小松盾构机设计说明

1、TM634PMX 土压平衡盾构机CONTRACT FOR THE SUPPLY OFEPB SHIELD MACHINE(MODEL:TM634PMX)技术规格书制造商：日本国株式会社小松制作所 KOMATSU LTD.目 录1. 盾构机设计与功能描述21.1. 本机的设计特点21.2 盾构机功能31.2.1盾体41.2.2 切削刀盘51.2.3 刀具类型和刀具的配置说明81.2.4 切削刀盘驱动装置131.2.5 推进装置181.2.6 螺旋输送机及保压泵碴系统191.2.7 皮带输送机221.2.8 管片运输机构及管片拼装机221.2.9 铰接装置241.2.10 仿行刀装置261.2.1

2、1 盾尾密封271.2.12 盾尾油脂注入系统271.2.13 同步注浆系统281.2.14 添加剂、聚合物、泡沫注入系统301.2.15 双仓人行闸土仓自动压力调整装置331.2.16 超前探测、注入管351.2.17 悬臂操作台351.2.18 后续台车351.2.19 液压设备361.2.20 电气设备371.2.21 数据采集存储和传输系统381.2.22 测量设备（ROBOTEC） 421.2.23 故障自诊断报警联锁系统46 2 盾构机主要参数表472.1 主要参数472.2 盾构机主要液压部件和保压泵碴装置、人闸性能参数502.3 后配套台车上安装的设备明细表531. 盾构机设计

3、与功能描述通过对本工程地质的详细分析、盾构机的要求以及结合我公司以往的施工经验，本标段将采用铰接式土压平衡盾构机，本盾构机具有以下这些特点，能最大限度地满足本工程的要求。1.1本机的设计特点u 盾构机为能满足从砂层到软土层的土压式平衡盾构。在土仓内上下左右配置了4个具有高灵敏度的压力传感器，通过自动土压系统中的PLC能将土仓内的土压传送到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，调节螺旋机的转速，土压过高过低都会在操作台上报警，因此操作人员能很好地控制土压平衡，减少地面沉降。u 刀盘结构为辐条加面板型,便于刀具的布置及受力，结构坚固、强度高、刚性大、耐磨程度高，刀盘开口率40。

4、 u 刀盘的设计及刀具的配置选择及布局合理，具有足够的寿命。u 盾构机采用8台55kW变频电动机驱动，具有较大的扭矩和多档转速，可适应不同地层的掘进需要。u 具有良好可靠的加泥、泡沫注入系统，用于开挖面、土仓及螺旋机中土体的改善。设有自动控制的膨润土及添加剂注入设备和管路，刀盘上有5个注入口能对开挖面的土体进行充分的改善，并且在土仓胸板处、人行闸处及螺旋输送机上也设置若干个膨润土及添加剂的注入口，从而达到改善碴土性质。u 推进油缸和铰接油缸布置具备良好的纠偏性能，保证能在不均匀地层中的轴线控制。u 螺旋输送机采用有轴带式，后部尾部处排土，具有二道闸门，且螺旋输送机前端叶片及前筒体堆有耐磨材料，

5、抗磨性能优越。u 具有超前钻探加固的能力，容易在地质复杂区段对前方地层进行超前钻探，甚至注浆加固。u 具有良好可靠的同步注浆注入系统，能及时充填管片与地层的间隙，减小沉降。同步注浆注入系统即可以采用单液浆，也可以采用双液浆。u 管片拼装机通过辅助措施可以在盾尾密封刷位置进行管片安装，便于在隧道内实现盾尾密封刷的更换u 具有双仓式气压人行闸设计，设置土仓自动调压装置，保证更换刀具的便利及人员的安全，以适应土层中的换刀及处理障碍物要求。u 盾构机主机的密封装置（刀盘驱动密封及盾尾密封等）在较高水土压力状态下具有良好的密封功能。u 电气和液压元件质量可靠、响应迅捷，防水性能好，适应隧道内的高温、高湿

6、工作环境。u 具有应对紧急突发事件的能力，如紧急停电时螺旋机出土闸门可以通过操作台边上的开关关闭，并且在主机内及操作室内的操作台上各有1个紧急停止开关。u 控制系统的自动化程度高且具有连锁功能，减少了劳动强度和错误操作的发生。u 盾构机具有故障自诊断及故障内容显示功能，方便维修人员的检修。u 具备高精度的盾构机导向测量系统。配备有由美国Trimble 公司生产的5603光波自动全站仪，导向精度高，能实时反映盾构机的当前位置和理论位置，并提供调整指示。1.2. 盾构功能盾构机设备总重量约为330t，总长度为58.405m。分盾构机主机和后配套设备两大部分，后配套设备分别安装在5节后续台车上。盾构

7、机前部是旋转切削刀盘，工作时，在推进油缸的作用下可以对开挖面双向（顺时针，逆时针）切削，在土层中通过安装在切削刀盘上的切削刀、刮刀、先行刀等刀具将开挖面上的土体切削下来送入土仓，然后与注入土仓中的添加材料搅拌后以塑流性土体的形式通过螺旋输送机排出。主机由前壳体和后壳体构成铰接盾构，是用钢板焊接而成的园型筒体，在内部焊有筋板、环板等一些加强板，具有耐土压、水压的强度。盾构机壳体和盾尾壳体是由管片的外形尺寸、盾构机壳体在施工时所受的载荷以及对应于隧道最小曲率半径而决定的，本机盾尾间隙为30mm。前后壳体由铰接油缸联接，上下左右可弯曲，在铰接部分设有防水密封（铰接密封）。在切口环部分装有切削刀盘驱动

