隧道盾构掘进机推进系统设计
盾构掘进机推进系统非线性PID控制仿真分析
摘 要 ：给出了采 用压 力流 量 复合 控制 的 盾构 掘进 机 推进 液 压系 统工 作模 型 ，对 其 中的 比例调 速 阀和 比例 溢 流 阀在 Ａ Ｓｍ环境下进行 了模 型构建 ，并 完成了阀基本参数的优化设计 。采 用一种简化 的动 态土体粘 弹性模 型模拟 盾构实 际推 ＭＥ ｉ 进 过程 中的复杂负载工况 。引入一种采用偏差修正参数 的非线性 ＰＤ控制器并在 Ｍａａ／ ｉｕｉｋ环境下 建模 。为充分 发挥 Ｉ ｔ ｂ Ｓｍ ｌ ｌ ｎ
维普资讯
２０ ０ ８年 ７月
机床 与液压
ＭＡＣＨ１ ＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ Ｉ
Ｊ １２ ０ ｕ． ０ ８
Ｖ０ ＿ ６ Ｎｏ ７ ｌ３ ．
第３ ６卷 第 ７期
盾构掘进机推进 系统非线性 ＰＤ控制仿真分析 Ｉ
施 虎 ，龚 国芳 ，杨华 勇 ，胡 国良
中图分类号 ：Ｔ ３ Ｈ１７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ３ ８ （０ ８ ０ １— ８ １ ２ ０ ）７— ７ ４ ０ ６—
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｅ Ｓｔ ｄ ｆＴｈ ｕｓ ｄｒ ｕ ｉ ｓｅ ｆ Ｓ ｅｄ ｍ ｌ ｔｖ ｕ ｙ ｏ ｒ ｔ Ｈｙ ａ ｌｃ Ｓｙ ｔ ｍ ｏ ｈｉｌ Ｔｕ ｎｅ ｉ ａ ｈ ｎ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ＰＩ Ｃｏ ｔ ｏ ｌｒ ｎ ｌｎｇ Ｍ ｃ ｉ ｅ ｗｉｈ Ｎｏ ｌｎ ａ Ｄ ｎ ｒ ｌｅ
ｔ ｅ ｃ ｎｒ ｌ ｎ ａ ｋ ａ ｄ ｍｏ ｅｅ ｎ Ｍａｌｂ Ｓ ｍｕ ｉ ｋ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ． Ｔ ｅ ｃ — ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｎ ｏ ｔ ｌｓ ｓｅ ｗ ｓ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｈ ｏ ｔ ｌ ｇ ｔｓ ｎ ｄ ｌｄ ｉ ｔ ／ ｉ ｌ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｏｉ ａ ｎ ｏ ｈ ｏ ｓ ｍｕ ａｉ ｆｈ ｄ ａ ｌ ａ ｄ ｃ ｎｒ ｙ ｔｍ ａ ａｒｅ ｕ ｏ ｃ ｏ
盾构空推方案
盾构过矿山法隧道方案1.工程概况1.1 区间概况本区间设计范围内隧道自田贝站南端头南行至翠竹路，左转向东南穿越大头岭至大头岭南侧，后穿过东门北路住宅小区，到达翠竹站东侧端头。
本区间设计范围里程ZDK10+165.970～ZDK11+374.800（含短链16.138m）。
全区间有盾构开挖盾构衬砌隧道和矿山法开挖盾构衬砌隧道两种隧道，其中：ZDK10+165.970～ZDK10+635.000和ZDK11+022.000～ZDK11+374.800为盾构开挖盾构衬砌隧道，ZDK10+635.000～ZDK11+022.000为矿山法开挖盾构衬砌隧道。
盾构开挖盾构衬砌隧道长821.83mm（单洞）；矿山法开挖盾构衬砌隧道长387m（单洞）。
区间在ZDK10+470.117和ZDK11+017.5处共设2处联络通道，在ZDK10+470.117处联络通道中间设区间排水泵房，在ZDK11+017.5处设矿山法施工横通道，在横通道端头设施工竖井。
1.2 矿山法隧道概况1.2.1 矿山法隧道矿山法隧道按照新奥法原理设计,隧道衬砌及支护参数主要根据结构断面、围岩级别、水文地质条件、结构受力特性等因素，类比同类工程，并经计算分析及优化综合确定。
区间结构支护形式为初期衬砌和盾构混凝土管片相结合，初期支护主要由超前小导管、砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土组成初期衬砌支护体系。
矿山法隧道成洞断面见图1.图1 矿山法隧道成洞断面图1.2.2 临时竖井及横通道井筒净空5m×6m，井深约28.1m。
