編寫是按照盾構的各個功能系統(tǒng)進行劃分的，包括刀盤、推進、管片安裝機、泥水循環(huán)、盾尾密封、油脂系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水路和氣路等。此次改造是在主驅動系統(tǒng)增加2臺驅動組，因此需要修改的控制程序主要是刀盤系統(tǒng)以及與上位機監(jiān)控功能有關的數(shù)據(jù)處理。

刀盤主驅動系統(tǒng)的程序目錄下共有5段子程序，如圖6所示。這5段子程序分別實現(xiàn)模擬量處理、故障報警、數(shù)字量邏輯處理(即控制邏輯)、Profibus通訊數(shù)據(jù)處理和仿形刀的控制。刀盤控制程序的改造可按照上述功能一一進行。

圖6 刀盤主驅動系統(tǒng)的程序目錄Fig.6 Catalogue of program of main drive system of cutter head

2.6 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的改造

本工程中盾構監(jiān)控系統(tǒng)所用的組態(tài)軟件為PcVue8.0版。PcVue8.0版組態(tài)軟件是法國彩虹計算機公司推出的新一代監(jiān)控軟件，并廣泛應用于工業(yè)自動化領域。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計總體上可按以下順序進行：確定底層連接—界面上添加刀盤電機顯示—設定電機地址—設定報警變量—設定相應變量的存儲。改造后的上位機主驅動的監(jiān)控界面滿足對新增2臺電機的預選、控制、監(jiān)測、報警及數(shù)據(jù)歸納總結功能，如圖7所示。

3 主驅動調試及應用效果

3.1 主驅動變頻器單機調試

變頻器、電機、電纜連接后必須對每一臺變頻器作辨識，同時判斷每單臺電機旋轉方向是否一致，確保聯(lián)機驅動時電機方向正確。

變頻器單機調試步驟如下。

1)硬件檢查。變頻器接線檢查，通訊線接線檢查；電機接線、線路、電機絕緣、電阻檢測；變頻器防潮檢測；CBP通訊板和SLB板的運行狀態(tài)檢查。硬件檢查確認無誤后，方可通電。

圖7 更改后上位機主驅動界面示意圖

2)變頻器辨識及電機方向判斷。為了準確確定電機參數(shù)，本地啟動電機進行方向判斷之前，需要對變頻器做電機數(shù)據(jù)辨識，即自整定。在變頻柜處，變頻器與DriveMonitor聯(lián)機。

①變頻器辨識。在線修改參數(shù)P115：0→2，啟動靜態(tài)電機數(shù)據(jù)辨識，辨識正常完成后，參數(shù)P115的值自動恢復2→0。

②電機方向判斷。在線修改參數(shù)P060：7→5，選擇“系統(tǒng)設置”菜單；修改P100：4/5→1，選擇V/F控制模式。然后，給定電機速度，啟動電機。通過給定速度正負值，判斷電機轉向，正值時對應順時針轉動，負值時對應逆時針轉動。電機方向判斷完成后，需要在“系統(tǒng)設置”菜單下，將P100的值修改回原值。需要注意的是，一個方向判斷完成后，要等電機完全停止轉動之后，才能啟動相反方向轉動。

表4為1#至10#變頻器辨識及電機方向判斷結果。

表4 1#至10#變頻器辨識及電機方向判斷
Table 4 Identification of No.1 to No.10 frequency converter and motor direction judgment

編號辨識情況給定速度輸出電流/A電機方向單電機啟動情況1正常+10%/-10%+79．5/-80．9正/反平穩(wěn)2正常+10%/-10%+79．6/-82 正/反平穩(wěn)3正常+10%/-10%+82．3/-81．4正/反平穩(wěn)4正常+10%/-10%+83．1/-79．5正/反平穩(wěn)5正常+10%/-10%+79．8/-81．2正/反平穩(wěn)6正常+10%/-10%+81．5/-80．3正/反平穩(wěn)7正常+10%/-10%+81．0/-81．6正/反平穩(wěn)8正常+10%/-10%+80．4/-80．6正/反平穩(wěn)9正常+10%/-10%+82．5/-82．3正/反平穩(wěn)10正常+10%/-10%+79．4/-79．2正/反平穩(wěn)

