收稿日期：2011－05－27
基金项目：国家科技支撑项目（No．2006BAJ16B06）
作者简介：刘福东（1982—），男，黑龙江双城人，2004年毕业于东北大学机械工程及自动化学院液压与控制专业，本科，现从事盾构机液压系统设计。
土压平衡盾构机推进液压系统设计分析 刘福东1，郭京波 2
（1．北京华隧通掘进装备有限公司，北京100081；2．石家庄铁道大学，石家庄050043）
摘要：盾构机具机、电、液、测控、土木等多学科技术于一体的工程机械。本文就北京地铁施工中所使用的一种直径10．22m 土压平
衡盾构机的推进液压系统，
对其功能、原理及设计进行分析研究。关键词：土压平衡；盾构机；推进系统；液压原理
中图分类号：TH 137文献标志码：A
文章编号：1672－741X （2011）增刊1－0405－06 Analysis on Design of Hydraulic System of EPB Shield Stepping LIU Fudong 1，GUO Jingbo 2
（1．Beijing Huasuitong Boring Equipment Co．，Ltd．，Beijing 100081，China ；
2．Shijiazhuang Tiedao University ，Shijiazhuang 050043，China ） Abstract ：Tunnel boring machine is a kind of construction machinery which includes machine ，electricity ，hydraulic ，monitoring and control and civil
engineering．The functions ，principles and design of screw conveyer hydraulic system of a 10．22m-diameter EPB shield adopted in the construction of Beijing Metro are analyzed．
Key word ：EPB shield ；stepping system ；hydraulic ；theorery 0引言
盾构是城市地铁及地下隧道施工中的重要设备，随着城市进程的加快，其使用范围越来越广，在工程施工中所占的比重也越来越大，盾构机是具机、电、液、测控、土木等多学科技术于一体的工程机械。
在地下隧道施工过程中，为保证地面建筑以及地表设施的安全、防止地表隆起或塌陷，必须严格控制地表沉降。所谓土压平衡就是密封土仓中切削下来的土体和泥水充满密封土仓，并建立适当压力与开挖面的土体压力平衡，以减少对土体的扰动，控制地表沉降。要做到土
压平衡控制，
就要依赖推进系统及螺旋机系统（见图1）配合使用。本文就北京地铁施工中的某一土压平衡盾构机，对其推进液压系统设计进行分析研究。
图1螺旋输送机在盾体中布置示意图
Fig．1Position of screw conveyer in the shield machine
盾构机中盾周边均匀设置36根推进油缸，该油缸通过对已安装完的隧道管片施力，使盾构获得向前掘进的推力。改变推进油缸的推进速度或者改变螺旋输送机的转速均可以达到改变土仓压力的目的。
1推进液压系统的功能要求 见表1。
表1推进液压系统的功能要求表
Table 1Function requirements of screw conveyer hydraulic system 功能要求描述 技术参数
总推力F =108000kN ；推进速度v =0 8．5cm /min；管片宽度L =1800m /min 调速功能掘进过程中，
操作室需要通过手动调整或自动程序调整推进油缸伸出速度以达到调节盾构机土仓压力的目的，所以
推进油缸的速度要求远控可调管片模式
该模式在管片安装时采用，液压系统压力较低，并可随意选择1根或几根推进油缸进行伸出及缩回操作
掘进模式该模式在掘进时采用，液压系统使用高压，不能进行缩回操作选择模式
这种模式下，在掘进过程中可以随意选择活动的推进油 缸，进行高压下的推进操作。当掘进施工需要调向或改变坡
度时，可以选择一部分推进油缸高压推进，另一部分油缸低压随动，利用由此产生的推力差来调整盾构机姿态
推进分区
可以在每个推进分区调节液压压力及流量，
通过在推进分区设定不同的液压压力，可以实现姿态控制操作 第31卷增刊12011年8月 隧道建设
Tunnel Construction Vol．31Sup．1Aug．2011 2推进液压系统原理设计
根据表1的功能要求设计推进系统液压原理图（见图2）
。
图2推进系统液压原理图
Fig．2
Hydraulic mechanism of stepping system 6
04隧道建设 第31卷 3
