盾构机的构造工作原理PPT课件

盾构机的构造与工作原理机械工程分公司二 九年三月 内容 一 盾构法隧道的起源及发展史二 盾构机的概述三 盾构法施工的特点及工艺流程四 盾构机的构造五 盾构机的工作原理 一 盾构法隧道的起源及发展史 1 国外盾构法隧道的起源及发展史 1818年 法国的布鲁诺尔 M I Brune1 从蛀虫钻孔得到启示 最早提出了用盾构法建设隧道的设想 并在英国取得了专利 布鲁诺尔注册专利的盾构 布鲁诺尔构想的盾构机机械内部结构由不同的单元格组成 每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用 采用的方法是将所有的单元格牢靠地装在盾壳上 当时设计了两种方法 一种是当一段隧道挖完后 整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推进 另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进 第一种方法后来被采用 并得到了推广应用 演变为成熟的盾构法 此后 布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统 设计成用全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳 衬彻紧随其后的方式 M I Brunel螺旋盾构 1818 1825年 他第一次在伦敦泰晤土河下开始用一个断面高6 8m 宽11 4m 并由12个邻接的框架组成的矩形盾构修建隧道 每一个框架分成3个舱 每一个舱里有一个工人 共有36个工人 此系统按照以下模式工作 首先 借助螺杆将鞍型框架压入前方的土中 从上部撤除隧道工作面上的木料并掘土6英寸 然后 隧道工作面重新用木料覆盖并用螺杆支撑 紧接着盾构后部砌砖 把它作为整个机架的支座 第一条隧道施工的盾构机 泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了许多困难 在经历了五次以上的特大洪水后 直到1843年 经过18年施工 完成了全长458m的第一条盾构法隧道 1828年1月12日泰晤土河水涌入盾构机 1830年 英国的罗德发明 气压法 辅助解决隧道涌水 1866年 莫尔顿申请 盾构 专利 盾构最初称为小筒 cell 或圆筒 cylinder 在莫尔顿专利中第一次使用了 盾构 shield 这一术语 1865年 英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片 1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2 2m的隧道 在地下水方面没遇到什么困难 1874年 工程师格瑞海德发现在强渗水性的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面 因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构 通过液体流 以泥浆的形式出土 1886年 格瑞海德在伦敦地下施工中将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用 在压缩空气条件下施工 标志着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步 20世纪初 大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建的 布鲁诺尔发明盾构法之后的另一个技术进步是用机械开挖代替人工开挖 第一个机械化盾构专利是1876年英国人约翰 荻克英森 布伦敦和姬奥基 布伦敦申请的 这台盾构有一个由几块板构成的半球形的旋转刀盘 开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中 料斗将渣料转运至胶带输送机上 再将它转运到后面从盾构中运出 这一构想后来被用于修建地铁隧道工程 1917年 日本引进盾构施工技术 是欧美国家以外第一个引进盾构法的国家 1963年 土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司开发出来 1963年SatoKogyo公司土压平衡盾构 1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用 该盾构由日本制造商IHI 石川岛播磨 设计 其外径3 72m 掘进了1900m的主管线 在以后的年代里 很多厂商以土压盾构 压力保持盾构 软泥盾构 土壤压力盾构 泥压盾构等名称生产了 土压平衡盾构 所有这些名称的盾构都应有了同一种工法国际上称为 土压平衡系统 EPBS 1989年 日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工 东京湾海底隧道长10km 是世界最长公路专用海底隧道 用八台直径14 14m泥水加压式盾构施工 日本东京湾海底隧道盾构机示意图 日本东京湾海底隧道泥水式盾构机 1992年 日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构 并成功地用于大阪市地铁7号线 商务公园站 车站工程施工 2 我国盾构机的发展历程 纵观我国盾构法隧道的发展历程 大体上可以分为三个阶段 起步阶段 20世纪60年代 80年代初 平稳发展阶段 20世纪80年代中 2000年 快速发展阶段 1 起步阶段 20世纪60年代 80年代初 1962年2月 