注：給定速度采用百分比的表示方法，+10%代表電機額定轉速的10%正轉，-10%代表電機額定轉速的10%反轉。

3.2 主驅動系統(tǒng)聯(lián)動

選擇刀盤工作模式為正常模式。在上位機“主驅動”監(jiān)控界面預選電機，刀盤啟動后，在該界面上可以同時看到多臺電機的運行效果。

1)選擇1#變頻器作為主機，其余為從機，在上位機監(jiān)測到的主驅動電機運行狀況如圖8所示。在0.65 r/min時，從趨勢圖中可以看到刀盤的轉速和扭矩曲線平穩(wěn)，變頻器運行狀態(tài)良好，同步性良好。

圖8 1#變頻器作為主機時的監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 Monitoring data when No.1 frequency converter is used as main drive

2)選擇8#變頻器作為主機(不選1號變頻器)，其余為從機，在上位機監(jiān)測到的主驅動電機運行狀況如圖9所示。在1.04 r/min時，從趨勢圖中可以看到刀盤的轉速和扭矩曲線平穩(wěn)，變頻器運行狀態(tài)良好，同步性良好。

圖9 8#變頻器作為主機時的監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Monitoring data when No.8 frequency converter is used as main drive

3.3 改造調試后的應用效果

本次改造于2012年3月在工地改造調試完成，2012年4月盾構順利始發(fā)，盾構始發(fā)后工地掘進使用效果比較理想，有效地提升了盾構的掘進速度和輸出扭矩。掘進過程中未發(fā)現(xiàn)變壓器容量問題，截至2013年2月，該隧道已經順利貫通，證明了改造方案的可行性。

4 結論與討論

本次改造整體上是比較成功的，提高了盾構的掘進速度和使用效率，大大縮短了施工周期，可為以后的類似工程提供參考。但本次改造還存在一些不足，例如刀盤在全砂礫地層中，刀盤中心區(qū)域容易結泥餅，從而給施工造成極大的不便；而后在刀盤中心回轉區(qū)域增加噴水口，使問題得到解決。這些問題還需要在以后的工作中繼續(xù)探索和研究。

[1]陳建,張寧川,呂建樂.S259號泥水平衡盾構改造[J].隧道建設,2007,27(6): 71-75.(CHEN Jian,ZHANG Ningchuan,LV Jianle.Refurbishment of S259 slurry balanced shield machine[J].Tunnel Construction,2007,27(6): 71-75.(in Chinese))

[2]王偉.武漢長江隧道泥水盾構的改造[J].隧道建設,2010,30(8): 476-481.(WANG Wei.Modification of slurry shield originally used in Yangtze River in Wuhan[J].Tunnel Construction,2010,30(8): 476-481.(in Chinese))

[3]陳饋，韓亞麗.泥水盾構控制系統(tǒng)模擬試驗臺[J].建筑機械化,2007(4): 59-62.(CHEN Kui,HAN Yali.Simulation test-bed of slurry shield control system[J].Construction Mechanization,2007(4): 59-62.(in Chinese))

[4]馮培培，卜壯志.大直徑泥水盾構試驗臺的控制系統(tǒng)設計[J].隧道建設,2011,31(4): 524-528.(FENG Peipei,BU Zhuangzhi.Analysis of control system for large diameter slurry shield test-bed [J].Construction Mechanization,2011,31(4): 524-528.(in Chinese))

[5]蘇文成.工廠供電[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[6]劉錦波，張承慧.電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，2006.

[7]吳忠智,吳加林.變頻器原理及應用指南[M].北京: 中國電力出版社,2007.

