盾构机泥水环流系统原理和故障排除

全长10.8 km的广深港客运专线狮子洋隧道，分为左、右2条隧道，是我国在建最长、建设标准最高的海底铁路隧道。该隧道使用沈重设计生产的直径11.182 m的4台气垫式泥水加压平衡盾构机（以下简称盾构机），采取相向掘进、海底对接、洞内拆机的施工方法。盾构机在掘进过程中产生的渣土依靠泥水环流系统向外输出。

盾构机

1.泥水环流系统原理和功用

泥水环流系统的工作原理：进浆泵将膨润土泥浆从泥水处理站泵入掌子面，掌子面存在一定工作压力，使膨润土泥浆嵌入到土颗粒间的缝隙里，形成一层“泥膜”，起到稳定土层和改善地层渗水性的作用。刀盘切削下来的渣土在开挖室与浆液混合，通过排浆管道排出，送到泥水处理站将渣土与泥浆分离，并实现泥浆循环利用。该盾构机配置7台功率为340～545 kW的德国沃曼变频控制中继接力泥浆泵，由盾构机的PLC系统实行远程控制。

泥水环流系统除了进行浆液输送及排渣外，还有一个重要功能是隧道内排污。因本工程埋深大，地下水系发达，隧道距离长，排除污水是一个非常重要的环节，一旦泥水环流系统长时间出现故障，势必酿成水淹盾构机的重大事故。泥水环流系统由进浆泵（P1.1、P1.2）、排浆泵（P2.1、P2.2 、P2.3、P2.4、 P3）组成，如图1所示。每台泥浆泵配备了变压器、高压单元、变频器、局部的PLC控制器、隔离门、连接电缆和管道等部件组成泥浆泵站。

为了防止因局部管道泥浆压力过高而导致爆管发生，PLC程序设置了泥浆泵站之间的互锁关系，即必须保证每个泵站都无故障，才能正常操作泥水环流系统。因此若其中1台泵站发生故障，其他泥浆泵站都无法启动，这就要求泥水环流系统每个泵站的运行时刻保持安全、完好，这是控制开仓换刀风险的先决条件。

图1

2.泥浆泵站的故障类型

由于泥浆泵站长期运转及工作介质的特殊性，其故障较多，主要分为3类。

(1) 机械故障

如减速器、联轴器损坏及泵壳、叶轮等部件磨损引起的故障，此类故障易判断，故障诊断相对容易。

(2) 电气故障

如电动机、变压器、变频器、各种电气模块、PLC程序等故障，此类故障需电气技术强的专业人员进行故障排查及处理，故障不易诊断。

(3) 光纤通信故障

由于采用的是光纤传递控制信号，一旦光纤通信故障，将导致泵站无信号，从而不能实现远程控制。此类故障难于诊断且需专业人员解决。

由于泥浆泵站第2、3类故障难于诊断及处理，本文所述均为第2、3类故障的排除方法。#d1cm#page#

3.泥浆泵站故障的排除方法

(1) 使用PLC程序强行启动法

在左线隧道一次开仓换刀过程中，因排浆泵P2.4故障，使得整个泥水环流系统停止运行，导致盾构机内污水骤增。当时果断利用PLC程序强行启动，使得其他泵站都得以正常启动，有效地控制了隧道内污水泛滥的风险。具体方法如下：

首先，打开计算机中施耐德PL7程序软件，在程序的function view菜单内，找到泥浆环流的程序模块，即Slurry_m菜单。从该程序模块中找到ST：MAST-Slurry_pump的程序段。

将P2.1泵开始启动命令的地址%M8190强制为F1,停止命令的地址%M8191强制为F0，即在启动命令地址%M8190和停止命令地址%M8191的后面赋值项Current vale内分别操作为Force to 1和Force to 0 （1表示开始，0表示停止）。

当泵正常启动后，便在主控室人机界面PcVue操作软件上，点击P2.1泵的图标，当出现P2.1 Speed reference manual mode 任务框时，便可以执行该泵的加、减速。

当需要停泵时，即为启动的逆过程。方法是：先把P2.1泵泵速降为0，然后把泵的启停地址%M8190、%M8191都执行Unforce命令，泵即停止运行。

此方案的优点是：操作方便，便于快速和远程控制，解决问题迅速，节省故障排除时间，任一泵站都可通过该方法启动。缺点是：要求必须懂PLC软件，熟悉程序，知道设置各软件之间的通讯接口的参数和连接方法。

(2) 假信号替代法

主控室对每个泵站的控制是通过IP地址来寻找各自对应位置的。在实际运用中，可以通过把故障泥浆泵的IP地址向前移动，从而避开各泵站之间的互锁关系，使得泥水环流系统仍然可以正常运转。在左、右隧道的P3泵改移工序当中，成功运用了该法，为P3泵改移争取了时间，使得开仓换刀和改移P3泵两大工序能够同时进行，保证了盾构机内的污水及时排出。

在改移P3泵时，由于泵站与主控室是一个闭环控制系统，即P3泵会反馈故障信号到主控室，因为存在互锁关系，电气系统均处于瘫痪状态，泥水环流系统的各泥浆泵（P2.1、P2.2、P2.3、P2.4）均不能启动。

为了避开这种故障反馈信息，我们把识别P3泵的IP地址转移到前面的一个泥浆泵P2.4上，并且依次把P2.4泵的IP地址转移到P2.3泵上，把P2.3泵的IP地址转移到P2.2泵上。由于P2.1泵只受P3、P2.4、P2.3泵的影响而无需更换IP地址，进而在程序中避开了P3泵对泥水环流系统其他泥浆泵的互锁关系，使得P2.1、P2.2、P2.3、P2.4均可正常启动，而主控室与之对应的操作图标分别为P2.1、P2.3、P2.4、P3。每个泵站的IP地址存在于硬件NetTap网关中，实际操作过程中是把携带IP地址的NetTap网关（图2中的红色模块）移至到相应的泥浆泵。

此方案的优点是：无需在软件方面做文章，实施方法简单，能够实现远程控制，在长时间处理单个泥浆泵站时可保障隧道内正常排水。缺点是：需要提前一些时间进行NetTap网关移位。

图2

(3) 本地模式单个启动法

泥水环流系统的每个泥浆泵站都配备有本地启动模式。使用本地启动模式是任一泥浆泵站出现故障时经常采用的方法，可使泥浆泵站脱离远程控制单独运行。其操作方法是：在操作面板上先把远程控制模式改为本地模式，然后再操作启动泥浆泵按钮，接着对泵进行加速，在主控室的泥水环流界面上可以看到泥浆泵的转速，根据需求可把泵速调到最佳状态。停泵时，先把转速降为零，然后再操作泥浆泵的停止按钮。

此方案优点是：操作方便，可在更换管路、隧道内排水或测试变频器时使用。缺点是：在泵站较多的情况下需要配备较多操作人员，不便于统一控制各泵之间的操作参数。

在狮子洋隧道泥浆泵站故障处理中通过应用这3种方法，减少了从厂家寻求技术支持的次数，节约了维修费用，缩短了泥浆泵站的故障停机时间，提高了盾构机的完好率和掘进效率，保障了安全生产，取得了良好效果。

(作者地址：山西省太原市小店区人民南路19号  中铁十二局集团第二工程公司  030032)