中继泵自主配置技术在泥水盾构施工中的应用

赵 旭，黄平华，叶 忠，孙宏伟

(中铁隧道集团武汉地铁二号线越江隧道项目部，武汉 430062)

0 引言

中继泵是泥水盾构极为重要的附属设备之一，由于需要在盾构主控室内进行集中控制，对安全性和系统性要求较高;因此，大多数工程还是选择使用进口的成套设备，在泥水盾构施工中，一直面临成本高和技术上受制于外企的尴尬境地。高海旺［1］、孙春燕等［2］对热网中继泵的设置与经济性做了研究;应勇［3］对中继泵在泥水平衡顶管中的应用做了研究;而关于泥水盾构中继泵技术的研究还很少。本文结合武汉地铁2号线越江隧道工程实例，介绍了中继泵系统的自主配置。通过自由配置不仅可节省工程施工成本，又可掌握核心技术，不受制于外企，还能促进和带动机电、材料、传感器等相关的产业发展，具有深远的意义。

1 中继泵的自主配置

1.1 泥水循环系统介绍

在泥水盾构施工中，泥水循环系统［4］(如图1所示)通过送泥泵将膨润土泥浆压入泥水舱以支撑开挖面，掘进时刀盘切削下来的渣土在泥水舱中与膨润土泥浆混合，然后通过排泥泵，将混合泥浆带出地面，送到泥水分离设备进行渣土与泥浆的分离，分离后的泥浆经过处理后重新泵送至泥水舱。

图1 泥水循环系统Fig.1 Slurry circulation system

1.2 中继泵的原理

泥水循环系统需依靠泥浆泵来实现泥浆的不断循环。由于受泥浆泵的扬程、流量等的限制，单靠1台送泥泵和1台排泥泵远远达不到整条隧道的施工要求，这就需要在盾构掘进到一定距离时，在隧道中间增加中继泵站，以确保整个泥水循环系统的正常运行。

中继泵主要由1台泥浆泵及其配套的驱动控制系统组成。中继泵作为泥水循环系统的一部分，由主司机在盾构主控室内远程操作，通过几台泵的接力配合，在每台泵的性能允许范围内，确保泵送泥浆的流量和压力。

1.3 中继泵的选型计算

为了选择合适的交流电机驱动中继泵，必须计算出泥浆泵的轴功率P。泵装置是泵及其附件、吸入管路、排出管路等的总称。泵的配套功率N是整个泵装置的功率，实际工程中需要准确地配套功率［5］，而配套功率N不能直接计算出来，它与泵的轴功率P的关系为

式中:η1为泵传动装置效率;K为功率裕量系数。装置扬程Hz是泵装置的重要参数，计算公式为

式中:h为几何高度差，m;P1－P2为压力差，Pa;Hv为整个装置管路系统的阻力损失，m;ρ为泥浆密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2。

Hv的计算公式为

式中:∑Hv1为延程阻力损失和，m;∑Hv2为局部阻力损失和，m;d为管路直径，m;v2为泥浆流速，m/s;λ为摩擦阻力系数;k为局部阻力系数;l为管长，m;g为重力加速度，m/s2。

泥浆流量Q是另一个影响功率的参数，计算公式为

式中:S为固体物料体积质量，kg/L;Sm为泥浆体积质量，kg/L;Qa为固体的体积流量，m3/h;Cw为泥浆的质量分数。

泥浆泵轴功率P的计算公式为

式中η为泥浆泵效率［6］。

1.4 中继泵自主配置关键技术

除了中继泵的选型计算外，中继泵系统自主配置的关键技术就是电气控制系统设计及通讯。

中继泵的电气控制原理如图2所示。

中继泵站作为一个从站融入盾构的泥水循环系统，与主站保持良好的通讯。从站主要完成泵的参数采集和处理、过程参数的设定和监视、设备的联锁控制、报警检测等控制，与主站进行通讯，并完成主站发出的指令。从站具有远程、本地切换功能，当切换为远程时，从站受主站控制，当切换为本地控制时，本地具有启、停、调速控制功能。泵所需要的轴封水的压力和冷却风机的启停控制也纳入主、从站控制，并与泵具有逻辑联锁控制关系，当轴封水压力不够或风机故障时，泥浆泵会自动跳停。中继泵的控制系统要能实现所要求的全部功能，并能与主站程序进行稳定的数据传输和通讯。