8、装置，在土仓壁下部装有螺旋输送机、中部装有人行闸。在支撑环部分的内周安装有推进油缸22只、铰接油缸16只、管片拼装机。在盾尾部分安装有悬臂操作台、盾尾密封等。在盾构机内还设有检查维修时用的台面、液压、电气仪器、计量仪器、注入管等附属装置。在车架上安装有完成盾构机各种动作的动力、液压、电气、控制、测量设备、管路等。1.2.1盾体盾体是用钢板焊接而成的园型筒体，在内部焊有筋板、环板等一些加强板，具有足够的耐土压、水压的强度和刚度，抵挡周围土体压力。盾体由前体、中体和盾尾三大部分组成，盾构机前体前部安装有刀盘，盾构机本体内安装有刀盘驱动装置、推进油缸、铰接装置、螺旋输送机、拼装机、气压人行闸、工作平

9、台、电气系统、液压、同步注浆、加泥及添加剂管路等装置。并可保护在盾构机内工作的人员和设备的安全。1）、 前体前体分隔为开挖区和土仓区，刀盘前面为开挖区，用于对开挖面土层的掘削，前体的土仓仓壁板和刀盘之间构成一个土仓区，用于堆积刀盘切削下来的碴土，通过推进油缸及螺旋机对这些碴土进行加压，使加压后的碴土土压作用于开挖面上，维持开挖面上未开挖土体的稳定。同时土仓区还起到在更换刀具或检查开挖面时保护进仓作业人员安全的作用。前体的仓壁上下左右安装有4个土压传感器，能及时反映土仓内的压力状况，使操作手在掘进过程中能够根据事先设定好的土压力很好的控制地面沉降和隆起。在前体仓壁的不同高度位置上设置了许多注入口

10、，可用于注入各种添加材料、压缩空气和水。在前体外周设置了10个固定注入口，胸板上设置了8个可摆动的注入口，可以对前方的土体进行超前钻探和加固。仓壁的中心位置设有气压人行闸，为进仓检查、换刀和维修提供方便。为了更好地适应软弱地质情况，防止地面的沉降，前体直径与盾尾直径相同为6340mm。螺旋输送机取土口设在仓壁的下方，是碴土排出口。2）、 中体中体的内部焊接有加强环和H型架，保证其具有很高的强度和刚度。为推进油缸、铰接装置和管片拼装机提供安装基础推进油缸安装在中体上，在转弯时推进油缸与管片的轴心线不会受前体弯曲的影响继续保持平行，管片的受力状况好。3）、 盾尾在盾尾壳体上设置同步注浆管和盾尾油脂

11、注入管，并设置3道盾尾密封刷将盾构部与外部围岩可靠分隔。在盾尾设置了4处8根同步注浆管（4根A液，4根B液浆管），盾尾间隙30mm，拼装管片处。见图1.2.11。盾尾焊接3排盾尾密封刷，形成了2个空腔，通过6处12根盾尾油脂管注入盾尾密封材料，能有效地防止地下水和同步注浆材料进入隧道内，保持注浆压力的稳定，防止地面沉降。当盾尾壳体上的注浆管路堵塞时，可以将长方型开孔处的盖板拆下，而后将注浆管的连接接头拆下，对管路进行疏通。图1.2.11 盾尾同步注浆管路和盾尾密封刷布置示意图1.2.2切削刀盘 根据天津地区的地质情况，刀盘结构设计充分考虑淤泥层、砂层等软土地质的掘进要求：u 具有足够的刚度和强

12、度用于支撑开挖面和承受掘进中的推力及扭矩。u 尽可能保证盘面上有足够的刀具数量、种类和合适的安装位置，有效开挖，并且保证足够的寿命。u 合适的刀盘开口率（40）以保证碴土进入土仓的顺畅性。u 刀盘配置较多的先行刀，提高主切削刀及刀盘的耐磨性。u 刀盘上合理配置5个添加剂注入口，保证添加剂均匀的注入到开挖面。1）、刀盘主体为面板式，钢板焊接结构刀盘为辐条面板型（6根辐条加封板），中间支持方式，在各辐条及面板上设置了切削刀具及先行刀，可以顺时针或逆时针回转对开挖面进行掘削的构造。对本工程中的粘土、砂层等土质都能很好地适应。辐条数与盾构机直径成比例增加，一般说，辐条之间的刀盘外周长多设定在2.54.

