长沙湘江隧道泥水盾构刀盘及主驱动的改造

卜壮志，蒲晓波，冯培培

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450052)

长沙湘江隧道泥水盾构刀盘及主驱动的改造

卜壮志，蒲晓波，冯培培

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450052)

由于工程地质条件改变，为了更好地适应湘江隧道的施工，将一台NFM泥水盾构进行改造。本次改造增加了2台主驱动电机，对刀盘刀具的布置进行了优化设计。详细介绍盾构刀盘、主驱动控制系统等的改造。改造后泥水盾构在施工过程中使用效果良好，目前隧道已顺利贯通。通过应用效果，证明本次改造的方案是可行的。

湘江隧道；大直径泥水盾构；刀盘；主驱动；改造

0 引言

在此次盾构改造工作之前，已有相当丰富的盾构研制和改造经验[1-4]，能确保改造工作的顺利与成功。文献[1]是将海瑞克泥水盾构的开挖直径6 600 mm改造成6 280 mm，属于直径缩小改造，改造工作集中在盾体结构方面；文献[2]是将NFM泥水盾构开挖直径11 380 mm改造成11 650 mm，同时对盾构刀盘、盾尾密封、管片吊机、管片安装机和后配套拖车等进行了改造；文献[3]和文献[4]分别介绍了小直径和大直径泥水盾构控制系统的设计与模拟试验，包含了主驱动、推进、泥水循环等系统的控制方法、程序设计与试验。

综上所述，前期所开展的改造工作主要集中在结构方面，缺少电气控制方面的改造，仅针对控制系统的设计开展了一些模拟试验工作。但本次改造是将杭州运河隧道使用的一台大直径泥水盾构(NFM)拆机后进行改造并用于长沙市南湖路湘江隧道工程，改造工作包含了结构与电气控制系统。杭州运河隧道工程地质条件以软岩为主，南湖路湘江隧道工程主要是在强风化-中风化砾岩中穿过，河西局部地段穿越含水砂砾和圆砾地层，河东端为中风化砾岩地层，中间部分存在上软下硬地层。不良地质主要表现为小规模的断裂破碎带以及隐伏的小溶洞。由于工程地质条件改变，需要对刀盘和主驱动控制系统进行改造。

1 改造前后工程地质适应性分析

盾构改造前所施工的杭州运河隧道工程地质条件为粉质黏土，粉质黏土夹粉砂，粉细砂圆砾、砂砾和卵石层，具有水量大、强透水、承压性等特点。

盾构改造后所施工的南湖路湘江隧道主要是在强风化-中风化砾岩中穿过，河西局部地段穿越含水砂砾和圆砾地层，河东端为中风化砾岩地层，中间部分存在上软下硬地层。

2 改造方案

由于地质情况的变化，刀盘结构与刀具需要进行改造。为了提高刀盘扭矩，主驱动部分需增加2套驱动组，因此电气控制部分需要进行的改造有：变压器扩容分析、变频器控制柜的改造、PLC控制程序更改及上位机监控系统更改。

2.1 刀盘结构改造

由于刀盘使用的地质情况发生变化，刀盘结构进行了以下几个方面的改造，见图1和图2。

图1 改造前刀盘总图

图2 改造后刀盘总图

1)刀盘中心区域结构改造。将原刀盘中心区域安装的软土刀具更改为硬岩中心滚刀，改造后刀盘中心区域的开口率由原来的36%更改为34%。

2)刀盘周边区域扇形块结构改造。为了增加边滚刀的数量，在8个扇形块周边开孔并增加边滚刀的安装位置。

3)刀箱改造。为了提高渣土在刀箱内的流动性，把刀箱盒子的厚度由780 mm改为500 mm。为防止因刀箱盒子厚度的改变而引起刀梁失稳，在刀梁的侧面增加圆钢，此结构在换刀的时候可以作为吊点以及梯子，如图3所示。

图3 刀箱改造设计(单位：mm)