竖井支护按其围岩类别、使用要求，以及以往工程施工经验类比确定支护参数：初期支护分别为300mm、200mm厚的C20网喷混凝土与型钢钢架联合支护，井壁打设φ22砂浆锚杆。
横通道净宽5m，净高分别为4.5m和8.5m，长43.91m。
采用割圆拱直边墙断面。
其中线与地铁隧道右线线路相垂直，交点里程为YDK11+040。
采用网喷C20混凝土，打设φ22砂浆锚杆进行支护。
211110642_隧道掘进机同步推拼施工分析
2023/04总第566期隧道掘进机同步推拼施工分析郑永光，王鹏星，范亚磊，周坤（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）［摘要］为了提高施工效率，格鲁吉亚南北高速公路项目应用了同步推拼控制技术。
通过对两种施工作业方法进行拆解分析，对施工效率进行了对比计算，得出同步推拼控制技术可以显著提高掘进施工效率达20%～50%，同时分析了施工中影响同步推拼掘进效率的关键因素，得出增加油缸行程、提高管片拼装效率能够提高掘进效率，为其他项目的应用提供了参考。
［关键词］盾构隧道；管片拼装；同步推拼；施工效率［中图分类号］U455 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2023）04-0149-05Analysis of synchronous pushing construction of tunnel boring machineZHENG Yong-guang，WANG Peng-xing，FAN Ya-lei，ZHOU Kun盾构法作为机械化施工法的典范，可兼顾施工安全、掘进速度、复杂地层适应性和地表沉降控制等要求，已成为修建我国城市地铁隧道的主流工法［1］。
在传统盾构施工作业中，施工工序一般是推进、停止、拼装、掘进和管片拼装分步作业的方案。
随着隧道行业的不断发展与进步，追求施工进度及施工工法已然成为各大施工方的目标。
在施工效率提升方面，国内很多专家学者从施工参数、施工组织等方面进行了较多的研究。
宋克志等通过回归分析数学方法的运用，分析了泥、砂岩交互作用复杂地层下盾构掘进效能与岩石强度、刀盘推力及刀盘扭矩的关系［2］；陈伟等运用SA-LS-SVM方法对特殊地质条件下影响地铁盾构施工效率的地层参数进行了分析［3］；李俊清、徐蒋军和王效文等从设备管理、节点控制等设备组织因素方面研究了合理安排盾构施工流程、提高施工效率的方法［4-6］；王方政和张世豪等从盾构选型方面和参数方面提出不同盾构配置对施工效率的影响［7，8］。
盾构掘进机设计论文
第 1 章绪论1.1 引言近年来,我国开展大规模的城市市政工程建设,尤其是几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。
在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得传统的施工方法难以普遍适用。
在这种情况下,对城市正常机能影响很小的隧道施工方法--盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。
盾构法施工技术已被广泛应用于铁路隧道、过江隧道、公路隧道和城市地下工程。
全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程施工装备，是大规模开发利用地下空间的前提条件。
1.2盾构机掘进机概况盾构掘进机作为典型的复杂机电产品的代表，是机电液一体化高度集成的大型设备，也是多单元集成的大型水利、国防、地铁、交通等领域的基础关键设备。
“十一五”期间，国家在先进制造领域重点扶持盾构掘进机系列化设计和制造关键技术的研究与开发，以制造样机和进行工程试用为目标，争取2015年实现系列化和产业化。
近年来，由于我国基础设施建设的需要，盾构法施工技术的应用在国内得到快速发展。
据不完全统计，国际建筑市场的全断面隧道掘进机年需求量上千台，年营业额超过100 亿美元；到2020 年我国对各类大型全断面隧道掘进机可以预见的需求将超过1000 台。