推进液压系统主要元件技术参数设计计算分析 3．1
推进油缸规格设计计算
根据工艺要求确定设置36根推进液压缸，设置在盾尾內圆周均匀布置。 则单缸受力 F 单= F 36=108000 36
=3000kN 。由于盾构机内空间局限，为减小推进液压缸所占空间， 系统额定压力采用高压P =35MPa 。液压缸内径D 按以上压力计算： F 单= π4 D 2
ˑ P D = 单 πˑ p
=ˑ 3000ˑ 10πˑ 35ˑ 10 6≈330mm
由此确定油缸内径D =330mm ，活塞杆直径d =260mm 。
根据密封规格、管片宽度（1．8m ）、楔形管片的搭接要求（1/2管片宽度），受力情况及操作空间（油缸行程余量150mm ）等确定油缸行程
S =1800+ 1 2
ˑ 1800+150=2850mm 。3．2主泵规格设计计算
盾构最大推进速度为8．5mm /min，36个液压缸所需最大流量为 Q max =v 1A =8．5ˑ10 －2 ˑ
πˑ （330ˑ10 －2） 2 4
ˑ 36≈261L /min。
系统设置4个比例溢流阀（见图2），比例溢流阀稳定工作的最小流量为0．3L /min，
则泵的输出流量为Q p =Q max +4ˑ q r =261+1．2=262．2L /min。根据系统最大工作压力及所需流量要求以及系统工作特性要求，选取2台美国伊顿Vickers 斜盘式轴向
柱塞电控比例变量泵PVXS 250－SP ，排量250cm 3 /r，
额定压力42MPa 。该泵通过电位计输入控制斜盘角度，改变泵排量，能实现远程控制系统供油流量进而控制盾构推进速度的目的。3．3
电机功率计算及选择
根据最大推进速度下Q p =262．2L /min，系统额定压力P =35MPa ，计算泵的实际输出功率N p =P max Q p =262．2ˑ 10－3ˑ 35ˑ 106
60≈153kW 。 电机的输出功率 N E = N ηpm ˑ ηpv = 153
0．86ˑ 0．96
=185．3kW 。式中：ηpm 为泵的机械效率，取值0．86；ηpv 为泵的容积
效率，
取值0．96。根据实际的施工工况，一般最大速度和最大推力不会同时使用，故选取2台西门子电机，功率为90kW ，额定转速为1480r /min。3．4油箱设计
此系统中，由于油缸的的容积相比系统流量要大 出很多倍，
所以按照系统流量的经验倍数公式确定油箱容积的方法此处不适用。油箱容量按照系统所需油
量的工序来设计，
即全部油缸全行程伸出的动作。36个液压缸走完1个行程所需油量为Q 伸=36ˑ
4d 2S =36ˑ 4
ˑ （260ˑ10 －3）2ˑ 2850ˑ10 －3=5．447m 3。 综合吸油口的高度（设计为底部吸油），台车的机 架空间，
设计油箱容积为11．5m 3 ，尺寸为5000ˑ 1510ˑ 1530。 3．5冷却器的计算及选择
本系统设计为变量控制系统，即除了维持元器件 的稳定工作所需的最低控制油、
溢流油（比例溢流阀）及泄露油流量外，基本全部用于做功，所以系统能量损失极少。按照经验系数估算系统最大发热量约为
p 热=30%ˑ P 泵输入=30%ˑ 180=54kW 。综合考虑系统回油流量及压力，选择德国HYDAC 公司的HEX 型板式油/水冷却器HEX 722－60。在温差
为ΔT =20ʎ 、V 油/V水=4，冷却功率约为70kW 。 4推进系统功能原理分析 1
）电控比例变量柱塞泵（图2中件号1）可无极的 控制排量，
其排量与泵集成比例电磁阀的控制信号其关系如图3所示。 图3
电控比例变量泵控制信号与排量关系曲线 Fig．3
Relationship between control single of electronic control variable pump and its output
7
04增刊1刘福东，等：土压平衡盾构机推进液压系统设计分析 此处采用0 10V 控制信号，当输入信号为0时， 泵理论排量为0；当输入信号为10V 时，泵理论排量为 100%。由图3可知输入信号与泵排量基本成正比。 该泵的控制传递框图见图4
。 图4
电控比例变量泵控制传递框图 Fig．4
Transfer course of electronic control variable pump control system
推进油缸的速度控制可以实现由推进速度设定电位计输入，推进速度经位移传感器反馈所组成的的小开环控制以及由土仓压力设定电位计输入，土仓压力经土压计反馈所组成的大闭环控制。
在螺旋机转速一定的情况下，操作员可在手动模式下通过手动电位计输入模拟量控制信号来控制推进油缸速度；或在自动模式下通过人机界面输入控制目标参数即土压目标值，控制系统按照以上传递框图对泵进行闭环控制以达到自动调节推进油缸速度，进而维持工作面平衡土压的目的。油缸速度、螺旋机转速、土仓压力可通过上位机画面显示读出。
