0 引言
眾(zhong) 所周知，矩形斷麵隧道比圓形斷麵隧道更能充分利用結構斷麵，合理的形狀分布能減少土地征用量和地下掘進麵積，有利於(yu) 降低工程總體(ti) 造價(jia) ，被廣泛應用於(yu) 城市的地下人行通道、綜合管廊等市政隧道工程中。在矩形隧道建造中，大都采用矩形隧道掘進機成套設備，其中的後推進係統是掘進機在施工中推進的關(guan) 鍵設備。掘進機通過後推進係統中的液壓油缸頂伸來產(chan) 生向前掘進的動力。由於(yu) 各種形式的小口徑掘進機本體(ti) 受後頂作用力麵積較小，所用推進液壓油缸數量少，較易控製。而大截麵(6m×4m以上)矩形隧道掘進機(以下簡稱掘進機)不同於(yu) 其他形式的小口徑掘進機，因其大截麵、大寬度矩形的特點，使掘進機在初始以及在以後的各個(ge) 掘進階段會(hui) 受到各個(ge) 方向的作用力，特別是受後推進左右兩(liang) 邊的頂力影響比較大，通常容易形成水平方向的左右偏差，控製比較困難。
上海陸家嘴中心區域地下空間項目工程，分別建造4條(6m×4m)地下矩形通道來連接上海中心、國金中心、金融大廈、環球大廈和地下空間區域等地下部分，形成一個(ge) 共同的地下空間。由於(yu) 項目四周都是高樓大廈，地麵道路均是主幹道，地質情況複雜，始發井設置與(yu) 施工難度較高。工程需要采用不設接收井在封閉空間內(nei) 掘進機進洞，以及在狹小始發井內(nei) 采用掘進機斜向出洞等用於(yu) 特殊環境下的矩形隧道建造技術。這種工況不僅(jin) 增加了掘進機作業(ye) 的難度，也加大了後推進係統左右兩(liang) 邊偏差控製的難度，如果後推進係統不能起到有效的控製作用，將會(hui) 引起掘進機推進軸線發生偏差，影響掘進機的準確進洞。所以，在施工措施中，後推進係統對於(yu) 確保工程的實施將起到關(guan) 鍵性的作用。
近年來，國內(nei) 外已有許多關(guan) 於(yu) 矩形隧道掘進機的施工、進洞、風險分析及應對措施的相應研究成果。許多文獻在論述後推進係統對控製掘進機斜向出洞的左右偏差控製的作用與(yu) 重要性方麵比較少，敘述後推進係統液壓油缸同步伸縮控製相對於(yu) 斜向出洞的施工需求針對性不夠，對變頻電機直接應用於(yu) 後推進係統液壓控製未作詳盡描述。傳(chuan) 統的後推進係統存在的問題是:液壓油缸整體(ti) 同步伸縮控製方式在應對斜向出洞左右頂推力差異較大的工況時，左右偏差控製比較困難;在操作上設立單獨控製台，與(yu) 掘進機主機分開工作，使施工作業(ye) 不協調;在控製上采用單片機作為(wei) 控製主機，抗幹擾性差，故障率高，不易調試與(yu) 擴展;在液壓係統方麵，傳(chuan) 統控製響應速度較慢，影響糾偏效率，且結構複雜、故障較多等。為(wei) 此，本文以上海陸家嘴中心區地下空間開發項目為(wei) 背景，著重開展對掘進機新型後推進係統創新設計，來有效地解決(jue) 上述存在的難題。研究的技術創新措施包括:采用液壓油缸左右側(ce) 分別同步伸縮控製技術，將能充分克服掘進機斜向出洞時左右頂推力差異較大的難題;設計把後推進係統操作與(yu) 控製功能融入掘進機主控係統的方案，省去單獨控製台，使操控協調、直觀簡便;用PLC替代單片機控製來為(wei) 施工軸線糾偏提供保障，降低係統故障率，更便於(yu) 調試與(yu) 升級;將采用變頻電機直接控製液壓定量泵技術，能保證偏差控製可靠、響應快速，既節能又優(you) 化液壓係統結構。本文還將對新型後推進係統的監控係統和實際施工操作進行詳盡論述。
1 係統構架
