一种新型TBM试验台掘进机构电液控制系统设计
隧道工程第九章隧道掘进机(TBM)施工
永久支护
根据隧道设计要求，采用模筑混凝土、 钢筋混凝土等材料，对隧道进行永久 性支护，确保隧道结构安全。
通风与通风管道，为隧道施工提供足够的新鲜空 气，降低粉尘和有害气体浓度。
排水技术
设置合理的排水系统，将隧道内的地下水排出洞外，防止积 水对施工造成影响。
弃渣与运输技术
程量。
长隧道
TBM适用于长度较长 的隧道施工。TBM的 连续掘进能力有助于缩 短工期，降低施工难度
，提高经济效益。
复杂地质条件
TBM适用于地质条件 复杂、存在较大涌水量 的隧道施工。TBM的 密封性能较好，可以有 效地控制涌水，减少对
环境的影响。
TBM施工的历史与发展
TBM施工起源于20世纪中叶，最早应用于欧洲国家的铁路隧道施工。随着技术的不断发展 和完善，TBM逐渐应用于水利、市政、公路等领域的隧道施工。
弃渣处理
合理规划弃渣场地，确保弃渣不占用 耕地和破坏环境。
运输组织
根据施工进度和运输距离，合理安排 运输车辆和路线，确保弃渣和施工材 料的及时运输。
05
TBM施工案例分析
某地铁隧道TBM施工案例
总结词：高效快速
详细描述：某地铁隧道采用TBM施工，实现了高效快速的施工效果，缩短了工期，减少了施工对周边 环境的影响。
单护盾TBM和双护盾TBM
单护盾TBM适用于地质条件比较 简单、地下水不发育的隧道施工。
双护盾TBM适用于地质条件比较 复杂、地下水发育的隧道施工。
单护盾TBM具有结构简单、造价 低、施工速度快等优点，但同时 也存在对地质条件要求较高、施
工安全风险较大的缺点。
选择合适的TBM类型
在选择TBM类型时，应综合考虑隧道的地质条件、施工环境、工期要求、工程造 价等多方面因素。
隧道掘进机(TBM)VMT激光导向系统控制
隧道掘进机（TBM）VMT激光导向系统控制【摘要】云南省那邦水电站引水隧洞TBM工程使用VMT激光导向测量方法，取得了高精度贯通经验，文章对此进行了介绍，并提出了消除误差的应对措施。
【关键词】TBM；激光导向；测量；控制1、工程概况那邦水电站引水隧洞全长为9748.562m，引0+020.000m至引1+420.511m和引9+213.637m至引9+738.062m为钻爆法施工；引1+420.511m至引9+213.637m 为TBM施工。
过水断面为圆形，最小过水断面直径3.5m，开挖直径为4.5m，隧洞最小埋深约为60m，最大埋深约为600m。
引水隧洞底坡为3.59‰。
引水隧洞岩石中Ⅱ类围岩约占44%，Ⅲ类围岩约占34%，Ⅳ类围岩约占19%，Ⅴ类围岩估计在3%左右。
2、隧道掘进机（TBM）VMT激光导向系统工作原理云南省那邦水电站引水隧洞工程隧道采用TBM法施工，单段掘进长为9.8km，为保证隧道掘进方位的准确性，在TBM掘进过程中，采用激光导向系统控制掘进方向。
由于TBM掘进速度比较快，为保证隧洞掘进按设计洞轴线方向掘进，在掘进过程中，利用基本导线控制点及时对掘进机上的激光导向系统进行检查、纠正。
控制激光导向系统测量采用TC1800型全站仪，仪器精度测角为±1”，测距为±（1mm +2ppm×D）mm。
在TBM上配备了VMT激光导向系统，用于测量和控制TBM的掘进方向；利用基本导线采用常规测量方法为TBM激光导向系统提供坐标；激光导向系统可快速、连续、准确地为TBM提供其轴线与隧洞设计轴线的相对偏差，并以刀盘位置偏差的型式数字化地显示于操作室，使TBM操作人员能及时了解TBM 的位置；TBM操作人员根据显示的偏差，通过支撑系统油缸和刀盘护盾油缸的调整来进行TBM调向。
该技术方案采用的激光导向系统能连续给出数据，因此，TBM施工隧洞具有精度高、速度快和成本较低的优点，可确保TBM开挖洞线精确控制在设计洞轴线的偏差范围之内。
TBM试验台支撑推进液压系统设计与仿真分析
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Ｂ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ （ ＴＢＭ ） ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｇ ｔ ｏ ｏ ｖ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｉ ｐ ｐ ｅ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ
第２ ２ 卷 第 ４期
２ ０ １ ５ 年 ８月
工 程
设
计学Βιβλιοθήκη 报 Ｖ０Ｉ ． ２ ２ ＮＯ ． ４ Ａｕ ｇ ．２ ０ １ ５
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Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｇ ｒ ｉ ｐ ｐｅ ｒ ａ ｎｄ ｔ ｈｒ ｕ ｓ ｔ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ＴＢＭ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｇ
隧道掘进机(TBM)设计与参数选择
浅谈隧道掘进机（TBM）设计与参数选择摘要：撑靴式掘进机是用于硬岩隧道项目中中等到硬的强岩层中进行隧道开挖的隧道掘进机（tbm：tunnel boring machine），本文以巴基斯坦n-j项目为实例，就海瑞克公司tbm设备掘进系统的设计、基本技术参数的确定等做简要介绍。
关键词：tbm；设计；参数1、工程概况巴基斯坦n-j项目为长隧洞引水式水电站，该工程在neelum河上建拦水坝和取水口，开挖一条穿过jhelum河的引水隧洞，利用其间河水天然落差发电。
引水隧洞总长28.6km（单线洞和双线洞交错布置），共设置5条施工支洞（分别为a1～a5），其中a1、a2支洞间的引水隧洞长13，577m，在此段引水隧洞采用tbm进行掘进施工。
tbm施工段为双线洞，采用两台tbm自下向上逆坡掘进，单台tbm掘进长度约为11.5km，左侧洞设计纵坡为0.7787%，右侧洞设计纵坡为0.007875%，设计开挖直径为8.5m。
tbm施工段沿线地质条件复杂，具有埋深大（300m-2000m之间）、洞线长的特点，存在高压外水、泥页岩遇水软化及膨胀、高埋深洞段大收敛变形、涌（突）水、围岩稳定性差及隧洞穿越断层破碎带等主要工程地质问题。
根据勘测资料，q1围岩占0%，q2围岩占8%，q3围岩占40%，q4围岩占43%，q5围岩占9%；地质条件较差，因此tbm选型除要满足长距离快速掘进的需要，同时要求tbm具有在该地层段很强的施工能力。
2、tbm 掘进系统的设计tbm 掘进系统主要包括主机系统、撑靴系统、推进系统、出渣系统（皮带机系统）以及后配套系统等多个系统构成，这些系统的设计要相互匹配，才能最大限度的满足施工安全，并发挥tbm的挖掘效率，因此对tbm系统的设计尤其重要。
（1）tbm主机系统：1）刀盘：刀盘设计分成中心块和四个边块，便于运输和组装。
通过刮渣斗的设计来限制石渣进入运渣系统的量，从而防止堵塞。
刀盘上负有高荷载刀具，在本工程设计中，地质为山体硬岩，均采用标准17双刃滚刀。
浅谈TBM项目电气控制系统
浅谈TBM项目电气控制系统摘要本文针对ＴＢＭ(tunnel boring machine)隧道掘进机的施工工况。
结合某局ＴＢＭ施工项目现场供配电方案。
着重阐述了项目电气系统的组成，分析了ＴＢＭ电气PLC控制系统。
总结这些，为ＴＢＭ施工项目的电气从业人员提供参考。
关键词TBM供配电PLC控制系统Talking on the Electrical Control system of TBM Project Briefly: take West QinLing tunnel TBM project as an exampleWu YanChina Railway 18th Bureau Tunnel company , Chongqing 400700, ChinaAbstract This paper faces to the site conditions of TBM (tunnel boring machine).In combination with the power supply scheme of a bureau, the construction project of TBM. And the paper focuses on the organization of the TBM electrical system，analyses the TBM electrical PLC control system. The research may have a guide to people who devote themselves to electrical system on TBM project.Key words TBM; power distribution; PLC control system引言TBM项目供配电基础建设至关重要，项目施工工期长、需要投入大量的人力和物力资源。
TBM掘进参数智能控制系统的研究与应用
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｒｅａｌｔｉｍｅｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｅｃｉｓｉｏｎｏｆＴＢＭ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｎｏｔｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｄｕｅｔｏｌｏｗ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆＴＢＭ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｈｅｎｃｅ，ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓａｆｆｅｃｔｅｄ，ａｎｄＴＢＭ ｊａｍｍｉｎｇａｎｄｗａｔｅｒａｎｄｍｕｄｇｕｓｈｉｎｇｏｆｔｅｎｏｃｃｕｒ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ ｏｆＴＢＭ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｓｍａｎｙｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ： （１）ａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｏｃｋｍａｓｓｓｔａｔｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄＴＢＭ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；（２）ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｍｕｔｕａｌｆｅｅｄｂａｃｋｍｏｄｅｌｏｆｒｏｃｋａｎｄＴＢＭ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｙｄａｔａｔａｐｐｉｎｇ；（３）ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｓｔａｔｅ；ａｎｄ（３）ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅＴＢＭ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｂｙａｕｔｏｍａｔｉｃａｎｄｍａｎｕａｌｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅＳｏｎｇｈｕａＲｉｖｅｒｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔｈａｓｂｅｅｎａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｏｆ ｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏＴＢＭ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ，ａｎｄｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＴＢＭ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＢＭ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｄａｔａｔａｐｐｉｎｇ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｕｔｕａｌｆｅｅｄｂａｃｋｏｆｒｏｃｋａｎｄＴＢＭ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
TBM盾构电气控制系统综述
主机控制系统采用PLC可偏程控系统的意义 TBM盾构机是一个机、电、液一体化的工厂化隧道开挖施 工机械，是大型化、自动化、流程化的大型连动机。由于 其控制环节多，工序复杂，并且相互关联，相互影响，任 何一个环节出现故障都将影响正常掘进甚至停机修理，因 为了保障TBM盾构机工作的高度可靠性安全性和易维护性， 其控制系统采用了PLC可偏程控制系统。 PLC可偏程控制系统具有系统功能强、可靠性高、抗震性 能好、编程容易、修改方便、扩充维修容易等一系列优点。 采用PLC可编控制系统的特点是TBM盾构机上所有传感器 和控制信号都输入到PLC，所有输出信号都由PLC发出的。 方便建立各种连锁关系。因此PLC可编控制器是掘进机的 控制中枢。是掘进机的大脑和心脏。
显示单元 例如带浏览器的笔记 本 模拟输出模块
数字输出模块 继电器, 可配置
数字输出模块 继电器
数字输出模块 光耦合器
SENTRON WL COM15
BSS ETU
测量 BDA / BDA Plus
数字输出模块 光耦合器, 可配置
数字输入模块
ZSI模块
西门子标准通讯总线
PROFIBUS-DP
COROS SICAM LCC TELEPERM M, SIMATIC S5, SIMATIC S7 AS-I Master Drive M 3~ ET200 U SIMOCODE-DP Micro Master
Ethernet 伙伴 Fipio 伙伴 Modbus 伙伴
SCP开放 : 第三厂家的串行协议
AS-i 总线
电话线 - Modem
第三厂家总线 - Interbus-S - Profibus-DP - CANopen
第三厂家的总线型 I/O
