盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究硕士论文(毕业设计论文).doc

盾构刀盘回转驱动液压系统建模与仿真研究摘要集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备，其刀盘驱动系统具有大惯性、大功率和变负载的特点，而近来迅速发展起来的电液控制技术在继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体，成为盾构机驱动方式的发展趋势。论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出发，针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象，分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题，探讨了一种具有更高可靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统，重点研究了系统的动态特性及其冲击适应性，主文主要研究内容如下:1.介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究现状。分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点，对变频电机驱动和液压驱动两种方式进行了对比。2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性，分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型，论述了盾构扭矩的构成情况及计算方法。重点研究了盾构刀盘在切削过程中负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。通过盾构刀具切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合，验证和分析了盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因。3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘驱动液压系统的优缺点，针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变化的变量泵一变量马达容积控制驱动回路，并采用比例阀控蓄能器来控制负载的动态冲击。4.建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动态特性入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身的影响，揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法，在蓄能器模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。5.在已建立的数学模型的理论基础上，利用A州 ESim图形化仿真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建系统的动态特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。研究结果表明，采用比例阀控蓄能器的盾构刀盘回转驱动液压系统可以能够很好地吸收负载冲击，有效避免溢流损失，并回收部分冲击能量，具有较好的节能性多中南大学硕士学位论文摘要和可靠性。关键词:盾构掘进机;刀盘驱动液压系统;AMESim仿真;负载冲击;蓄能器中南大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACT Shieldtunnelingmaehineonwhiehmechanieal，eleetrieal，information，measurement，场 draulieandeontroltechniqueswereapPlied hasfeaturesofhigheffieieney， quie知ess， highqualityandsafety， whieh madeitbethemostwidelyusedeons加 etionequiPmentinunderground tunnelingProjectintheworid.Thedrivesystemofitseuttethead15with thefeaturesoflargeinertia， highPowerandvariableload.Sincetheeleetro一冲 dranliecontroltechniquescloselyintegratedwitheleetronicteehnology， ithasbeeomethenewtrendofthedrivingmode.Basedon theactualworkingeonditions， aimingatimPaetloadandeuttetheaddeadlocking， theProblemsofexistingdrivingmodewereanalyzed，a drivingsystemwithhigherreliabilityandhigherenergyeffieieneywas Putforward， thesystem， 5dynamicPerformaneeandimPaetadaptability weremainlystudied.Themainresearchwork15asfollows: 1.ThedeveloPmenteourseandresearchstatusofshieldteehnology werereviewed.Theexistingdrivingmodeofcuttetheadwasanalyzed.