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第一部分 理论篇3

第1章 绪论3

1.1 土压平衡盾构原理3

1.1.1 盾构法及施工设备3

1.1.2 土压平衡盾构组成7

1.1.3 土压平衡盾构工作原理9

1.2 土压平衡盾构技术进展10

1.2.1 土压平衡盾构发展历程10

1.2.2 国内外发展现状15

1.2.3 技术进展及发展趋势17

1.3 土压平衡盾构关键技术22

1.3.1 地质适应性22

1.3.2 刀盘系统22

1.3.3 控制技术22

1.3.4 电液系统23

1.3.5 状态监控23

1.3.6 辅助系统23

1.4 土压平衡盾构电液控制技术应用与发展24

1.4.1 刀盘驱动电液控制技术发展现状24

1.4.2 推进系统电液控制技术研究现状27

1.4.3 管片拼装电液控制技术研究现状28

1.4.4 盾构掘进电液控制技术研究现状30

1.4.5 盾构试验台电液控制技术研究现状31

第2章 土压平衡盾构的负载特性35

2.1 不同地质条件下盾构的负载特性35

2.1.1 冲击黏土的负载特性35

2.1.2 洪积黏土的负载特性36

2.1.3 砂质土的负载特性37

2.1.4 砂砾和大卵石的负载特性38

2.1.5 泥岩的负载特性40

2.2 土压平衡盾构的结构和设计要点41

2.2.1 钢壳机构42

2.2.2 推进机构42

2.2.3 搅拌及排土机构45

2.2.4 管片拼装机构45

2.2.5 附属装置46

2.3 刀盘刀具的负载特性46

2.3.1 刀盘的结构特点46

2.3.2 刀具形式47

2.3.3 刀具布置对刀具的保护49

2.3.4 刀具切割破岩机理49

2.3.5 刀盘结构50

2.3.6 刀具布置51

2.3.7 刀盘支撑53

2.3.8 搅拌棒55

2.3.9 刀具设计特点55

2.4 盾构刀盘转速智能控制系统56

2.4.1 基于统计分类的土层识别方法56

2.4.2 盾构刀盘转速智能控制研究64

第3章 土压平衡盾构驱动电液控制系统68

3.1 盾构刀盘扭矩的计算及其土层特征68

3.1.1 盾构刀盘扭矩影响因素分析68

3.1.2 土压平衡盾构刀盘扭矩计算模型研究71

3.2 刀盘驱动系统电液控制技术81

3.2.1 刀盘驱动系统81

3.2.2 刀盘电液驱动的节能化发展84

3.3 盾构刀盘驱动电液系统设计86

3.3.1 刀盘驱动电液系统原理86

3.3.2 刀盘驱动电液系统计算88

3.3.3 刀盘驱动电液系统集成89

3.4 多泵组合驱动盾构刀盘电液系统90

3.4.1 多泵组合驱动电液系统仿真研究90

3.4.2 多泵组合驱动电液系统功率匹配控制策略107

3.4.3 多泵组合驱动液压系统运行试验108

3.5 大闭环控制盾构刀盘电液系统112

3.5.1 模拟盾构刀盘驱动试验与仿真113

3.5.2 大闭环控制变转速驱动电液系统118

第4章 土压平衡盾构推进电液控制系统126

4.1 推进系统电液控制技术126

4.1.1 传统推进控制模式126

4.1.2 简化推进控制模式128

4.2 盾构掘进机推进力计算129

4.2.1 传统推进力计算模型129

4.2.2 推进分项阻力计算131

4.2.3 推进力计算模型136

4.2.4 试验结果及分析137

4.3 盾构推进电液系统设计139

4.3.1 推进电液系统工作原理139

4.3.2 推进电液系统主要参数设计计算141

4.4 推进电液系统比例压力流量复合控制仿真147

4.4.1 模型建立147

4.4.2 推进开环控制仿真151

4.4.3 推进比例压力流量复合控制仿真153

4.4.4 液压缸回退仿真154

4.4.5 现场测试及结果分析158

4.5 盾构推进液压缸动力参数校核160