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一种新型TBM试验台掘进机构电液控制系统设计李永松，张勇明（江西交通职业技术学院，南昌330013）摘要：介绍了一种混联式新型TBM掘进机构试验台的实体建模、仿真分析、整机组装等概况；在TBM支撑-推进-换步控制中，根据机构运动的单环掘进、双环掘进、三环掘进和连续掘进等4种工况，模拟施工掘进作业，并将4种工况的机构运动时序动作进行细化，以更好地进行PLC的程序设计和编制；最后，在完成本试验台掘进机构的电液控制系统PLC硬件配置及选型后，根据掘进运动控制要求，采用程序初始化、手动控制、自动控制等三种程序控制模式，分别设计了试验台的加载器、支撑器、辅推进器、主推进器的PLC逻辑控制程序，试验结果表明，所设计的电液控制系统能准确控制推进机构的推进和换步动作，并能够实时反馈压力、位移和流量等模拟量的变化量，达到预期设计目标，相关理论数据为TBM的施工提供了参考。
关键词：TBM掘进机；电液控制系统；程序设计；PLC中图分类号:TP391.7文献标志码:粤文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）04原园120原园4 Design on Electro-hydraulic Control System for the New-type TBM Test-bed Boring MachineLI Yongsong,ZHANG Yongming(Jiangxi V&T College of Communications,Nanchang330013,China)Abstract:This paper introduces the solid modeling,simulation analysis and the whole machine assembly of a new-type mixed TBM test-bed boring machine.In the control of TBM support-propulsion-change step,according to four working conditions of the mechanism motion,including single tunneling,double tunneling,triple tunneling and continuous tunneling,construction tunneling operation is simulated,and the movement timing sequence of the mechanism under four kinds of working conditions is refined to better design and compile PLC programming.After completing the hardware configuration and selection of the electro-hydraulic control system of the tunneling mechanism of the test bench,according to the requirements of the tunneling motion control,three program control modes,such as program initialization,manual control and automatic control,are used to design PLC logic control program of the loader,support,auxiliary propeller and main propeller of the test-bed respectively.The test results show that the designed electro-hydraulic control system can accurately control the propulsion and step-change action of the propulsion mechanism,and can feedback the variation of the analog quantity such as pressure,displacement and flow in real time to achieve the expected design goal.Relevant theoretical data provides reference for TBM construction.Keywords:TBM boring machine;electro-hydraulic control system;program design;PLC0引言现代TBM掘进机是一种主要用于硬岩掘进，集机、液、电、PLC、传感、测量和信息技术于一体，安全可靠、科技含量高的大型隧道施工专用设备。
在隧道施工时，能够自动完成土体开挖切削、土碴输送、隧道衬砌拼装、测量导向纠偏等任务，广泛应用于城市轨道交通、铁路、高速公路、市政和水利工程的隧道施工[1-3]。
TBM掘进机在施工的过程中，对环境影响小、施工精度高、施工成本低，合理选择TBM设备，将有效提升工程项目的建设质量和安全系数，与传统的开挖技术相比，具有明显的优势[4-7]。
随着国内外市场对现代TBM掘进机需求量的增加，我国也进行了自主产权的研发，取得了优异成绩，但与发达国家相比，仍然存在一定的差距，主要存在地质构造适应能力差、地表沉降和地层扰动不易控制、故障率高、自动化程度低等问题，关键配件和技术较为依赖进口。