2.2 刀具型式及布置方式改造

1)在原刀盘焊接中心鱼尾刀的位置，设计安装4把17″中心滚刀。

2)原刀盘39把17″单刃滚刀改造为65把17″单刃滚刀。

3)原刀盘切刀和边刮刀不改动。由于刀盘的开挖直径变大(由原来的11 650 mm加大至11 680 mm)，增加了16把边刮刀，边刮刀的高度与原刀盘切刀的高度一致。原刀盘外圈梁表面的保径刀已经起不到保径的作用。为更好地保证开挖直径，在原刀盘外圈梁表面增加32把5刃保径刀。刀盘在该地质条件下掘进时，外圈梁(切口环相对)的端部磨损较为严重，在外圈梁的端部增加16把保护刀，以提高其耐磨性能。

4)增加加强型焊接撕裂刀。撕裂刀与滚刀设计在同一轨迹，内部区域每条轨迹布置1把撕裂刀，外部区域每条轨迹布置2把撕裂刀。

5)17″单刃滚刀与可更换撕裂刀可以互换。

2.3 变压器容量分析

NFM主驱动系统配置1台2 500 kVA变压器，见图4。2个次级绕组各1 250 kVA，每一绕组各带动4台主驱动电机，同时给500 kW的P2.1泥浆泵变频器供电，总功率为2 148 kW(8×206 kW +500 kW )。

图4 变压器示意图

现增加2台主驱动变频器，变压器的2个副绕组各增加1台主驱动电机的负载，总功率将达到2 560 kW(10×206 kW +500 kW)。变压器容量

式中:P30为变压器低压侧有功计算负荷，kW；Q30为变压器低压侧无功计算负荷，kW。

无功计算负荷

Q30=P30tan (arccosφ)。

式中 cosφ为补偿后的平均功率因数。

由于变频器的功率因数近似于1，根据公式计算可得需要的变压器容量为2 560 kVA，与变压器的额定功率2 500 kVA基本相同。但考虑到刀盘主驱动与泥浆泵同时满负荷长时间工作的概率很小，基本工作在额定功率的85%，并且变压器在冷却、环境温度等条件良好的情况下，按照国家关于油浸式变压器过载能力及时间的相关规定(见表1)，在不扩容变压器的情况下基本可以满足使用要求[5]。

表1油浸式变压器过载能力及时间
Table 1 Overload capacity and time of oil-immersed transformer

过载倍数/%变压器正常运行的过载时间/min101802015030120604575151007．51403．52001．5

2.4 主驱动系统的改造

2.4.1 改造前

刀盘驱动电机是无级变速驱动，每个电动机都有各自的变频器。电动机由防尘防水的变频驱动控制柜(IP55)进行控制，该系统符合欧洲EMC标准及EC的低电压使用导则[6]。NFM泥水盾构主驱动变频器选用的是西门子6SE7 032-1HG60-Z。变频器一共8台，以“一拖一”的方式驱动，电机额定电压690 V，功率206 kW。同步控制模式采用主从控制方式，其中1#和8#电机带有转速传感器，可被选为主机(一用一备，即工作时1#或8#中的任一台被选为主机工作，其他为从机)。主机采用有速度传感器的矢量控制方式，从机跟随主机保持力矩跟随。8台变频器均配置了Profibus DP通讯卡与主控制室的PLC通讯，主PLC通过向变频器写命令、控制字、读状态字的方式实现对刀盘主驱动系统的控制与监测。变频器之间通过光纤建立SIMOLINK环网，实现变频器之间数据的快速互换(主要是主机将运行同步性的数据实时传递给从机，从而保持同步)。

2.4.2 改造后

为提高刀盘驱动扭矩，需增加刀盘电机数量。考虑到保持原有柜体的完整性和密封性，将2台新增的变频器重新制作成新的变频柜，安装在现有控制柜之间的空平台上，采用软电缆连接方式进行供电，同时需将Profibus DP及光纤控制线连接到增加的变频控制柜。电缆规格为3×70 mm2+1×35 mm2，并将同等规格电缆从变频柜连接到盾体新增电机，变频控制柜增加相应的电机检测系统(温度检测、热敏电阻检测及加热控制等)。同时需要增加相应继电器、控制信号线缆等细化工作[7]。

