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摘 要：全断面掘进机综合试验台通过智能化控制系统的建立，可实现多点加载，多点数据采集，实现数据融合及高效数据传输，从而获得可指导工程设计的可靠性能参数。
关键词：全断面；掘进机；试验台
1.引言
全断面掘进机综合试验台为北方重工集团有限公司在经国内外充分调研基础上自主开发创新设计制造。综合试验台坐落于长86m×宽24m，轨高9.6m的试验厂房内，其主要由大型多点加压装置、多功能盾构试验机及综合试验台监控系统组成。在试验厂房内还设有刀具力学试验室、大型试验土箱、平台液压室、控制室等，辅有空气系统、水系统、进浆泵、液压站、电控站等。
2.大型多点加载系统装置
大型多点加载系统装置是综合试验台的重要组成部分，为盾构掘进试验提供各种典型的地质环境，并与分段多点加载系统一起实现多种负载工况下盾构掘进模拟试验。
掘进过程土体受力及变形分析
a模型概述
采用岩土专业有限元软件Plaxis 3D Tunnel建模分析Ф3m盾构推进过程中对土体变形和应力的影响范围。建立三种模型，分别是宽度7m、宽度9m、宽度40m（大于3倍盾构直径），每种模型分三种工况：（1）作用刀盘扭矩700kNm，模型箱上部无加载；（2）同时作用刀盘扭矩和推力10000kN，模型箱上部无加载；（3）同时作用刀盘扭矩和推力10000kN，模型箱上部加载0.65MPa。模型计算过程分别是：①开挖5m；②衬砌拼装；③施加扭矩；④施加顶力；⑤施加上部荷载。分析结果给出盾构推进过程土体的变形和应力影响范围以及宽度7m、9m模型带来的误差。
b 掘进过程土体变形分析
（1）作用刀盘扭矩700kNm，模型箱上部无加载（工况一）
刀盘扭矩对土体的扰动区域主要集中在掌子面范围内，引起的土体竖向位移值较小，约8mm。
（2）同时作用刀盘扭矩和推力10000kN，模型箱上部无加载（工况二）
土体变形主要由液压缸推力引起，扰动区域以盾构机体为中心呈三维扩散分布。
以地表竖向变形3mm为控制标准，土体表面沿盾构中心轴线上影响区域大约7.5m，土体表面垂直于盾构中心轴线上影响区域大约4.5m。
同时作用刀盘扭矩和液压缸推力，土体表面沿盾构中心轴线上和垂直于盾构中心轴线上的竖向变形。在考虑模型边界效应的情况下40米宽的模型可以看成是实际无限大土体掘进，因此下面的分析以40米模型作为理想模型。就地表沉降而言，9m模型比实际大约5%，7m模型比实际大约18%。
根据计算结果，同时考虑到掘进土箱边界影响控制以及整个试验系统的经济性，确定土箱断面7m×7m。土箱长20m由始发井、接收井、及盾构机掘进土箱组成。
3.多功能盾构试验机设计
按泥土压平衡及泥水平衡两种模式进行试验机整体结构设计。试验样机的管片外径为Ф3000mm，样机开挖直径为Ф3230mm，盾体总长约为6000mm。
试验样机刀盘上布有超前撕裂刀，100mm宽窄刃刮刀，边缘刮刀及周边保护刀。刀盘的主体结构为面板式，根据模拟地质条件的不同，可以调整或拆缸刀盘面板，来进行不同开口率或幅条式刀盘的模拟施工掘进。
试验样机刀盘主驱动的传动结构主要包括，减速机，小齿轮及主轴承。模块化设计能够保证刀盘的驱动系统实现变频电机及液压马达两种驱动方式的互换。主轴承及齿轮箱的密封采用专门为盾构机设计的唇形密封。主驱动系统的设计参数如表3所示。
刀盘驱动液压系统可以开展如下实验：
（1）不同地质条件下刀盘转速控制实验；
（2）极端地质条件和突变载荷条件下刀盘转速的适应性试验；
（3）刀盘工作参数优化和节能研究相关实验；
（4）变量泵控无级变量马达与变量泵控双级变量马达以及变量泵控定量马达系统在盾构刀盘驱动中的应用；
