1.本发明涉及同步推拼盾构施工领域，具体涉及一种可动态分区的同步推拼盾构推进液压系统。
背景技术：
2.目前隧道工程逐渐向大埋深、大断面、长距离的方向发展，集中表现为市域城际长大隧道。常规盾构法施工是在盾构掘出一环管片宽度的距离后，切换至停机状态完成整环管片的拼装。通常来说，掘进与拼装工序耗时接近。因此，在掘进与拼装工序交替进行下，常规盾构法运用在长(超长)距离隧道工程中将产生过长的项目建设周期。同步推拼盾构将掘进与拼装工序进行并联设计，是提高隧道施工效率的关键掘进装备。其具体控制模式为：在同步推拼盾构掘进过程中，推进系统需要根据管片拼装点位，回撤对应区域的推进液压缸，由管片拼装机完成管片拼装工作。此时，推进系统其余未撤回液压缸为盾构提供掘进动力，从而实现“同步推拼”。
3.在同步推拼盾构施工过程中，必然有部分液压缸不能提供推力。为了保证盾构能够沿设计轴线精准掘进，目前主要有全液压缸控制和自由分区控制两种技术方案。全液压缸控制固然可以提升系统整体调控精度，但节流损失大、控制成本高。而自由分区控制通常需要配置多压力源为各分区提供不同压力，但其仍属于固定分区范畴，灵活性不足。此外，盾构掘进过程中需要根据轴线偏差确定拼装点位。随着拼装点位的变化，可能存在一环中某一块管片上分布的液压缸隶属于不同分区。而分区压力的差异将在管片上引入倾覆力矩，导致管片受力均匀性大大降低。因此，为了均衡推进液压系统调控精度与控制成本，同时满足局部液压缸回撤、管片受力均匀性等要求，亟需一种可动态分区的同步推拼盾构推进液压系统，为长大隧道高效、安全施工提供保障。
技术实现要素：
4.为解决上述所提的问题，本发明提出一种可动态分区的同步推拼盾构推进液压系统，具体为
5.一种可动态分区的同步推拼盾构推进液压系统，包括泵站、动态分区阀组以及液压缸模块；
6.所述液压缸模块包括m个液压缸组；作用在外部的一环管片上并提供推进力；一环管片包括一块封顶块以及若干其余分块；封顶块上始终作用有一个液压缸组，其余分块上均作用有两个液压缸组；
7.所述动态分区阀组用于调整液压缸模块的分区区域；动态分区阀组包括n个控制阀组以及m个分区阀组；控制阀组的数量与一环管片的分块数量相同；其中第一控制阀组始终控制封顶块所对应的推进液压缸压力，其余控制阀组控制其余分块所对应的推进液压缸压力；所述分区阀组的数量与液压缸组数量相同，每一分区阀组各连接有一个液压缸组；
8.所述泵站用于为动态分区阀组提供压力油。
9.作为本发明的优选方案，所述泵站包括油箱、进油口过滤器、第一手动截止阀、电机、变量泵、远程调压阀、第一安全阀、第二手动截止阀、高压过滤器和弹簧式单向阀；油箱通过进油口过滤器和手动截止阀连接到变量泵的入口；变量泵与电机通过联轴器连接；所述变量泵上设有远程调压阀；远程调压阀与外部plc控制器连接，进而调节变量泵出口压力；变量泵的出口通过第二手动截止阀连接到高压过滤器；高压过滤器通过弹簧式单向阀和单向节流阀与动态分区阀组连接。
10.作为本发明的优选方案，所述变量泵的出口还设置有压力表、压力传感器以及第一安全阀；变量泵出口压力由压力表和压力传感器监测，当变量泵的出口压力超过设定阈值，第一安全阀开启，通过安全回油管路回流至油箱。
11.作为本发明的优选方案，所述液压缸组包括三位四通换向阀、平衡阀、插装阀、盖板、二位三通换向阀、推进液压缸、卸荷阀以及第二安全阀；所述推进液压缸内具有液压缸无杆腔和液压缸有杆腔；
12.三位四通换向阀的a口与平衡阀，b口与液压缸有杆腔连接；平衡阀出口连接到液压缸无杆腔；平衡阀控制油口连接到液压缸有杆腔；插装阀与液压缸无杆腔连接；二位三通换向阀的a口通过盖板与液压缸无杆腔连接；插装阀直接安装在盖板一侧，通过盖板连接到二位三通换向阀的p口；二位三通换向阀的b口与泄漏油通道连接；卸荷阀和第二安全阀的进油口均与液压缸无杆腔连接；动态分区阀组的压力油口连接到三位四通换向阀；三位四通换向阀与推进液压缸连通。
13.作为本发明的优选方案，在同步推拼状态下，需要对应管片拼装位置的液压缸组平稳回撤，而其他液压缸组仍处于推进状态。
14.处于推进状态的液压缸组中的三位四通换向阀切换至右位，三位四通换向阀的p口与三位四通换向阀的a口连通，三位四通换向阀的t口与三位四通换向阀b口连通；此时压力油通过平衡阀进入推进液压缸无杆腔；回液通过推进液压缸有杆腔连接到三位四通换向阀的b口，三位四通换向阀的t口连接到回液管路；平衡阀出口连接到第二安全阀，保护推进液压缸不发生过载；
15.回撤液压缸组中的三位四通换向阀切换至左位，三位四通换向阀的p口与三位四通换向阀的b口连通，三位四通换向阀的t口与三位四通换向阀a口连通；此时压力油进入推进液压缸有杆腔；回液通过推进液压缸的无杆腔连接到平衡阀，使推进液压缸快速回退的同时保证运动平稳性；在三位四通换向阀切换之前，需要将卸荷阀切换至左位，降低推进液压缸的无杆腔压力，避免由于油压过高引起推进系统震动；
