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盾构被动铰接液压系统原理及操作注意事项

 王国义 2022-02-08

        盾构机为达到较小的转弯半径,一般设计有被动铰接或主动铰接。

        盾构被动铰接如下图:

        盾构主动铰接如下图:
       主动铰接与被动铰接主要区别在于盾构推进油缸与管片之间的位置有所不同,导致管片受力不同。主动铰接是推进油缸固定在中盾和盾尾内,管片也在盾尾内,无论是直线段还是曲线段理论上推进油缸中心和管片中心是在同一个中心线上,管片前端面受到推进油缸推进力较好;被动铰接是推进油缸在前盾和中盾内,管片在盾尾内,当在曲线段时理论上推进油缸中心和管片中心不在同一个中心线上,管片受力不好。因此,铰接设计从管片拼装及隧道质量理论上来看,主动铰接优于被动铰接;从成本控制来看,被动铰接优于主动铰接。现今盾构为控制成本,一般采用被动铰接。
        本文主要介绍被动铰接。盾构被动铰接操作面板如下图:
        面板左侧显示的是被动铰接油缸位置图,共14根油缸,2、5、10、13号油缸是具有行程传感器的油缸。右侧上方是四个行程传感器的显示值,盾构司机可通过上述数值确定油缸行程。直径6250mm盾构被动铰接最大行程一般为150mm。面板中间下侧显示的是被动铰接油缸有杆腔的液压油压力值,通过此值可判断盾尾所受到的外界摩擦力。
        面板下侧右边旋钮有三个挡位,拉上、保持和释放,实际上这是铰接油缸系统的操作钮。当操作钮在保持档时,盾尾处于浮动状态,盾尾随着中前盾向前走,是拉着盾尾走,当盾尾四周所受摩擦力不同时,14根油缸的行程有所不同,有的长一些有的短一些,所受摩擦力大的位置油缸被拉长,但14根油缸内的液压油体积是不变的。当将操作钮旋转至拉上档时,液压油泵启动,有杆腔内通高压油,油缸回缩。当将操作钮旋转至释放档时,有杆腔内液压油与外界相通,随着中前盾向前推进,有杆腔内卸油,盾尾不动,中前盾向前推进,油缸被拉长。铰接油缸操作钮旋转至拉上或释放只允许在盾构推进条件下操作,这是通过程序控制的。
       盾构被动铰接液压系统原理如下图:
        盾构被动铰接液压系统原理如下:
        盾构正常掘进或停机(保持档)时,截止阀9、11、209、214处于开启状态,截止阀10处于关闭状态。二位二通阀212.1、10.3、10.4处于无电状态。电机201、液压泵206处于不启动状态。14根油缸无杆腔与大气相通,有杆腔相互连通但与外界封闭。
        当在盾构掘进过程中,损伤钮旋转至拉上档,电机201无载启动、带动泵206启动,低压油经油箱、滤芯210、截止阀209进入液压泵206低压口、高压油经液压泵206高压口流出,经阀212.1下位流入油箱。泵正常启动稳定后,阀212.1得电,阀芯处于上位,阀212.1不再卸油。此时,阀10.4得电,阀芯处于上位,高压油经单向阀212.3、液压表216、截止阀214、阀10.4、截止阀9进入14根油缸有杆腔,推动铰接油缸杆回缩。高压油油压超过安全阀212.2压力时阀212.2卸油。当铰接油缸回缩至要求行程时操作钮旋转至保持档。
        当在盾构掘进过程中,操作钮旋转至释放档。阀10.3得电,阀芯处于上位,14根有杆腔与液压油箱相通,有杆腔油压降为0。随着盾构中前盾向前推进,铰接油缸杆向前走,有杆腔液压油油压升高,有杆腔液压油经截止阀9、阀10.3、流回油箱,铰接油缸杆伸长。当铰接油缸伸长至要求行程时操作钮旋转至保持档。
        当铰接油缸极限行程为150mm时,一般控制铰接油缸行程在10~140mm之间。当超过此范围时盾构程序自动控制,不允许盾构再掘进或操作。
       溢流阀10.2是安全阀。当盾构向前推进,盾尾摩擦力较大,有杆腔液压油压力超过300bar时,安全阀10.2溢流,铰接油缸杆伸长。当铰接油缸伸长至极限前必须停止掘进。
        压力传感器8可实时测量铰接油缸有杆腔的压力值,并显示在操作面板上。
       盾构组装时铰接油缸的伸长与回缩:当盾构组装时,在始发井内铰接油缸有时需要伸长或回缩。回缩只要操作钮旋转至拉上档就可以了。当需要伸长时,将截止阀11关闭,截止阀10打开,操作钮旋转至拉上档,高压油经阀10.4、截止阀9进入14根铰接油缸的无杆腔和有杆腔,由于无杆腔与有杆腔的受力面积不同,进而导致铰接油缸杆伸出,进而达到盾尾向后移的目的。
        注意:为防止盾尾密封刷受到损伤,盾构在隧道内施工时是不允许盾尾后移的。
        有时盾尾被同步浆液包裹或盾尾外壳与原状土摩擦力较大,造成铰接油缸有杆腔液压油压力超过300bar。盾构向前推进时,铰接油缸杆伸长至极限,造成盾尾被困住。这就需要采取一些措施,确保盾尾继续随着盾构中前盾向前走。一般盾尾脱困采用中盾与盾尾间(即铰接处)焊接钢板或将铰接油缸拆下直接安装钢制硬连接,强行拉着盾尾前移,实现盾尾脱困。这就存在盾尾铰接处被拉变形的风险。
       注意:为防止盾尾被拉变形,正确做法是在强行拉盾尾的同时,被动铰接应处于拉上档,让铰接油缸继续起到受力作用。但此种条件下盾尾还是有变形的风险,最优方法是采用其他办法解决降低盾尾外壳与原状土之间的摩擦力(如盾尾外壳与原状土间注润滑剂或清理掉盾尾外壳的包裹物等)。
       有的盾构施工者采用将截止阀9关闭的方法实现盾尾脱困:即使有杆腔液压油压力超过300bar,液压油也不会经截止阀9、安全阀10.2溢流回油箱,导致有杆腔液压油压力继续升高,有可能造成铰接油缸有杆腔与无杆腔之间密封损坏,此种脱困方法是不可取的。
           

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