超挖刀系統是盾構機的重要組成部件，是為盾 構機曲線(xiàn)掘進(jìn)、轉彎、糾偏而設計，通過(guò)超挖切削土體創(chuàng )造所需空間，保證盾構機在超挖少、對土體干擾小的條件下，實(shí)現曲線(xiàn)推進(jìn)和順利轉彎及糾偏[1]。

 

1　超挖刀裝置概況

超挖刀安裝在刀盤(pán)的邊緣 (見(jiàn)圖 1)，通過(guò)液壓缸來(lái)控制超挖刀的伸縮。盾構機在轉向掘進(jìn)時(shí)，可操作液壓缸使超挖刀沿刀盤(pán)的徑向伸出，擴大開(kāi)挖直徑，以便于盾構機的轉向。

 

如果盾構機刀盤(pán)外周全體超挖，不對伸出量進(jìn)行控制，盾構機轉向容易，但方向難以控制，且對土體擾動(dòng)大，會(huì )造成較大的土體沉降[2-3]。常用的盾構機大多具有超挖刀伸出量控制功能，并且超挖刀系統設置有位移檢測裝置，超挖刀能夠根據需要將切削刀頭突出刀盤(pán)外周一定長(cháng)度，使旋轉刀盤(pán)在局部范圍完成超挖 (見(jiàn)圖 2)，滿(mǎn)足盾構機轉向的需要。

 

2　液壓控制系統原理及分析

目前盾構機超挖刀位移檢測裝置分為 2 種，直接檢測和間接檢測。直接測量是在超挖刀液壓缸上安裝位移傳感器，如鐵建重工生產(chǎn)的盾構機，但信號需要通過(guò)旋轉接頭傳遞，存在信號衰減和干擾問(wèn)題，難以保證測量準確度，因此很少采用[4]。間接測量主要有 2 種設計方案。一種是在超挖刀液壓缸其中一個(gè)油路上串聯(lián)流量計，如日本小松生產(chǎn)的盾構機，通過(guò)檢測液壓油的流量和時(shí)間，計算油液體積變化，間接檢測超挖刀液壓缸的伸出量，檢測原理如圖 3 所示。換向閥 1 實(shí)現液壓缸的伸縮控制，當超挖刀伸出/ 縮回時(shí)，右/ 左位接入系統。單向節流閥 2 調節液壓缸的伸縮速度，液壓鎖 3 實(shí)現液壓缸位移的鎖定。流量計 4 與超挖刀液壓缸 6 有桿腔串聯(lián)，超挖刀液壓缸伸出/ 縮回時(shí)，通過(guò)流量計測得進(jìn)入液壓缸的流量，計算出液壓缸有桿腔體積變化，除以有桿腔有效面積，即可間接計算出超挖刀的位移量。

 

另一種方案是在超挖刀液壓缸油路有桿腔串聯(lián)一個(gè)檢測液壓缸，利用超挖刀液壓缸和串聯(lián)的檢測液壓缸之間流量相等的原理，間接測量超挖刀液壓缸的位移。中鐵裝備和德國海瑞克生產(chǎn)的盾構機多采用該方案，其檢測原理如圖 4 所示。

 

當超挖刀伸出時(shí)，電磁換向閥 1 右位接入系統，同時(shí)電磁換向閥 8 得電。油液經(jīng)主電磁換向閥 1、單向節流閥 2、平衡閥 3、旋轉接頭 4 進(jìn)入超挖刀液壓缸無(wú)桿腔。超挖刀液壓缸有桿腔的油液經(jīng)旋轉接頭 4、平衡閥 3、換向閥 8 右位，進(jìn)入檢測液壓缸無(wú)桿腔，將超挖刀液壓缸的有桿腔和檢測液壓缸的無(wú)桿腔之間串聯(lián)起來(lái)。檢測液壓缸有桿腔的油液經(jīng)單向閥和主電磁換向閥 1 或電磁換向閥 8 回油箱。當超挖刀縮回時(shí)，主電磁換向閥 1 左位接入系統，同時(shí)電磁換向閥 8 失電。油液經(jīng)主電磁換向閥 1 左位、電磁換向閥 8 左位、平衡閥 3、旋轉接頭 4 進(jìn)入超挖刀液壓缸的有桿腔。超挖刀液壓缸無(wú)桿腔的油液，經(jīng)旋轉接頭 4、平衡閥 3、主電磁換向閥1回油箱。當超挖刀液壓缸完全縮回后，超挖刀液壓缸有桿腔油壓升高，順序閥 9 打開(kāi)，油液進(jìn)入檢測液壓缸小腔；檢測液壓缸大腔油液經(jīng)電磁換向閥 8 及單向閥回油箱，直到檢測液壓缸完全縮回。

 

4　誤差量分析

4.1　流量計法測量誤差分析

使用流量計的盾構機超挖量間接測量方法，誤差主要有測量誤差和累計誤差兩部分。測量誤差從超挖量的計算公式分析，其計算精度主要取決于流量計的檢測精度，精度#高的容積式流量計測量誤差也在 0.05％ 以上。

 

由于液壓缸在重復伸縮的過(guò)程中，存在一定程度的內泄，液壓缸多次伸縮動(dòng)作后，測量位移與實(shí)際位移也會(huì )存在較大的累積誤差，準確度會(huì )逐步降低。

 

4.2　串聯(lián)檢測液壓缸法測量誤差分析

串聯(lián)檢測液壓缸的盾構機超挖量間接測量方法，由于超挖刀收回時(shí)液壓缸完全縮回，可以消除累計誤差，因此測量誤差主要為計算誤差。

 

超挖量的計算精度主要取決于位移傳感器的檢測精度。傳感器的測量誤差小于 0.02%，重復誤差不超過(guò)滿(mǎn)量程的±0.001%。雖然液壓缸在伸縮的過(guò)程中存在一定程度的內泄，但是由于系統的順序動(dòng)作設計，可以保證超挖刀液壓缸的完全縮回，消除累計誤差。這種檢測方法精度較高，目前被廣泛采用。

 

5　結語(yǔ)

對目前盾構機常用的流量計檢測和串聯(lián)檢測液壓缸 2 種超挖量間接檢測方法進(jìn)行了對比分析，研究了 2 種方法的檢測原理和誤差形成機理及誤差來(lái)源，得出以下結論。

(1) 流量計檢測方法的誤差來(lái)源主要是流量計的測量誤差和累計測量誤差。實(shí)際工作中，流量計的測量誤差難以消除，而且該方法又缺少消除累計誤差的有效措施，因此超挖量檢測精度較低，且檢測精度會(huì )隨著(zhù)累計誤差的增大而進(jìn)一步降低。

(2) 串聯(lián)檢測液壓缸方法可有效消除累計測量誤差，其誤差來(lái)源是位移傳感器的測量誤差。由于位移傳感器的測量精度比流量計的測量精度高很多，因此該方法的檢測精度要明顯高于流量計檢測方法。

 

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