针对目前我国TBM研发技术相对薄弱、自主品牌较少等现状，课题组针对“TBM试验台掘进机构电液控制系统开发”进行了一系列研究工作，设计出一种混联式新型TBM掘进机构试验台，而电液控制系统又是TBM掘进机中的关键装置，为进一步提高TBM掘进机电液控制系统的稳定性和复合地层中的适应性，课题组根据PLC控制技术的发展，将西门子S7-1500PLC应用于本试验台的电液控制系统设计方案，经研究和优化，设计了一种新型混联式TBM 掘进机构的电液控制系统。
1TBM掘进机构试验台概况课题组前期搭建的80mm缩尺TBM掘进机构试验台，采用新型支撑-推进-换步机构设计方案，已运用三维CAD软件完成了实体建模和运动仿真[8]，如图1所示；继而通过MATLAB仿真实验，对推进机构和支撑机构的力学特性、载荷顺应性进行了研究分析[9-11]，实验结果证明了这种混联式新型掘进机构的载荷顺应性优于主梁型TBM 和扭力缸型TBM，如图2所示。
在TBM支撑-推进-换步控制中，机构复杂且有序，采基金项目:2017年度江西省教育厅科学技术研究项目（171291）用三维CAD软件实现运动仿真，机构运动设计成单环掘进、双环掘进、三环掘进和连续掘进等4种不同掘进工况，以更好地模拟施工的掘进作业，并将上述4种掘进工况设计成的PLC运动控制程序，以实现试验台的掘进工况，如表1所示。
该研究运用CAITA软件进一步优化TBM掘进机构试验台三维模型，在完成数控编程和夹具工装设计、机械零部件加工及液压缸（支撑缸、辅推进缸和主推进缸）与试验台机械零部件装配、调试后，顺利实现该试验台的整机组装，如图3所示。
2推进系统PLC控制设计根据TBM掘进机构试验台机械构件运动仿真的逻辑动作要求，联合液压控制系统的要求，设计出一套新型电液控制系统，选用德国西门子S7-1500的PLC作为控制中心，完成了该试验台电液控制系统的整机组装。
2.1PLC硬件配置与选型根据TBM掘进机构试验台自动化控制的实际逻辑动作要求，在整个推进系统中主推进、辅推进和支撑器的I/O 点数设计为：数字量输入DI总计30点、数字量输出DQ总计23点、模拟量输入AI总计28点、模拟量输出AQ总计20点。
再根据《西门子S7-1500选型手册》，本着既满足功能、又节约成本的原则，完成了DI、DQ、AI、AQ的模块选型，如表2所示。
2.2推进系统的PLC控制设计该试验台推进系统电液控制系统模拟“支撑-推进-换步”的掘进逻辑动作和所需要的压力、流量和位移。
将电源模块PM、CPU、2个DQ、DI、3个AQ和4个AI有序地连接，SIMATIC S7-1500模拟量输入AI模块前端子与位移、压力传感器连接，实现推进位移与压力的测量、支撑的位移与压力的反馈测量；模拟量输出AQ模块前端子与比例放大器连接，比例放大器再与电磁压力阀、电磁流量阀连接，实现推进液压缸、支撑液压缸的压力与流量的控制；数字量输入DI模块前端子与断路器开关K1~K28连接，实现控制方式的选择和手动液压缸的单缸控制；数字量输出DQ模块前端子与中间继电器线圈连接，再与电磁方向阀相连接，实现电磁阀的通断。
SMC卡插入到CPU中，用网线将PC计算机与CPU的X1端口相连接。
完成PLC的硬件配置如图4所示。
2.3推进液压系统PLC控制流程该试验台的程序分为主程序OB1初始化程序OB100手动控制程序、自动控制程序，其PLC控制流程如图5所示，实现电液控制系统的方向、压力、流量和位移的精确控制。
初始化程序OB100的运动控制主要实现所有液压缸收回至原始状态，即为机构初始化；手动控制模式下实现液压缸单缸或单组的伸出和缩回运动；自动控制模式下实现单环掘进、双环掘进、三环掘进和连续掘进等4种掘进方式的选择。
2.4推进液压系统PLC软件编制该试验台的推进系统PLC电液控制程序包括主程序OB1、GRAPH顺序控制程序、初始化程序OB100、函数块FC、功能块FB。
具体调用关系如图6所示。
电磁方向阀根据逻辑动作要求建立函数块FB；电磁压力阀、流量阀根据其模拟量控制范围建立函数块FB；位移传感器、压力传感器根据其反馈量进行数值转换的控制。
图2TBM推进机构图1TBM推进机构模型表1掘进机构运动控制图3TBM掘进机构试验台表2推进系统I/O控制与选型控制对象控制数量PLC模块规格数量共计开关量输入（DI）30DI32伊24VDC BA11开关量输出（DQ）23DQ16伊230VAC/2A ST12 DQ32伊24VDC/0.5A BA1模拟量输入（AI）28AI8伊U/I/RTD/TC ST34 AI4伊U/I/RTD/TC ST1模拟量输出（AQ）20AQ8伊U/I HS33电源（PM）无PM70W120/230VA11CPU无CPU1511-1PN11图4推进系统硬件连接2.4.1初始化程序设计因该试验台的液压缸移动行程有限，不可能实现无限掘进过程，拟设一个程序跳转指令，如果需要程序初始化，开关量K18在开机之前置位为1；如果不需要程序初始化，开关量K18在开机之前置位为0，实现对试验台的主推进复位、主支撑上复位、辅推进复位、辅支撑上复位、主支撑下左右和辅支撑下左右复位的逻辑顺序动作控制，能够使总行程有限的试验台进行各类试验。