掘進機新型後推進係統的總體(ti) 構架設計涵蓋了控製係統、操作係統、液壓係統和監控係統等。係統結構示意如圖1所示。
圖1 係統結構示意圖
2 係統工作原理
係統後推進油缸組設計為(wei) 左右兩(liang) 側(ce) 分別同步控製形式，使兩(liang) 邊油缸能各自分別靈活作業(ye) 。采用計算機PLC控製技術，可在控製室確定手動或自動模式工作，在人機對話觸摸屏、操作麵板上發出控製指令，PLC主站將信息通過CC－Link網絡傳(chuan) 遞到各個(ge) CC－Link子站。由地麵控製櫃CC－Link子站來控製左右2台變頻器驅動液壓係統泵站工作，使左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸伸出帶動頂鐵、混凝土管段向前推進掘進機，並通過左右兩(liang) 側(ce) 井下控製櫃的CC－Link子站來控製左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸的液壓閥組。係統各類傳(chuan) 感器通過對水平方向左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸的伸出行程、速度和壓力檢測，以及全站儀(yi) 的推進軸線測量，經過綜合分析、運算處理來解決(jue) 左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸的行程偏差控製問題，同時對兩(liang) 側(ce) 後推進油缸推進壓力與(yu) 速度進行作業(ye) 同步控製，保持壓力均衡，以實現施工軸線處於(yu) 有效控製範圍內(nei) 的目的。係統控製原理如圖2所示。
3 係統技術方案
3.1 控製係統
3.1.1 結構地麵控製部分，由控製室、掘進機主站PLC(三菱A2US1)、後推進CC－Link網絡主站模塊(三菱A1SJ61BT11)、地麵控製櫃和CC－Link子站(三菱AJ65SBTB1－32DT、AJ65SBT－64AD、AJ65SBT－62DA)、2套驅動變頻器(富士變頻器FＲN30G11S－4、電抗器DCR4－30)和CC－Link通信電纜等組成，形成地麵控製構架。PLC主站與(yu) CC－Link主站通信模塊見圖3。地麵控製櫃、CC－Link子站和變頻器見圖4。
圖2 係統控製原理示意圖
圖3 PLC主站與(yu) CC－Link主站通信模塊
始發工作井井下部分，由置放於(yu) 左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸邊上的各1套井下控製櫃和CC－Link子站(三菱AJ65SBT－64AD、AJ65SBTB1－16T型)、激光距離(Baumer:OADM12型)和壓力傳(chuan) 感器(PT124B－210型)，包括CC－Link通信電纜等組成，形成井下控製構架。井下控製櫃、液壓閥組和CC－Link子站見圖5。
圖4 地麵控製櫃、CC－Link子站和變頻器
圖5 井下控製櫃、液壓閥組和CC－Link子站
3.1.2 原理與(yu) 特點
控製係統是後推進係統的大腦與(yu) 神經，故設計了采用PLC可編程控製器來作為(wei) 整套控製係統的核心。PLC具有係統功能強、可靠性高等一係列優(you) 點，解決(jue) 了傳(chuan) 統單片機控製存在抗幹擾能力差、故障率高、不易調試與(yu) 擴展等問題。係統由掘進機PLC主站組合後推進專(zhuan) 用CC－Link網絡主站模塊構成工作主站，二級網絡采用CC－Link形式，是一個(ge) 可同時進行控製和信息傳(chuan) 遞的高速現場總線。與(yu) 地麵、井下的控製櫃中的CC－Link子站構成局域網控製。由主站對各個(ge) 子站進行作業(ye) 指令的發送、數據傳(chuan) 輸采集和運算處理。