、乞riable一 frequeneydrivingmodewaseomParedwithhydrauliedrivingmode. 2.FromthePersPeetiveofload， thebasicProPertiesofroekand5011 werediseussed， theeuttingmeehaniealmodelandthePhysical PhenomenaincuttingProcesswereexPounded.TheeomPositionof torqueanditsresearchmethodwasdeseribedindetail.TheimPaetload anditseffectaswellasthereasonofeuttetheaddeadlockingweremainly studied.BasedontheshieldtoolcuttingeXPerimentandthedata collectedfromtheshieldsite， theeausesoftheload， 5randornnessand imPactwereverifiedandanalyzed. 3.Shieldeutterdrivesystem， 5strueturewasanalyzed.The advantagesanddisadvantagesofexistingshieldcutterdrivehydraulic systemhasbeenstudied.Thedesignideasofshielddrivenhydraulic systemwasProPosedundertheenvironmeniforload.Basedontheload，a volumemotorcontrolloopofvariablePumP一 variablemotorwas Proposed.ThecombinationofProPortionalvalveandaeeumulatorwas usedtocontrolthedynamieimPaetloads. 4.Basedonfluidmeehanies， themathematiealmodelofthe111知中南大学硕士学位论文ABSTRACTcutterhead，s勿 draulicdrivingsystemwasestablished.St别 rtingatsystem dynamieeharaeteristics， theeffeetsoftheParametersofthesystemonthe systemitselfunderheavyimPaetloadwerestudied.HydranlicimPactand theealeulationmethodofitsPeakwereelaborated.Basedonthemodelof冲 draulieaeeumulator， its勿 namiceharacteristicswereanalyzed. 5.Basedonthemathematiealmodelestablished， thesimulation modelofcuttetheads妙 drauliesystemwasbuiltbyuseofthesoftwareAN田 Sim.Thedynamieeharacteristicsofthesystemandadaptabilityof theimPaetwerestudiedbysimulation.Theresultsshowthattheshield rotaryeutterdrivehydraulicsystemcanabsorbloadimPaetwell，avoid theoverflow1055effectivelyandreeoverPartoftheimPaetenergyby usingtheProPortionalvalvetoeontralaceumulator.Ithasbetterenergy efficiencyandreliability. KEYWORDSshieldtunnelingmaehine，cuttethead 5hydrauliedrivingsystem，A侧田 Simsimulation， loadimPact，aeeumulatorIV中南大学硕士学位论文目录目录摘要.IABSTRACT.111目录.V第一章绪论.11.1引言.1 1.2盾构施工法及盾构机概述.2 1.2.1盾构施工法概述.21.2.2盾构机概述.，.4 1.3盾构机的发展研究现状.61.3.1盾构机的国外发展历史和现状.61.3.2盾构机的国内发展历史和现状.71.4盾构刀盘驱动方式概述.9 1.4.1现有驱动方式分析.91.4.2盾构刀盘驱动液压系统发展方向.121.5本文主要研究内容.14第二章盾构刀盘负载特性分析及实验研究.