全断面岩石隧道掘进机液压技术研究现状

, (上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240)

引言

采用全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)进行隧道施工具有安全、快速、高效、经济、环保等技术优势。随着我国铁路、公路、调水工程、城市地铁等重大工程开工日渐增多，在长大石质隧道的开挖过程中优先采用TBM进行快速施工已成为总的发展趋势。

当前，经过国内相关单位的不懈努力，国产TBM已经开始在引松工程等国内项目中投入应用，这标志着我国在打破国外对TBM核心技术垄断方面取得了突破性进展。然而，必须清醒地认识到国产TBM仍面临着诸多的挑战。事实上，罗宾斯、海瑞克等国际品牌TBM占领着全球市场90%以上的份额，即使在国产TBM受到广泛支持的吉林引松工程中，三个标段当中仍有一个标段采用的是国外品牌的TBM。因此，回顾总结TBM关键技术的研究现状，分析其技术发展趋势，对于国产TBM完善功能、优化性能，进而提升国产TBM的国际竞争力，实现其从“中国制造”到“中国智造”的迈进有重要的意义。

液压系统在TBM上有着极其重要的作用，它为TBM支撑、推进、换步、护盾撑紧、支护作业等多个重要功能提供驱动和控制。本文将围绕TBM液压系统的组成、关键技术研究现状等问题开展论述，并就相关技术的发展趋势进行讨论，以期为国产TBM液压系统相关技术的深入研究提供建议。

1 TBM液压系统组成

与常规液压系统一样，TBM液压系统由动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件四个部分组成。在文献[1]中，按照动作的重要性，将TBM液压系统分为三个层次：支撑、推进液压系统；调向、护盾液压系统；辅助液压系统。表1为TBM液压系统的层次分布关系。

第一层次：TBM在掘进过程中经常执行的基本动作，即刀盘推进以及与推进相关的撑靴、后支撑液压缸的动作。

第二层次：TBM在掘进过程中有时需要完成的基本动作，如TBM的调向，敞开式TBM顶护盾、侧护盾的伸缩动作等。

第三层次：因特殊地质情况需要完成的操作，如锚杆钻机、钢拱架安装机等支护设备、刀盘辅助驱动装置、材料调运装置等的动作。

表1 TBM液压系统的层次分布[1]

2 TBM液压技术研究现状

TBM液压系统的基本设计原则有三个方面[1]： ① 系统要满足各回路功能所需流量、压力及功能控制等基本要求； ② 系统要综合考虑各回路之间的安全关联性要求，要确保系统的运行安全性； ③ 系统要满足可靠性的要求，液压系统中关键元部件的工作寿命要符合要求。目前，文献中TBM液压技术的研究也主要是围绕实现上述原则开展，具体分类包括： ① 液压元件、回路常规分析与控制； ② 液压元件、回路系统振动特性研究； ③ 液压元件、回路系统安全与可靠性研究； ④ 液压元件、回路系统节能技术研究。

2.1 系统分析与控制研究

TBM液压系统常规设计、分析与控制研究的主要关注对象为推进系统、撑靴系统、调向跟踪系统、辅助液压系统(拼装机、锚杆钻机等)；其中，推进、撑靴、调向方面的文献较多，主要是对现有液压回路的分析、介绍和改进，涉及系统原理创新的文献很少。

在TBM液压系统总体介绍方面，文献[1]较为系统地介绍了TBM液压系统的组成、功能及特点，以TB880和MB264-311两种型号的TBM液压系统为例介绍了TBM各回路液压系统功能与具体的实现。