係統創新地借用了掘進機PLC主站(傳(chuan) 統方法都是分別設控製係統)，在主站機架上插入用於(yu) 後推進控製的CC－Link主站模塊，將後推進控製功能融入掘進機的控製係統，使2套係統合二為(wei) 一，節省了1套後推進控製PLC硬件係統(見圖3)。
係統通過優(you) 化設計，使結構合理、功能齊全、控製安全可靠，實現了後推進係統與(yu) 掘進機主機共同遠程控製和操縱。具有報警和連鎖功能，能對各電機和控製回路進行必要的保護，配合觸摸屏實時顯示係統的工作狀態及故障狀態，發揮監控和信號指示等作用。
3.2 操作係統
3.2.1 結構
係統由操作台、操作麵板、2台光洋GC－56LC型10″彩顯觸摸屏、通信電纜與(yu) 地麵控製櫃操作麵板等組成，形成操作構架。由於(yu) 將後推進控製功能結合進掘進機的主控係統，所以傳(chuan) 統的後推進單獨操作台就省略了，技術優(you) 勢明顯。傳(chuan) 統後推進係統獨立操作台與(yu) 現操作台如圖6所示。
圖6 傳(chuan) 統後推進係統獨立操作台與(yu) 現操作台
3.2.2原理
在作業(ye) 前，可在觸摸屏上設置控製模式(手動或自動、聯機或脫機)，選擇所需要工作的後掘進機油缸，在操作麵板上啟動左右泵站工作。操作界麵示意如圖6所示。
在推進時，可確定手動、聯機模式工作，由操作人員根據工作軸線的偏差、後推進油缸的行程差和壓力值，在操作麵板上進行左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸推進速度的手動調節，聯機模式使掘進機與(yu) 後推進係統有相關(guan) 邏輯連鎖關(guan) 係。在自動模式工作時，則由係統根據設定的初始速度自動推進，同時根據采集的掘進數據，自動進行推進控製。
在管段安裝時，需采用手動、脫機模式工作，即掘進機與(yu) 後推進係統解除連鎖關(guan) 係，由後推進係統單獨進行相關(guan) 安裝及輔助工作。地麵控製櫃操作麵板有手動與(yu) 自動2種操作模式。本地模式時，主要是用於(yu) 液壓泵、變頻器安裝後的調試以及故障檢修和維護時的手動操作。地麵控製櫃操作麵板如圖7所示。遠程模式時，則由PLC進行遠程控製。
3.3 液壓係統
3.3.1 結構
係統把液壓泵站安置在地麵始發井邊，把16個(ge) 液壓油缸分成2組安裝在導軌上，每組各8個(ge) 。油缸為(wei) 等推力油缸，行程2500mm，推力2000kN。係統由液壓油缸組、液壓泵站(油箱、油壓表、油位表，30kW工作電機、定量泵與(yu) 電磁閥組等)和壓力傳(chuan) 感器、液壓管路，以及安裝在後推進油缸組邊上的油缸液壓控製電磁閥等構成。後推進油缸和液壓泵站如圖8所示。
創新地把係統左右兩(liang) 側(ce) 液壓油缸組的驅動液壓係統各自分開獨立設計，在液壓結構上予以徹底分開，可充分應對左右兩(liang) 側(ce) 頂推力差異較大的工況，排除了相互間的控製幹擾。係統采用2套液壓泵、電磁閥、電機、變頻器和井下液壓閥組，實施分別同步驅動控製。其液壓原理如圖9所示。
圖7 地麵控製櫃操作麵板
圖8 後推進油缸和液壓泵站
圖9 液壓原理圖
3.3.2 原理與(yu) 特點