巧2.1岩土特性概述.152.1.1岩石特性概述.巧2.1.2土壤特性概述.172.2盾构刀盘的切削机理及负载构成.192.2.1滚刀与切刀切削原理.192.2.2刀盘负载扭矩构成.272.2.3盾构刀盘切削负载与驱动液压系统祸合关系.302.3刀盘负载冲击的原因和影响.312.3.1刀盘负载冲击的原因.312.3.2刀盘负载冲击的影响.342.4盾构刀具及刀盘动态切削冲击特性实验研究.362.4.1盾构刀具切削实验目的.362.4.2盾构刀具实验设备与试样制备.372.4.3盾构刀具实验结果及分析.382.4.4盾构刀盘切削负载冲击施工现场测试.402.5本章小结.42第三章盾构刀盘回转驱动液压系统设计.443.1盾构刀盘回转驱动结构概述.443.1.1刀盘的支承方式.443.1.2刀盘的驱动结构.453.2刀盘回转驱动液压系统设计思路.463.2.1现有的回转驱动液压系统方案的分析.463.2.2刀盘回转驱动液压系统设计思路.493.3盾构刀盘回转驱动液压系统原理设计.503.4本章小结.54厂中南大学硕士学位论文目录第四章盾构刀盘回转驱动液压系统的数学模型与动态特性分析.554.1盾构刀盘驱动液压系统模型.554.1.1变量泵一定量马达系统.554.1.2变量泵一变量马达系统.574.1.3主要性能参数分析.594.2液压冲击现象的物理过程与峰值计算.604.2.1液压管道中液压冲击现象的物理过程.604.2.2液压冲击最大压力升高值的计算.614.2.3液压冲击波的传播速度，.624.3盾构刀盘驱动液压系统中蓄能器与数学模型.644.3.1吸收压力脉动的蓄能器.。.644.3.2吸收压力冲击的蓄能器模型.674，4本章小结.68第五章基于AMESha的盾构刀盘回转驱动液压系统仿真研究.70 5.1AMESim图形化仿真软件简介.705.2系统仿真模型的建立与参数设置.715.3实际负载下盾构刀盘回转驱动液压系统仿真对比.745.4系统动态性能及其压力适应性仿真.775.4.1液压系统动态特性仿真.，.775.4.2系统对于压力冲击适应性.815.4.3系统的节能性研究.875.5本章小结.89第六章总结与展望.916.1总结.916.2展望.92参考文献.93致谢.， .，.98攻读学位期间主要研究成果.99中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1引言随着我国现代化建设水平的不断提高，许多地区产生了诸如城市扩张、人口膨胀、交通拥挤、大气污染、噪音污染等一系列问题，如果继续开发地面交通无疑将导致上诉诸多问题陷入恶性循环。合理开发利用地下空间已逐渐成为目前国内外公认解决建设用地与土地资源日益严重不足问题、促进社会可持续发展和环境保护的最佳途径l刀。图1一1质构掘进机地下建筑物的修建一般采用明挖法、暗挖法和盾构法。一般而言，明挖法多用于平坦地形或埋深小于30m的场合，该方法几乎可以适应各种不同类型的结构形式，使结构空间得到充分而有效的利用。但随着埋深的增加，采用明挖法会使工期和费用显著增加且工期可预见性较差，在大型越江(海)工程中还会因为所面临工程量浩大、不利影响因素过多而几乎无法实施;隧道暗挖法需要采取较多辅助措施，施工降水等措施所引起的临近地区地下水位降低、地面沉降量增加等问题较为突出，安全隐患严重，且当地基无自承载能力或承载能力较低、地下水位较高时，隧道将无法开挖通过;盾构隧道施工(除竖井外)几乎不会对外界产生交通影响，施工所产生的招生和振动也只发生在竖井口附近，该施工法能较好地控制地下水渗漏和地表沉降，不影响地面交通和地下水位，工程费用几乎不受隧道埋深的影响，目标工期和工程造价可控性好，施工风险相对较小，施工期间不影响江河通航，不易受河床变迁影响，因而在国内外众多地铁隧道、排污隧J中南大学硕士学位论文第一章绪论道和大型越江(河)隧道修建中广为采用卜51。目前，我国的城市轨道交通建设正处于史无前例的高潮。北京、天津、南京、沈阳、成都、西安、深圳、长沙等地铁项目正在如火如茶地建设中，另外还有多个城市的轨道交通建设规划获批或正在申报待批。城市地铁在扩大内需的政策支持下，纷纷加大投资、加快建设。据不完全统计，目前全国有25个大城市正在进行轨道交通的前期工作，总规划里程超过SOO0km，总投资超过8000亿元。“十一五”期间，全国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1500km61。在国内地铁隧道建设施工中，盾构法施工以其对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、安全环保等优点显现出强大的优势，应用越来越多。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展、成熟，盾构法越来越受到重视和青睐。特别是在地层条件差、地质情况复杂丈地下水位高等情况下，盾构法更具有明显的优越性。因此，盾构产业化将具有广阔的市场前景7。目前，盾构机的主要技术和设备生产主要集中在美、日、欧等少数几个发达国家和地区，其中日、德的盾构机技术性能最为优越。作为隧道施工中极为重要的掘进装备，盾构机在国外公司的垄断下依然大多依赖进口。8其高昂的购置费和维护费，制约着施工成本的降低，致使基础设施耗资巨大。