4.5.1 研究内容161

4.5.2 盾构液压缸尺寸核算162

4.5.3 盾构液压缸实体建模与有限元分析168

第5章 土压平衡盾构螺旋输送电液控制系统187

5.1 盾构掘进时螺旋输送机的功用187

5.1.1 土压平衡盾构输送原理187

5.1.2 螺旋输送机出土量与螺旋形式189

5.1.3 螺旋输送机出土量与转速的关系190

5.1.4 螺旋输送机力学模型的建立191

5.1.5 螺旋输送机排土控制策略193

5.2 螺旋输送机液压系统工作原理195

5.2.1 螺旋输送机比例电液系统196

5.2.2 螺旋输送机液压系统参数计算201

5.2.3 螺旋输送机液压阀块集成204

5.2.4 螺旋输送试验研究205

5.3 盾构螺旋输送机电液系统流量补偿研究206

5.3.1 基于流量补偿的系统控制206

5.3.2 系统仿真研究207

5.4 盾构螺旋输送排土控制分析209

5.4.1 螺旋输送机结构及工作原理209

5.4.2 螺旋输送机变量泵液压系统原理210

第6章 土压平衡盾构管片拼装电液控制系统212

6.1 管片拼装机工作原理及管片拼装过程212

6.1.1 管片拼装机设备及施工工艺212

6.1.2 管片拼装机主要技术参数及设计要求215

6.1.3 管片拼装机部件结构和技术特点216

6.2 管片拼装机液压系统主要参数计算217

6.2.1 管片拼装机液压系统主要技术要求217

6.2.2 系统主要参数计算218

6.2.3 盾构施工现场测试220

6.3 管片拼装机液压系统分析221

6.3.1 管片拼装机周向回转液压系统221

6.3.2 管片拼装机纵向移动液压系统223

6.3.3 管片机径向移动液压系统224

6.3.4 管片头回转控制液压系统224

6.3.5 管片头抓紧液压系统226

6.3.6 管片倾斜液压控制系统226

6.4 管片拼装机控制系统建模226

6.4.1 恒功率恒压变量泵建模226

6.4.2 比例方向流量阀建模230

6.4.3 低速大扭矩液压马达及平衡回路建模232

6.4.4 减速机构的传动数学模型234

6.5 管片拼装机定位控制236

6.5.1 管片拼装定位电液控制系统建模237

6.5.2 管片拼装定位电液控制系统仿真239

第7章 土压平衡盾构辅助工序电液控制系统243

7.1 同步注浆系统243

7.1.1 同步注浆施工方法243

7.1.2 同步注浆主要技术参数245

7.1.3 同步注浆管路系统248

7.1.4 同步注浆液压系统249

7.1.5 采用负载敏感泵的同步注浆液压系统251

7.2 超挖刀电液控制系统252

7.2.1 超挖刀位移检测系统252

7.2.2 盾构常用刀具和超挖刀原理254

7.2.3 超挖刀电液系统原理257

7.3 管片运输、生产设备电液控制系统259

7.3.1 管片运输机电液系统259

7.3.2 管片运输车液压系统262

7.3.3 管片生产设备电液系统271

第二部分 实践篇275

第8章 土压平衡盾构试验台及其电液技术275

8.1 盾构模拟试验台国内外研究发展概况275

8.1.1 盾构模拟试验台的分类275

8.1.2 国内盾构模拟试验台的发展现状277

8.1.3 盾构模拟试验台的局限性和发展趋势279

8.2 盾构控制系统模拟试验台280

8.2.1 总体方案介绍280

8.2.2 技术参数确定281

8.2.3 控制系统设计281

8.2.4 盾构电气监控系统应用软件的开发283

8.3 盾构推进系统模拟试验台284

8.3.1 推进系统试验平台液压系统284

8.3.2 推进系统试验平台电控系统287

8.4 缩尺盾构掘进模拟试验台292

8.4.1 目标和意义292

8.4.2 模拟盾构主要组成及参数294

8.4.3 模拟盾构各系统设计294

8.4.4 推进系统设计302