我国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程 采用直径4 16m的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下进行掘进试验 用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土地层 选用由螺栓连接的单层钢筋混疑土管片作为隧道衬砌 环氧煤焦油作为接缝防水材料 试验获得成功 采集了大量盾构法隧道数据资料 2 平稳发展阶段 20世纪80年代中 2000年 这一时期 随着改革开放和经济发展 地铁建设也由服务于战备转为服务于经济发展 继北京 天津修建地铁外 上海 广州也相继修建了地铁工程 地铁施工技术突破了原有浅埋明挖法的限制 盾构法施工方法被引入地铁施工中 1980年 上海开始进行盾构法隧道地铁试验工程 采用直径6 412m网格式机械出土盾构机施工 掘进长度为565m 采用泥水加压和局部气压施工 1980年11月开始地铁试验一期 二期盾构推进 1982年12月推进结束 1983年6月开始地铁试验三期盾构推进 1984年10月推进结束 隧道总长1130m 1987年 上海市隧道工程公司承建市南站过江电缆隧道工程 成功设计了我国第一台直径4 35m加泥式土压平衡盾构掘进机 由上海造船厂制造 4 35m土压盾构研制 该盾构能控制正面土压平衡和减少地面沉降 施工速度快 掘进长度达583m 该技术获得1990年国家科技进步一等奖 工程于1988年1月开始盾构推进 9月推进结束 1990年12月 上海市隧道工程公司承建的上海合流污水治理工程6 1标过江隧道推进施工 采用自己设计制造直径5 17m加泥式土压平衡盾构 盾构自重190t 总推力28800kN 总功率500kW 直径5 17m加泥式土压平衡盾构 1994年10月 上海隧道工程股份有限公司采用盾构法承建的南京第一条秦淮河治理工程夹江隧道推进 最具风险的是盾构推抵江中段 即钻入全断面粉砂层中 该粉砂层上方没有其它土层与夹江水间隔 直径6 34m土压平衡盾构掘进机于1995年2月5日顺利进入江心州接收井 南京夹江隧道直径6 34m盾构掘进机 1992年6月 上海市承建上海地铁1号线上海火车站 汉中路车站区间 采用盾构法隧道施工 1993年4月全线贯通 1993年8月 上海承建上海地铁1号线黄陂路站 陕西路站区间隧道 1994年4月全线贯通 与法国FCB公司合作设计制作的 6 34M土压平衡盾构机 1995年 我国开始研究矩形盾构隧道掘进技术 1996年上海隧道工程股份有限公司研制了一台2 5m 2 5m可变网格矩形隧道掘进机 顶进矩形隧道60m 解决了推进轴线控制 纠偏技术 沉降控制 隧道结构等技术难题 1999年5月 上海隧道工程股份有限公司研制成功国内第一台3 8m 3 8m矩形组合刀盘式土压平衡掘进机 在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m 建成两条过街人行地道 1998年12月 中国第一条较长距离的水底观光游览隧道 上海外滩观光隧道建成 采用国外二手直径7 65m铰接式土压平衡盾构施工 隧道施工不仅工期短 还要在极大的坡度和曲率的条件下 穿越地铁2号线的两条越江隧道 观光隧道与地铁隧道间距离仅1 57m 形成越江隧道施工中罕见的 三隧叠交 创造了中外越江隧道史上的奇迹 实现了中国软土隧道施工史上的又一次飞跃 1999年6月 深圳开埠以来第一台地铁盾构开始掘进益田 香蜜湖区间隧道 此项目由深圳地铁有限公司建设 由上海隧道工程股份有限公司设计 施工总承包 深圳地铁一号线引进2台三菱和1台小松制造的 6 20m复合型土压盾构 3 快速发展阶段 进入21世纪 随着国家经济 技术的迅猛发展为地铁建设带来了重大机遇 同时也为盾构技术应用和发展提供了广阔的平台和空间 国家有关部门已经规定人口在300万以上 GDP值在1000亿以上 年财政收入在100亿以上的城市可以建地铁 据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员分析报告称 目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期 中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场 国内40多座百万人口以上的特大城市中 已经有30多座城市开展了城市快速轨道的建设或建设前期工作 约有15个大城市上报城市轨道交通网规划方案 拟规划建设55条线路 长约1500km 总投资5000亿元 其中 十一五 期间预计投资2000多亿元 计划在2010年前建成的地铁线路长度超过1200km 目前已有成熟盾构施工经验的城市主要分布在长三角 珠三角和环渤海湾地区 如广州 深圳 上海 南京 北京 天津 近两年已开始盾构施工的有沈阳 成都 西安 杭州 武汉等 据有关信息宁波 无锡等都将修建城市地铁 并且在越江道路 输气和市政排水隧洞等工程中广泛采用盾构法施工 2003年9月 上海隧道工程股份有限公司建设的中国首条双圆隧道在轨道交通8号线应用 3 盾构设备保有情况 由于近年来我国基础建设和城市轨道交通发展迅速 盾构设备装备大幅度提升 专家预计 到2020年前 我国的盾构需求量约为300多台 据不完全统计 截至目前 国内保有的盾构机在170台左右 其中小松32台 三菱34台 海瑞克45台 不含7米以上盾构机 其余的有法码通 FCB 维尔特 川崎 石川岛 盾构机的分布情况 小松 主要在上海 北京 沈阳 西安使用 三菱 主要在上海 北京 天津 沈阳 广州 南京 深圳使用 海瑞克 主要在北京 天津 广州 深圳 成都 南京 