16.在上述调节过程中，二位三通换向阀始终保持左位，此时插装阀的控制油口c通过二位三通换向阀的p口与二位三通换向阀的a口接通，为高压状态，即始终保持阀口关闭；仅当回撤液压缸组中的平衡阀出现故障而无法正常回液时，二位三通换向阀切换至右位；此时插装阀的控制油口c通过二位三通换向阀的p口与二位三通换向阀的b口接通，连接至泄漏油通道，阀口开启；回液流入插装阀的b口，从插装阀的a口。
17.作为本发明的优选方案，所述每个分区阀组通过两个二位三通换向阀串联连接组成；所述两个二位三通换向阀完全相同，均具备p口、t口和a口；所述两个二位三通换向阀具体分为上位二位三通换向阀和下位二位三通换向阀，每个分区阀组的上位二位三通换向阀的t口均和下位二位三通换向阀的a口连接；所有分区阀组的上位二位三通换向阀为并联连
接，且上位二位三通换向阀的p口均连接到第一控制阀组的b口；
18.所有分区阀组的下位二位三通换向阀为并联连接；从第一分区阀组开始，第一分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第二分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接；第三分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第四分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接，直至第m-2分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第m-1分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接；
19.从第二分区阀组开始，第二分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第三分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接；第四分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第五分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接，直至第m-1分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第m分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接；
20.第一分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第m分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接。
21.作为本发明的优选方案，第一控制阀组的b口与每个分区阀组的上位二位三通换向阀的p口连接；第二控制阀组的b口对应与第一分区阀组、第二分区阀组和第三分区阀组的下位二位三通换向阀连接；第三控制阀组的b口对应与第三分区阀组、第四分区阀组和第五分区阀组的下位二位三通换向阀连接；第n控制阀组的b口对应与第m-2分区阀组、第m-1分区阀组和第m分区阀组的下位二位三通换向阀连接。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.1)本发明提出的推进液压系统以一环管片数量作为分区数量，相较于固定分区，可控输入的增加有效提升推进系统调控精度，相较于全液压控制而言，控制难度将大大降低，较好均衡了盾构推进系统控制成本与控制精度的双重需求。
24.2)本发明利用二位三通换向阀的串并联组合方式，实现推进系统分区分布位置可随管片拼装点位而动态调整，有效避免因分区压力差引入的倾覆力矩，进而保证每块管片的推力分布均匀性。
25.3)由于同步推拼工作模式下，推进液压缸需要频繁回撤。本发明通过将平衡阀与插装阀并联，有效保证液压缸回撤过程中运动平稳性和可靠性。
附图说明
26.图1为可动态分区的同步推拼盾构推进液压系统的总体结构示意图。
27.图2为泵站的示意图。
28.图3为动态分区阀组的示意图。
29.图4为液压缸模块的示意图。
30.图5为液压缸组的示意图。
31.图6为以5分区、3分块为例的分区示意图。
32.图7为以5分区、3分块为例的动态分区阀组示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提
下，均可进行相应组合。
34.所设计的用于同步推拼盾构的可动态分区推进液压系统总体图如图1所示，主要包括泵站1、动态分区阀组2以及液压缸模块3。