（5）定量泵控变量马达系统在刀盘驱动中的应用；
（6）多马达联合驱动与多马达组合驱动在低负载掘进工况下效率比较试验。
盾构试验机主推进由16个液压缸来完成，最大推进力为10000kN。铰接系统由8个液压缸构成被动铰接，铰接油缸的收缩接力为3000kN，盾体推进及铰接系统的液压缸基本参数如表2所示。
4.盾构试验机各个系统的设计
各系统主要参数如下：
泥水加压环流系统：进浆流量Q1=0.035m3/s，排浆流量Q2=0.046m3/s，进浆管径150mm，排浆管径：150mm。泥水加压环流系统采用五种模式试验：开挖模式、旁通模式、隔离模式、反循环模式、延时停机模式。
泡沫系统：泡沫罐容积0.3m3，泡沫系统压力6bar。
注漿系统：注浆量为0.808～1.112m3/环，注浆压力2bar。
空气系统：系统压力7.5bar，最大流量为1200Nm3/h。
注脂系统：盾尾注脂量0.78L/min，铰接注脂量0.5L/12hours，螺旋输送机注脂量0.5L/1Day，始发需注脂总量3L。
5.全断面掘进机综合试验台监控系统
盾构模拟试验台监控系统主要用盾构试验机和模拟加载装置的监控，同时实时采集和记录来自盾构试验机和模拟加载装置中各种传感器和设备的运行数据，以便模拟掘进试验管理需求。
根据盾构试验台监控系统的功能，兼顾系统的先进性、安全性、经济性、相容性及可扩展性，采用PLC、两台工控机、两个数据采集器以及组态软件组成分布式监控系统。其中PLC完成底层控制，组态软件完成人机界面接口以及实验数据的采集和管理功能。
6.结论
通过对全断面掘进机综合试验台总体规划，开发设计研制了大型多点加压装置、多功能盾构试验机，完成了大型加载机构的设计、优化分析和可靠性研究，同时开发了盾构试验机控制系统，进行了盾构机控制系统可靠性和智能化控制技术的研究，对实现数据融合及高效数据传输进行了可靠性研究。通过模拟真实掘进环境，以及多点数据采集系统，提高了产品设计质量及工程应用的可靠性。
关键词：全断面；掘进机；试验台
1.引言
全断面掘进机综合试验台为北方重工集团有限公司在经国内外充分调研基础上自主开发创新设计制造。综合试验台坐落于长86m×宽24m，轨高9.6m的试验厂房内，其主要由大型多点加压装置、多功能盾构试验机及综合试验台监控系统组成。在试验厂房内还设有刀具力学试验室、大型试验土箱、平台液压室、控制室等，辅有空气系统、水系统、进浆泵、液压站、电控站等。
2.大型多点加载系统装置
大型多点加载系统装置是综合试验台的重要组成部分，为盾构掘进试验提供各种典型的地质环境，并与分段多点加载系统一起实现多种负载工况下盾构掘进模拟试验。
掘进过程土体受力及变形分析
a模型概述
采用岩土专业有限元软件Plaxis 3D Tunnel建模分析Ф3m盾构推进过程中对土体变形和应力的影响范围。建立三种模型，分别是宽度7m、宽度9m、宽度40m（大于3倍盾构直径），每种模型分三种工况：（1）作用刀盘扭矩700kNm，模型箱上部无加载；（2）同时作用刀盘扭矩和推力10000kN，模型箱上部无加载；（3）同时作用刀盘扭矩和推力10000kN，模型箱上部加载0.65MPa。模型计算过程分别是：①开挖5m；②衬砌拼装；③施加扭矩；④施加顶力；⑤施加上部荷载。分析结果给出盾构推进过程土体的变形和应力影响范围以及宽度7m、9m模型带来的误差。
b 掘进过程土体变形分析
（1）作用刀盘扭矩700kNm，模型箱上部无加载（工况一）
刀盘扭矩对土体的扰动区域主要集中在掌子面范围内，引起的土体竖向位移值较小，约8mm。
（2）同时作用刀盘扭矩和推力10000kN，模型箱上部无加载（工况二）