在TBM液压系统设计与分析方面，文献[2]针对秦岭隧道工线所用TB880E掘进机，在穿越不良地段时，存在撑靴利用不足而使推进力降低，成倍增加掘进时间的问题，采用三位五通换向阀和比例减压阀实现前后外凯推进油缸分别控制，从而提高了前后外凯推进油缸输出力对环境的适应性；文献[3]从实现推进系统的自动化程度，讨论了推进系统自动推进在内的三种推进模式，对推进液压系统的推力闭环控制开展建模与仿真研究；文献[4]以秦皇岛天业通联和意大利 SELI 合作生产的通用紧凑型双护盾为研究对象，对主推进系统进行动力学计算和研究，并对主推进液压缸进行设计和合理分区；利用数值仿真技术对主推进液压系统的特性进行分析并提出了相应的控制策略；文献[5]针对 TBM 在极端地质环境下施工时，推进系统及液压系统受到来自作业环境的重载荷、切削非均匀地层的变载荷、以及切削硬岩的强振动载荷，开展影响推进液压系统的顺应性因素研究，以提高其应对突变载荷的能力，在设计理念上有比较明显创新。文献[6，7]采用AMESim对撑靴系统和推进系统开展了仿真研究，为TBM液压系统提供了数值分析手段。

在TBM液压系统控制方面，相关研究主要集中在利用液压实现TBM的自动推进力控制、自动轨迹跟踪控制与拼装机的运动控制。文献[8]针对传统PID控制算法下推进系统流量与压力脉动大的问题，提出采用分数阶PID控制策略，并采用AMESim和MATLAB/Simulink软件进行仿真验证;文献[9]研究了采用级联控制结构的硬岩隧道掘进机(TBM)轨迹跟踪控制方法，建立了推进系统的控制模型并对比了复合控制技术；文献[10]采用加速度方程、动量矩方程、位置方程及运动方程建立TBM动力学模型，采用模糊PID控制器来设计速度控制器实现轨迹跟踪控制；文献[11]为拼装机提出了面向任务的力控制方案，通过设计混合位置/力为平行连杆机构与液压执行器的控制算法来控制拼装机的运动；文献[12]分析了对TBM管片拼装机双缸不同步的原因，提出了可行的同步控制方案，同时，建立数学模型和AMESim软件用于模拟同步提升管片安装机系统的协调控制。

2.2 元部件振动特性研究

由于岩石硬度大，相比其他隧道掘进机，TBM的振动水平很高，因此液压系统的振动特性得到了人们的重视。TBM液压系统的振动研究包括两个方向： ① 研究载荷引起的振动在液压系统内部的传递规律及系统的抗振特性； ② TBM机体振动对液压系统元部件的影响。目前，前者的相关研究较少，主要集中在管路系统液固耦合振动方面；研究较多的是后者，即TBM机体振动对液压系统元部件的影响，主要的对象是管路、阀与液压缸。

文献[16]结合隧道掘进机液压管路大长细比，高压力和低流速的特点，建立了长直管道的梁模型；考虑流固耦合作用和简支条件下，建立了管道系统的振动方程。通过灵敏度分析方法分析了管道系统参数的一阶固有频率的影响，提出了基于一阶固有频率的振动准则；文献[17，18] 考虑到全断面硬岩推进机(TBM)掘进过程中轴向基础振动对流体流速和压力波动的影响，运用输流管道流固耦合轴向运动4-方程模型，建立轴向基础振动下的TBM液压管道轴向耦合振动方程组，并用直接解法在频域内对其进行求解，随之分析基础振动和不同结构参数对流体频域响应的影响规律，进而制定了避免管道发生共振的结构设计流程；文献[19，20] 研究了基础振动下液压直管道的分岔特性及与等效固有频率的相关性，结果表明，系统在基础振动下具有非常复杂的动力学行为，包括多种形式的周期运动、概周期运动、混沌运动；文献[21] 针对硬岩掘进机破岩掘进过程中产生的振动对比例调速阀性能的影响，建立基础振动下比例调速阀的选型准则，通过仿真分析基础振动参数对其流量波动特性的影响规律；文献[22]分析了基础振动参数和比例调速阀结构参数对流量波动特性的影响规律，以10%的流量偏差值为评定标准，提出了TBM的比例调速阀的选型流程。针对TBM的比例调速阀的工作性能失效问题，采用综合评分法对TBM比例调速阀结构参数进行优化；文献[23]仿真分析减压阀不同结构参数对压力波动的影响，结果表明：基础振动会引起减压阀出口压力波动，波动幅值随振动幅值增加而增大。当基础振动频率大于50 Hz时，压力波动幅值随频率的增加明显增大；减小背压腔初始容积和回流通道直径能提高减压阀的动态稳定性；文献[24]提出振动环境下插装阀选型方法的基本原理是控制插装阀阀芯偏移量均值不大于5%倍阀芯开启度均值，更为简易的方法是在保证阀口流量的前提下增加弹簧刚度。