13、5m左右。如果辐条宽度过大，刀盘前开挖面掘削下的废弃土就增加，可能会产生过压密，面板和刀具的磨损也要增加。并且，考虑到如果在粘性土层中施工，可能会产生粘性土粘附在刀盘及缝隙上从而引起堵塞，因此，辐条设计为6条。设定开口幅度550mm，开口率40%。刀盘主体结构由辐条、面板、侧板、筋板、外缘板、后盖板、耐磨合金条和支撑梁焊接而成，整体性强。为了防止中央部位的堵塞，在有限中央部位尽可能增加开口。见图1.2.2-1图1.2.2-1刀盘结构图刀盘前面5个添加剂注入口设有橡胶逆流防止阀（单向阀）（见图1.2.22），以防止管路被泥砂堵塞，在人行闸内的中心旋转接头后部留有液压快速接头，其构造能承受高压油，

14、如果注入口被堵塞时，可接上油压管路，通过所设置的一套液压疏通装置，用油泵向刀盘加泥系统管路加注最大为14MPa左右的液压油进行疏通，工程效果很好。 图1.2.22中间及周边处注入阀详细结构2）、刀盘对开挖面的支护性能土压平衡盾构机其原理主要是依靠土仓中的受压碴土与开挖面水土压力保持平衡，但刀盘面也可以起到一定的平衡开挖面稳定的作用，因此，刀盘60的面积可用于支撑开挖面的稳定。但当开挖面失稳时刀盘支撑面积只是起到迟缓坍塌的作用，并不能真正支撑开挖面的稳定，所以在整个施工过程中必须要在土仓中建立稳定的土压以平衡开挖面的水土压。3）、改善砂层的塑流性、止水性的结构及措施为了改善砂层掘进中碴土的塑流性

15、、止水性差，采用以下结构及措施：（1）、配置自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，改善碴土的流动性。详见1.2.14、添加剂、聚合物、泡沫注入系统。 （2）、在刀盘盘面和土仓壁处设置了共计9个注入口，其中刀盘5个、土仓壁4个添加剂注入孔，可充分全面地向开挖面和土仓注入泡沫及其他添加剂。（3）、为了防止砂层流塑性、止水性差的现象发生，刀盘开口的设计使碴土进入土仓的通道流畅；土仓空间较大，中心障碍物少，表面平滑，可有效增加添加剂与碴土的混合效率。（4）、刀盘上设有搅拌棒，外周5个、内周2个，可以随着刀盘一起转动，辅以仓壁上2个的固定搅拌棒可起到搅拌碴土的功能，对

16、土仓中的废弃土体进行强制搅拌，使注入在开挖面上或土仓中的添加材料（加泥、水、气泡）与切削下来的土体在土仓中进行充分的搅拌，提高土体的塑性流动性，使在园滑土仓中的废弃土体具有良好的流动性和止水性。4）、刀盘的抗磨损性能刀盘设计充分考虑了地层对刀盘具有较大的磨损性，因此，在刀盘上配置了先行刀、在刀盘外周磨损距离较多的部位堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，如刀盘面板外周、搅拌棒、刀盘边缘板和滚刀刀座等处；安装有刀盘外周保护刀具，大大提高了刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。1.2.3刀具类型和刀具的配置说明1）、刀具类型：切削刀、刮刀、先行刀在刀盘上配置了用于软土层切削的刀具包括正面切削刀、周边刮刀、中心

17、切削刀、先行刀，见图1.2.31、图1.2.32、图1.2.33、图1.2.34，可以切削各类软土。 图1.2.31 正面切削刀 图1.2.32 周边刮刀 图1.2.3-3 中心切削刀图1.2.3-4 先行刀刀具超硬刀片材质采用类似与JISM3916（日本标准）规定的矿山工具用超硬刀片材质。2）、刀具布置及其作用在刀盘上配置了安装了66把先行刀及12把周边先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切削刀（80mm高）高30mm，切削时，先对开挖面进行切削，以减轻对主切削刀及面板的磨损。主切削刀配置78把，周边刮刀12把，刀具的布置一般是将刀盘分成内、中、外3部分，其主切削刀配置见下图1.2.35，

18、内部1条掘削轨迹上配置1把切削刀，中间部1条掘削轨迹上配置2把切削刀及外周部1条掘削轨迹配置3把切削刀；66把先行刀配置见下图2，内部1条掘削轨迹上配置1把先行刀、中间部1条掘削轨迹上配置1.5把先行刀外周部1条掘削轨迹配置2把先行刀，最外周1条掘削轨迹配置3把先行刀，另外在最外周配置了12把周边先行刀，通过这样的配置可以大大减轻刀具及面板的磨损，并且能有效的保证开挖直径。见图1.3.25、1.3.26。根据小松公司的实绩，1条轨迹配置n把切削刀的场合，与1条轨迹配置1把切削刀相比，摩擦系数K为n-0.333倍。例如，n=3的场合，摩擦系数K= n-0.333=0.69倍，刀具寿命为1/0.6

19、9=1.45倍。1.2.35主切削刀的配置1.2.36 先行刀的配置3）、主切削刀、刮刀的更换切削刀、刮刀的安装采用辐条二侧螺栓连接设计，方便作业人员在刀盘背后（土仓内）进行刀具的拆装工作，无需暴露在没有支撑的开挖面上，充分保证换刀人员的安全。与在刀盘正面安装的形式相比，背装式的设计也为刀具的更换提供了较大的作业空间，使刀具的更换速度得以明显的提高。从土仓内向刀盘方向看，刀具的安装形式见图1.2.3-7。图1.2.37切削刀、刮刀安装形式刀具更换必须是在开挖面能自立的条件下进行，如果换刀所处的地层无法自立，就需要对土体进行加固，使换刀处土体能自立。刀具的更换时间可参考切削刀盘累计转数表的显示值