係統工作時，由地麵控製櫃中的2台變頻器驅動液壓泵站中的工作電機與(yu) 液壓定量泵，通過改變2台變頻器的輸出頻率，來分別對2台液壓定量泵的轉速進行控製，進而達到對2路液壓輸出流量的控製，使左右兩(liang) 側(ce) 的後推進油缸組的推進速度分別得到有效的控製。同時由2台井下控製櫃通過液壓控製閥組對左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸組進行伸縮數量的控製。實現了後推進油缸組左右兩(liang) 側(ce) 分別同步推進的控製，解決(jue) 了傳(chuan) 統係統隻能整體(ti) 同步控製而無法有效應對左右推力差異較大的難題，具有較大的技術創新優(you) 勢。
係統采用獨特的變頻器直接控製電機驅動液壓定量泵的技術，使係統控製極為(wei) 可靠、伸縮響應迅速，效果好，還省去了價(jia) 格昂貴的液壓變量泵、比例閥和比例放大器。傳(chuan) 統液壓泵站的設計，都將液壓控製閥組安裝在站內(nei) ，每根油缸需要2根工作油管，共需要16根工作油管從(cong) 地麵傳(chuan) 輸到井下。而本係統采用了CC－Link控製模式，液壓控製閥組可從(cong) 泵站內(nei) 轉移到左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸組邊，由井下控製櫃通過CC－Link子站直接進行控製，這樣地麵的液壓泵站隻要通過4根液壓管路(二側(ce) 各1根進油管和回油管)即可抵達井下的液壓控製閥組，使整個(ge) 液壓係統結構簡單合理，既便於(yu) 安裝和調試，又節約了大量的材料與(yu) 費用，具有節能降耗的優(you) 點。傳(chuan) 統液壓構件與(yu) 現液壓構件的對比如圖10所示。
圖10 傳(chuan) 統液壓構件與(yu) 現液壓構件
3.4 監控係統
係統配備4路攝像機，1台大屏幕彩色顯示器，1台視頻矩陣切換器，1套網絡適配器。係統具有井下後推進油缸組、掘進機、井上和場地圖像傳(chuan) 輸與(yu) 共同顯示功能，顯示畫麵可進行相互切換，保證對施工的作業(ye) 場麵監控。特別是在後推進油缸組兩(liang) 側(ce) 設置了網絡攝像機，不但能使控製室進行實時監控，還能借助網絡向指揮中心傳(chuan) 送圖像信號。顯示器、視頻矩陣切換器和網絡適配器如圖11所示。
係統觀察範圍較大，可滿足整個(ge) 施工區域的監控，並且可適應各種複雜的環境條件。
圖11 顯示器、視頻矩陣切換器和網絡適配
4 實際施工操作
4.1 工程現場
始發井位於(yu) 上海環球金融中心大廈邊，掘進機向上海中心大廈方向斜向推進。後推進係統的施工布置結構如圖12所示。
圖12 施工布置結構示意圖
4.2 後推進操作
係統在實際施工中，根據矩形隧道掘進的施工工藝，以及測量的掘進機工作軸線與(yu) 左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸行程監測數據，結合掘進機控製界麵、後推進裝置操作觸摸屏、操作麵板和監控係統進行綜合操縱控製。操作人員通過控製界麵和操作台控製開關(guan) ，進行作業(ye) 數據輸入，實施頂進、出洞、進洞、混凝土管節安裝等施工。
4.2.1 控製界麵
後推進操作的控製界麵由泵站啟動和作業(ye) 操作這2個(ge) 觸摸屏界麵構成。本設計開發了係統專(zhuan) 用人機對話控製界麵，比傳(chuan) 統的機械式按鈕操作方式提升了技術層次，使操作更加直觀、方便，提高了作業(ye) 效率和可靠性，降低了故障率。
4.2.2 主要控製操縱
1)推進準備。首先要按照施工作業(ye) 指令，設定推進工作軸線參數，啟動水泵、油冷卻泵和風機工作，選擇左右兩(liang) 側(ce) 需工作的後頂油缸的數量與(yu) 位置，確定操作模式。