沈阳使用 维尔特 在广州 深圳使用 法码通 FCB在上海使用 川崎 石川岛 在上海 天津 北京使用 中铁工程总公司系统盾构机情况表 集团公司盾构机情况 2005年集团公司筹措资金4800万元 购置日本三菱 6340土压平衡式盾构机2台 分别由机械工程分公司 杭州 和二公司 上海 管理使用 2006年投入资金7222万元 购置日本小松 6340土压平衡式盾构机2台 日本小松盾构机正天津施工 2007年投入资金11426万元 购置德国海瑞克 6250土压平衡式盾构机2台 目前海瑞克即将在深圳下井施工 二 盾构机概述 盾构机是掘进机的一种类型 掘进机的定义是 用机械能破碎隧道掌子面 随即将破碎物质连续向后输出并获得预期的洞型 洞线的机器 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进 这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建成前 主要起防护开挖出的土体 保证作业人员和机械设备安全的作用 这个钢质组件被称为盾构 盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力 防止地下水或流沙的入侵 2008年3月31日发布的 盾构法隧道施工与验收规范 定义 盾构是盾构掘进机的简称 是在钢壳体保护下完成隧道掘进 拼装作业 由主机和后配套组成的机电一体化设备 下图是我局拥有的土压平衡式日本三凌盾构机在上海彭浦厂组装是的照片 该盾构机直径6340mm 长10515mm 全长78m 我局共有两台 二公司和我们机械工程分公司各一台 1掘进机的定义确定了以下作为掘进机的必要条件 1 1能量要求 必须是用机械能破碎隧道掌子面 主要表现形式是由机械能通过刀具挤裂岩石 这完全区别于钻爆法用炸药的化学能破碎岩石的机理和方法 1 2作业范围 破碎范围仅对隧道的掌子面 保持范围为预期的洞线 洞型 1 3作业对象 开挖的对象是隧道掌子面的物质 1 4出碴时间要求 掌子面物质破碎后随即连续向后输出 在出碴的时间上特别强调了随即性和连续性 掘进机实现了边掘进边出碴同时连续作业 区别于钻爆法和人工掘洞时将开挖和出碴分成二个在不同的时间进行的工序 1 5洞线要求 必须配置精确的导向装置以确保开挖的洞线满足设计预期的要求 1 6洞型要求 必须能开挖出满足预期要求的隧道形状和尺寸 并配置相应的支护和衬砌设备以保持所需洞型的稳定 2掘进机的分类 掘进机种类繁多 根据不同的参照标准有不同的分类方法 如 按一次开挖断面占全部断面的份额分 全断面 部分断面 按开挖断面的形状分 圆型断面 非圆型断面 按开挖的洞线分 平洞 斜洞 竖井 按掘进机的头部形状分 刀盘式 护盾式按掘进机是否带有盾壳分 敞开式 护盾式 按掘进机的盾壳的数量分 单护盾 双护盾 按掘进机机体与推进机构是联合一体还是分成二部分 整机式 分体式 盾构的分类 盾构的分类 为适应各种不同的土质 所以形成盾构的种类繁多 按其构造特点和开挖方法 可归纳为以下4类 A类 敞口式盾构或称普通盾构 有全部的或部分的正面支撑 人工或正 反铲开挖 无正面支撑 人工或正 反铲开挖 正面有切削土体或软岩的刀盘 B类 普通闭胸式盾构或称普通挤压式盾构 半机械化盾构 正面全部胸板封闭 挤压推进 留有可调节进土孔口的面积 局部挤压推进 正面网格上覆全部或部分封板 或装调节开挖面积的闸门 挤压 局部挤压推进 C类 机械式闭胸盾构 正面封闭舱中加压 刀盘切削土体的 称局部气压盾构 正面密封舱中设泥浆或泥浆加气压平衡装置的称泥水平衡盾构 泥水加压式平衡盾构 正面密封舱中设土压或土压加泥水式平衡装置的 称土压平衡盾构或加泥式土压平衡盾构 D类 TBM盾构 在硬岩中 50MPa 使用的隧道掘进机 TBM 分敞开型和密闭型 盾构正面的切削由大刀盘加滚刀组成的复合刀盘 土压平衡式盾构机 泥土加压式盾构机 泥浆式盾构机 泥水式盾构机 多圆式盾构机 矩形盾构机 硬岩掘进机 TBM 3 掘进机的基本功能全断面掘进机在掘进工况时 必须具有掘进 出碴 导向 支护四个基本功能 并配置完成这些功能的机构 三 盾构法施工的特点及工艺流程 1 盾构施工的特点 1 地下施工 必须面对复杂的地质条件和敏感的地面环境 2 所用设备集成度高 技术含量高 3 涉及的专业领域较多 对复合型人才有较多需求 2 盾构法施工的优点 1 盾构法隧道施工不受地面自然条件的影响 在盾构支护下进行地下工程暗挖施工 不受地面交通 河道 航运 潮汐 季节 气候等条件的影响 能较经济合理地保证隧道安全施工 2 盾构法施工隧道机械化 自动化程度高 盾构的推进 出土 衬砌拼装等可实行自动化 智能化和施工远程控制信息化 掘进速度较快 施工劳动强度较低 3 地面人文自然景观受到良好的保护 周围环境不受盾构施工干扰 在松软地层中 开挖埋置深度较大的长距离 大直径隧道 具有经济 技术 安全 军事等方面的优越性 3 盾构法施工的缺点 1 需要隧道衬砌管片预制 运输 衬砌 衬砌结构防水及堵漏 施工测量 场地布置 机械安装等施工技术的配合 系统工程协调复杂 2 施工过程变化断面尺寸困难 只能前进 不能后退 当隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时 施工难度大 在饱和含水的松软地层中施工 地表沉陷风险较大 3 盾构机制造周期长 造价较昂贵 盾构的拼装 转移等较复杂 建造短于750m的隧道经济性差 4 盾构施工工艺流程大流程 盾构总体施工流程小流程 盾构掘进流程 4 1大流程 盾构总体施工流程 大流程 盾构总体施工流程始发井交付使用 盾构托架就位 盾构机下井 安装 调试 初始掘进 L 80 100m 负环拆除及其它调整 正常掘进 