由于重大技术装备制造水平的发展跟不上我国经济快速发展的要求，一些大型重要工程为保证工期和质量，倾向依赖于进口装备，造成我国机械产品贸易逆差逐年加大，核心技术对外依赖性不断增强，蕴涵着较高的国际经济及政治风险。
与传统的隧道掘进技术相比，盾构掘进机施工隧道断面一次成型，支护和衬砌及时，具有安全可靠、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而埋深较大时，只能依赖全断面盾构掘进机。
根据国外全断面掘进机的发展经验和趋势，结合我国国情，目前，国内盾构生产、施工过程中遇到的主要问题及难点主要集中在以下几个方面：（1）液压推进系统实时、智能化精确控制技术；（2）刀具和刀盘设计技术；（3）结构参数的优化和系统集成技术；（4）精确控制地表沉降技术；（5）提高姿态控制精度的激光导向技术；（6）隧道管片拼装的全自动化技术等。
巨型矩形隧道盾构掘进机
图 5 杆件加大截面设计 Fig. 5 Enlarging section design of bar
相对而言 ,节点板处焊接量比较大 ,所以对节点板
采用如下焊接方法 :由桁架中间向两边同步焊接 ,焊接
[ 3 ] 赵峰 ,吴东平. 钢屋架加固改造中的受力分析方法 [J ] . 建筑 技术 , 2005 , 36 (5) . Zhao Feng , Wu Dongping. A force analysis method in reinforcing steel roof truss [ J ] . Architecture Technology , 2005 , 36 ( 5) . ( in Chinese)
support of new bቤተ መጻሕፍቲ ባይዱilding
临时结构的整体稳定性 4 区的所有外围墙体 、挡风柱等拆除后 ,原结构只
剩下柱和钢屋架及屋面板 ,虽然减小了风荷载效应 ,但 考虑到基坑开挖 ,以及后续基础加固的土方开挖使得 结构变形加大 ,因此在连接薄弱的位置 ,如结构四角和 拐角处增设型钢支撑 ( 见图 7a) ,以加强临时过渡结构 的整体稳定性 。支撑和柱采用铰接 ,安装形式如图 7b 所示 。
[ 2 ] 罗启北 ,宋扬 ,张艳霞 ,等. 某厂房钢屋架加固施工[J ] . 施工 技术 ,2005 ,34 (8) . Luo Qibei , Song Yang , Zhang Yanxia , et al . Strengthening construction of steel roof trusses of a factory building[J ] . Construction Technology , 2005 ,34 (8) . (in Chinese)
掘进机和盾构机的工作原理
掘进机和盾构机的工作原理
掘进机（TBM）的工作原理主要是通过切削和推土机械将土
壤或岩石等材料沿着隧道线路切割掉或推动到机器后方，同时通过输送系统将废弃的材料运出隧道。
掘进机主要由刀盘、主机、支撑体系、掘进面扩展装置和输送系统等组成。
其中，刀盘是掘进机的核心零件，它由大量刀片组成，通过旋转刀盘进行切削作业，切削材料由刀盘后方的传送装置进行清理和运输。
盾构机的工作原理类似于掘进机，也是通过土壤或岩石的切削和推力来推进隧道的掘进。
不同之处在于盾构机是通过一个巨大的盾构壳体来保护掘进面，将切削面后方压迫的地层支撑住，以防止隧道倒塌。
盾构机的工作原理主要包括盾构壳体、刀盘、推进装置、注浆系统以及输送系统等组成。
刀盘通过切削土体，然后将土体推至刀盘后方的输送装置，最后通过输送装置将土体从隧道中运出。
综上所述，掘进机和盾构机的工作原理都是通过切削和推力来推进隧道的掘进，掘进机主要通过刀盘进行切削和输送，而盾构机则通过盾构壳体来保护掘进面并将土体推压支撑住。
全断面隧道掘进机报告(郑州
1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理
盘形滚刀 皮带输送机 刀盘布置
1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理
盘形滚刀 皮带输送机 刀盘布置
CMC公司及中国水利水电四 局组成的万龙联营体承包。
1993年开始掘进至今，创造 最高月进尺1821.5m的掘进 记录。
3、我国主要TBM工程及技术应用
3.1TBM应用典例 云南那邦水电站TBM工