2.5 PLC控制系统的改造

增加2套驱动组之后需要对现有的PLC控制程序进行相应修改，增加对2套变频柜的控制与检测功能。软件方面，控制主要是通过控制字(CMD)实现(见表2)，另外还有频率给定及力矩限幅给定等；检测主要是通过状态字(ETA)实现(见表3)，状态字的各个位信息反应了变频器的工作状态，另外PLC读取的数据还有输出频率、输出力矩、输出功率、输出电流及故障代码等。程序中还需注意刀盘总功率、总扭矩等的变化，同时增加新增驱动组的故障报警信号。

表2 6SE70变频器控制字Table 2 CMD of 6SE70 frequency converter

表3 6SE70变频器状态字Table 3 ETA of 6SE70 frequency converter

2.5.1 控制系统的Profibus DP组态

新增2套变频器与PLC建立Profibus DP通信，因此需要对PLC的DP模块进行重新配置。DP模块的Profibus DP总线配置是在施耐德(SyCon)软件中进行的，通过导入西门子6SE70变频器的GSD文件，即可配置DP总线。原Profibus DP总线一共有9个从站，分别是主驱动1#至8#变频器和泥浆泵P2.1变频器，站号设置分别是11，12，…，18，20；在此配置的基础上，插入2个从站(即9#和10#变频器)，站号分别设置成21和22，并对从站进行模块站号配置及通讯数据的地址设置。在SyCon软件中重新组态之后的总线系统如图5所示。

图5 变频器的Profibus DP组态

2.5.2 PLC控制程序的修改

PLC控制程序是在施耐德编程软件PL7 Pro V4.4环境下编写的。该编程软件主要有4种编程语言，即：梯形图(LD)、树形图(Grafcet)、结构化文本(ST)和指令列表(IL)。在一个应用程序中，4种语言可以混合使用，以最安全、最简化的程序达到控制目的。本工程的应用程序就混合有LD，ST，Grafcet 3种语言，程序的编写是按照盾构的各个功能系统进行划分的，包括刀盘、推进、管片安装机、泥水循环、盾尾密封、油脂系统、液压系统、水路和气路等。此次改造是在主驱动系统增加2台驱动组，因此需要修改的控制程序主要是刀盘系统以及与上位机监控功能有关的数据处理。

刀盘主驱动系统的程序目录下共有5段子程序，如图6所示。这5段子程序分别实现模拟量处理、故障报警、数字量逻辑处理(即控制逻辑)、Profibus通讯数据处理和仿形刀的控制。刀盘控制程序的改造可按照上述功能一一进行。

图6 刀盘主驱动系统的程序目录Fig.6 Catalogue of program of main drive system of cutter head

2.6 上位机监控系统的改造

本工程中盾构监控系统所用的组态软件为PcVue8.0版。PcVue8.0版组态软件是法国彩虹计算机公司推出的新一代监控软件，并广泛应用于工业自动化领域。

上位机监控系统的软件设计总体上可按以下顺序进行：确定底层连接—界面上添加刀盘电机显示—设定电机地址—设定报警变量—设定相应变量的存储。改造后的上位机主驱动的监控界面满足对新增2台电机的预选、控制、监测、报警及数据归纳总结功能，如图7所示。

3 主驱动调试及应用效果

3.1 主驱动变频器单机调试

变频器、电机、电缆连接后必须对每一台变频器作辨识，同时判断每单台电机旋转方向是否一致，确保联机驱动时电机方向正确。

变频器单机调试步骤如下。

1)硬件检查。变频器接线检查，通讯线接线检查；电机接线、线路、电机绝缘、电阻检测；变频器防潮检测；CBP通讯板和SLB板的运行状态检查。硬件检查确认无误后，方可通电。

图7 更改后上位机主驱动界面示意图

2)变频器辨识及电机方向判断。为了准确确定电机参数，本地启动电机进行方向判断之前，需要对变频器做电机数据辨识，即自整定。在变频柜处，变频器与DriveMonitor联机。