35.如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，泵站1包括油箱11、进油口过滤器12、手动截止阀13、电机14、变量泵15、远程调压阀16、压力表17、压力传感器18、安全阀19、手动截止阀110、高压过滤器111和弹簧式单向阀112。油箱11通过进油口过滤器12和手动截止阀13连接到变量泵15。变量泵15与电机14通过联轴器连接。所述变量泵15上设有远程调压阀16，远程调压阀16与plc控制器连接，进而调节变量泵15出口压力。当变量泵15的出口压力超过设定阈值，安全阀19开启，通过安全回油管路回流至油箱。变量泵15出口压力由压力表17和压力传感器18监测。变量泵15通过手动截止阀110连接到高压过滤器111，实现对液压油进一步过滤，先后通过弹簧式单向阀112和单向节流阀113将高压油输送到动态分区阀组2。单向节流阀113的作用是调节盾构推进过程中流量大小。
36.本发明提出的动态分区方法可适应不同分区数量、不同液压缸数量的推进液压系统。为了方便说明，以下以m分区、n液压缸组进行描述。
37.如图4所示，控制阀组的数量与一环管片的分块数量相同，其中封顶块上始终作用一个液压缸组，其余分块均作用两个液压缸组。每个控制阀组组成与连接方式完全相同，只负责调控作用于一个分块上液压缸组的压力。第一控制阀组始终控制封顶块所对应的液压缸组压力，其余控制阀组控制其余分块所对应的液压缸组压力。
38.分区阀组的数量与液压缸组数量相同。对应到推进系统每一个液压缸组，均有一个分区阀组与之连接。如第一液压缸组与第一分区阀组连接。
39.为了实现推进液压系统分区区域可以随封顶块位置变化，液压缸模块的分区形式主要表现为任意两相邻的液压缸组均可位于同一分区内。如第一液压缸组和第二液压缸组处于同一分区，第二液压缸组和第三液压缸组处于同一分区，第m-1液压缸组和第m液压缸组处于同一分区，第一液压缸组和第m液压缸组处于同一分区。
40.每个分区阀组中有两个二位三通换向阀串联连接。每个二位三通换向阀完全相同，均具备p口、t口和a口。所有分区阀组的上位二位三通换向阀为并联连接，其p口均连接到第一控制阀组的b口。每个分区阀组的上位二位三通换向阀的t口均和下位二位三通换向阀的a口连接。
41.所有分区阀组的下位二位三通换向阀为并联连接。从第一分区阀组开始，第一分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第二分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接。第三分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第四分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接。以此类推，第m-2分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第m-1分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接。
42.从第二分区阀组开始，第二分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第三分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接。第四分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第五分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接。以此类推，第m-1分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第m分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接。
43.第一分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第m分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接。
44.第一控制阀组的b口与每个分区阀组的上位二位三通换向阀的p口连接。第二控制阀组的b口对应与第一分区阀组、第二分区阀组和第三分区阀组的下位二位三通换向阀连接。第三控制阀组的b口对应与第三分区阀组、第四分区阀组和第五分区阀组的下位二位三通换向阀连接。以此类推，第n控制阀组的b口对应与第m-2分区阀组、第m-1分区阀组和第m分区阀组的下位二位三通换向阀连接。