盾构机到达中间站 盾构机通过中间站 盾构机再次安装 调试 盾构机再次初始掘进 正常掘进 盾构机到达终点站 盾构机解体外运 隧道清理准备验收 盾构隧道施工流程图 4 2小流程 盾构掘进流程 准备工作 转动刀盘 启动次级运输系统 皮带机 启动推进千斤顶 启动首级运输系统 螺旋机 停止掘进 安装管片 回填注浆 准备下一环掘进 开挖 出土 拼装 注浆 请看动画 四 土压平衡式盾构机的构造 1 盾构体 1 1盾构的外形作为一种保护人体的空间 隧道的形状因其使用要求不同而造成盾构外形不同 无论盾构的形状如何 隧道掘进总是沿轴线方向前进 所以 盾构的外形就是指盾构的断面形状 绝大多数盾构还是采用圆形 1 2盾构的材料 盾构在地下穿越 要承受水平荷载 竖向荷载和水压力 如果地面有构筑物 还要承受这些附加荷载 盾构推进时 还要克服正面阻力 所以 盾构整体要求具有足够的强度和刚度 盾构主要用钢板成型制成 考虑到水平运输和垂直吊装的困难 大型盾构可制成分体式到现场拼装 部件的连接一般采用定位销定位 高强度螺栓连接 最后焊接成型的方法 盾构的种类繁多 所有盾构的形式 其本体从工作面开始均可分为切口环 支承 盾尾三部分 借以外壳钢板联成整体 拥有可充分承受土压 水压 盾构千斤顶推进反作用力 挖掘反作用力的强度 支承前部收纳有刀盘装置的驱动部分 通过舱墙与切口环区分开来 舱墙下方设置有螺旋输送机 上方装有人行孔 中央装有人行闸 回转节 支承外周呈圆周方向 均等配置有为推进盾构机运行的盾构千斤顶 1 3盾构本体的构造 1 4切口环 切口环部分是开挖和挡土部分 它位于盾构机的最前端 施工时最先切入土层并掩护开挖作业 切口环保持着工作面的稳定 并作为开挖下来的土砂向后方运输的通道 采用机械化开挖式盾构时 就根据开挖下来土砂的状态 确定切口环的形状 尺寸 切口环的长度主要取决于盾构正面支承 开挖的方法 对于机械化盾构切口环内按不同的需要安装各种不同的机械设备 这些设备是用于正面土体的支护及开挖 而各类机械设备是由盾构种类而定的 切口环内主要设备情况 土压平衡盾构安置有切削刀盘 搅拌器和螺旋输送机泥水盾构安置有切削刀盘 搅拌器和吸泥口在局部气压 泥水加压 土压平衡等盾构中 因切口环内压力高于隧道内常压 所以在切口环处还需要布设密封隔板及人行舱的进出闸门 1 5支承环 支承环是盾构的主体结构 是承受作用于盾构上全部荷载的骨架 它紧接于切口环 位于盾构中部 通常是一个刚性很好的圆形结构 地层压力 所有千斤顶的反作用力以及切口环入土正面阻力 衬砌拼装时的施工荷载均由支承环来承受 在支承环外沿布置有盾构千斤顶 中间布置拼装机及液压设备 动力设备 操纵控制台 当切口环压力高于常压时 在支承环内要布置人行加 减压舱 支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度 对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置 驱动装置和排土装置的空间 拥有可充分承受土压 水压 盾构千斤顶推进反作用力 挖掘反作用力的强度 支承前部收纳有刀盘装置的驱动部分 通过舱墙与切口环区分开来 舱墙下方设置有螺旋输送机 上方装有人行孔 中央装有人行闸 回转节 支承外周呈圆周方向 均等配置有为推进盾构机运行的盾构千斤顶 推进油缸用螺栓紧固在连接法兰上并在活塞杆端带有弹性轴承和顶在管片上的撑靴 它们可以分组由流量和压力控制推进和转向 1 6盾尾 盾尾钢结构钢板厚40mm 以适应预计的工作压力 与盾体的连接是一种被动式铰接设计 机加工的中盾尾部和盾尾前部为铰接提供密封面 后体与中盾的连接采用的是铰接油缸 铰接油缸行程和压力由数字显示在控制室 盾尾包括 盾尾密封 安装在盾体的最后部分 3道钢丝密封刷 采用非常先进的盾尾注脂系统和有极好密封性能的密封刷相结合 它的作用是 防止地下水 土砂 壁后注浆材料等进入管片与盾构壳体之间的缝隙 双铰接密封 由重载型橡胶密封和紧急密封 紧急膨胀 组成 为了提高密封刷的密封性能 需要在密封刷之间注入粘性油脂材料 盾构机对盾尾之间的前方一般有6处自动供给盾尾油脂 每条注脂管都连接到前油脂腔和后油脂腔 6x2注脂管 盾尾密封装置在加注密封油脂后能在0 4MPa压力下应能不漏浆液 否则就应更换 注浆管路直径50mm 整合在盾尾内 内置式 注浆管设计有特制的窗口以便于进行维修或清洗堵塞在正常的工作情况下 例如足够注脂等 不需要更换盾尾刷 如确有必要更换 选择地质条件较好的地段进行盾尾刷更换作业 更换盾尾刷 上一环拼装结束后 盾构推进 直至推进油缸完全伸出 2000mm 缩回推进油缸 安装垫木或顶铁 宽度约650mm 伸出推进油缸继续推进 至第一和第二道盾尾刷完全暴露 进行盾尾刷更换 拆除垫木或顶铁 拼装管片 恢复掘进 盾尾密封示意图 1 7盾构机的组成 盾构机主要由下列部件和系统构成 有盾构壳 推进油缸 刀盘 刀盘驱动 主轴承 人闸仓 管片安装机 螺旋输送机 皮带输送机等设备和装置 还有控制系统 液压系统 电力系统 通风系统 密封润滑系统 隧道导向系统 报警装置 以及服务于盾构工作要求的后配套设备 运输设备 注浆设备等辅助设备 2 盾构壳 盾构机的钢结构是根据土压 水压和动荷载及操作荷载的压力而设计的 盾壳由两片焊接构件组成 此焊接构件带有机械加工的密封面和中心回转轴承以及两盾体间 前盾和中盾 的连接法兰 这样 组装和拆卸工作将更加方便 盾构机集成了所有的接头和工作所需的管线 3 推进油缸 盾体的前进由推进油缸完成 每一组油缸均可独立控制压力进行操纵而不会引起管片移位或产生引起损坏的压力过载 在控制室里 司机可以看到数字显示的每组油缸行程及压力 油缸的布置避开了管片接缝 所有的油缸撑靴均为球形绞接式以避开管片裂缝或损坏 