土压平衡式盾构泡沫控制系统的研究与设计

１泡沫系统原理
１．１土压平衡式盾构作业模式 土压平衡式盾构作业时，前面刀盘切削下的渣土充 满整个土仓，与此同时，螺旋输送机进行排土作业。在整 个掘进过程中，始终保持排出的土量与掘进机的挖土量 相平衡，从而维持土仓内的渣土压力。渣土压力与开挖面 的土压力和水压力相抗衡，维持开挖面的土体稳定，并防 止地下水涌出。 土压平衡式盾构施工成功的关键，是能将开挖下来 的渣土调成“塑性流动状态”。泡沫改良技术是一种从黏 土层到砂土层均适用的土体改良技术，在土压平衡式盾
重型振动压路机的振动轮主要采用４点支撑结构， 其原理简图如图１所示，主要由振动马达１、马达联轴器
２、两根振动轴、连接两振动轴的中间联轴器４、滚轮５及 ４个支撑振动轴的振动轴承７等组成。
作者简介：陈乐尧（１９７２一），男，高级工程师，硕士，研究方向：压路机设计与研究。
３６ 万方数据
Ｊ工稚靠拔Ｉ删‘们
图１泡沫控制系统硬件原理图
万方数据
２。＂州Ｊ工霏缸拭『３３
设计・计算
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｔｃｕｔａｔｉｏｎ
两路泡沫水泵（４ ｋＷ，１３０ Ｌ／ｒａｉｎ）和两路泡沫原液泵
（１．５ ｋＷ，１３ Ｌ／ｒａｉｎ）连续工作，泵出的水和泡沫原液在管
单条管路泡沫混合液流量：
路中混合，混合液再通过四路混合液比例阀（０－３５ Ｌ／ｒａｉｎ， 最大０．６ ＭＰａ）调节流量后进入泡沫发生器。同时，空压机 提供的压缩空气通过四路空气比例阀（０－１
（１５）
混合液流量可以通过混合液比例阀精确调节，但是当 混合液的供给不够时，混合液比例阀也无能为力，所以为 保证混合液的供给大于需求，取混合液供给系数ｎ＝１．１。 泡沫水泵管路中设有压力传感器，一旦管路压力超限，则
（５）
ｙｂ＿ｃｙｍ－ｃ１Ｔ（娶）２印洲
停止泡沫水泵和泡沫原液泵工作一段时间，避免泵长时间 憋压。 将每掘进一环的理论泡沫注入量ｙ：作为判断泡沫
Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
Ｒａｄｏ）一般选择在
８－２０之间，如渣土含水量小，可以采用较小或中等发泡倍 率的普通气泡；如渣土含水量大，则选择中等或较大发泡 倍率的高分பைடு நூலகம்性气泡。
２控制系统设计
泡沫控制系统的功能是按照预先设定的配比，快 速精确地控制执行元件，使泡沫原液、水及空气各部分 的流量、压力符合配比要求，生成３０＂４００斗ｍ的微细 乳状泡沫。 ２．１硬件组成 泡沫控制系统的硬件组成如图１所示。
设计－计算
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ＣａＬｃｕＬａｔｉｏｎ
±压平衡式盾构泡沫控制系统的 研究与设计
张宇，王大江，王小军，张志男 秦皇岛天业通联重工股份有限公司
摘要Ｉ土压平衡式盾构主要适用于黏土层掘进，在砂土层掘进时，通常因为渣土不具有良好的塑性流动性而使推进缓慢。利
用泡沫对渣土进行改良，可有效解决上述问题。但对泡沫备组成部分的精确配比要求，叉制约着使用效果。通过分析土压平衡 式盾构泡沫系统工作原理，确定泡沫系统精确控制的设计方法。实际应用证明，该系统可以实现对泡沫配比的精确控制，从而
Ｅ０ ８＜０，取８０—３．３Ｅ０．８＝ｏ；Ｆ为２
ｍｍ粒径通过的百分率，