45.具体的，除了第二控制阀组外，从第三控制阀组开始。第三控制阀组的b口与第三分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第四分区阀组的下位二位三通换向阀的t口、第四分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第五分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接。以此类推，第n控制阀组的b口与第m-2分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第m-1分区阀组的下位二位三通换向阀的t口、第m-1分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第m分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接。
46.第二控制阀组与第三控制阀组的连接方式类似，其b口除了需要与第一分区阀组的下位二位三通换向阀的t口和第二分区阀组的下位二位三通换向阀的t口、第二分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第三分区阀组的下位二位三通换向阀的p口连接，还需要与第一分区阀组的下位二位三通换向阀的p口和第m分区阀组的下位二位三通换向阀的t口连接。
47.以图6和图7所示工况为例，本发明提出的可动态分区推进液压系统共计3个控制阀组，分别控制3个分区。分区1、分区2和分区3完全相同。
48.分区1出油口b3分别连接到二位三通换向阀b27、二位三通换向阀d29、二位三通换向阀f211、二位三通换向阀h213和二位三通换向阀j215的27a、29a、211a、213a和215a油口。分区2出油口b4分别连接到二位三通换向阀a26、二位三通换向阀c28、二位三通换向阀e210和二位三通换向阀i214的26a、26b、28a、28b、210a和214b油口。分区3出油口b5分别连接到二位三通换向阀e210、二位三通换向阀g212和二位三通换向阀i214的210b、212a、212b和214a油口。
49.二位三通换向阀a26的26c油口与二位三通换向阀b27的27b油口连通。二位三通换向阀c28的28c油口与二位三通换向阀d29的29b油口连通。二位三通换向阀e210的210c油口与二位三通换向阀f211的211b油口连通。二位三通换向阀g212的212c油口与二位三通换向阀h213的213b油口连通。二位三通换向阀i214的214c油口与二位三通换向阀j215的215b油口连通。
50.插装阀33与二位三通换向阀35相连接。插装阀33控制油口33c与35p连接。当二位三通换向阀35处于右位时，控制油口33c通过35a连接到主油路c1上。此时插装阀33处于关闭状态。压力油进入三通比例减压阀32，从单向阀31流出，此时推进液压系统处于调压推进模式。当二位三通换向阀35得电时，插装阀33的控制油口接通油箱。此时压力油进入33b，从33a流出。此时推进液压系统处于快速推进状态。
51.动态分区阀组2压力油口b6-b10分别连接到液压缸模块3的c1-c5油口。动态分区过程主要依赖于动态分区阀组2中二位三通换向阀的组合动作完成。
52.动态分区的实现过程依赖于动态分区阀组中10个二位三通换向阀的组合使用。为了说明这一过程，本发明以推进系统包含5个液压缸组、一环管片包含3分块为例。动态分区实质为，根据封顶块位置的不同，调整每个液压缸组的所属分区，保证每块管片可以对应一
个分区。针对此例，推进系统共可分为5种情况，如图6所示。
53.当液压缸组1和液压缸组2处于同一分区，二位三通换向阀a26和二位三通换向阀c28需要切换至左位；当液压缸组2和液压缸组3处于同一分区，二位三通换向阀c28和二位三通换向阀e210仍处于右位；当液压缸组3和液压缸组4处于同一分区，二位三通换向阀e210和二位三通换向阀g212需要切换至左位；当液压缸组4和液压缸组5处于同一分区，二位三通换向阀g212和二位三通换向阀i214仍处于右位；当液压缸组1和液压缸组5处于同一分区，二位三通换向阀a26仍处于右位，二位三通换向阀i214需要切换至左位。
54.当确定封顶块位置后，相应分区阀组中的两个二位三通换向阀仍处于右位，而其余分区阀组的上位二位三通换向阀全部需要切换至左位。如当液压缸组1为封顶块分区时，二位三通换向阀a26和二位三通换向阀b27仍处于右位，而二位三通换向阀d29、二位三通换向阀f211、二位三通换向阀h213和二位三通换向阀j215需要切换至左位；
55.当以液压缸组1为封顶块时，液压缸组2和液压缸组3处于同一分区，液压缸组4和液压缸组5处于同一分区。