图2 中继泵控制原理图Fig.2 Control principle of relay pump

从站和主站之间通过1条Profibus-DP总线连接，进行数据传输。

2 工程实例

2.1 工程概况

武汉市轨道交通二号线越江隧道工程江南起点为积玉桥站，江北终点为江汉路站。全长约3 100 m。本工程盾构区间采用2台全新的泥水盾构施工，隧道总长6 183.204 单线 m:其中，右线长 3 084.972 m，左线长3 098.232 m［7］。盾构从积玉桥站始发，始发井隧道中心埋深13 m;泥水分离设备距离始发井200 m左右。工程剖面如图3所示。

本工程要完成整条隧道的施工，每条线需要安装3 台排泥泵(即 P2.1泵、P2.2泵、P2.3泵)和 2 台进泥泵(即 P1.1泵、P1.2泵)。该盾构原配了 P1.1泵和 P2.1泵，需要自行配置6台中继泵。

右线盾构在掘进至500多m时，加上竖井高度及地面管路，排泥管路总长已达800多m，P2.1排泥泵的出口压力明显增大，经研究决定，在此位置安装P2.3排泥中继泵站。

图3 工程纵剖面图(单位:m)Fig.3 Longitudinal profile of tunnel(m)

2.2 主要部件选型

2.2.1 泥浆泵及驱动电机选型

本工程在此段的具体工况参数见表1。

将表1数据代入式(1)—(5)中，得到Hz=67 m，Q=650 m3/h，轴功率P=331 kW，中继泵采用直联传动，配套功率N=1.1 P=364 kW;因此，需要选用的交流电机额定功率为400 kW，选用的电机为西门子400 kW交流变频电机，渣浆泵型号为WARMAN10/8FFGH，流量900 m3/h，扬程 75.5 m，渣浆密度 1.3 kg/L，允许通过颗粒最大直径180 mm，可以满足工况要求。

表1 具体工况参数表Table 1 Specific parameters

2.2.2 电气柜尺寸的确定

中继泵的电气控制部分包括高压柜、低压柜、变压器、变频柜及本地控制柜。中继泵安装在隧道一侧，不能影响电瓶机车的水平运输;因此，安装空间比较有限，需要仔细计算每个电气柜的最大允许尺寸。

根据工程的实际情况，按最大允许空间先做出中继泵站支架，如图4所示。

越江隧道管片内径5.5 m，管片运输车宽1.28 m，中继泵站支架必须尽量避免影响电瓶车的水平运输;因此，每个电气柜深不能超过900 mm，而且要考虑到柜门打开时的情况，高不能超过2 200mm，宽度原则上不受限制。

2.2.3 其他主要部件选型

1)变频器采用施耐德ATV61系列双通道通风柜式变频器，防护等级为IP54，以适应恶劣的现场环境;控制系统采用完善的故障监视和联锁保护，以确保设备安全可靠。

2)本地控制柜内PLC模块采用西门子ET200M，配置IM153－1接口模块和数字/模拟I/O模块各1个;需要采集的信号有泵电机运行电流、转速、泵进出口压力信号、泵故障和紧急停止等;接受主站的信号有系统启动、停止、调速、复位等;采用PLC控制变频器来实现泥浆泵的无级调速。

3)本系统通讯任务复杂，环境干扰较大，对网络系统的传输速度、抗干扰能力有一定要求;因此，本系统采用Profibus－DP总线与主站通信，利用西门子RS485中继器解决传输距离对通讯的影响。