若９０—２．７Ｆ０ ８＜０，取９０—２．７Ｆ０．８＝０。 若Ｒ＜２０％。取Ｒ＝２００６。 （１）式中的参数会在地质勘察报告中给出。
在２９扣５多晓间，但在砂土层地质条件下施工时，因其对刀
具磨损比较严重，所以可相应增大原液配比率。 发泡倍率（ＦＥＲ，Ｆｏａｍ
图４某次工厂调试得到的泡沫效果
通信地址：秦皇岛经济技术开发区天山北路３号盾构技术 部（０６６００４） （收稿日期：２０１４－０５－１４）
陈乐尧，段乾坤，唐恒宁，陈晓平 三—重工股份有限公司路机研究院
摘要Ｉ重型振动压路机的振动轮主要采用４点支撑结构，中间联轴器的连接可靠性非常关键。联轴器松脱将直接导致振动 轮振动失效。通过计算分析，确定中间联轴器的螺钉连接结构安全系数足够，导致中间联轴器松脱的原因是装配时没有保证螺 钉拧紧力矩且止口结合面没有贴紧，结合面压溃后导致摩擦力矩不够。针对故障原因，提出加强装配时的螺钉拧紧力矩检验， 以及增加中间联轴器安装止口深度等对策。台架试验结果表明，改进措施有效可行，改进方法对同类结构的设计和验证具有一 定参考价值。 关键词ｊ振动轮；联轴器；压路机
式中：∥为每掘进一环的理论泡沫注入量，Ｌ；Ｌ为管片环
Ｖｗ＝（１一ｃ）ｙ．－－（１一ｃ）竹（孕）２ＶＪＲ．胛
掘进速度，由机载传感器可测得，ｄｍ／ｍｉｎ；
（１０）
上述式中：以为空气的体积，ＮＬ；Ｖ。为水的体积，Ｌ；ｖ为
由于系统中同一功能的各处管路的截面积近似相 等，则单条管路的参数可按以下各式计算。
泡沫系统准备就绪以后，根据输入的参数计算出泡
Ｒ＝睾×［（６０一４Ｄ０８）＋（８０一３．３，８）＋（９０一２．７Ｆ。‘８）】（１）
式中：ｏ为土粒不均匀系数ｙ。决定的系数，当Ｖ。＜４时， ａ＝１．６，当４＜Ｖｃ＜１５时，ａ＝１．２，当Ｖｃ＞１５时。口＿１．ｏ； Ｄ为０．０７５ ａｌｉａ粒径通过的百分率，若６０一４Ｄ“。＜０，取 ６０—４Ｄｕ～＝ｏ；Ｅ为０．４２ ｒｎｍ粒径通过的百分率，若８０—３．３ｘ
最大限度地发挥泡沫系统对渣土的改良作用，减少浪费。 关键词：土压平衡式盾构；泡沫控制系统；比例阀；ＰＩＤ控制
土压平衡式盾构因具有施工速度快，经济效益好，保 护环境，能有效控制地表沉降等优点，已经在城市地下工 程建设中得到了广泛的应用。但是，支撑土压平衡式盾构 施工的介质——渣土必须具有较低的内摩擦力、较低的 透水性、良好的塑流性和良好的黏软稠度等特性，当渣土 不能满足这些要求时，就需要对渣土进行改良。向刀盘、 土仓或螺旋机中注入泡沫作为一种渣土改良的方法，可 以使渣土性能得到改善，减少土体的透水性，增加土体的 流动性。然而，目前对泡沫的使用尚存在一定的盲目性， 配比不精确，不但浪费了价格昂贵的泡沫原液，而且还达 不到土体改良的效果，所以，需要对泡沫系统的精确控制 进行研究。
ｋ＝ｌ＋Ｏ．３Ｔ，／Ｔ＝
比率ｃ；发泡倍率Ⅳ；泡沫注入率Ｒ；开挖面直径Ｄ，ｄｍ。
ｃ＝孚
ｙ田
（２） （３） （４）
Ⅳ－粤
ｙｍ
Ｒ＝粤
ｙ。
式中：乩为泡沫原液的体积，Ｌ；ｙ。为泡沫混合液的体积， Ｌ；¨为泡沫注入量，Ｌ；Ｖ。为土压平衡式盾构根据掘进速
度随时调整的同步挖土量，ｄｍ３。 设．厂为土壤松散系数，则根据开挖面直径Ｄ和掘 进速度秽则有如下的计算公式：
泡沫注入率（ＦＩＲ，Ｆｏａｍ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｒ五ｔｅ）一般选在２０％
一７０％２间，根据实际的地质状况可做适当调整。在实际工 程中，常用如下的经验公式：