发展国产盾构，研究、设计、制造符合中国国情的盾构，对打破国外技术垄断，提高我国设计制造水平，振兴民族工业，带动重大装备制造业的发展具有显著的示范作用，提高盾构技术水平对国民经济和国防建设都具有深远意义。.2盾构施工法及盾构机概述2.1盾构施工法概述盾构施工是指使用盾构掘进机，一边控制开挖面使围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出碴，并同时在机器内部拼装管片形成衬砌环实施壁后注浆，尽量不扰动围岩而修建隧道的方法。采用盾构法修建而成的隧道称为盾构隧道。盾构隧道施工的工作原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少施工对地面和地中建筑物的影响。工程中主要通过主动控制围岩的应力释放和变形以达到削弱施工影响的目的，其措施包括:使用压力仓内的泥土或泥水压力以平衡开挖面所承受的前方土、水压力;使用切削刀盘和盾构钢壳对开挖四周进行被动支护;使用壁后注浆及时充填欠挖及盾尾孔隙等14，51。如图1一2所示，盾构隧道施工流程主要包括如下几个步骤:(l)在修建区间隧道两侧端头修建竖井(或基坑)，作为盾构始发和接受竖井(或始发和接受基坑)。中南大学硕士学位论文第一章绪论图1一2盾构施工流程图(2)将盾构主机和相应配件分批次吊入始发竖井(或始发基坑)，于设计预留始发掘进位置完成整机组装，调试各项参数以满足施工要求。(3)在始发竖井(或始发基坑)预留开口处破壁施工，延隧道设计轴线顶推前行。(4)完成设计盾构区间隧道顶推施工。施工全过程主要可分为几个步骤:核心土体的开挖:保持盾构开挖面土、水压力略小于压力仓内支护压力以保持掌子面的不断前行。盾尾管片环拼装:当掌子面顶推单环装配式管片环幅宽长度时，在刚性盾壳保护下完成整环管片拼装。壁后注浆回填:为避免脱离盾壳庇护管片环河实际开挖毛洞间所留下的盾尾孔隙附近无支护土体坍塌所引起的较大地层损失和地表位移，通过设置在盾尾和管片上的预留注浆孔进行同步和壁后注浆。重复上述过程，开挖面不断前行，行成连续管片环和注浆环直至整条隧道贯通。(5)顶推施工至设计预定接受竖井(或接收基坑)，盾构再次破壁以结束施I，拆卸盾构机并吊运完成5， 9，101。就本质而言，盾构隧道施工属于暗挖施工方法之一，故其没有明挖施工法的诸多缺点。目前以开发的盾构施工法不仅适用于软土地层，而且适用于硬质地层和岩层情况。归纳起来，盾构隧道施工具有以下主要优点:(l)施工对环境影响小。主要包括:出土量小，场地附近地层扰动沉降小，对周围建筑物影响小;不影响地表交通，无需切断或搬迁地下管线等各种地下设施，从而节省了大量的工程附加费用;对周围居民生活和出行影响小;无空气、噪声和振动污染等问题。(2)施工不受地形地貌、江河水域等地表环境条件的限制。(3)地表占地面积小，施工占地和征地费用小。中南大学硕士学位论文第一章绪论(4)适用于大深度、长距离和高水头等恶劣条件下的施工，施工费用可控性好。(5)施工受天气状况和气候条件影响小。(6)开挖出土量小，有利于降低工程成本。(7)施工构筑盾构隧道柔度大，抗震性好。(8)使用范围广，可广泛适用于软土、砂卵石、软岩乃至硬岩等各类地层条件。盾构隧道虽然优点众多，但仍存在一些不足之处，主要有:(l)当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。(2)修建城市隧道时，弱隧道覆土太浅则施工困难较大;水下施工时，若覆土太浅则将导致施工安全性较低。(3)施工中隧道上方一定范围内的地表沉陷难以完全消除，特别是对于饱和含水松软地层而言，施工中应采取严密的技术措施以将沉降控制在设计要求范围内。(4)饱和含水地层和水下隧道施工过程中，该施工法所采用的拼装衬砌对达到整体结构防水性的技术要求较高11。1.2.2盾构机概述盾构掘进机 (Shieldtunnelingmachine)是一种隧道掘进的专用工程机械。现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机是世界上最先进的隧道掘进设备，主要由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等几个部分组成，适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖，被广泛应用于地铁、公路、铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程建设112。由盾构机与特定的基础地质、工程地质和水文地质特征的匹配情况决定了在不同施工环境，盾构机所具有的三种类别:软土盾构机、硬岩盾构机(TBM)和混合盾构机三类l3一，51。1.软土盾构机软土盾构机是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩以及全风化和强风化围岩条件下的一类盾构机。北京、上海、南京、天津等地在纯软土地层中使用的盾构机是典型的软土盾构机。比如，上海地铁使用的双圆软土盾构机的刀盘，仅安装刮刀，不需要滚刀。2.硬岩盾构机中南大学硕士学位论文第一章绪论广义的硬岩盾构机是指岩石掘进机(化M)。它适用于硬岩且围岩岩层较致密完整的一类盾构机。秦岭铁路隧道和引大入秦、引黄入晋水利工程使用的是典型的硬岩盾构机。山西万家寨引黄工程使用的硬岩盾构机球面刀盘，只安装滚刀，不安装刮刀l61。软土和硬岩盾构机是在均一地层中使用的盾构机。3.混合盾构机混合盾构机是指设备具有的功能的“混合”，这类盾构机既具有软土盾构机的功能又具有硬岩盾构机的功能;既具有土压平衡功能又具有泥水加压功能;既可以开胸式掘进又可以闭胸式掘进，等等。这是一类能适应更为复杂多变的复合地层的盾构机。