石方工程机械—盾构机

1、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

2、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

3、、 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。

4、 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

5、，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

6、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】二、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

7、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

8、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 8cm min。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 6 25m。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

9、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

10、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 6 28m，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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、 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 5mm?m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

19、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10 30mm。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

20、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 3040mm?m in之间, 刀盘转速控制在 1. 5r?m 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

21、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 2?3 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