推进油缸顶在压力舱板后部 油缸缸体尾部由一个塑胶轴承支撑 这样 这些油缸就可以不受侧向力的作用从管片向压力舱板自由伸展 推进油缸为两个一组 每对油缸均有独立的撑靴 在推进时 组油缸各自独立进行压力调节 总的推进速度由一个总流量控制阀来调节 推进油缸回路设计最大推进速度为80mm 分钟 推进系统具有纠偏和爬坡功能 根据计算 最大总推力约为35 180 40000kN 主驱动器全部输出功率峰值为440kW 最高转速为2 5rpm 并有安全余量 油缸位置示意图 4刀盘 4 1刀盘设计要求 1 能够降低对刀具的磨损 2 保护刀盘的钢结构 3 能够实现高的贯入度 4 刀盘开口率为最小36 大的开口率能够大大降低刀具的磨损 5 4个幅轮设计以使每个旋转方向都有4个碴土出口 6 2个旋转方向 左 右 7 刀盘前面4条独立的泡沫注入管用于渣土改良以降低磨损 8 连接到主驱动的连接臂 厚壁管 保证刀盘良好的稳定性 9 出渣通道的几何设计必须满足开挖舱容易出渣 10 大的物料通道从刀盘外缘通到刀盘中心区域 这样便于将挖掘的物料运输到开挖舱 11 渣土开口设计限制大的石块进入 这些石块可以通过螺旋输送机运出去 4 2刀盘的材料 刀盘的结构材料为Q345B 16MnR GS52或相当于这种材料的铸钢 4 3刀盘结构 刀盘设计成盘形结构且带有很阔的进料口 4根辐臂支撑的厚壁法兰连接主驱动装置 并且作为刀盘面板的基座 刀盘在下列的开口边缘备有所需的刀具以便于将挖掘的物料运输到开挖舱 刀盘中心的径向开口边缘刀盘外圆周的开口边缘中心回转体上配有注射调节土壤介质的通道 刀盘有4个泡沫 膨润土 水通道和2个液压油通道 4 4切削刀具 切削刀具数量 软土刀具 刮刀 120把中心刀 1把铲刀 16把仿形刀 2把 刮刀 刮刀安装在碴土通道的一侧 高质量的碳质刀刃 宽度100mm 可以从刀盘后面更换刀具 刮刀示意图 铲刀 铲刀的设计保证了快速 清洁的开挖 它们可以双向进行开挖 同时保证了开挖直径的稳定不变 铲刀用可更换的螺纹固定到钢结构上 因此 可以被单独更换 铲刀示意图 仿形刀 刀盘上安装了仿形刀 安装的仿形刀通过一个行程 50mm海瑞克 120mm三菱 的油缸进行操作 仿形刀的伸缩则在主控室内按每10 事先加以设置控制 盾构具有仿形超挖功能是目前盾构中较为先进的一种 其仿形超挖方位 超挖量可根据不同的施工要求而调整 仿形刀示意图 刀具图片 4 5耐磨保护 一般采用以下耐磨保护方法 刮刀 软土齿形刀具有高耐磨的钢刀体和高质量的碳化切削边缘 刀齿的支撑有硬质堆焊层保护 铲刀 铲刀的前刀面硬质堆焊到切削边缘 同时刀具后端由碳化衬片保护 刀盘 刀盘上某些极易磨损的部分安装了特殊的耐磨保护 在外围部分增加了硬质堆焊 圆周有耐磨保护环 4 6刀具更换 所有的滚刀 刮刀和铲刀都可以在隧道内从刀盘后部更换 一般不需要中途换刀 如有必要 刀具更换作业可以在常压和带压方式下进行 如果地面具备地层加固条件或事先已经进行了地层加固处理 开挖面的稳定有保障 则可在常压下进行刀具检查和更换作业 盾构在选定地点停机后 将土仓里的土排出一部分 直至土仓内土体高度低于土舱隔板上的密封门 此时作业人员可以通过气闸打开通往土仓的密封门在不带压的情况下进入土仓 从而进行刀具检查和更换 如果没有注浆加固条件 开挖面又不是可以自稳的地层 则需要用压缩空气来维持开挖面的稳定 作业人员需在土仓内带压作业 做这项工作就由经过培训的专业人员进行 具体步骤如下 盾构推进到选定地点停机 将土仓内的土排出一部分 使仓内土体高度下降至土仓隔板上的密封门以下 在排土的同时 通过盾构机上自带的保压系统向土仓内注入压缩空气 压缩空气的压力经过设定 可以自动维持在设定值 以确保仓内的压力与在停机前的相同 从而保证开挖面稳定 与此同时 作业人员进入气闸 开始对人闸加压 逐步把人闸内的气压升到与土仓压力一致 当人闸内压力与土仓内压力一致达到平衡时 作业人员从人闸内打开土仓隔板上的密封门 进入土仓 进行刀具检查和更换 刀盘上的刀具可以方便地从刀盘后部更换 人员不需要到刀盘前方 逐步将刀具检查和更换完毕后 人员退回到人闸 关闭密封门 人员在人闸内减压 与此同时 可以恢复掘进 人员减压结束 退出人闸 注意 加压检查刀具时人员应经过相关培训和身体检查 加压和减压过程中的压力控制和调节应按相关规范进行 见动画 5 刀盘驱动 5 1概述刀盘驱动用螺栓安装在压力舱壁上 主要部件如下 齿轮箱主轴承密封支撑刀盘安装法兰环密封压紧环内外密封系统小齿轮 齿轮马达和轴承刀盘驱动是液压驱动 通过在闭式回路的功率控制变量液压泵 可实现双向无级调速 5 2齿轮箱 驱动齿轮 安装有3级液压变速马达并带有齿轮冲刷装置 变速箱齿轮的尺寸有足够的富余量以保证在给定的工地能安全的运行 驱动齿轮的两轴端都由球面滚动轴承支撑 可使承载时齿轮良好啮合 5 3主轴承 主轴承由三轴滚柱轴承支撑 带有内齿圈 轴承设计使用寿命10 000小时 该轴承具有承受径向和轴向推力的功能 5 4密封系统 内外两个密封系统可将小齿轮或轴承室与土仓分隔开 密封系统使用一个三道唇密封系统 该系统有连续的油脂进行润滑 该三道密封是重载荷加强型唇形密封 润滑脂均匀注入第一 二层密封之间的整个环形间隙 多余的润滑脂从第一道密封溢出至土仓 润滑脂除润滑第一 二 三道密封唇外 还对第一道密封唇有清洁作用 第三层密封唇是通过小齿轮的润滑油来润滑 第二 三层密封之间的空间有孔通向后部 用来做泄漏检查 5 5齿轮的润滑 驱动小齿轮的润滑由齿轮油完成 驱动齿轮轴承和啮合通过飞溅润滑和强制供油润滑 对油位 流量和温度的检查同取样程序一起进行 行星齿轮需要不间断供油 它与主轴承使用的齿轮油型号一致 同时还有监测系统以防止设备空转 变速箱底部区域的齿轮油被吸出 