程，直径4.5m，长约10km。
采用开敞式TBM施工。
（4） 云南那邦
水电站 TBM工程
具有TBM施工作业面狭小 、特殊夹泥地质，环保要 求高、雨水多、通风难度 大等特点。
世界上可借鉴的大直径、长距离TBM施工 隧道的典例不多，同时存在技术保密和封 锁。我国工程市场份额巨大。
研究建立我国自主的TBM施工技术体系并 实现国产化意义重大。
2、TBM在长大隧道的地位与作用
21世纪是人类开发地下空间的世纪, 加速发展我国全断面隧道掘进机的研 发及产业化势在必行。
国务院国发[2006]8号文件《国务院关于 加快振兴装备制造业的若干意见》将“满足铁路、 水利工程，城市轨道建设项目的需要，加快全断 面岩石掘进机等大型施工机械的研制，掌握关键 设备制造技术”列入16项重大技术装备之一。
护盾式TBM主要进行以软弱围岩为主的长 大隧道施工，根据地质条件可分别选取单护 盾和双护盾TBM。
全断面（隧道）岩石掘进机 Hard Rock Tunnel Boring Machine-----TBM
开敞式掘进机
全断面岩石掘进机图
市政工程施工工艺(盾构法隧道施工)
盾构机性能验收
盾构始发
一、盾构始发简介
盾构始发是盾构推进的开始，也是盾构法隧道施 工中的一道关键工序。在进入施工现场后，所有的 准备工作都是为盾构顺利始发提供条件。当盾构安 装调试结束并一切正常后，进入始发状态。
在盾构始发之前要安装盾构后靠，要在洞圈内 开探孔观测土体是否稳定、洞圈封门凿除，还要 在洞圈上安装防水装置。所有准备工作就绪，盾 构将开始始发。
另外，在负环拼装之前需事前将盾尾油 脂填满盾尾钢丝束内。见图21
图20
此时负环拼装完毕后，前期盾构始发准备 工作就绪。等待盾构正式始发
图21 盾尾油脂
图22 前期负环管片拼装完毕
六、盾构始发 在洞圈防水装置安装完毕后，将要进行盾构始发施 工。 在盾构始发之前，在洞圈内左、右两边各焊接一段 导向轨。此导向轨是基座轨道的延长线，但比基座轨道 底2cm，以免盾构始发刀盘旋转碰到此导向轨。 此导向轨的作用是为了防止盾构进入洞圈后，盾构 磕头，盾尾下沉。 盾构始发时要先将洞门钢筋割除，分九大块，从上 向下进行。
盾构法隧道施工工艺流程
盾构法隧道的基本原理是用一件有形钢质组件沿隧道设计 轴线开挖土体而向前推进。
施工工艺流程： 施工准备（三通一平、生产生活设施布置）→盾构就位
（基座安装、盾构安装调试、后靠支撑安装）→负环拼装 →盾构始发（洞门加固、洞圈止水装置安装、凿处洞门、 始发推进）→盾构正常推进（轴线控制、同步注浆、出土、 管片拼装）→盾构到达（洞门加固、贯通测量、基座安装、 洞圈止水装置安装、封堵洞门）→盾构吊装→工程竣工。
水、照明、通讯等设施的安装工作。
（2）、施工前必需材料、设备、机具备齐，以满足本阶段施工要求， 管片、连结件等准备有足够的余量。
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隧道盾构掘进机推进系统设计
发表时间：2018-12-06T15:08:07.810Z 来源：《防护工程》2018年第25期作者：吴昊琳[导读] 信息等多种科学技术，在铁路、公路、市政、水电等隧道工程应用的较为广泛。
盾构机的重要部分之一即为推进系统，在盾构机的掘进中它承担了定金工程。
研究盾构机的推进系统，能够更为全面的掌握其特点和性能，并为我国企业在设计、建造和完善盾构机上提供基础支撑。
吴昊琳
中铁隧道股份有限公司河南郑州 450000摘要：盾构机属于一种大型的隧道掘进设备，包含机、液、控制、信息等多种科学技术，在铁路、公路、市政、水电等隧道工程应用的较为广泛。
盾构机的重要部分之一即为推进系统，在盾构机的掘进中它承担了定金工程。
研究盾构机的推进系统，能够更为全面的掌握其特点和性能，并为我国企业在设计、建造和完善盾构机上提供基础支撑。
关键词：隧道；盾构掘进机；推进系统
一、原理简介
因隧道土层地质非常庞杂，盾构机在隧道施工中会遇到不同的地质阻力、涂层反推理和水压力，从而导致掘进过程中会遇到各种各样的低层阻力。
为了确保土压平衡，盾构机在推进系统设计上，要充分考虑到不同的土层压力，同时也要及时调整液压缸推进压力。
盾构机在施工中，其推进系统应符合推进力要求以及推进速度控制。