8.4.5 螺旋输送机系统设计306

8.4.6 其他部件结构设计307

8.4.7 液压泵站设计310

8.4.8 数据采集控制系统312

8.5 φ1.8m盾构模拟试验台313

第9章 全断面掘进机综合试验台及其电液系统317

9.1 全断面综合试验台系统317

9.1.1 综合试验台构成317

9.1.2 盾构试验台结构参数确定319

9.2 试验土箱及加载系统321

9.2.1 土箱参数确定321

9.2.2 土箱结构设计321

9.2.3 土箱加载机构322

9.2.4 加载液压系统323

9.2.5 加载辅助系统325

9.3 试验台电液控制系统326

9.3.1 模拟试验台液压控制系统326

9.3.2 模拟试验台电气控制系统334

9.4 数据采集及处理系统339

9.4.1 系统网络体系结构339

9.4.2 主要功能描述340

9.4.3 系统技术实现342

9.4.4 系统安全与扩展343

第10章 土压平衡盾构试验台监控系统346

10.1 盾构模拟试验平台监控系统软硬件结构设计346

10.1.1 监控系统硬件结构设计347

10.1.2 监控系统软件结构设计349

10.1.3 监控系统配置与运行环境350

10.1.4 监控系统的供配电设计350

10.2 盾构系统PLC控制设计351

10.2.1 基于CC-Link现场总线的PLC控制系统结构352

10.2.2 盾构电液系统PLC控制策略353

10.3 盾构电液系统监控组态开发359

10.3.1 组态王与Q系列PLC的数据连接359

10.3.2 盾构电液监控系统组态画面开发361

10.3.3 盾构监控系统的数据存储与显示363

10.3.4 基于ActiveX的控件式算法设计366

10.4 监控系统的应用效果及改进368

第11章 掘进试验时电液系统性能分析371

11.1 土压平衡盾构推进电液系统试验371

11.1.1 推进电液系统控制策略分析371

11.1.2 推进电液系统压力流量复合控制分析373

11.1.3 推进电液系统同步控制试验380

11.2 土压平衡盾构土压平衡控制试验385

11.2.1 土压平衡盾构掘进的土压控制385

11.2.2 密封土舱内土压平衡的实现388

11.3 盾构掘进试验中的负载关系分析393

11.3.1 掘进过程中盾构总推力的变化规律393

11.3.2 掘进过程中盾构刀盘扭矩的变化规律395

11.3.3 盾构刀盘扭矩和总推力的关系396

11.3.4 不同土层及刀盘开口率对刀盘扭矩的影响397

11.3.5 推进力和土舱压力对刀盘扭矩的影响399

11.4 盾构推进力和轨迹控制试验400

11.4.1 盾构推进力的精确控制400

11.4.2 盾构推进轨迹跟踪控制试验404

第12章 盾构推进液压系统突变载荷顺应性研究407

12.1 顺应性定义及其描述407

12.1.1 顺应性定义407

12.1.2 顺应性描述408

12.1.3 顺应性公式表达408

12.2 推进系统突变载荷顺应性模拟试验413

12.2.1 推进系统载荷模型413

12.2.2 顺应性仿真分析414

12.2.3 顺应性模拟试验描述417

12.2.4 顺应性模拟试验结果418

12.3 典型推进液压系统顺应性对比419

12.3.1 典型盾构推进液压系统420

12.3.2 顺应性对比结果420

12.4 典型地质推进液压系统顺应性效果评价422

12.4.1 顺应效果评价指标422

12.4.2 深圳地铁工程描述422

12.4.3 四种盾构顺应效果评价424

12.5 基于顺应性的盾构推进液压系统设计425

12.5.1 顺应性影响因素分析425

12.5.2 基于顺应性的新型推进液压系统设计429

12.5.3 新型推进液压系统的顺应效果431

参考文献432

索引439