再通过过磁性的滤器注入到存储箱内 5 6主驱动输出 主驱动全为液压驱动 在后配套上装有电机驱动液压泵 液压驱动变速箱配备变量马达 变量泵和变量马达的联合使用可将刀盘适宜的转速控制在0 2 5rpm之间 刀盘的最大扭矩为5 213KNm 脱困扭矩 6管片安装机 6 1概述管片安装器安装在盾尾区域 用来安装衬砌管片 安装器所具有的各种动作能在施工场地条件下使管片精密地就位 它主要的运动构件的功能均可通过比例控制来实现 在管片安装模式下 为达到最理想的衬砌效果 每个 对推进油缸可以单独控制 所有方向运动可靠 功率足够 采用比例液压控制的管片安装器可以快速地达到毫米级的安装精度 管片安装器由以下构件组成 臂梁移动机架回转机架安装头管片安装器的行程允许在隧道内更换前面两排盾尾刷 6 2悬臂梁 悬臂梁用于管片安装器的纵向移动 它通过法兰与中盾H架连接 盾构与拖车之间的所有管线连接都穿过管片安装机敞开的中心部位 管片安装器悬臂梁与桥架用油缸铰接 6 3移动机架 移动机架安装在悬臂梁上 可通过两个液压缸的伸缩作纵向移动 带内齿的滚动轴承用法兰连接在移动机架上 并以此带动回转机架 回转驱动马达安装在移动机架上 回转运动通过驱动马达上的齿轮驱动 该液压马达具有制动装置 6 4回转基架 回转机架用法兰安装在滚动轴承的内圈上 其侧向安装有伸缩臂 由内部的伸缩油缸带动 伸缩油缸可以单独伸缩 6 5安装头 内部伸缩管两端固定在安装头的悬臂梁上 安装头带有机械夹持系统 安装头上可以实现如下运动 安装头的旋转与倾侧 6 6动力输入 管片安装器旋转部件装有 液压动力 阀的信号电压 动力通过组合供能系统供给 6 7技术参数 6 7 1结构安装器为中空式 并带有管片夹持系统 有6个自由度 6 7 2运动全液压驱动 速度可以比例调节纵向移动 2000mm旋转 200度伸缩 1000mm 安装头旋转 2 5度安装头倾侧 2 5度6 7 3操作力纵向移动 50kN提升力 120kN额定扭矩 0 150kNm 6 7 4移动速度旋转速度 0 1rpm纵向移动 0 8m min主油缸伸缩 0 8m min8 7 5规格 设备功率45kW 8 7 6对混凝土管片的要求 起吊螺纹管位于管片中心点 螺纹管的尺寸大于或等于M30 允许的拉力150kN 允许的径向力90kN 靠近起吊孔处用钢筋加强 以承受管片拼装或后配套系统上的管片吊车侧向位移时产生的剪力 6 8真圆保持器 盾构向前推进时管片就从盾尾脱出 管片受到自重和土压的作用会产生变形 当该变形量很大时 既成环和拼装环拼装时就会产生高低不平 给安装纵向螺栓带来困难 为了避免管片产生高低不平的现象 应有必要让管片保持真圆 该装置就是真圆保持器 真圆保持器上装有上 下可伸缩的千斤顶 上下装有圆弧形的支架 它在动力车架挑出的梁上是可以滑动的 当管片拼装成环后 就让真圆保持器移到该管片环内 支柱千斤顶使支架圆弧面密贴管片后 盾构就可进行下一环推进 盾构推进后由于它的作用 圆环不易产生变形而保持真圆状态 7 螺旋输送机 7 1物料运输概述掘进过程中产生的碴土 通过速度可调的螺旋输送机 从土仓运送到皮带输送机进料端 再由皮带输送机运送到盾构机后部的渣车 皮带输送机长度的确定取决于渣车的数量 每个渣车都可移动到皮带输送机出料口的下方 7 2螺旋输送机 螺旋输送机安装在土仓壁的连接法兰上 把碴土从盾构机土仓底部运送到皮带输送机进料端 驱动装置由球面轴承支撑能应付螺旋输送机如有磨损时并保护驱动密封系统 螺旋输送机主要部件包括 安装 连接法兰 焊接在仓壁上 前段带有耐磨保护伸缩段出料管 驱动装置 包括 离合器座 离合器 带有球面轴承的3排密封系统 带有行星齿轮的液压马达有轴式螺旋 3分之1的螺旋具有耐磨保护 卸料口的闸门 螺旋输送机外管有六个R2 螺纹接头型的物料注射孔 螺旋输送机内径和轴径决定了能通过的碴土的最大尺寸为520mmx290mm 如果孤石的尺寸超过可以通过螺旋输送机的最大粒径 可以将螺旋输送机缩回 并关闭前闸门 然后可以从开挖舱人工搬除孤石 周末停机及维护期间 螺旋输送机出料口可用滑动闸门关上 滑动闸门靠液压油缸操纵 具备在停电时自动关闭的紧急功能 7 3螺旋输送机前闸门 闸门由分别位于盾体中心左右两侧的两部分组成 两个液压油缸装在舱壁后面通过连杆控制闸门 螺旋输送机出料口可用滑动闸门关上 滑动闸门靠液压油缸操纵 具备在停电时自动关闭的紧急功能 盾构机在掘进过程中 通过关闭螺旋输送机的出料闸门 可以快速 安全地切断地下水防止其进入盾构 闸门 7 4螺旋输送机伸缩 正常工作时螺旋输送机螺旋前端伸入土仓 为了关闭土仓 螺旋输送机可以通过伸缩油缸自动缩回 伸缩行程1000mm 螺旋输送机在任何位置上都可以进行操作 即使在其伸缩过程中 此特性使得螺旋输送机被木头或大石头阻塞时可以自由进退 8 皮带输送机 皮带输送机把螺旋机卸料口的出土运送到渣车 皮带机由驱动单元和位于后配套上的出料口组成 皮带上有防跑偏装置 皮带输送机主要由以下部件组成 皮带卸料部件张紧装置在驱动装置部分装有一个机械式可调节的刮料器 皮带输送机有急停拉线装置 9 压力传感器与排水 9 1土压传感器土压传感器安装在舱壁上 可从壁后更换而无需进入前方的压力舱 9 2排水 盾体内安装了一台气动马达泵 40m h 来进行盾体内的排水工作 废水经由该泵泵入列车上的水箱内 10 后配套设备 后配套系统由盾体牵引 在架设在管片上的路轨上行走 后配套系统的外形轮廓确保了它可以在路轨上曲线前进 盾构机工作和管片安装所需的设备和装置均安装在后配套拖车上 10 1构成 后配套系统主要由以下构成 运送管片的桥架吊运系统 管片存储 5台装载盾构机工作必需的电气及液压元件的拖车所有设备都安装在拖车行进方向左右两侧 这使得拖车中间有足够的空间让运输车行走 