4)变频器上面的主接触器采用进口产品，电气柜内主要电气元件需采用质量可靠的品牌。

2.3 中继泵的组装调试

2.3.1 中继泵站的组装

P2.3中继泵安装示意图如图4所示。

图 4 P2.3中继泵示意图Fig.4 Sketch of relay pump P2.3

盾构所用的高压主线路是从中心配电室引出的10 kV高压电，中继泵站的用电将从主线路引出。中继泵站的低压出线共分4路:第1路供变频柜泥浆泵驱动电机;第2路供隧道照明，在隧道最低点可供隧道防洪水泵;第3路供本地控制柜;第4路留作临时照明、焊接等备用电源。

地面上的P1.1泵通过1条Profibus－DP总线电缆与盾构机主控室的主站进行通讯，中继泵站也将借助中继器(repeater)这条总线电缆与主站通讯。本工程的盾构数据通讯图如图5所示。

图5 盾构数据通讯图Fig.5 Shield data transfer

RS485 中继器(repeater)［8］上下分为2 个网段，其中A1/B1和A1'/B1'是网段1的一个Profibus接口，A2/B2和A2'/B2'是网段2的一个Profibus接口。信号再生是在网段1和网段2之间实现的，同一网段内信号不能再生;2个网段之间是物理隔离的。A1/B1和A1'/B1'其实是一个Profibus接口的进口/出口的接线端子，就像Profibus接头的进口/出口一样，因而也涉及到终端电阻的设置问题，这也往往是在使用过程中容易出现错误的地方。如果设置不正确，中继器将无法正常工作。在连接方法中，中继器的一个网段是作为中间设备组成一个网络拓展。西门子RS485中继器的面板及连接方法如图6所示。

在该网络拓扑的网段2中，中继器就是该网段的一个终端设备;因此，在网段2中，应该将Profibus网线接在 A1/B1上，同时网段2的终端电阻设置为“On”。网段1不是网络终端设备，而是网络中间的一个设备，因此，网络1的终端电阻应当设置为“Off”，网段1上的2个终端设备P2.3泵和盾构应分别设置终端电阻。网段1和网段2的隔离开关应设置为“Off”。

2.3.2 中继泵站的调试

调试分为2部分进行:一是本地控制调试，二是通讯及远程控制调试。调试阶段需要测试中继泵的各项功能，确保各个部分都能正常工作。

1)送电完成后，首先观察各个元器件及面板上的指示灯是否显示正常。如有异常，要检查异常原因并立即处理。

2)测试驱动电机的风机和轴封水泵的转向是否正确，测试转向时，一定要点动操作，能看出转向即可。确定无误后，将驱动电机和泥浆泵之间的联轴器拆开，测试驱动电机的转向;此时，还可以同时测试本地或远程选择开关是否能正常工作，以及泥浆泵的连锁启动功能。当选择开关位于远程位置时，本地操作应该是无效的，只有打到本地位置，才能进行本地操作。泥浆泵的启动，一定是建立在风机和轴封水泵正常开启，并且轴封水的压力和流量达到要求的基础上的，若有一项条件不满足，泥浆泵将无法启动;在泵运行时，若有一项出现故障(如轴封水流量不足、轴封水压力不够)，泵将会自动停止。本地调速旋钮应当能正常调速。

图6 西门子RS485中继器及连接方法Fig.6 SIEMENS RS485 repeater

3)根据需要实现的功能，设置变频器参数［9］。

4)泥浆泵的通讯连接及中继器的设置需按照上述方案，尽量确保接线牢固，保证通讯质量。在主控室工业电脑的泥水环流界面激活中继泵的控制模块，在主程序中查询中继泵的Profibus地址(查询为72)，然后在本地控制柜ET200的IM153－1接口模块上将地址设为72。此时如果一切正常，在图7所示的界面应当能看到泥浆泵进口和出口的压力显示，然后尝试在主控室内远程启动。运行时图7界面应当有泵的转速和电流显示。

5)用旁通模式运行泥水循环系统2 h左右，进行负载调试，期间可以启停数次，以检测P2.3泵的性能及连续工作能力。在负载测试期间，泵站派专人看护，随时关注泵的运行情况;此时也可以观察泥浆泵盘根的状况，并进行适当调节。