2.3 安全、可靠性研究

安全、可靠是隧道施工的基本要求，涉及施工效率与人员及设备安全，因此掘进机的安全性与可靠性研究是一项重要研究内容。TBM液压系统的元部件是除刀具外一类重要的易损件[1]，因此，液压系统的安全与可靠性也得到了研究者的重视。

文献[25]提出加强系统监测诊断和维护保养来提高TBM液压系统的安全性与可靠性，将现有的TBM液压系统的监测诊断方案总结为二类：① 从运动速度、沉降量和油液分析入手； ② 流量试验或压力测量。在具体系统监测诊断方法方面，液压泵的检测手段主要有：振动检测、噪声检测、压力检测、流量检测、温度检测和油液检测，施工现场应用最多的是油液检测和温度检测，辅助参考泵的输出压力；液压阀的故障检测则相对复杂，具体取决于阀的种类和具体工况；文献[25]还以TB880E型TBM为例介绍了液压系统的重要元部件的维修与保养方法，具有较高参考价值；文献[26-28]介绍了TBM液压系统采用油液光谱与铁谱处理检测系统健康状况的实际例子。文献[29]研究了推进系统的可靠性评估问题，将疲劳归结为推进油缸的主要失效模式。为了能够全面反映随机载荷环境和材料特性的液压缸可靠性模型，作者在宏观和微观两个层面上描述随机载荷谱的不确定性。基于随机载荷谱表达式，通过系统的载荷-强度干涉分析建立了一个多层次，多变量动态(时间相关的)的可靠性模型。

2.4 系统节能技术研究

隧道掘进机上主要采用的液压节能技术包括：闭式容积控制技术、压力匹配技术、二次调节技术、负载敏感技术。闭式容积控制技术主要通过改变液压泵与马达的排量调整系统的流量与压力，因为系统中没有节流损失而实现节能效果。压力匹配技术，又称压力适应技术，它利用压力补偿器将负载压力实时反馈，使泵出口压力始终保持只比负载压力高出一定值，从而避免系统中减压阀等因压差过大而能量损失。采用二次调节技术系统一般由恒压油源、二次元件(液压泵/ 马达)、工作机构和控制调节机构等组成，它可工作在压力恒定、流量随负载的变化而改变的压力耦联系统中，能够回收与重新利用系统的制动动能和重力势能，因而具有良好的节能效果。负载敏感系统即功率适应系统，该系统将负载压力变化反馈到变量液压泵的变量调节机构，通过调节变量机构，使泵输出的压力和流量始终与负载工作所需的压力和流量相适应，避免了溢流损失[13]。

目前，在硬岩掘进机上主要采用节能技术是负载敏感技术。文献[14]以负载敏感控制技术为依据，论述液压系统效率及控制问题，并以WIRTH TB880E隧道掘进机中液压系统作为应用实例加以分析说明；文献[15]提出了一种新型节能推进系统，液压变压器和蓄能器来实现系统节能；AMESim仿真显示推进液压系统采用液压变压器能实现的节能高达30%。