56.此时，二位三通换向阀a26和二位三通换向阀b27、二位三通换向阀c28、二位三通换向阀e210、二位三通换向阀g212和二位三通换向阀i214仍处于右位。分区1出油口b3连接到二位三通换向阀b27，从27a流入，27c流出，进入液压缸组1的进油口c1。分区2出油口b4分别连接到二位三通换向阀c28的28a油口和二位三通换向阀e210的210a油口，再由28c和210c油口连接到二位三通换向阀d29的29b和二位三通换向阀f211的211b油口。二位三通换向阀d29和二位三通换向阀f211切换至左位，压力油从29c和211c流出，分别进入液压缸组2进油口c2和液压缸组3进油口c3。分区3出油口b5分别连接到二位三通换向阀g212的212a油口和二位三通换向阀i214的214a油口，再由212c和214c油口连接到二位三通换向阀h213的213b和二位三通换向阀j215的215b油口。二位三通换向阀h213和二位三通换向阀j215切换至左位，压力油从213c和215c流出，分别进入液压缸组4进油口c4和液压缸组5进油口c5。经过二位三通换向阀的状态切换，实现了液压缸组1由分区1单独控制，液压缸组2和液压缸组3由分区2控制，液压缸组4和液压缸组5由分区3控制。
57.当以液压缸组2为封顶块时，液压缸组1和液压缸组5处于同一分区，液压缸组3和液压缸组4处于同一分区。此时，二位三通换向阀a26、二位三通换向阀c28和二位三通换向阀d29仍处于右位，二位三通换向阀e210、二位三通换向阀g212和二位三通换向阀i214切换至左位。分区1出油口b3连接到二位三通换向阀d29，从29a流入，29c流出，进入液压缸组2的进油口c2。分区2出油口b4分别连接到二位三通换向阀a26的26a油口和二位三通换向阀i214的214b油口，再由26c和214c油口连接到二位三通换向阀b27的27b和二位三通换向阀j215的215b油口。二位三通换向阀b27和二位三通换向阀j215切换至左位，压力油从27c和215c流出，分别进入液压缸组1进油口c1和液压缸组5进油口c5。分区3出油口b5分别连接到二位三通换向阀e210的210b油口和二位三通换向阀g212的212b油口，再由210c和212c油口连接到二位三通换向阀f211的211b和二位三通换向阀h213的213b油口。二位三通换向阀f211和二位三通换向阀h213切换至左位，压力油从211c和213c流出，分别进入液压缸组3进油口c3和液压缸组4进油口c4。经过二位三通换向阀的状态切换，实现了液压缸组2由分区1单独控制，液压缸组1和液压缸组5由分区2控制，液压缸组3和液压缸组4由分区3控制。
58.类似的，以3、4和5为封顶块时，对二位三通换向阀进行状态切换即可实现。
59.液压缸组1、液压缸组2、液压缸组3、液压缸组4和液压缸组5完全相同。
60.在同步推拼状态下，需要对应管片拼装位置的液压缸组平稳回撤，而其他液压缸组仍处于推进状态。以液压缸组1为例说明工作原理。如图5所示，动态分区阀组2的压力油口c1连接到三位四通换向阀31的31p油口。
61.当三位四通换向阀31切换至右位时，31p与31a连通，31t与31b连通。此时液压缸组1处于推进状态。压力油通过平衡阀32进入推进液压缸36的无杆腔36a。回液通过推进液压缸36的有杆腔36b连接到三位四通阀31的31b油口，通过31t油口连接到回液管路c6。平衡阀32出口连接到安全阀38，保护推进液压缸36不发生过载。
62.当三位四通换向阀31切换至左位时，31p与31b连通，31t与31a连通。此时液压缸组1处于回撤状态。压力油进入推进液压缸36的有杆腔36b。回液通过推进液压缸36的无杆腔36a连接到平衡阀32，使推进液压缸36快速回退的同时保证运动平稳性。在三位四通换向阀32切换之前，需要将卸荷阀37切换至左位，降低推进液压缸36的无杆腔压力，避免由于油压过高引起推进系统震动。
63.在上述调节过程中，二位三通换向阀35始终保持左位。此时插装阀33的控制油口33c通过35p与35a接通，为高压状态，即始终保持阀口关闭。仅在回撤状态下，当平衡阀32出现故障而无法正常回液时，二位三通换向阀35切换至右位。此时插装阀33的控制油口33c通过35p与35b接通，连接至泄漏油通道，阀口开启。回液流入33b，从33a流出到动态分区阀组2的b11油口。在同步推拼工法下，对应管片拼装位置的推进液压缸回撤是推进与拼装工序同步进行的关键。本发明通过将插装阀33与平衡阀32并联的方式，为推进液压缸回液管路增加了冗余度，有效提升了推进液压系统在局部液压缸回撤过程中的可靠性，保证同步推拼工序的正常进行。
64.本发明提出的推进液压系统不仅可用于同步推拼盾构，也同样适用于传统盾构，尤其在超大直径隧道施工中性能表现更佳。在同步推拼工作状态下，通过三位四通换向阀31可实现局部推进液压缸的回撤。在传统先推后拼的工作状态下，所有液压缸组的三位四通换向阀同时作用，即可实现全部推进液压缸的回撤。
65.同步推拼盾构在进入“同步推拼”工作状态之前，需要以“全液压缸”工作模式掘进一环管片宽度的距离。
66.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。