⑤一压力表
⑥一压力传感器砸多一电磁流量计叫一Ｙ型过滤器Ｉ圆Ｉ一手动蝶阀团一调压阀
￡一压力控制阀氏一流量调节阀阅一球阀
圉一气动球阀 勾～安全阀 ◇一螺纹止回阀
ｙｍ－＿矿Ｖｆ＝订（争）２ｑＲ／Ｎ
Ｖｒ＝（孕）２班 ｙ５＿竹（昙）２矿
ｙＥ－驴ｙｍ－（卜矿１，叭丁Ｄ）２ｔ归
（６） （７） （８）
（９）
系统停止工作的条件，当单次注入的泡沫总量超过泡沫 理论注入量时，则停止加注。
ｙ；＝丌（孚）２靴
宽度，ｄｍ。 ２．３控制流程 泡沫控制系统的控制流程如图２所示。
（１６）
１．泡沫原液泵２．泡沫给水泵３．泡沫原液流量４．泡沫
给水流量５．泡沫给水压力
６．混合液比例阀７．混合液
流量８．混合液压力９．气体比例阀１０．气体流量１１． 气体压力１２．气动阀１３．泡沫压力１４．泡沫阀１５．泡 沫原液箱１６．泡沫给水箱１７．理论注入量１８．注入泡沫
总量１９．启动按钮２０．停止按钮
图３泡沫控制系统控制界面
皆卷＝ｋ（１一专川∥ｖｊ＇Ｒ／（４Ｓ，）
单条管路泡沫原液流量：
（１２）
肛訾＝郴１ｒ（孚）２移ｆｌｖ（２ｓｊｖ）
单条管路水流量：
（１３）
耻％》＝｜｜｝，ｌ（卜ｃ）１Ｔ（譬）２ｔ删剐）（１４）
式中：后为刀盘力矩系数；ｎ为混合液供给系数；Ｒ为单 条管路中泡沫混合液的流量，Ｌ／ｍｉｎ；Ｒ为单条管路中空
气的流量，ＮＬ／ｍｉｎ；；民为单条管路中泡沫原液的流量， Ｌ／ｍｉｎ；Ｒ为单条管路中水的流量，Ｌ／ｎｆｉｎ；Ｓ。为泡沫混合 液的单条管路截面积，ｄｍ２；Ｓｇ为空气的单条管路截面积， ｄｉｎ２；＆为泡沫原液的单条管路截面积，ｄｍ２；＆为水的单 条管路截面积，ｄｍ２。 引入刀盘力矩系数＿ｊＩ，为使得刀盘力矩增大时相应注 入更多的泡沫，设正为刀盘电机当前的平均力矩，咒为 刀盘电机的最大力矩，则有：
万方数据
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设计－计算
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃａｔｃｕｌ．ａｔｉｏｎ
参考文辫 【ｌ】王军。侯著铡．土压平衡盾构泡沫控制系统的设计ｍ盾构Ｉ
程．２０１２（５）：７１—７３． 【２１高博，宁浩淞．蒲晓渡．疆构泡沫系统的电气控制ｍ．隧道建 设，２０１３，３３（Ｉ）：８７－９０． １３】郑杨锐．林世友．土压平衡盾构机泡沫系统的研制田．隧道建 设．２０１２。３２（４）：５９４－５９Ｚ 嘲程永亮．盾构泡沫系统优化技术研究ｍ．建设机械技术与管 理，２０１１ ｆ】Ｉ）：１４１－１４４．
６００ ＮＬ／ｍｉｎ，
耻祭＝矗盯（孚）２ｑＲ／（４ＳｇＶ）
单条管路气体流量：
（１１）
最大１．６ ＭＰａ）调节流量后也进入泡沫发生器。混合液和 空气通过泡沫发生器生成泡沫后，分别注入到后部的各 个管路中。 泡沫水泵管路设有压力传感器和电磁流量计测量水 的压力和流量，泡沫原液泵管路也有电磁流量计检测泡 沫原液的流量，每条混合液管路的压力和流量由传感器 检测，每条空气管路的压力和流量也由传感器测量。 ２．２参数计算 土压平衡式盾构系统工作需输入的参数有：原液配
沫混合液、空气、泡沫原液及水各管路需要达到的流量，
万方数据 舛Ｉ工霏缸拭ｉ删州
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第４５卷Ｉ第１１期
总第４９３期
圈２泡沫控制系统控制流程