3 TBM液压技术研究展望

分析TBM液压技术的研究现状可以发现：① 总体上，关于TBM液压技术的研究，公开的资料很少，缺乏系统的专门性论著，一些关键性问题，如TBM液压系统的特点、系统性能评价指标等重要的设计输入目前没有形成很好的总结； ② 现有研究集中在系统设计、分析与控制和TBM机体振动对液压系统影响方面。其中，系统设计、分析与控制方面的研究对于TBM液压系统特点揭示不足，相关的研究成果目前停留于理论推导与数值仿真层面，与实际应用还有较大距离。而在振动问题的研究方面，研究的重点也同样未能全面反应TBM液压系统面临的主要问题，关于载荷对液压系统及元部件的影响被忽略； ③ 系统安全、可靠性和节能技术的研究已经引去关注，但目前的研究深度与广度不足。其中，安全可靠性的研究缺乏系统的设计理论，仅停留在故障振断及设备维护阶段，对更为先进的故障预测、视情维护未能开展深入的有针对性研究。在节能问题上，过于借鉴盾构机的节能经验，而没有结合TBM液压系统工作特点开展针对性研究。鉴于上述问题，结合当前装备设计与制造的发展趋势，建议TBM液压技术的研究应加强如下几个方面的研究： ① TBM液压系统功能与性能评价体系研究； ② TBM智能液压系统技术研究； ③ TBM液压系统振动响应研究； ④ TBM液压系统可靠性设计与评估方法研究; ⑤ TBM液压系统节能技术研究。

3.1 功能与性能评价体系

对于TBM液压系统的现有功能进行归纳与总结，加强关键子系统如支撑、推进、换步、护盾撑紧系统功能的智能化，开发支护施工中锚杆钻机、钢拱架拼装机的同步施工功能，并逐步实现支护施工的机器人化。

系统化、标准化TBM液压系统各回路负载、速度、动作流程等静态指标要求，开展以上述静态指标要求为设计输入的系统设计方法研究；增加TBM液压系统动态性能指标，特别是对TBM的减振降噪性能提出相应评价指标，研究实现TBM液压系统动态性能指标的液压系统设计方法。

3.2 智能液压系统技术

引入智能液压系统概念，结合TBM液压系统各回路的功能与性能要求，有针对性地开发具备功能自动控制、状态自我感知和信息可交互的智能泵、智能阀、智能缸、智能管路等智能化液压元部件。结合岩石隧道掘进施工经验，开发TBM液压系统中支撑、推进、护盾撑紧回路可自适应围岩特性与施工参数的智能化控制策略。

建立TBM液压系统智能化故障诊断与预测系统，基于智能泵、阀、缸、管路的状态自我感知能力，开发TBM液压系统及元件典型故障的诊断策略和预测策略；结合网络技术，实现TBM液压系统的远程视情维护。

3.3 液压系统振动冲击响应

承受冲击是TBM液压系统的重要特点，因此开展液压系统的振动冲击响应研究是必须的。目前，TBM液压系统内部压力脉动发生的机理尚不明确，研究TBM液压系统载荷特性、脉动传播规律以及对缸、阀、泵性能的影响是非常有意义的，也是TBM液压系统开展动态设计的基础。

基于对TBM液压系统振动冲击机理与规律的研究，研究液压系统刚度与阻尼特性，结合围岩特性，开展TBM系统的减振降噪技术研究，对于提高设备可靠性、改善施工环境和实现TBM施工的机器人化将有推动作用。

3.4 可靠性设计与评估方法

在可靠性与安全性研究方面，除了加强故障诊断与维护外，应加强液压系统可靠性建模与计算方法的研究。加强液压系统关键元件故障特征收集及相关数据的分析，建立典型TBM液压系统的元部件可靠性基本数据库。

在系统设计方面，应当加强关键子系统在线监测与预测技术的研究，结合大数据技术分析TBM液压系统可靠性指标，为后续研究提供基础。

3.5 液压系统节能设计

TBM液压系统节能设计应加强现有液压节能技术在TBM上的适用性研究。结合推进、支撑、护盾液压回路的不同需求，开展节能技术的针对性研究。研究功率电传、分布式变转速泵控技术在TBM液压系统中的应用研究。深入研究电液融合技术在TBM液压系统节能设计中的可行性。

4 结论

我国正处于从TBM技术进口国逐步转向TBM技术输出国的关键时期，加强TBM液压技术的研究投入对于打破国外对TBM关键技术的封锁、开发拥有独立自主知识产权的TBM产品具有重要的意义。为全面掌握TBM液压技术，必须建立起系统的TBM液压系统功能与性能评价体系，充分利用现代控制技术与智能传感技术，实现TBM液压系统设计从关注功能到关注动态性能的设计转变，同时充分考虑系统在可靠性、安全性、系统节能的需求。

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