20、，求出掘削距离，以及通过掘进过程中推力、扭矩增大，推进速度极低，开挖声音异常等现象来判定，但，由于地层的复杂性，很难准确地从上述原因中判定刀具的磨损状况。1.2.4切削刀盘驱动装置 1）、刀盘驱动形式采用变频电机驱动方式驱动装置由固定部分、回转部分、三排园柱滚子轴承和密封部分、变频减速电动机等构成，固定部分用螺栓栓接在盾构机切口环壳体上。刀盘驱动装置是由 字型断面的钢板焊接构造而组成，在内部安装高精度、大负荷的三排园柱滚子轴承和二种型式的密封圈。由8台55kW变频减速电机和小齿轮构成，通过三排园柱滚子轴承内齿，带动三排园柱滚子轴承从而驱动切削刀盘。刀盘可顺时针及逆时针回转。三排园柱滚子轴承受切

21、削刀盘的轴向力、径向负荷和力矩，且支撑、驱动切削刀盘的旋转。驱动装置构造如图1.2.41所示。刀盘采用变频电动机驱动具有良好的对应地质的转速与扭矩输出曲线，刀盘转速在0.30.8rpm时具有恒扭矩输出，0.81.3rpm时具有恒功率输出，额定扭矩（100%）时为5151kN-m 525tf-m（=20.2），扭矩在120%时，为6181kN-m630tf-m（=24.2）（见图1.2.42 刀盘扭矩与转速输出图）。因此，能满足各种地质条件对扭矩和转速的要求。图1.2.41 刀盘驱动装置构造图1.2.42 刀盘扭矩与转速输出图变频驱动具有一般液压驱动及电动机变极驱动所不能比的优点，见表1.2.4

22、1刀盘3种驱动方式比较。刀盘驱动装置是盾构机的最关键部件，特别是刀盘密封、大轴承的可靠性、安全性、寿命是至关重要的。小松公司积近40年制造2000多台各类盾构机的经验，完全能设计制造出满足本工程需要的盾构机。为了防止土砂、水进入驱动装置内，在旋转部与固定部中间设置3道密封装置，机械式迷宫密封、一道唇型密封（四唇型）、三道MY型密封组成，规格见表1.2.41、密封圈形式见图1.2.43、图1.2.44所示。根据小松公司的工程实绩，对应本工程，密封具有足够的寿命。由于密封采用丁晴橡胶和聚胺脂橡胶，为了防止在高温下（70以上）发生物理变形，内外密封处各设置了1个温度传感器，当温度超过规定值时就报警甚

23、至停机。表1.2.41 密封规格项目规格形式MY型 唇型（4唇口）材质丁晴橡胶聚胺脂橡胶数量内周（刀盘与胸板）3道1道外周（刀盘与壳体）3道1道耐压力1MPa 图1.2.43唇型密封 图1.2.44 MY型密封刀盘驱动部(包括密封、大轴承、小齿轮、减速机变频电动机组)作为一个整体组装调试后再用螺栓固接在盾构机壳体上，这样更能保证刀盘密封与传动的可靠性与安全性，并且转场、拆卸、安装方便。见图1.2.45。图1.2.45刀盘驱动装置密封部的磨损主要是密封配合面钢板上的磨损，根据小松公司的实验结果，在密封圈直径2000mm、水压1.08Mpa、转速5rpm，MY型密封配合面的磨损，在运走距离500k

24、m时，其磨损在0.02 mm（包括壳体）以下，温升在70以下。根据这些资料及小松公司的工程实绩，对应本工程，密封具有足够的寿命。2）、驱动轴承润滑、密封集中润滑装置（1）三排园柱滚子轴承采用油浴强制润滑，将油池中的润滑油用泵输出，通过滤清器把清洁的润滑油润滑轴承和齿轮。主轴承油润滑系统安装在盾体内部，齿轮油室设置在驱动系统内部，系统包括油泵、过滤器、压力表等设备，起到循环润滑主轴承内齿轮和小齿轮啮合的作用，同时能对齿轮油进行过滤，保证油液的清洁度，减少设备磨损。（2）密封部分采用集中自动间断供脂式，用泵经过分配阀间断地向刀盘驱动密封（唇型密封及MY型密封）之间、螺旋输送机驱动部密封处、中心回转

25、接头密封部分充填具有一定压力的油脂，可通过定时器调节供给量。并且，在给油脂回路中设置了当发生异常高压的场合，在报警的同时刀盘旋转立即停止的联锁系统。3）、驱动方式比较因为大口径盾构机内空间较大，驱动马达空间设置限制少。为了提高效率，减低起动扭矩，简化后方设备，改善隧道内环境等，切削刀盘采用变频电机驱动方式，低噪音、无高温、对施工环境的影响极少。驱动电机的变频控制可使刀盘变速运转，随施工状况和土质的软硬进行调整，所以能广泛对应各种土质。表1.2.42刀盘3种驱动方式比较 No项目变频方式离合器方式液压方式备 注1驱动部尺寸中大小如以外形尺寸为1，则1.52，22.5。2后续设备少少大需要液压泵、

26、大油箱、冷却装置等，所以后续设备大。3效率 (%)0.950.90.65由于，采用电机驱动，故效率高。4起动电流小小小利用变频起动电流小，因为切断离合器起动，电流小，由于无负荷起动电流小。5起动力矩中中小起动力矩可以达到额定力矩的120%，约低20%。6起动冲击小大小利用变频，控制液压泵排量，可以低转速、缓慢起动。由于离合器离、合，所以冲击大。7转速控制、微调好差好利用变频，控制液压泵排量，可以控制转速、微调。由于采用离合器，所以一般只要二种速度。8噪音小小大由于液压系统，所以噪音大9隧道内温度小小大由于液压系统，功率损耗大，所以温度大。10维护保养好好差、几乎不要，液压系统维护保养复杂，要求