土体变形主要由液压缸推力引起，扰动区域以盾构机体为中心呈三维扩散分布。
以地表竖向变形3mm为控制标准，土体表面沿盾构中心轴线上影响区域大约7.5m，土体表面垂直于盾构中心轴线上影响区域大约4.5m。
同时作用刀盘扭矩和液压缸推力，土体表面沿盾构中心轴线上和垂直于盾构中心轴线上的竖向变形。在考虑模型边界效应的情况下40米宽的模型可以看成是实际无限大土体掘进，因此下面的分析以40米模型作为理想模型。就地表沉降而言，9m模型比实际大约5%，7m模型比实际大约18%。
根据计算结果，同时考虑到掘进土箱边界影响控制以及整个试验系统的经济性，确定土箱断面7m×7m。土箱长20m由始发井、接收井、及盾构机掘进土箱组成。
3.多功能盾构试验机设计
按泥土压平衡及泥水平衡两种模式进行试验机整体结构设计。试验样机的管片外径为Ф3000mm，样机开挖直径为Ф3230mm，盾体总长约为6000mm。
试验样机刀盘上布有超前撕裂刀，100mm宽窄刃刮刀，边缘刮刀及周边保护刀。刀盘的主体结构为面板式，根据模拟地质条件的不同，可以调整或拆缸刀盘面板，来进行不同开口率或幅条式刀盘的模拟施工掘进。
试验样机刀盘主驱动的传动结构主要包括，减速机，小齿轮及主轴承。模块化设计能够保证刀盘的驱动系统实现变频电机及液压马达两种驱动方式的互换。主轴承及齿轮箱的密封采用专门为盾构机设计的唇形密封。主驱动系统的设计参数如表3所示。
刀盘驱动液压系统可以开展如下实验：
（1）不同地质条件下刀盘转速控制实验；
（2）极端地质条件和突变载荷条件下刀盘转速的适应性试验；
（3）刀盘工作参数优化和节能研究相关实验；
（4）变量泵控无级变量马达与变量泵控双级变量马达以及变量泵控定量马达系统在盾构刀盘驱动中的应用；
（5）定量泵控变量马达系统在刀盘驱动中的应用；
（6）多马达联合驱动与多马达组合驱动在低负载掘进工况下效率比较试验。
盾构试验机主推进由16个液压缸来完成，最大推进力为10000kN。铰接系统由8个液压缸构成被动铰接，铰接油缸的收缩接力为3000kN，盾体推进及铰接系统的液压缸基本参数如表2所示。
4.盾构试验机各个系统的设计
各系统主要参数如下：
泥水加压环流系统：进浆流量Q1=0.035m3/s，排浆流量Q2=0.046m3/s，进浆管径150mm，排浆管径：150mm。泥水加压环流系统采用五种模式试验：开挖模式、旁通模式、隔离模式、反循环模式、延时停机模式。
泡沫系统：泡沫罐容积0.3m3，泡沫系统压力6bar。
注漿系统：注浆量为0.808～1.112m3/环，注浆压力2bar。
空气系统：系统压力7.5bar，最大流量为1200Nm3/h。
注脂系统：盾尾注脂量0.78L/min，铰接注脂量0.5L/12hours，螺旋输送机注脂量0.5L/1Day，始发需注脂总量3L。
5.全断面掘进机综合试验台监控系统
盾构模拟试验台监控系统主要用盾构试验机和模拟加载装置的监控，同时实时采集和记录来自盾构试验机和模拟加载装置中各种传感器和设备的运行数据，以便模拟掘进试验管理需求。
根据盾构试验台监控系统的功能，兼顾系统的先进性、安全性、经济性、相容性及可扩展性，采用PLC、两台工控机、两个数据采集器以及组态软件组成分布式监控系统。其中PLC完成底层控制，组态软件完成人机界面接口以及实验数据的采集和管理功能。
6.结论
通过对全断面掘进机综合试验台总体规划，开发设计研制了大型多点加压装置、多功能盾构试验机，完成了大型加载机构的设计、优化分析和可靠性研究，同时开发了盾构试验机控制系统，进行了盾构机控制系统可靠性和智能化控制技术的研究，对实现数据融合及高效数据传输进行了可靠性研究。通过模拟真实掘进环境，以及多点数据采集系统，提高了产品设计质量及工程应用的可靠性。