把管片输送到安装器 10 2管片装卸 整环管片由2部特殊的管片运输车运到1号拖车前 通过1号拖车上的吊机梁 利用管片吊机的两个电动葫芦将管片逐一卸到管片输送小车上 管片吊机下方空间允许承载了三块管片的管片车自由进入管片吊机下方 两个平行工作的电动葫芦由人工通过一个操纵板操纵 技术参数 管片吊车梁20 0m 起升力2 25kN 设备功率2 2 0kW 管片储存在连接桥区域和喂片机上 喂片机安装在连接桥区域下 用于将管片运输到管片安装机区域 10 3拖车上的装置 10 3 1液压系统 1 推进千斤顶和绞接油缸压力控制的高压泵输出功率75KW 最大推进速度80mm min 最大回程速度1 600mm min 2 电机驱动泵用于刀盘驱动电机液压变量泵 输出功率630kW 2x315kW 用于管片安装机电机驱动变量泵 输出功率45kW 3 螺旋输送机电机驱动泵驱动电机液压变量泵 输出功率200kW 4 滤油器过滤系统直接装在液压油箱下面 螺旋泵把油连续泵到过滤 冷却系统 再回到油箱 连续过滤能够确保液压系统保持清洁和机器的正常工作 10 3 3刀盘主驱动油脂泵一个气动油脂泵安装在后配套系统中 此泵连接到多管路油脂泵 给主驱动 螺旋驱动和回转单元提供油脂 10 3 4冷却回路盾构机具有一个封闭的回路用以冷却设备上的电气及液压元件 10 3 5通风系统新鲜的空气是由一条空气管来输送 抽风管从拖车1一直延伸到整个后配套系统 它将盾体及液压系统中的废气撤出 此管路中含有消音通风机 次级通风设备 通风机及管路保证了隧道中有持续的新鲜空气提供 10 3 6盾尾密封油脂泵一个气动油脂泵安装在后配套系统中 11 电力系统 1 供应电力变压器用变压器将高压电降到400V 变压器为完全密封 户外型 自带风机用于盾构机上 类型 功率1 250KVA初级电压10KV 10 次级电压0 4KV频率50HZ防护等级IP55监控 温度监控 触点断开报警 触点断开停止制造标准 DINVDE0532 IEC60076o 2 配电柜配电柜位于后配套钢架上 防护等级为IP55 配电柜相应地分成由总线相连的独立部分 在配电柜面板装有电压表和电流表 以及独立的回路过载保护和短路保护器件 3 电容补偿装置机器上安装了适当的功率补偿设备以保证载荷于0 9功率补偿器是自动的 功率因数在主配电盘上显示 4 控制室控制台控制室控制台需用IP48防护等级 本控制台包括所有的远程控制系统 盾构机安全操作及其环境的显示器 显示屏显示盾构机及其系统的所有参数 盾构机的所有动作均由操作按钮来实现 5 现场控制面板现场控制面板是用于调整机器上如安装器 管片起重和管片输送小车等移动部分的控制装置 所有控制面板都适当的装有急停和钥匙开关 用以维修时现场隔离保护 6 控制系统控制系统用以控制盾构机的主要功能 安装在带有远程接口的操作台上 此PLC系统接入位于操作台中的工业计算机 所有的软件都可完全防止未经授权的登录 所有系统都有失效保护 包括在错误情况下的错误操作引起的电路自锁及断路保护 所有的主要设备均设置有预先报警系统及远程的控制功能 关键部件的硬件安全措施是与总控系统 PLC 分设的 7 电缆所有可能的地方的电缆都用橡胶包裹 HAR 电缆悬挂系统足以使电缆可以永久的就位 很好的加以保护以防止外部损坏 及需要时可以方便的接线或维护 无论何时主电力电缆运转都应与控制电缆分离以防电力干涉 8 高压电缆托盘尺寸3 TBA 接地容量200m 9 控制电缆 动力电缆型号Neoflex H07RNF 10 电机电机为防护等级IP55 电机均采用完全密封 扇叶冷却 对大于200kW的电机在电机的绕组上安装了热敏元件 热敏元件控制电控柜中装置实现自动跳闸的报警 在小型的自动断路器中装有常规的过载保护装置 为了避免大的启动电流 所有的电机启动方式均特别加以选择 大于30kW的电机使用星 三角启动方式 11 接地盾构机安全接地系统用一适当的接地线将所有拖车连结在一起 使得盾构机成为一个等势区域 在此区域中所有暴露的导电零件和外部金属件维持相同的电位 无论何时主电力电缆运转都应与控制电缆分离以防电力干涉 12 电压电力系统操作时应不超过以下最高电压 隧道供电10kV3相50HZ动力400V3相50HZ控制230V单相50HZ 50V 移动设备 照明230V单相50HZ 13 插座分布于整个盾体和后配套设备 14 照明 15 安全装置警报灯 警报喇叭灭火发觉系统 16 通讯和闭路电视系统 12辅助设备 12 1注浆设备自启动全液压双油缸活塞泵 带有压控制碟式提动阀 适用于输送固体含量高的高密度物质 它有连续高精度定量给料流速 12 2清洗方法在每次注浆循环的结束 膨润土将被注入来清洗注浆管 这样来维保并能够阻止注浆管发生堵塞 在盾尾内表面上有维保口 通过它们可以检查注浆管内是否有堵塞情况 如果注浆管内发生了堵塞情况 将使用高压水对注浆管进行冲洗来去除堵塞 12 2泡沫发生系统 泡沫是一种调节介质 适合于靠土压支持的盾构在掘进过程中泥土粘性非常高的意外情况 经泡沫调节后的土壤有以下特点和好处 使支持压力传递到隧道开挖面流动性好渗水性能低良好的弹性降低对盾构机的附着性减少对盾构机的磨损减少驱动功率 12 2 1泡沫发生系统组成 1个水泵133ltr min1个泡沫泵300ltr h混合液控制装置压缩空气控制装置4个泡沫发生器测量装置及其控制用水冲洗时的切换装置 12 2膨润土系统 膨润土现场混合并运送到盾构机后配套 由潜水泵送到膨润土罐体中 通过1个注射泵 膨润土通过方向阀被泵到土仓 螺旋机和刀盘前端的注射点 12 3数据采集系统 数据采集的任务可以概括如下 采集 处理 存储 显示和评估与掘进机联网所获得的数据 1 数据处理机器的操作状态在该系统中被转换为数字数据的收集 信息如下 