27、高。11综合评价变频方式：在产业界普遍采用，其安全性、效率、可靠性都好。离合器方式：其安全性、效率、可靠性好。但适应土质变化的可靠性差，并且起动、反转，速度控制差。液压方式：其安全性、效率、可靠性差。12方式组成变频方式： 变频电机+减速机+驱动刀盘；离合器方式：电机+离合器（磁粉）+减速机+驱动刀盘；液压方式： 液压马达+减速机+驱动刀盘。由上表可以看出采用变频电动机驱动，传动效率高、噪音小、发热量小和占用较少的设备空间，并且在环境恶劣（如TBM硬岩掘进机）、刀盘启动停止较为频繁和在较硬的岩土中掘进时刀盘承受较大冲击力等状况下，变频电动机驱动完全能满足要求。所以选用变频电动机驱动是较为合理的

28、，且变频电动机驱动具有转速连续可调的功能，便于操作人员控制。变频器及变频电动机是小松公司与日本东芝公司专门为盾构机使用制造的，具有启动时电机频率很低（解决了启动时电流大的问题），起动力矩可达120%（最高可达150），并且能保持各驱动电机同步等特点。1.2.5、推进装置推进系统配备了大排量、高压力的变量泵，采用一台45kW的电机驱动。共有22个推进油缸，无负载时可达到6cm/min的最大伸出速度；在工作压力32.4MPa时，可产生总推力3850t，开挖面122t/m2的推进力。 盾构机推进千斤顶采用22只行程为2150 mm的油缸。安装在中胴上，布置在盾构机壳体四周，被编为4个组，分上、下、左

29、、右可分别进行独立控制的4个液压区，见图1.2.51推进油缸撑靴与管片之间距离900mm，布置及行程充分考虑了管片的构造及拼装管片的方便。图1.2.51 推进油缸分区示意图推进千斤顶可按照需要单独分别选择。在上、下、左、右每个区域中各有一只油缸安装测量油缸伸出长度的行程传感器， 且四个区域各有一只正比例控制的减压阀通过操作台上的触摸屏来调节每个区域中油缸的推进压力，形成基本导向装置系统。所配置的千斤顶长度传感器可靠，并能在操作室内的操作触摸屏上准确、直观地显示盾构机千斤顶伸缩的数值，见图1.2.52。图1.2.52推进油缸选择画面（参考图）推进油缸撑靴与推进油缸活塞头部是用可任意方向转动的球铰

30、联接，能够充分对应管片与盾构机的倾斜，保证撑靴平面与管片密贴。为了能使推进油缸的推力均匀地传递给管片，推进油缸撑靴面积要适当大些。撑靴表面有一聚安脂胶垫，千斤顶撑靴在与管片接触时能保证推力缓和均匀地作用在管片上，确保管片衬砌环面的完整。1.2.6、螺旋输送机及保压泵碴系统1）螺旋输送机螺旋输送机形状一般有轴式和带式。在本工程中，考虑到在砂层中施工，所以采用对止水性更为有利的有轴螺旋机，出土口在螺旋机尾部设置了二道闸门。螺旋输送机由1台液压马达驱动，2台功率为45kW的变量泵供油，易于变速，耐冲击。螺旋机的最大输出扭矩为38.9kNm，理论出土能力为191m3/h。螺旋机的输出扭矩根据日本及小松

31、公司的工程实绩，粘性土及砂性土中的扭矩系数=100200。盾构机回转扭矩为： T =×D3 =（100200）×0.653 = 27.554.9kN-m根据上述计算及小松公司的经验，螺旋输送机配置扭矩： T = 38.9 kM-m (=141)排土能力：一般来说，螺旋输送机通常所配置的排土能力是所需排土量的1.21.3倍即可。Q（m3/h）=×/4×D2×V×60×10-2其中：土砂松散率（=1.3） D：盾构机外径（=6.34m） V：掘进速度（=6cm/min）则：Q=1.3×/4×6.342

32、5;6×60×10-2=147.7 m3/h Q =(1.21.3)×Q= 1.3×Q= 192m3/h螺旋输送机配置的排土能力为191 m3/h，因此能满足盾构机在最大掘进速度6cm/min时的排土要求。螺旋机的作用是出碴和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，并将碴土输送到输送机的尾部，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，在推进速度一定时，通过调节出土闸门的开启度和螺旋机转速的变化来实现对土仓内土压力的调节。螺旋机转速的控制有自动和手动操作二种。自动操作时，刀盘土仓中测出的土压与预先设定的掘进速度及土压进行比较，自动地调整螺

33、旋输送机转速（排土量），将密封土仓中的土压保持在一定的管理值内，以最合适的土压进行掘进管理。保证隧道开挖面的稳定性和安全性。手动操作时，用在操作台上的电位器控制螺旋输送机转速（排土量）。无论自动或手动控制时，当土仓中的土压力高于或低于预先设定的土压力时，在操作室中的操作触摸屏上都能报警显示。螺旋输送机的外壳采用分段设计，最前端焊接在盾构机前体下部，筒体外径为711.2mm，叶片的螺距为600mm，叶片直径650mm。螺旋机排土口有2道由液压缸控制的出土闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，在开启油缸上安装有行程传感器，可根据掘进速度在操作盘上任意控制2道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞

34、效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。在涌水较多的场合，可以通过先将第1道闸门关闭，第2道闸门开启将碴土存放在出口处，然后将将第2道闸门关闭，第1道闸门开启，把碴土排放出，该种方法在广州过新造海时使用，取得较理想的效果。排土闸门的液压系统中设有蓄能应急装置，在突然断电，液压泵停止工作的情况下，可以启动蓄能装置，关闭排土闸门。在螺旋机前中后开有3个维修门，方便工作人员对螺旋机的维修和障碍物的排除。螺旋输送机的筒体上开有3个添加剂注入孔，必要时可以往里注水和添加剂，降低碴土的粘性，减少出土阻力，提高出土效率。螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，取土

35、端的外壳焊接有耐磨合金条，螺旋叶片边缘焊有硬质合金块，叶片受碴土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹，这些设计使得螺旋机具有较好的耐磨性能。见图1.2.61。图1.2.61 螺旋输送机耐磨材料布置示意图1.2.7、皮带输送机皮带输送机用于将螺旋机送来的碴土转运到后部拖车的尾部装在碴土列车上，为了防止皮带机在输送含水量大的弃土时，弃土向下滑，尽可能将皮带机角度设计小。由一台18.5kW电机驱动，带650mm，皮带机运行速度130m/min，理论运输量为280m3h，满足碴土输送的要求。皮带机上设置有钢丝绳牵拉式紧急停止装置，起到保护维修人员安全的作用。1.2.8、管片运输机构及管片拼装机管片运输通过单、

36、双轨梁进行。单轨梁上的电动环链葫芦将管片从管片运输车上吊起可将管片放在储存区，在拼装时，通过双轨梁上的电动环链葫芦将管片从管片储存区吊起运输到管片拼装机下部，通过拼装机完成管片的拼装。 1）、管片运输机构从第一节台车后部到前部设置管片运输单轨梁，设置单轨梁行走小车，配置具有起吊5T重量的电动环链葫芦1只，其作用是将管片从管片运输车上卸下，并放置在隧道内第一节台车前行走速度为10 m/min，起升速度分为1.0m/min和4.0m/min；第一节台车前部和盾构机之间设置管片运输双轨梁，设置双轨梁行走小车，配置具有起吊2.8T重量的电动环链葫芦2只，其作用是将管片从管片储存处运送到拼装机头下部，行

37、走速度为10 m/min，起升速度分为0.75m/min和3.2m/min两个档位；单、双轨梁运输机构采用链轮链条行走，设有限位装置以防止行走小车脱落轨道。2）、 管片拼装机盾尾间隙 =30mm 管片拼装机整体外形为一圆环状，旋转角度范围为±200°。除旋转外，其余动力和油箱等装置均安装在拼装机悬伸臂上，主要用于管片的拼装。管片拼装机具有6个自由度，包括前后移动、旋转运动、伸举运动和绕管片自身的三轴旋转运动。见图3.2.8.21、图3.2.8.22。 液压马达图3.2.8.21 拼装机1平移油缸提升油缸回转油缸摆动油缸支撑油缸图3.2.8.21 拼装机2管片拼装机回转由液压

38、马达驱动，具有常闭制动功能，角度限位控制开关，防止产生人为的设备事故（1）、拼装机的动力和油箱等装置安装在拼装机的结构件上（悬臂梁等）。（2）、拼装机回转有高速及低速二挡速度，可切换。（3）、管片拼装机具有有线和无线操作功能。可通过有线或无线操作盒进行操作，拼装管片作业时可以在安全的地方边观察边进行操作。（4）、管片拼装机旋转时伴有警笛声和警灯闪动。设计充分考虑了以安全第一的原则。1.2.9、铰接装置铰接油缸安装在前后壳体上、铰接处有防水密封，可使前后盾构最大左右弯曲1.5度、上下弯曲1.0度。1） 铰接装置的类型为推进油缸安装在后壳体上，单道密封,能耐1MPa压力。铰接装置是将盾构本体前后2

39、部分用16个294t液压油缸连接成一个整体；通过液压油缸的行程之间的差来弯曲盾构本体的一种装置。通过液压油缸的动作，能在上下、左右方向上调整盾构本体弯曲角度。2） 铰接装置上下、左右方向的弯曲角度全部通过16个铰接油缸进行，在上下铰接方向与其他厂家采用销轴形式不同也是采用铰接油缸进行，可以灵活的进行纠偏角度的操作，确保较大的角度。见1.2.91。左右弯曲左右弯曲 上下弯曲上下弯曲其他公司竖销方式小松公司全方向油圧方式图1.2.91铰接形式3）在前后壳体连接部位，采取防止土砂、水等浸入的密封措施。前体与中体通过铰接油缸相连，可使盾构在掘进中转过较大的角度，前体与中体的铰接部分设置有一道密封，在密

40、封处中体上涂有一层特殊涂料，铰接密封可耐1MPa水压，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。见图1.2.92 。图1.2.92 铰接装置4）铰接装置是为顺利进行曲线施工的一种辅助手段，在进行曲线施工时，一定要与推进油缸的单侧推进、锥形管片的使用、超挖的实施共同进行，以实现所定的曲率半径。5）铰接油缸行程可通过上下左右（No.3、7、10及12）4个油缸行程检测装置在操作盘上显示。6）铰接动作：（1）在曲率半径R150m时，铰接角度1.5o，油缸行程差为122mm，刀盘超挖37m。（2）在铰接动作中，如超出铰接范围时，联锁机构起动，这时只能进行将弯曲状态返回工作范围的操作。操作盘上的

