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石方工程机械盾构机【目录】 一、什么是盾构机 二、盾构机的工作原理 三、盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 四、盾构机姿态控制的一般细则 五、不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制技术 六、盾构机的纠偏措施【关键字】盾构施工姿态控制 盾构组成 盾构原理 【摘要】盾构隧道施工中盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和前进方向的控制, 在掘进过程中, 盾构机操作人员根据激光自动导向系统在电脑屏幕上显示的数据, 通过合理选择各分区千斤顶及刀盘转向等来调整盾构机的姿态。盾构机姿态控制操作原则有两条:(1) 机体滚角值应适宜, 盾构机滚角值太大, 盾构机不能保持正确的姿态, 影响管片的拼装质量, 此时, 可以通过反转刀盘来减少滚角值。(2) 盾构机的前进方向水平向右偏, 则需要提高右侧千斤顶分区的推力; 反之, 则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏, 则需要提高下部千斤顶分区的推力; 反之亦然。【1】【正文】一、什么是盾构机 盾构机全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，问世至今已有近百年的历史，经过不断改进和发展，成为目前世界最先进的地下隧道掘进机。其集机、电、液、传感、信息技术于一身，可在不影响地面状况的条件下作业，与传统施工方式相比大大提高了施工的效率、安全性，降低了成本，因而受到世界各国的青睐，广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。在我国，盾构机在北京、广州、上海等10多个城市地铁和穿江越洋隧道施工领域发挥着巨大的效用。但是由于盾构制造工艺复杂，技术附加值高，盾构制造工艺为德国、法国、日本等少数国家所垄断，且价格高昂，在我国盾构市场上国外盾构机的占有率曾经高达95以上。目前，在国家产业政策的大力支持下，由我国盾构机企业自主创新的国产盾构机已经成功打破国外的垄断地位，并在技术、质量等方面紧紧追赶世界。尽管由于历史的原因，国产盾构机在总体实力上与国外顶尖水平还有不小的差距，但是，在我国巨大隧道市场空间的带动下，国产盾构机的质量已经越来越好，与世界的差距也会越来越小。我国大约有85的盾构掘进机依赖进口，欧洲和日本等公司的地铁盾构机在中国的盾构掘进机市场上占主导地位。其中，占据欧洲大半市场份额的海瑞克、以产量1670台居世界首位的三菱重工、以及拥有多个品牌的德国维尔特的表现最为抢眼，光德国的海瑞克就占据国内盾构机市场的70以上。除了外资品牌，国内除隧道股份还有二重、上重、大重、沈重和首钢等企业，独立进行盾构机的生产或与德国海瑞克、维尔特、美国罗宾斯等外资合资、合作生产。为尽快改变这种被动局面，国家制定出台了重点扶持振兴盾构机国产化的相关政策，盾构机国产化终于开始“起跑”。随着国内市场需求量的增大，一些外资品牌纷纷进入我国，我国的盾构机有了少量生产。随着国内盾构机投资的不断增大和国际企业的进入，根据目前在建产能和计划投资情况，预计2010年我国盾构机的产量为50台左右。盾构机是装备制造业的标志性产品，也是当今世界上最先进的隧道掘进超大型专用设备。在中国日益重视开发利用地下空间的今天，具有十分广阔的市场前景。2010-2015年期间，中国规划建设的城市快速轨道交通项目总长度达1700公里，5000多亿元投资将聚集在这一领域。南水北调、西气东输等重大工程正在大量引入盾构机，盾构机施工和制造正在成为一个巨大的市场。至2010年，全国大约需要500台左右的盾构机。按照国际市场每台盾构机400-600万美元的价格计算，这一领域的潜在市场高达150亿-225亿元。因此，加速发展我国隧道掘进机的研发及产业化势在必行。目前，中铁隧道集团与上海隧道股份是国家863隧道掘进机产业化基地，在隧道掘进机产业化和自主开发方面已经走在国内前列。国产土压盾构的关键技术指标已经达到国际先进水平，为我国掘进机制造业打下了坚实的基础，提升了企业与国家的核心技术竞争力。【2】2、 盾构机的工作原理 1盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 2掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道次成型。【3】三、盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cmmin。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是625m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。 前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这30个千斤顶按上下左右被分成A、B、c、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。 中盾的后边是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。 2.刀盘 刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28，刀盘直径628m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有一把超挖刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆的行程为50mm。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。 法兰板的后部安装有一个回转接头，其作用是向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。3.刀盘驱动 刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现0-61rpm的无级变速。刀盘驱动主要由8组传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成，其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀盘。 安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油。 4.双室气闸 双室气闸装在前盾上，包括前室和主室两部分，当掘进过程中刀具磨损工作人员进入到泥土仓检察及更换刀具时，要使用双室气闸。 