①变频器辨识。在线修改参数P115：0→2，启动静态电机数据辨识，辨识正常完成后，参数P115的值自动恢复2→0。

②电机方向判断。在线修改参数P060：7→5，选择“系统设置”菜单；修改P100：4/5→1，选择V/F控制模式。然后，给定电机速度，启动电机。通过给定速度正负值，判断电机转向，正值时对应顺时针转动，负值时对应逆时针转动。电机方向判断完成后，需要在“系统设置”菜单下，将P100的值修改回原值。需要注意的是，一个方向判断完成后，要等电机完全停止转动之后，才能启动相反方向转动。

表4为1#至10#变频器辨识及电机方向判断结果。

表4 1#至10#变频器辨识及电机方向判断
Table 4 Identification of No.1 to No.10 frequency converter and motor direction judgment

编号辨识情况给定速度输出电流/A电机方向单电机启动情况1正常+10%/-10%+79．5/-80．9正/反平稳2正常+10%/-10%+79．6/-82 正/反平稳3正常+10%/-10%+82．3/-81．4正/反平稳4正常+10%/-10%+83．1/-79．5正/反平稳5正常+10%/-10%+79．8/-81．2正/反平稳6正常+10%/-10%+81．5/-80．3正/反平稳7正常+10%/-10%+81．0/-81．6正/反平稳8正常+10%/-10%+80．4/-80．6正/反平稳9正常+10%/-10%+82．5/-82．3正/反平稳10正常+10%/-10%+79．4/-79．2正/反平稳

注：给定速度采用百分比的表示方法，+10%代表电机额定转速的10%正转，-10%代表电机额定转速的10%反转。

3.2 主驱动系统联动

选择刀盘工作模式为正常模式。在上位机“主驱动”监控界面预选电机，刀盘启动后，在该界面上可以同时看到多台电机的运行效果。

1)选择1#变频器作为主机，其余为从机，在上位机监测到的主驱动电机运行状况如图8所示。在0.65 r/min时，从趋势图中可以看到刀盘的转速和扭矩曲线平稳，变频器运行状态良好，同步性良好。

图8 1#变频器作为主机时的监测数据Fig.8 Monitoring data when No.1 frequency converter is used as main drive

2)选择8#变频器作为主机(不选1号变频器)，其余为从机，在上位机监测到的主驱动电机运行状况如图9所示。在1.04 r/min时，从趋势图中可以看到刀盘的转速和扭矩曲线平稳，变频器运行状态良好，同步性良好。

图9 8#变频器作为主机时的监测数据Fig.9 Monitoring data when No.8 frequency converter is used as main drive

3.3 改造调试后的应用效果

本次改造于2012年3月在工地改造调试完成，2012年4月盾构顺利始发，盾构始发后工地掘进使用效果比较理想，有效地提升了盾构的掘进速度和输出扭矩。掘进过程中未发现变压器容量问题，截至2013年2月，该隧道已经顺利贯通，证明了改造方案的可行性。

4 结论与讨论

本次改造整体上是比较成功的，提高了盾构的掘进速度和使用效率，大大缩短了施工周期，可为以后的类似工程提供参考。但本次改造还存在一些不足，例如刀盘在全砂砾地层中，刀盘中心区域容易结泥饼，从而给施工造成极大的不便；而后在刀盘中心回转区域增加喷水口，使问题得到解决。这些问题还需要在以后的工作中继续探索和研究。

[1]陈建,张宁川,吕建乐.S259号泥水平衡盾构改造[J].隧道建设,2007,27(6): 71-75.(CHEN Jian,ZHANG Ningchuan,LV Jianle.Refurbishment of S259 slurry balanced shield machine[J].Tunnel Construction,2007,27(6): 71-75.(in Chinese))

[2]王伟.武汉长江隧道泥水盾构的改造[J].隧道建设,2010,30(8): 476-481.(WANG Wei.Modification of slurry shield originally used in Yangtze River in Wuhan[J].Tunnel Construction,2010,30(8): 476-481.(in Chinese))

[3]陈馈，韩亚丽.泥水盾构控制系统模拟试验台[J].建筑机械化,2007(4): 59-62.(CHEN Kui,HAN Yali.Simulation test-bed of slurry shield control system[J].Construction Mechanization,2007(4): 59-62.(in Chinese))

[4]冯培培，卜壮志.大直径泥水盾构试验台的控制系统设计[J].隧道建设,2011,31(4): 524-528.(FENG Peipei,BU Zhuangzhi.Analysis of control system for large diameter slurry shield test-bed [J].Construction Mechanization,2011,31(4): 524-528.(in Chinese))

[5]苏文成.工厂供电[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6]刘锦波，张承慧.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社，2006.