广州地铁大塘一汉溪区间使用的是混合盾构机，其刀盘兼有软土和硬岩盾构机的特点。在特定的盾构施工环境，根据盾构机采用的“出渣进料”方式或最优开挖和出土功能的方式，可以分为开胸式、半开胸式、闭胸式和气压式。1.开胸式严格意义上的开胸式掘进，是典型的硬岩掘进机(TBM)采用的掘进方式。该掘进机在掘进中，皮带运输机伸入到刀盘后面，直接将渣土运输到矿车内，无需经过螺旋输送器运输这个环节。这种模式适用于围岩自立性好的硬岩地层，如微风化和中风化的围岩。2.半开胸式半开胸式通常又称半闭胸式或欠土压平衡式。在这种模式下施工时，密封土仓内的渣土并不“饱满”，压力传感器显示的水力压力小于工作面的主动土压力。也就是说，密封土舱内的渣土处于一种非平衡状态，且对于工作面的水力压力而言，是在欠土压状态下施工的。采用这种模式施工时，工作面的岩土基本上能在短时间内保持自立，或者盾构推进速度大于围岩变形失稳速度，因此不至于发生软岩或软土自然塌落而出现过量超挖现象，从而可以避免地表发生沉降。这种模式适用的地层一般是强风化地层、某些全风化地层、第三系半固结地层、自立状况较好的某些硬塑残积地层，以及上述地层的组合地层。3.闭胸式闭胸式掘进应该是真正意义上的土压平衡式掘进，也就是盾构机密封土舱内的土压力要与工作面的水土压力保持平衡。在实际操作时，是将密封土舱内的土压设置为稍稍大于工作面的主动水土压，这样更有利于防止由于某种原因过量开挖造成的地表沉降。这种模式适用的地层是第四系土层、部分残积土层、全风化岩层、断层破碎带以及第四系土层与下部各种风化程度的岩石地层组成的复合地层7。垦国翩中南大学硕士学位论文第一章绪论机受损，迫于无奈施工中断了7年。在 1841年，布鲁诺还是和他的盾构机成功地顶到了彼岸，第一条盾构隧道贯通了，于 1843年正式投入使用l，81。1874年英国工程师格雷蒙德(Greathead)在英国伦敦南线竹mwy隧道修建中创造了比较完整的运用压缩空气进行防水的气压盾构施工法，其利用压缩空气保持开挖面稳定，进行掘进，并且在盾构中拼装管片，通过其反力使盾构机向前推进，这与现在的盾构法基本思路大致相同，为盾构隧道修建奠定了基础。到了20世纪，盾构隧道施工在美国、英国、德国、前苏联、法国、日本等发达国家开始得到应用和广泛推广:1930年到1940年左右，这些国家和地区已成功使用盾构并相继建成了直径为3.0一14.Om的多条公路、铁路、地下铁道、上下水道等工程 ;1960年起，盾构法在日本得到迅速发展，用途越来越广，成就也越来越大，仅1955年到1980年的30几年内，日本就制作T3000台盾构机。 1970年初，法国、德国及日本等国针对城市建设区的软弱含水地层中，由于盾构施工引起的地表沉降，预制高精度管片和接缝防水等技术问题，研制了各种新型衬砌和防水技术以及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。整个20世纪90年代盾构工法的发展速度极快，其特点是:(l)泥水、土压盾构技术的普及推广，技术细节的完善;(2)特种盾构工法的问世(各种异形断面工法，以及球体盾构、母子盾构、变径盾构工法等);(3)大深度、大口径、长距离、高速施工、高地下水压等条件下各种施工措施的成功运用;(4)特种施工技术的应用，如地下对接、管片自动组装、掘削面前方障碍物的预报、掘除等技术11叼5。近年来，伴随液压技术、自动化技术、测控技术和相关产业的发展以及土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发与接收等一系列关键技术难题相继攻克，盾构机的制造技术得到了高速发展。世界范围内工程建设规模的不断扩大又为盾构技术的发展提供了广阔的市场空间。1.3.2盾构机的国内发展历史和现状我国的盾构掘进机制造和应用始于1963年，上海隧道工程公司结合上海软土地层实际情况对盾构掘进机、预制钢混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统试验研究。研制了1台中4.2m的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘进试验，隧道掘进长度68m。1%5年，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的两台。 5.8m的网格挤压型盾构掘进机，掘进了2条地铁区间隧道，掘进总长度1200m。1%6年，上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用上海隧道工程设计院设中南大学硕士学位论文第一章绪论计、江南造船厂制造的我国第一台中10.2m超大型网格挤压盾构掘进机施工，辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1322m。20世纪70年代，采用一台。3.6m和两台。4.3m的网格挤压型盾构，在上海金山石化总厂建设1条污水排放隧道和两条引水隧道，掘进了3926m海底隧道，并首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了一台中6.41m的刀盘式盾构掘进机，后改为网格挤压型盾构掘进机，在淤泥质粘土地层中掘进隧道1230m。1987年上海隧道工程股份公司研制成功了我国第一台。4.35m加泥式土压平衡掘进机，用于市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度583m，技术成果达到20世纪80年代国际先进水平，并获1990年国家科技进步一等奖。