2)推進作業(ye) 。在初始掘進時應采用手動操作模式工作。操作人員根據左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸行程偏差，手動調節後推進油缸的左右頂進速度。同時，要求頂進管段自始至終都要在測量工作的嚴(yan) 格控製下進行，保持全站儀(yi) 全程對軸線偏差的測量。要時刻觀察後推進係統的液壓推力、掘進機的推進工況、土壓平衡變化狀態，並通過視頻監控係統察看後推進油缸實際的伸縮情況，合理地控製後推進油缸的推進速度與(yu) 推力。
在自動操作模式工作時，需設定頂進初始速度，然後進行油缸的作業(ye) 加載。係統將根據左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸行程偏差和軸線偏差，來自動調節後推進油缸的左右頂進速度。當PLC主站檢測到掘進機的推進方向往左偏離軸線時，PLC便自動向左側(ce) 後推進油缸組的液壓驅動變頻器發出加大推進頻率的輸出指令，同時向右邊後推進油缸的液壓驅動變頻器發出減小推進頻率的輸出指令。對左右兩(liang) 側(ce) 後推進油缸伸縮的速度與(yu) 行程偏差進行同步修正，使掘進機本體(ti) 逐漸向右靠近設計軸線，回歸到正確的前進方向上。反之，則相反處理。同時，將根據土壓平衡、液壓推力和油箱溫度等情況，自動作出速度的調整或停止作業(ye) 等措施，使推進達到最佳的施工控製狀況。
4.2.3 推進流程
在縮回全部後推進油缸後，將第1節管段吊下工作井，安裝在掘進機後麵，後推進油缸伸出開始頂進。當後推進油缸達到最大行程後，本節管段頂進結束。操作台手動操縱後推進油缸全速縮回，再吊入第2節管段，接著繼續頂進。如此循環，直至頂完全程，把所有混凝土管段全部頂入矩形隧道完成施工。
4.2.4 實施效果
本係統於(yu) 2013年7月和10月在上海浦東(dong) 陸家嘴中心區，應用於(yu) 連接上海中心和環球金融大廈之間，以及上海中心與(yu) 地下空間區域的地下矩形通道斜向出洞的掘進施工中，取得了成功。係統還將繼續運用於(yu) 連接上海浦東(dong) 陸家嘴中心區各個(ge) 大廈之間的地下矩形通道掘進施工。
5 結論與(yu) 探討
1)大截麵矩形隧道掘進機新型後推進係統是地下矩形米兰国际在线娱乐的核心設備之一，對於(yu) 確保工程的順利實施起到了關(guan) 鍵性的作用。
2)在上海浦東(dong) 陸家嘴中心區地下矩形通道工程中，針對采用掘進機斜向出洞的施工工藝特點，以及掘進機在掘進階段受到左右方向作用力影響較大的特征，研製了適用於(yu) 該施工工藝與(yu) 相關(guan) 工藝的後推進係統，對係統進行了技術創新設計，具有較強的實用性與(yu) 可操縱性，在施工中得到了很好的實踐應用。
3)本文研究的各項創新舉(ju) 措，與(yu) 傳(chuan) 統的研究相比，具有較大技術優(you) 勢，充分體(ti) 現出係統的先進性、實用性和可靠性。
4)本文的研究對類似工程和大截麵矩形隧道掘進機的施工技術實踐有著積極的推進和借鑒作用，並且同樣適用於(yu) 大直徑圓形掘進機的施工作業(ye) 。
5)目前係統推進液壓油缸(同組)隻能同時做伸或縮的操作，尚存在無法使同組油缸既有在做伸的動作，同時又有其他油缸在做縮動作的難題，影響了施工效率的提高;係統的控製方式還不夠豐(feng) 富;係統抗幹擾性能力還不太強;研製成本偏高。這些問題都有待於(yu) 進一步研究、討論和解決(jue) 。
作者：沈培堅
轉自《隧道建設》