[7]吴忠智,吴加林.变频器原理及应用指南[M].北京: 中国电力出版社,2007.

京沈高铁2014年上半年开工建设总投资1 245亿元

东北地区进京的高速铁路京沈高铁将于2014年上半年全线开工建设。这条全长709 km的高铁将实现京沈两地“半日交通圈”。京沈高铁开通后，北京至沈阳的运行时间将压缩至2 h 30 min左右，比目前缩短一半时间。

据悉，京沈高铁估算总投资1 245亿元，按照时速350 km设计建设，建设工期5年。其中辽宁段全长406.8 km，占线路总长的近6成。这条高铁将设置20座车站，其中新建车站19座。

目前，京沈间虽然开行动车组列车，但只有秦皇岛与沈阳间铺设了客运专线，动车组时速也只有200 km。新建的京沈高铁线路将走行辽宁西部的锦州、阜新、朝阳，进入河北承德，经北京密云、怀柔、顺义进入北京星火站。

京沈高铁开通后，辽宁省14个城市将有13个通高铁。届时，唯一不直通高铁的抚顺市也将通过环线铁路建设与高铁接轨。

京沈高铁是中国中长期铁路网规划中“四纵四横”客运专线主骨架的重要部分。这条高铁建成后，区间内城市将开行城际列车，既有的沈阳至山海关铁路也将释放大量运能。

(摘自 新华网 http://www.chnrailway.com/html/20131231/333698.shtml 2013-12-31)

鹿岛建设采用子母盾构开挖东京雨水干线隧道

鹿岛建设于2013年12月4日公开了采用子母盾构开挖东京雨水干线隧道的现场照片。东京都下水道局为业主的雨水引水隧道“东大岛干线及南大岛干线二期工程”(江东区)施工长度约为1 540 m。鹿岛建设采用外径为7.1 m的母机开挖了700余m后，再使用内置的外径为5.34 m的子机始发，目前子机掘进了大约300 m。

隧道是从引水的下游一侧开始施工的。因为在中途存在与其他引水隧道的合流部，需要的流量变小，所以适合采用子母盾构开挖。据说鹿岛建设也仅有几个子母盾构的施工案例。盾构上还装备了使用高压水切断排除地下障碍物的特殊喷嘴，能够顺畅地通过地铁工程残留的障碍物。

母机于2012年5月开始掘进，子机于9月分离始发，预计2014年3月完成施工。

(摘自 中铁工程装备集团有限公司 http://www.crectbm.com/News/View/5504.aspx 2013-12-27)

CaseStudyonRefurbishmentofCutterheadandMainDriveofSlurryShieldforXiangjiangRiverCrossingTunnelinChangsha,China

BU Zhuangzhi,PU Xiaobo,FENG Peipei
(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450052,Henan,China)

A large-diameter slurry shield has completed its boring of Yunhe tunnel in Hangzhou.Now the slurry shield is to be used for Xiangjiang River Crossing Tunnel in Changsha.Therefore,the slurry shield needs to be refurbished so as to suit for the geological conditions of the new project.In the refurbishment of the slurry shield,2 main drive motors are added and the arrangement of the cutterhead and cutting tools is optimized.In the paper,the refurbishment of the cutterhead and main drive control system of the slurry shield is presented.The refurbished slurry shield has achieved good results in the construction of the new tunnel,which proves that the refurbishment is feasible and rational.

Xiangjiang River Crossing Tunnel; large-diameter slurry Shield; cutterhead; main drive; refurbishment

2013-03-27;

2013-12-12

卜壮志(1986—)，男，河南洛阳人，2009年毕业于解放军防空兵指挥学院，电子信息专业，本科，助理工程师，现从事盾构制造与设计工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.015

U 455.3+1

B

1672-741X(2014)01-0088-06