及时数据 在掘进过程由传感器取得的数据状态数据 表示机器操作状态的数据 多数情况下 这些数据由及时数据产生平均数值 按管片环做出更改的数值 最小值 最大值 初始值和最终值错误信息 PLC系统中的错误单位 它可能已经被执行 或被停止执行 或正在新掘进循环中执行 2 操作数据的显示数据采集系统是独立工作的 在没有操作人员的情况下也是如此 因此需要一个图像用户环境来显示测量到的重要数据 这样就可以把最重要的盾构操作信息显示给潜在用户 3 测量数据的评估测量的数据评估可以通过两种不同的方法进行 通过自动打印出来的掘进报告 只要打印机与计算机相连 通过显示的测量数据的人工图像显示 12 4测量数据显示测量的数据将以图形方式显示在控制室内的显示器上 机器的类型将单个显示器细分到具体的功能小组 通过功能键到 简单的菜单 鼠标和键盘 用户可以选择单个的显示区域 测量的数据以数字方式显示 相关过程也将显示出来 12 5隧道导向系统系统可以提供盾构机高精度地沿着设计路线掘进所需的必要信息 为了进行文件处理 测量到的盾构机姿态和管片数据可以在任何时候保存 显示或打印出来 明显地 可以提供当前隧道的推进记录 隧道推进和管片安装的过程的图形可以打印出来 12 6双室人闸仓双室人闸仓与盾体上的连接法兰相连 这些人闸仓的形状与尺寸取决于盾构机安装条件 双室人闸仓的中间被一个供人进出的压力门隔开此门的直径为600mm 右边的人仓用作进出土仓的正常通道 左边的人仓可用于材料闸或在紧急情况下使用 人闸能同时容纳3 2个人及一副1 8米长的担架 空气闸可以进入刀盘检查或更换刀具而不用使用昂贵的灌浆方法 12 7压缩空气设备 压缩空气调节装在盾体上的压缩空气系统用于调节开挖面的支撑压力和调节人闸仓的空气压力 系统包括 空气压缩机装在后配套上 压力调节器 压力传感器 控制阀 工地供给设备工地提供气闸操作所需的压缩空气 紧急氧气设备 包括冷却器的柴油空压机和空气过滤设备 13备选设备 13 1软 硬岩钻机系统13 2渣土泵渣土泵设备也可作为防喷涌安全措施备选设备 可在泥土改良工作 螺旋输送机出料口调节工作等仍不能完全有效控制喷涌时采用 在预期的高工作压力和存在压力水时 尤其是处在江河之下或埋深较深时 为了将开挖出来的土渣运送到渣车 用螺旋输送机出土可能会使压力操作很困难 该系统的主要要求是土渣 通过注入泡沫 膨润土等材料处理后 可以被泵送 如果遇到大量地下水浸入的情况 该系统可以很容易把土渣运到渣车内 13 3临时连接管线 100m 提供必须的临时始发接线 约100米 作为备选 包括如下 液压胶管 低压电缆等 13 4气体检测装置气闸系统内可以安装多种有害气体 CH4 CO H2S 和氧气的检测装置 气体警报装置安装在后配套系统上的一个箱体内 所有传感器都用电缆连接在该装置内 警报信息通过喇叭上的无势点接触和闪烁灯发出 13 5双液注浆如果需要双液注浆 可选用两个1 5m3 h离心式螺杆泵来注入液体 五 盾构机工作原理 1 盾构机的选型 一般来说 用盾构法施工的地层都是复杂多变的 因此 对于复杂的地层要选定较为经济的盾构是当前的一个难题 实际上 在选定盾构时 不仅要考虑到地质情况 还要考虑到盾构的外径 隧道的长度 工程的施工程序 劳动力情况等 而且还要综合研究工程施工环境 基地面积 施工引起对环境的影响程度等 选择盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征 同时 还要逐个研究以下几个项目 开挖面有无障碍物 气压施工时开挖面能否自立稳定 气压施工并用其他辅助施工法后开挖面能否稳定 挤压推进 切削土加压推进中 开挖面能否自立稳定 开挖面在加入水压 泥压 泥水压作用下 能否自立稳定 经济性 2 盾构机的选型依据 盾构掘进机选型依据按其重要性排列如下 土质条件 岩性 抗压 抗拉 粒径 成层等各参数开挖面稳定 自立性能 隧道埋深 地下水位设计隧道的断面环境条件 沿线场地 附近管线和建筑物及其结构特性 衬砌类型工期造价宜用的辅助工法设计路线 线性 坡度电气等其他设备条件 地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素 根据欧美和日本的施工经验 当地层的透水系数小于10 7m s时 可以选用土压平衡盾构 当地层的渗水系数在10 7m s和10 4m s之间时 既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构 当地层的透水系数大于10 4m s时 宜选用泥水盾构 土压平衡式盾构 土压平衡式盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土 粘土 砂质粉土 砂质粘土 夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质 但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质 不宜选用 泥水加压式盾构 泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾 砂 粉砂 粘土层 弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层 洪积形成的砂砾 砂 粉砂 粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层 是一种适用于多种土质条件的盾构型式 但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基 砾石地基 有时也要考虑采用辅助施工方法 盾构掘进机选