隧道盾构机泡沫系统
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隧道盾构机泡沫系统
摘要：结合珠海城际轨道交通工程Φ8.78m复合式土压平衡式盾构机，对盾构机泡沫系统的电气控制原理进行分析。盾构机电气控制系统使用先进的三菱PLC控制系统，可以对泡沫系统进行本地操作、远程控制、数据采集及存储。系统操作方便，安全可靠。
关键词：盾构隧道；泡沫系统；电气控制1项目背景
随着我国基建大规模进行和城市地下空间的开发，越来越多的工程建设单位选用盾构机来施工。盾构掘进机现已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。盾构机是集机械、液压、电气于一体，专用于隧道地下开挖的技术密集型重大工程装备。其技术先进，机构庞大，自动化程度高，本文就盾构机泡沫系统电气控制进行分析。2盾构机泡沫系统2.1泡沫系统的作用
盾构机通过盾构外壳和管片支承周围岩防止发生隧道内的坍塌，利用盾构推进千斤顶作用在管片上的力，使盾构机前进，通过刀盘的旋转，进行土体开挖，将切削的土渣通过螺旋输送机运输到电动小车上，再由小车运输到洞外。盾构机在掘进过程中遇到黏土、粉土、粉砂地层时，由于这些地层的土质摩擦系数大，粘性强，会给土体开挖和输送带来困难。此时利用盾构机的泡沫系统、膨润土系统和聚合物系统向开挖面注入添加剂，以改善土壤的流动性，同时也降低了刀盘扭矩，减少了刀具的磨损，增加了排渣土的效率。2.2泡沫系统的原理
下面主要针对珠海城际轨道交通工程Φ8.78m土压平衡式盾构机的泡沫系统介绍，并对其工作原理进行分析。
泡沫原液由泡沫原液箱通过泡沫原液泵输送到泡沫混合液箱，从水系统向泡沫混合液箱加水，泡沫原液与水混合到指定配比，经搅拌后泡沫混合液分成六路向前输送。压缩空气来自空气系统，经减压阀分成六路。通过控制泡沫泵的流量与空气调节阀的开度，使压缩空气与混合液在泡沫发生器处按照一定比例混合，形成泡沫，经过中心回转节输送到开挖面。
泡沫系统操作界面
1，泡沫出口压力2、泡沫发生器3、空气流量4、混合液流量5、泡沫泵电机6、泡沫箱搅拌电机7、泡沫箱进水流量
8、泡沫原液流量9、泡沫原液泵电机10、泡沫混合箱加水阀11、泡沫混合液箱进水累计12、泡沫混合液箱进水累计清零13、泡沫原液累计14、泡沫原液累计
15、清水、泡沫原液注入量全部清零16清水、泡沫原液总注入量17、清水、泡沫原液比例18、1号泡沫管路泡沫累积量
19、1~6号泡沫管泡沫总累积量20、1~6号泡沫管泡沫总累积量清零21、1号泡沫管路流量设定22、泡沫泵启动23、泡沫泵停止24、空气调节阀开关
25空气调节阀开度设置26、泡沫混合液箱液位指示27、泡沫原液箱液位指示28、泡沫原液与清水注入启动
29、泡沫原液与清水注入停止2.3泡沫系统的操作
2.3.1泡沫混合液的自动调配
设置泡沫原液和清水的注入总量，设置泡沫原液与清水的比例，此时在PLC中根据总注入量和清水原液混合比，计算出共需注入的原液量以及清水里量。点击注入启动按钮，此时泡沫原液泵电机启动，泡沫混合箱加水阀打开，泡沫原液流量计和清水流量计开始工作，泡沫流量计将泡沫流量转化为4~20mA的电流信号传入到PLC中，经过计算，将4~20mA电流信号转化为流量数值。通过PLC编程，将泡沫流量以及清水流量累计，当清水累积量达到设定值时，
PLC中输出两个信号，分别使泡沫混合液箱加水阀关闭，泡沫原液泵电机停止工作。此时泡沫存储箱内的混合液就是更具人机界面设定值的混合液，然后启动泡沫搅拌电机，让清水与泡沫原液混合均匀后关闭搅拌电机。泡沫混合液配置完成。
2.3.2向切削面注入泡沫的操作
打开空气调节阀开关，设置1~6号空气阀开度，然后设置1~6号泡沫混合液流量，选择1~6号任意的泡沫管路，点击泡沫启动，此时泡沫混合液与空气在泡沫发生器处混合成泡沫，从刀盘前端的泡沫管路喷到切削面。泡沫喷射结束后，点击泡沫停止，取消选择的1~6号泡沫管路，然后再关闭空气调节阀，将空气开度与泡沫混合液流量归零。2.3.3泡沫系统故障监视
在本泡沫系统操作过程中，可以实现泡沫混合液的配比，以及泡沫流量和空气流量的设定，操作员可以在操作室内完成泡沫系统的控制和操作。同时，本系统还具备故障监视及反馈功能。当变频器异常，控制回路开关未合闸，泡沫管路管路压力过高，空气管路压力过高，泡沫混合液箱液位过高或过低，PLC都会产生一个报警信号，并将报警信号传入到人机操作界面，操作员及时发现问题并排查。
2.4泡沫系统的PLC控制原理
泡沫控制系统采用先进的三菱Q系列CPU，采用CC-LINK的通讯方式，CPU与Proface人机操作界面通过以太网连接。
PLC可以采集电机的启动，停止，阀门的开限、关限等数字量输入信号以及泡沫压力，流量，液位等模拟量输入信号；PLC可以输出阀门开、关等数字量输出信号以及变频器输出，电动球阀开度输出等模拟量信号。
驾驶员可以在司机室的触摸屏上操作，通过改变参数的设定，实现对泡沫系统的远程控制。同时泡沫系统的阀门的开关，电机是否运行，压力，流量等参数会通过PLC的输入模块在触摸屏上显示出来，便于驾驶员操作与控制。3结语
实例证明，使用上述方案，驾驶员可以在司机室便捷控制，沫系统运行稳定，从刀盘泡沫喷射口喷出的泡沫发泡量丰富。泡沫系统是土压盾构的重要组成部分，完善的泡沫控制系统对于土压盾构机的运行起着重要作用！参考文献：
[1]朱伟.盾构隧道施工技术现状及展望（第一讲）—盾构隧道原理及在我国的使用情况