京沈高鐵2014年上半年開工建設總投資1 245億元

東北地區(qū)進京的高速鐵路京沈高鐵將于2014年上半年全線開工建設。這條全長709 km的高鐵將實現(xiàn)京沈兩地“半日交通圈”。京沈高鐵開通后，北京至沈陽的運行時間將壓縮至2 h 30 min左右，比目前縮短一半時間。

據(jù)悉，京沈高鐵估算總投資1 245億元，按照時速350 km設計建設，建設工期5年。其中遼寧段全長406.8 km，占線路總長的近6成。這條高鐵將設置20座車站，其中新建車站19座。

目前，京沈間雖然開行動車組列車，但只有秦皇島與沈陽間鋪設了客運專線，動車組時速也只有200 km。新建的京沈高鐵線路將走行遼寧西部的錦州、阜新、朝陽，進入河北承德，經北京密云、懷柔、順義進入北京星火站。

京沈高鐵開通后，遼寧省14個城市將有13個通高鐵。屆時，唯一不直通高鐵的撫順市也將通過環(huán)線鐵路建設與高鐵接軌。

京沈高鐵是中國中長期鐵路網規(guī)劃中“四縱四橫”客運專線主骨架的重要部分。這條高鐵建成后，區(qū)間內城市將開行城際列車，既有的沈陽至山海關鐵路也將釋放大量運能。

(摘自 新華網 http://www.chnrailway.com/html/20131231/333698.shtml 2013-12-31)

鹿島建設采用子母盾構開挖東京雨水干線隧道

鹿島建設于2013年12月4日公開了采用子母盾構開挖東京雨水干線隧道的現(xiàn)場照片。東京都下水道局為業(yè)主的雨水引水隧道“東大島干線及南大島干線二期工程”(江東區(qū))施工長度約為1 540 m。鹿島建設采用外徑為7.1 m的母機開挖了700余m后，再使用內置的外徑為5.34 m的子機始發(fā)，目前子機掘進了大約300 m。

隧道是從引水的下游一側開始施工的。因為在中途存在與其他引水隧道的合流部，需要的流量變小，所以適合采用子母盾構開挖。據(jù)說鹿島建設也僅有幾個子母盾構的施工案例。盾構上還裝備了使用高壓水切斷排除地下障礙物的特殊噴嘴，能夠順暢地通過地鐵工程殘留的障礙物。

母機于2012年5月開始掘進，子機于9月分離始發(fā)，預計2014年3月完成施工。

(摘自 中鐵工程裝備集團有限公司 http://www.crectbm.com/News/View/5504.aspx 2013-12-27)

CaseStudyonRefurbishmentofCutterheadandMainDriveofSlurryShieldforXiangjiangRiverCrossingTunnelinChangsha,China

BU Zhuangzhi,PU Xiaobo,FENG Peipei
(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450052,Henan,China)

A large-diameter slurry shield has completed its boring of Yunhe tunnel in Hangzhou.Now the slurry shield is to be used for Xiangjiang River Crossing Tunnel in Changsha.Therefore,the slurry shield needs to be refurbished so as to suit for the geological conditions of the new project.In the refurbishment of the slurry shield,2 main drive motors are added and the arrangement of the cutterhead and cutting tools is optimized.In the paper,the refurbishment of the cutterhead and main drive control system of the slurry shield is presented.The refurbished slurry shield has achieved good results in the construction of the new tunnel,which proves that the refurbishment is feasible and rational.

Xiangjiang River Crossing Tunnel; large-diameter slurry Shield; cutterhead; main drive; refurbishment

2013-03-27;

2013-12-12

卜壯志(1986—)，男，河南洛陽人，2009年畢業(yè)于解放軍防空兵指揮學院，電子信息專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事盾構制造與設計工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.015

U 455.3+1

B

1672-741X(2014)01-0088-06