泵出口设置单向阀（图2中件号2），以隔离系统压力异常对主泵造成的冲击。
2）电磁溢流阀组使用电磁换向阀（图2中件号6和7）及溢流阀（图2中件号5，8，9，10）形成多级溢流阀。电磁铁动作逻辑表见表2。
表2
电磁溢流阀组电磁铁动作逻辑表 Table2
Electromagnetism actions of
electromagnetism overflow valve 系统压力/MPa
SV －SJU1a b SV －SJK1a b 卸荷－－－－33+－－－21－++－17－+－+8
－ + － －
3）旁通调速阀组仅作为电控比例变量泵备用调速 方式使用，其入口球阀为常闭设置，调速阀设置在操作 室操作台旁边，操作员触手可及，应急使用非常方便。
4）推进主操作阀组集成推进主换向阀（图2中件号29），液控单向阀控制阀（图2中件号30），随动操作减压阀（图2中件号28）、随动换向阀（图2中件号27）、补油单向阀。
5）推进分区设置共4个部分（见图5），操作员可使用操作室控制台的电位计分别对比例调速阀（图2中件号25）、比例溢流阀（图2中件号14）进行手动输入；或者采用自动模式PLC 程序自动复合控制分区系统压力及流速，
通过制造各分区的推进速度及压力差，达到控制盾构姿态的目的。电磁换向阀（图2中件号26）的电磁铁b 得电时，分区采用比例流量压力供油，电磁铁a 得电时则越过比例流量压力部分，直接对选择阀供油
。
图5推进分区设置示意图Fig．5 Setting of stepping partition 8
04隧道建设 第31卷
6）推进选择阀组是推进系统的核心部分，两位三通电磁阀（图2中件号14）和不平衡型逻辑阀（图2中件号15）以及单向阀（图2中件号13，
17）组成选择功能块。
在（图2中件号14）断电的情况下，即使主操作换向阀（图2中件号29和26）换向至左位或右位，（图2中件号15）任一主油口受到高压油，阀芯两端都会同时接收到高压油液，由于阀芯左端面（如图2所示）受油面积大于阀芯右端面受油面积，
所以该阀将保持左位，主油路处于切断状态，推进油缸的动作只受随动电 磁换向阀（图2中件号27）的控制且仅能伸出动作。当两位三通电磁阀得电时，液控切断阀阀芯左端面泄压，此时无论高压油通到液控切断阀任一主油口，阀芯都会因为右端面受液压力而换向至右位，
油路成通路，推进油缸即可由主操作阀组控制伸缩动作。液控单向阀（图2中件号18）起止退功能，可保证推进油缸不受外力影响而缩回，且能隔离油缸的负载扰动对阀控系统的冲击。
推进阀控系统电磁铁动作逻辑表见表3。 表3
推进阀控系统电磁铁动作逻辑表 Table 3
Electromagnetism actions of stepping valve control system 动作
SV －SJ SV －SJF SV －SJPP SV －SJB1a b a b a b a b EL －SJP1EL －SJL1SV －SJn*推进随动推进
比例压力控制
比例流量控制变量泵控制计随动全随动计随动全随动计随动全随动 － +
－+－++－－++－－++－－+－
－ － +
手动或自动手动或自动+ －
－－－+手动或自动手动或自动+－ －－+－无输入无输入+－ 收缩 + － － － － + + － 无输入 无输入 +
注：SV －SJn*
代表液压原理图中的件14电磁铁，可同时选择多个。
“计”随动表示只有配置了位移传感器的4支油缸处于随动状态。其他油缸如不被选择推进，则保持原位不动。
“全”随动表示全部油缸均处于随动状态。在“全”随动时，被选中推进动作的油缸，推进动作优先。如果该油缸在盾构推进中途被取消推进动作，则其自动转入随动动作。
如果没有一只油缸被选中进行动作，即件14均不得电，则推进主换向阀被连锁不能得电，其状态保持中位，换向操作失灵。
7）安全阀（图2中件号16）可推进油缸无杆腔的安全压力。
8）每个压力分区中都有一只油缸配置位移传感器（图2中件号39），分别为SJ1，SJ10，SJ19，SJ27。这4支传感器在盾构圆周上均匀布置，所检测的数据供操作人员实时监测盾构的推进位移及速度以及自动控制程序使用。
9）温度计（图2中件号34）设置高温报警点；液位继电器（图2中件号35）设置液位最低点，该点与主泵控制做停泵连锁，当液位达到最低点时，主泵停泵。
5结束语
本文讨论的盾构机推进液压系统设计较为复 杂，
元器件设计类别很多，为满足自动控制的要求，除常规液压元件外，还选用了比例液压元件、传感器元件等。整个设计考虑周全，大量螺纹插装阀的运用更使设计新颖独到，
值得借鉴。比例液压元件及传感元件的使用促进了盾构施工向更高的自动化程度的迈进。
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