6)调试结束后，完善泵站的电气防护工作，保护措施做到位，挂好安全警示牌。

3 结论与讨论

1)中继泵的用电要从盾构的主电缆上分支，需要1个高压分支箱来实现这个功能。本工程在高压柜内设计了高压分支系统，主线路在高压柜内分为2路(一路供中继泵站使用，另一路继续延伸至盾构)，这样既节省了空间，又节约了成本。

图7 泥水循环系统界面Fig.7 Interface of slurry circulation system

2)中继泵作为从站，通过一条Profibus－DP总线与盾构机主站连接，进行通讯。每个中继泵都有一个Profibus地址，只有从站的地址与主站程序中的地址设置一致，才能与主站通讯，接受主站的控制。

出于安全考虑，主站程序中设置了联锁启动限制，在图7所示的泥水循环系统中，如果P2.3前边的中继泵不启动，那么P2.3泵将无法启动。本工程在安装 P2.3泵时，结合主程序要求，先把 P2.3泵的地址设置为 P2.2泵，当作 P2.2泵来使用，随着管路延伸，P2.2泵安装以后，再把地址改回来，这样就可以满足主程序的要求。

3)中继泵的安装会影响正常的掘进施工时间。合理的安排工序，可以大大节省时间。在中继泵的安装位置出来以后，就可以在不影响掘进的情况下进行底座支架的焊接安装，一切准备就绪，再停机安装泥浆泵和电气柜。

目前，自主配置的6台中继泵使用正常，泵站工作良好，为项目施工节省了近千万元。考虑到设备性能及施工安全等问题，此次自主配置中继泵的泥浆泵、变频器等核心零件仍然采用了进口产品。随着我国科技的进步，中继泵的完全国产化进程也必将快速发展，进一步增强我国装备制造业的综合实力，提高我国重大装备在国际市场的竞争力。

［1］ 高海旺.中继泵的设置方案［J］.山西建筑，2010，36(31):185－186.(GAO Haiwang.Design scheme of relay pump［J］.Shanxi Architecture，2010，36(31):185 － 186.(in Chinese))

［2］ 孙春燕，苏保清.中继泵的选择与计算［J］.山西建筑，2004，30(23):95 － 96.(SUN Chunyan，SU Baoqing.Selection and calculation of relay pump［J］.Shanxi Architecture，2004，30(23):95 －96.(in Chinese))

［3］ 应勇.中继泵在泥水平衡顶管中的应用［J］.非开挖技术，2006(4):44－45.

［4］ 蔡仲银，董崇民，汪雪英，等.南水北调中线工程潮河段隧洞盾构选型设计研究［J］.隧道建设，2010，30(1):91－96.(CAI Zhongyin，DONG Chongmin，WANG Xueying，et al.Case study on shield type selection of Chaohe tunnel on central route of South-to-North Water Transfer Project［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):91 －96.(in Chinese))

［5］ 王朝辉，曹征科，唐守才.盾构机泥水循环专用控制系统设计［J］.工程机械，2009，40(8):36 －40.(WANG Zhaohui，CAO Zhengke，TANG Shoucai.Design of a special control system for slurry and water circulation of a shield［J］.Construction Machinery and Equipment，2009，40(8):36 －40.(in Chinese))

［6］ 李惠平，夏明耀.盾构运动过程的数值分析［J］.上海理工大学学报，2008(1):95 －98.(LI Huiping，XIA Mingyao.Numerical analysis on movement of shield tunneling machine［J］.Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2008(1):95－98.(in Chinese))

［7］ 中铁隧道集团武汉越江隧道项目部.武汉地铁二号线越江隧道工程实施性施工组织设计［R］.武汉:武汉越江隧道项目部，2008.

［8］ 西门子公司.西门子RS485使用说明［K］.武汉:武汉越江隧道项目部，2009.

［9］ 施耐德公司.施耐德ATV61变频器中文手册［K］.武汉:武汉越江隧道项目部，2006.