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田水清
（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡 214000）
盾构机是用于铁路、公路、水利及城市轨道交通等地下隧道空间快速开挖的现代化综合性技术装备，具有快速、优质、安全、环保等优点，也是目前最先进的隧道开挖和建设技术，代表着一个国家重大技术装备的发展水平。
然而因盾构机故障引发的安全问题，一直是盾构机使用方重点关注的问题，影响着安全、成本和工期等诸多方面。盾构机液压系统污染是各盾构施工单位重点关注的设备重大故障问题之一，会造成设备故障、施工项目停工、地层紊乱等问题，造成直接、间接经济损失巨大。中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司是专业从事地铁隧道施工的工程单位，从2017 年至2021 年底，共发生盾构机液压系统污染事故9 次，造成停机时间超过半年，直接经济损失达数百万元。
目前多数盾构机使用单位通过盾构机离线油液检测方式进行污染监控，就是通过定期获取正在使用的液压油进行颗粒度、水分等项目的检测分析。通过检测结论来评价液压系统污染情况，如发现污染问题再通知使用单位进行处置。而盾构施工环境复杂，地下空间粉尘、水分等污染物浓度高，极易引发油液污染，通常发生液压系统污染具有偶然性，时间不确定性，离线油液检测因检测频次和检测时机很难及时捕捉到污染问题，不能形成有效的预警。
现有的盾构液压系统中，污染控制基本上是利用盾构机自带的过滤器进行杂质、金属屑的过滤及分离，但是由于过滤器的过滤效果参差不齐，而且还有部分管路上没有安装过滤器，无法进行过滤，因此不能及时发现液压油的污染情况，使得污染物循环到整个液压系统，造成多个马达、液压泵损坏等严重事故，给盾构施工带来极大的安全隐患和经济损失。
造成液压系统污染的原因主要有：①在管路安装连接过程中，管路法兰结合面O 形圈掉入到管路内，造成液压系统污染；
②在盾构机拆装过程中，对管路接口防护不到位，导致杂物进入到管路内，从而污染液压系统；
③在使用过程中，操作人员对设备使用不当，导致的污染物进入；
④液压油加注不当，导致的液压油污染；
⑤设备故障，导致冷却水进入液压系统；
⑥液压泵、马达、管路等自身损耗或故障，导致整个液压系统污染。
盾构机液压系统在线健康监测系统的关键技术：监测盾构机泄油管中液压油的颗粒度、水分含量、温度等指标，通过对泄油管油液状态的监测，判断液压系统是否受到了污染。该系统可以实时地监测盾构机液压油状态，有效预防因油品污染导致液压系统瘫痪，如液压泵、马达故障等，降低盾构施工的故障率，避免因液压泵、马达故障造成的维修、项目停工等经济损失。
盾构机液压系统在线健康监测系统主要由油液检测装置、过滤装置、信号采集单元、信号中继和上位机组成，其中，油液检测装置是由颗粒度传感器、水分传感器和温度传感器串联组装而成，属于在线健康监测系统的核心部件。将盾构机油液检测装置采集的信号，通过中继将信号进行放大，并传输至主控室的上位机，上位机将信号中继上传的信号进行处理，根据预设的预警值，判断液压系统运行状态，并形成状态报警监测。如发生状态监测报警，监控人员立即提醒操作人员立即停机检查并处理，防止液压系统污染或污染程度扩大。实时监控数据还可以通过软件系统进行存储保存，进行阶段性分析解读液压系统污染状态。
3.1 液压油在线监控监测系统的组成及结构原理
液压油在线监测系统主要由吸油侧压力表、吸油滤芯、循环泵、电机、出油侧压力表、安全阀、粗滤、精滤、单向阀、单点检测传感器及控制部分组成，吸油、回油与盾构机液压系统主油箱通过管路连接，其中前9 个部件可利用原盾构机液压站系统循环冷却过滤系统，增加单点检测传感器及控制部分。也可以再增加一套循环净化设备，进行液压油二次净化。盾构机液压系统在运行过程中逐渐产生磨粒（金属颗粒），或因在维保换油过程及使用过程中操作不当，密封泄漏等原因造成外部水分和杂质进入系统，液压油在线监测系统能够实时检测油液的参数，及时发现风险，并进行报警。
本系统的另一个主要作用就是进行液压油净化，液压油同时通过粗滤、精滤对盾构机液压系统液压油进行连续过滤清洁，将大污染颗粒分离出来，使主油箱液压油保持在最佳状态。
如只有颗粒度报警，说明固体污染物数量超标，在经过滤系统循环后，报警状态依然存在，就说明过滤系统滤芯污染严重，无法完成油品净化任务，需要进行更换。如颗粒度和水分指标同时报警，就要及时查找水分来源，进行停机处理。由于过滤装置主要作用是过滤大颗粒污染，过滤水分效果较差，水分异常需要线下进行特别处理。特别说明的事，温度报警，仅说明液压油的使用温度高，需要盾构操作人员注意，一般不需要特别处理。
液压油在线健康监测系统控制部分预留油液检测、滤芯维护提示信息电气接口，可根据需求增加相应指标传感器，也可以通过接口进行维修维护（图1）。
图1 液压油在线健康监测系统原理
在液压管路上加装过滤器，形成系统自过滤，在线健康监测系统有需要的二次过滤，以及液压油在线颗粒度、水分、温度等指标的实时监测，能够对液压系统运行状况及过滤状况进行连续实时检测，合理规划过滤时间，同时监测的油液颗粒度、水分含量等参数，以及过滤器污染状态，可以进行后台软件存储，并具有数据导出功能，可以有效进行数据分析及阶段性监测。液压油在线健康监测系统控制部分显示界面见图2，液压油在线健康监测系统安装在盾构机液压油箱旁，通过安装支架固定在拖车横梁上（图3）。
图2 液压油在线健康监测系统显示界面
图3 液压油在线健康监测系统安装效果
3.2 盾构机液压系统在线健康监控预警标准
盾构机液压系统在线健康监测预警指标主要有两个分别为颗粒度和水分，分为3 种状态，分别为：正常状态，用绿色显示；
预警状态用黄色显示；
预警并停机状态为红色显示。也可以根据实际盾构机机况、液压油情况及盾构机以往润滑情况进行调整预警值（表1）。
表1 盾构机液压系统在线监测预警参考标准
（1）目前盾构机液压系统，多数通过离线油液检测，辅以事后根据检测值通知预警处理的方式，因检测频次和检测时间等原因导致的时效性问题无法避免，无法有效的做到液压系统健康监测。
（2）在线健康监测系统能实时监测颗粒度、水分等核心指标，及时发现液压系统润滑问题，并及时报警，为后续查找液压问题、处理液压问题提供强力支持。
（3）针对盾构机液压系统各液压泵的泄漏油未过滤就以直排方式进入主油箱，存在局部污染，产生多米诺效应，从而污染整机液压系统风险。在线健康监测系统的过滤功能，将污染物及时过滤掉，对液压系统进行自清洁，使油液保持在最佳状态，而过滤器滤芯报警功能，能很好地保证过滤效果。
（4）若在线健康监测系统仅安装实施监控系统，未安装过滤设备部分，使用盾构机自带的过滤泵，也可以实现实时监测，缺点是无法监控过滤泵滤芯的使用状态。若过滤泵滤芯失效，也存在液压系统污染恶化的风险。
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