因此，在设计突进系统时，选择的是比例变量泵与比例减压阀来达到流量压力的控制，通过这一控制方法，能够单独过连续控制推进力和速度，减轻压力与能量的损失，从而完成节能的目标，并增强系统运作的效率。
二、推进系统分组联合控制理论
在施工过程中，盾构机通过推进系统来对液压缸推进力和速度进行控制，以此来调整盾构机的各种姿态，对其掘进时碰到的土层阻力进行控制，确保土压平衡，纠正前进路线。
由于盾构机属于大型机械，多在极端情况下进行工作，需要极大的动力，其有很多推进液压缸，若是单独控制每一个液压缸，会导致变得较为繁琐，控制成本大大增加。
所以，在控制诸多的液压缸时，通常选择发散分布，即分为顶、左、低、右等区。
盾构机在俱进过程中经常受到不均匀、梯形分布的压力，上部承受的压力要小于下部。
因此，分区控制液压缸时，上部的液压缸数量要少于下部。
通过分组联合控制，可以确保系统的运行，在调整姿态和行进路线的同时，一方面大大降低了系统的复杂程度，另一方面也减少了控制成本。
三、控制技术
在掘进中为确保盾构机的土压平衡，通产会选择一下控制方式： 1）排土量控制：这一方式是按照不同土压，来控制排土量。
通过幵挖面土层压力的监测，对螺旋输送机输出速度进行适当调整，以此来对开挖面土压平衡进行控制。
2）进土量控制：这一方式是按照土压变化对盾构机的推进进行控制，以此让土压实现平衡。
不管采取那种方式，都和系统推进压力和速度息息相关。
在设计中，仅凭借普通压力阀与流量阀很难对压力和流量进行控制，并且也会对系统能力造成很大损失。
在本设计中，选择了比例变量泵与比例减压阀来控制压力与流量。
其能够和液压缸和内置位移的传感器构成闭环控制，以此来促进系统动态性能的增强。
四、推进系统的液压原理
由于盾构机在推进液压系统选择的是分区控制，并且其分区控制原理是一样的。
下面就详细介绍了推进液压系统中各模块液压原理图。
3.1动力单元
台泵构成了动力单元，其驱动方式为串联。
主泵选择比例变量泵，主要是担任高压低流量液压油的推进任务，在推进下，操作手利用主控室电位计旋钮对变量泵斜盘摆角进行控制，进而控制其推进速度。
副泵选择双联叶片泵，主要负责系统的补油。
推进的模式共有推进模式与管片拼装模式。
换向阀左位带电，系统片拼装模式的最大压力为溢流调节系统一级切断压力。
换向阀右位带电，推进模式的最大压力为溢流调节系统二级调节压力。
3.2控制方式
推进液压系统的控制方式为二通插装阀，这一控制方式能够更好的控制高压、大流量液压、油液压系统，从而符合推进油杆的快速移动，增强工作效率。
在推进过程中，换向阀右侧的电磁铁带电时，插装阀跟控制油、油箱相互连接，打开插装阀。
系统的液压油液向无杆腔的进油需通过插装阀，有杆腔油经过插装阀回归油箱，在返回时，插装阀跟控制油、油箱相互连接，打开插装阀。
系统的液压油液向无杆腔进油需要通过插装阀，有杆腔油经过插装阀回到油箱，迅速进行退回。
五、推进系统的计算选型
结合盾构机施工情况以及推进系统的实际：共有20个推进液压缸；推进液压虹行程为1500mm；推进速度为0-60mm/min范围内无级可调；14240kN为最大总推力；34MPa为最大工作压力。
5.1液压虹尺寸选择
七、结语
本文介绍了盾构机推进系统的设计，如原理图、控制方式以及计算选型，最后设计出通过比例减压阀控制系统推进压力，通过比例变量泵控制系统推进速度的液压系统。
最后并对液压系统进行校核，结果表明，所选的液压元器件符合系统的要求。
参考文献：
[1]殷佳洪.土压平衡盾构机液压推进系统研究和设计[D].南京理工大学，2013.
[2]郑刚，路平，曹剑然.基于盾构机掘进参数对地表沉降影响敏感度的风险分析[J].岩石力学与工程学报，2015，34（S1）：3604-3612.
[3]何於琏.土压平衡盾构机掘进控制系统工作原理[J].矿山机械，2006（02）：22-24.
[4]乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J].现代隧道技术，2003（03）：14-30.
[5]杨垒，郇利民，侯德超，韩佳霖，张兵.土压平衡式盾构机掘进性能评价方法[J].科技与企业，2014（01）：201.
[6]赵强政.φ520mm土压平衡式模型盾构机研制及试验性掘进控制模拟[D].西南交通大学，2007.。