在进入泥土仓时，为了避免开挖面的坍坍，要在泥土仓中建立并保持与该地层深度土压力与水压力相适应的气压，这样工作人员要进出泥土仓时，就存在一个适应泥土仓中压力的问题，通过调整气闸前室和主室的压力，就可以使工作人员可以适应常压和开挖仓压力之间的变化。但要注意，只有通过高压空气检查和受到相应培训有资质的人员，才可以通过气闸进出有压力的泥土仓。 现以工作人员从常压的操作环境下进入有压力的泥土仓为例，来说明双室气闸的作用。工作人员甲先从前室进入主室，关闭前室和主室之间的隔离门，按照规定程序给主室加压，直到主室的压力和泥土仓的压力相同时，打开主室和泥土仓之间的闸阀，使两者之间压力平衡，这时打开主室和泥土仓之间的隔离门，工作人员甲进入泥土仓。如果这时工作人员乙也需要进入泥土仓工作，乙就可以先进入前室，然后关闭前室和常压操作环境之间的隔离门，给前室加压至和主室及泥土仓中的压力相同，扣开前室和主室之间的闸阀，使两者之间的压力平衡，打开主室和前室之间的隔离门，工作人员乙进入主室和泥土仓中。 5.管片拼装机 管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。 拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两个滚轮安放在拼装机大梁上的行走槽中，一个内圈为齿圈形式外径32m的滚珠轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横粱相连接。 现以拼装头在正下方位置的情况为例，来说明拼装机的运动情况。两个拼装机行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道轴线方向移动；安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通过驱动滚珠轴承的内齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各200度；通过伸缩油缸可以使拼装头上升或下降；拼装头在油缸的作用下又可以实现在水平方向上的摆动，和在竖直方向上的摆动以及抓紧和放松管片的功能。这样在拼装管片时，就可以有六个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。 拼装手可以使用有线的或遥控的控制器操作管片拼装机，用来拼装管片。我们采用的是12m长的通用管片，一环管片由六块管片组成，它们是三个标准块、两块临块和一块封顶块。封顶块可以有十个不同的位置，代表十种不同类型的管环，通过选择不同类型的管环就可以使成型后的隧道轴线与设计的隧道轴线相拟合。隧道成型后，管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。 6.排土机构 盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。 螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后者可以在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。 7.后配套设备 后配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等。【4】 四、盾构机姿态控制的一般细则 盾构隧道施工中盾构机的姿态控制包括机体滚转控制和前进方向的控制,在掘进过程中,盾构机操作人员根据激光自动导向系统在电脑屏幕上显示的数据,通过合理选择各分区千斤顶及刀盘转向等来调整盾构机的姿态。盾构机姿态控制操作原则有两条:(1)机体滚角值应适宜,盾构机滚角值太大,盾构机不能保持正确的姿态,影响管片的拼装质量,此时,可以通过反转刀盘来减少滚角值。(2)盾构机的前进方向水平向右偏,则需要提高右侧千斤顶分区的推力;反之,则需要提高左侧千斤顶分区的推力。如果盾构机机头向下偏,则需要提高下部千斤顶分区的推力;反之亦然。 一般情况下,盾构机的方向纠偏应控制在20mm 以内,在缓和曲线及圆曲线段,盾构机的方向纠偏应控制在30mm 以内。尽量保持盾构机轴线与隧道设计轴线平行,否则,可能会因为姿态不好而造成盾尾间隙过小和管片错台裂缝。当开挖面土体较均匀时,盾构机姿态控制比较容易,一般情况下方向偏角控制在5mmm以内。当开挖面内的地层左、右软硬不均而且又是处在曲线段时,盾构机姿态控制比较困难。此时,可降低掘进速度,合理调节各分区的千斤顶推力,有必要时可考虑在硬岩区使用超挖刀(备有超挖刀的盾构机)进行超挖。当盾构机遇到上软下硬土层时,为防止盾构机“抬头”,要保持下俯姿态;反之,则要保持上仰姿态。掘进时要注意上下两端和左右两侧的千斤顶行程差不能相差太大,一般控制在20mm 以内。在曲线段掘进时,一般情况下根据曲线半径的不同让盾构机向曲线内侧偏移一定量,偏移量一般取1030mm。在盾构机姿态控制中,推进油缸的行程控制是重点。对于1.5m 宽的管片,原则上行程控制在17001800mm 之间,行程差控制在040mm 内,行程过大,则盾尾刷容易露出,管片脱离盾尾较多,变形较大;行程差过大,易使盾体与管片之间的夹角增大,易造成管片的破损、错台。 五、不同地质环境中盾构机掘进姿态的控制技术 1.淤泥质土层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在软弱土层中掘进时,由于地层自稳性能极差,为控制盾构机水平和垂直偏差在允许范围内,避免盾构机蛇形量过大造成对地层的过量扰动,宜将盾构机掘进速度控制在3040mmm in之间,刀盘转速控制在1. 5rm in左右。在该段地层中掘进时,四组千斤顶推力应较为均衡,避免掘进过程中千斤顶行程差过大,否则,可能会造成推力轴线与管片中心轴线不在同一直线上。在掘进过程中应根据实际情况加注一定量的添加剂,以保持出土顺畅,尽量保持盾构机的连续掘进,同时,要严格控制同步注浆量,以保证管背间隙被有效填充。2.砂层中盾构机掘进姿态的控制盾构机在全断面富水砂层中掘进,由于含水砂层的自稳性极差,含水量大,极易出现盾构机“磕头”现象,同时,在含水砂层中盾构机也易出现上浮现象。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现“磕头”现象,在推进过程中盾构机应保持向上抬头的趋势,如果发现有“磕头”趋势,应立即调节上下部压力,维持盾构机向上的趋势。为避免盾构机在含水砂层中掘进出现上浮现象,在盾构机掘进时应减小刀盘转速,减小对周围砂层的扰动。若隧道埋深小于23倍的盾构机硐体直径,应对含水砂层进行地质改良、地面堆载等措施。3.岩层层面起伏大的地层中盾构机掘进姿态的控制岩层层面起伏大会导致隧道开挖面内的岩层出现软硬不均。盾构机在这种地层中掘进,其盾构机的姿态控制难度大,易产生盾构机垂直方向上的过量蛇行,造成管片错台及开裂。以上软下硬地层为例,在这类地质条件下掘进,盾构机刀盘受力不均,掘进速度不均衡,这就要求在掘进过程中,必须时刻观察测量系统提供的盾构机姿态数据,结合推进千斤顶和铰接千斤顶的行程差值,不断地调整各分区千斤顶的推力及总推力,以