41、显示灯：方向修正不可闪亮。（3）因铰接量和曲率半径的关系是计算值，所以，在施工时必须要边测量确认曲率半径及曲线长度边进行曲线施工。7）能达到的最小转弯半径见图1.2.93。图1.2.93能达到的最小转弯半径1.2.10仿形刀装置：在刀盘中安装仿形刀，可以进行盾构机外周部位（大于盾构机外径）的超挖。表1.2.10-1 仿形刀规格项目规格数量2只推力294kN/只 30tf/只最大超挖量125mm （高于壳体）超挖设定范围22.50节距超挖量用流量计设定节距1)、仿形刀实际使用只需一只即可，为安全起见，设置了二只，其中最大超挖为125mm。 2)、仿形刀的动作范围与行程可在运行操作台上显示并可任意

42、设定。图1.2.10-1仿形刀装置1.2.11、盾尾密封盾尾密封设在盾构机壳体最尾部，能防止土砂、水及同步注浆材的侵入。采用耐久性好的钢丝刷型盾尾密封，安装有3道。1.2.12、盾尾油脂注入系统盾尾油脂是为了提高盾尾密封的止水效果，这种油脂能止水、防止注浆材流入的作用，由于钢丝刷和油脂的柔软性，对管片安装产生的不平、曲线部变压等也有止水效果。另外，也有防止盾尾钢丝刷摩耗的作用。但是在水压或盾尾注浆压力（大于0.3Mpa）直接作用于钢丝刷时，尾封会反转，造成盾尾注浆材浸入盾尾密封处凝固，从而失去止水效果。设置气动油脂注入系统，在盾构机推进过程中根据需要向盾尾钢丝刷中注入油脂。在水压较高的情况下，

43、盾构机在推进过程中需不间断地向盾尾钢丝刷中注入具有一定压力的油脂，防止盾尾钢丝刷反转。由于油脂的不断充填，可以获得充足的止水效果。盾尾油脂的注入，通过泵的间歇运转和注入阀的开关来实现。本装置由设在NO.2后续台车（右）上的注入泵，装在盾构主机内的电动球阀、压力表、配管、高压软管等构成。盾尾处的各个注脂分管路上安装电气控制的阀门，装有压力控制装置，并且能自动或手动控制。盾尾油脂可自动和手动操作，盾尾油脂注入量可根据地质条件进行设定。油脂注入可以在触摸屏上进行。见图1.2.121图1.2.121盾尾油脂操作画面1.2.13、同步注浆系统同步注浆通过注浆管路、注浆泵及控制系统来实现。盾构机掘进的同时

44、，通过同步注浆系统将浆液同步注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中，以提高隧道的防水性，防止施工区域地表沉降。另一方面，由于充填及时，对刚拼好的几环管片的支撑和承托作用加强，减小了管片移动的可能性，从而减少管片在推力作用下开裂和错台的可能。小松公司为了满足国内各施工单位对壁后注浆的不同要求以及由于各工程地质条件的不同需要采取单液或双液注浆的情况，在设计盾构机壁后注浆系统时，采用了既能单液注浆也能双液注浆的设计，见图1.2.131同步注浆系统图及图1.2.132 盾尾同步注浆管路和盾尾密封刷布置示意图。1） 系统配置了1个4.1m3左右的浆液箱，内有搅拌叶可以对浆液进行搅拌及给A液活塞泵喂料， 1

45、个1 m3左右的B液（水玻璃）箱和螺杆泵，可分别通过管路连接到盾壳上的4个注浆点。在盾壳上设置4点注浆点，每1点上有3根管路， 1根20mm的管路为B液浆管路，并且在紧靠出口处与1根45mm的A液(或单液浆)管路相连，第3根为清洗管路，清洗管路清洗水通过加泥系统挤压泵来提供。2） 单液注浆时，只需用双作用活塞泵将储存在搅拌装置中的单液浆通过管路泵送到盾壳上的同步注浆点既可。3） 双液注浆时，双作用活塞泵将储存在具有搅拌装置中的A液浆，螺杆泵将储存在B液箱中的B液浆同时通过各自的管路向盾壳上的同一注浆点泵送，在盾壳靠近出口处混合然后进入管片壁后。4） 注浆完清洗时，通过清洗管路尾部的小油缸伸出将

46、靠近出口处的活塞将注入口堵住，一：防止清洗水进入管片壁后稀释注浆材料；二：与A液浆管路及B液浆管路形成回路，可分别清洗。5） A液活塞泵、B液螺杆泵通过变频器进行控制，可分别改变A液，B液注浆量。整套系统由程序自动控制注入量和注浆压力，注浆时，砂浆的流量和压力受到严格的监控，以防过大的压力造成地面隆起。注浆量可根据盾构机推进速度均匀注入。6） 为了能够适应不同的注浆量和压力要求，注浆量和压力可以在控制操作触摸屏上进行人工调整，见图1.2.132。7） 同步注浆4路A液注浆管道设置了4个注浆压力传感器、压力表及气动球阀。B液注浆总管上设置了1个注浆压力传感器，4路B液注浆管道设置了4气动球阀。图