1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18kill区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道股份、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的中6.34m土压平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进Zoom以上，地表沉降控制+l一3。m。19%年，上海地铁2号线再次使用原7台土压盾构，并又从法国FMT公司引进2台土压平衡盾构，掘进24km区间隧道。上海地铁2号线的10号盾构为上海隧道公司自行设计制造。20世纪90年代，上海隧道工程股份有限公司自行设计制造了6台。3.8m一中6.34m土压平衡盾构、用于地铁隧道、取排水隧道、电缆隧道等，掘进总长度约IOkm。在90年代中，直径1.5二3.Om的顶管工程也采用了小刀盘的土压平衡顶管机，在上海地区使用了10余台，掘进管道约20km。 1998年，上海黄浦江观光隧道工程购买国外二手。7.65m铰接式土压平衡盾构，经修复后掘进机性能良好，顺利掘进隧道644m。1998年，上海隧道股份成功研制国内第一台中2.2m泥水加压平衡顶管机，用于上海污水治理二期过江倒虹管工程，顶进1220m。1999年，上海隧道股份研制成功国内第一台3.8X3.8m矩形组合刀盘式土压平衡顶管机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m，建成两条过街人行地道。2000年2月，广州地铁两号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改制的两台中6.14m复合型土压平衡盾构，在珠江底风化地层中掘进。2004年，上海隧道股份公司开发成功了我国首个拥有自主知识产权的中6.34m地铁土压盾构“先行号”，凭借“先行号”在施工中的优异表现和出色性能，2006年上遂一举承接了22台国产盾构订单，打破了“洋盾构”的垄断。2008年，由北方重工沈重集团研制的“QJRN一112泥水平衡盾构”，是能够同时在高水压、软硬不均、渗透性强、高石英含量等复杂地质构造中进行隧道掘中南大学硕士学位论文第一章绪论进的大直径(小n.182m)膨润土气垫式泥水平衡盾构 26-28)。我国在盾构的研制过程投入了大量的人力物力，取得了一定的成果，在一定程度上打破了国外盾构厂商牢不可破的垄断局面。但是由于我国盾构发展起步较晚，国内盾构技术仍然存在如下问题:(l)对土层地质条件的适应能力差。我国现有盾构机与地质条件的适应性、盾构机刀具与土体的适应性、刀具磨损问题及刀盘刀具组合配置与地质条件的适应性研究还较落后，己经严重影响到盾构技术的发展。(2)总体设计和系统集成技术落后，制约我国盾构机技术的发展。我国目前尚没有完全适合国情的系统的设计经验数据，没有完全掌握系统的安装、调试技术，所以国产盾构存在性能不稳定的现象。(3)国内配套设备和关键件的设计、生产技术水平低。盾构关键部件如大轴承、驱动马达、液压阀件许多还需要进口，影响盾构机的国产化进程。刀盘刀具设计技术、刀具的可靠性和寿命方面还存在一定的差距。(4)缺乏必要的模型试验与系统仿真研究。在盾构机虚拟样机建立与动态仿真，盾构机施工作业过程的数值仿真，刀盘系统与纠偏系统的数值仿真与模型试验等方面与国外存在一定的差距，直接影响了自主研发水平的提升。(5)可靠性低，自动化程度低，盾构自动方向控制和盾构姿态控制等相关技术方面还不成熟。国内盾构施工所采用的管片拼装系统虽然实现了管片移动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装等大多数还是靠人工作业。(6)盾构工法不多。地下盾构对接技术、竖井隧道施工一体化技术、盾构直接切削竖井井壁的进出洞技术等课题目前均属空白。 1.4盾构刀盘驱动方式概述1.4.1现有驱动方式分析刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾构的刀盘工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，要求刀盘的驱动系统需具备:大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调，在满足使用要求的前提下减小装机功率、节能降耗等工作特点。刀盘的驱动系统必须具有高可靠性和良好的操作性能。目前常见的刀盘的驱动方式有电机驱动方式和液压驱动方式。其中电机驱动方式又分为单速电机驱动方式、双速电机驱动方式和变频电机驱动方式。双速电机驱动方式采用变换极对数达到变速，但只有两档。其结构简单、可靠性强、价格便宜，但体积大，不适合中、小型盾构机的选用，启动电流中南大学硕士学位论文第一章绪论大也是它的劣势，但对于变化不十分突出地质而言，采用双速电机也是合适的。单速电机驱动方式不能调节速度，并且不能带负载启动，需要增加磁粉离合器。在投入和功能的比较上，越来越缺乏竞争力，因此较少使用。因此，电机驱动方式中现在较为常用的为变频电机驱动方式Iz9】。变频电机驱动方式调速在 0-50Hz范围内可达到全额扭矩，电动机功率恒定。变频驱动的优点是:启动电流小，效率高，调节环路的反映好，配备的标准感应变频电机维修简单;噪音低、冷却性能好，可改善环境温度。但