47、1.2.131同步注浆系统图图1.2.132注浆压力及流量控制砂浆在地面搅拌站制备好，由砂浆斗运进隧道内，通过砂浆转送泵泵送到拖车上的砂浆罐中储存。1.2.14、添加剂、聚合物、泡沫注入系统为了能更好地改善砂层塑流性和止水性，可通过加泥系统向开挖面注入添加剂或发泡剂。由于添加泡沫剂对粘土层、砂层及含少量砂砾的地层具有很好的效果，可以有效地改善砂层的塑流性和止水性。但是，需要根据不同的地质情况和使用效果来决定添加那种添加材料。见图1.2.141。1） 泡沫系统的功能及特点盾构机掘进管理流程：掘进土压P切削扭矩矩继续BU上升BU下降JS上升orSC下降JS下降orSC上升小P<POP>

48、P0大刀盘土压力 Po 盾构机推进速度 JS 实时反馈螺旋式传送机转数 SC 气泡混合率 BU 自动控制图1.2.141为添加剂、聚合物、泡沫注入系统自动泡沫系统具有以下特点：（1）·此系统可以根据盾构掘进速度及土压来自动控制泡沫系统。·泡沫注入率，泡沫膨胀率以及浓度可以按照要求进行调整。·可以在显示屏上及时确认注入流量及注入压力。（2）提高切削土的流动性 砂砾土层的场合，通过气泡的轴承效果可以提高切削泥土的流动性，避免土仓内发生堵塞，并且减轻刀盘和螺旋机的扭矩，从而提高了盾构机推进效率。 （3）减小切削土与盾构机的粘附 硬质粘土土层的场合，可以防止切削泥土粘附在

49、刀盘面板和土仓仓壁上，从而保证了掘进能更加顺畅地进行。 （4）提高切削土的止水性 细微的气泡充填于土颗粒间隙之间中，起到提高切削土止水性的作用。同时，对防止地下水在螺旋机排土口处的喷发也有相当的效果。（5）减轻盾构机设备的损耗 气泡具有润滑作用，可有效降低盾构设备的磨损，特别是刀盘和刀具的磨损，延长设备的使用寿命。 （6）刀盘土压力稳定性提高 由于气泡具有压缩性。可以减少刀盘土压力的变动，从而实现刀盘稳定状态下的顺利掘进。见图1.2.142。图1.2.142 土压力控制的掘进记录在刀盘面上设置5个注入口。5只添加剂的注入口可注入泥浆材料、发泡剂和水等添加剂，可对开挖面上的土壤进行改良处理，为了

50、确保加注入的添加剂的效果。在胸板上也设有注入口向土仓中加注添加料。刀盘前面的添加剂注入口设有橡胶逆流防止阀（单向阀），以防止管路被泥砂堵塞。在人行闸内的中心旋转接头后部接上液压软管，其构造能承受高压油，如果注入口被堵塞，可用设置的一套液压疏通装置，用油泵向刀盘加泥系统管路加注最大为14MPa左右的液压油进行疏通，工程效果很好。1.2.15、双仓人行闸土仓自动压力调整装置为了防备意外事态发生，在密封隔仓的胸板中央部位安装了双仓式气压人行闸装置，分主仓和副仓，通过法兰连接在前体的结构上。，人员可以通过人行闸出入土仓。人行闸额定使用压力为0.3Mpa，最大压力为0.5MPa以上。主仓长度为2.500

51、m，直径为1.750m，能保证二人的空间，副仓950mm×1300mm×1750。见图2.2.2.151。图1.2.151 双人行闸人闸内的装置有照明灯、压力表、气阀、时钟、消音器、椅子、取暖器、电话等。当人员需要进入土仓作业而开挖面无法自立时，就需要在对土仓中供入具有一定压力的空气，利用具有一定压力的空气保持开挖面的自立，此时，由于土仓内和隧道存在压力差，人员若要进入土仓进行作业，则必须利用气压人行闸。作业人员在气压人行闸内历经缓慢加压过程，直到人闸内气压与土仓内压力相等时，方能打开闸门进入土仓；同样，人员离开高压环境时也必须在人闸内经过减压过程，同时，为了保证土仓中的压

52、力，配置了土仓自动压力调整装置，见图1.2.152。图1.2.152人行闸及土仓自动压力调整装置1.2.16、超前探测、注入管考虑有断裂带等复杂的地质层，要能在正面进行超前探测，并且，为了防止万一需要在掘进过程中更换刀具，砂层开挖面的不稳定性就需要在换刀时对换刀处的地层进行加固，使开挖面不会坍塌，因此，在盾构主机土舱壁部、主机前壳外周前端装有超前探测，可以通过注入管对开挖面土体进行加固及探测。超前注浆、勘探装置可有效的稳定开挖面，在盾构机前壳体上设置了10个2寸的固定超前注浆、勘探口，在土仓胸板上设置了8个2寸可摆动的超前注浆、勘探口，可对开挖面进行土体加固和勘探。见图1.2.161图1.2.161超前加固图1.2.17、悬臂操作台由型钢、钢板焊接而成，用螺栓和拉干螺丝安装在盾构主机柱子上面，上部装设有整圆保持装置。操作平台上，留有设置管片运输双梁、液压软管、电缆的空间。1.2.18、后续台车构成型钢、钢板焊接构造，共5辆。主要配备如下设施：运转操作席：本机在NO.1后续台车（从前进方向看左侧）的操作室内，设有运转操作席，并汇集了