盾构机配电系统简介

盾构机构造及工作原理简介武汉港迪电气有限公司配电技术部王蔚2012年11月内容简介盾构机的起源和发展史我国盾构机的发展历程盾构机概述盾构机的构造及工作原理盾构机上的电力系统结语一、盾构机的起源和发展史盾构机，全称为盾构隧道掘进机，其名称是由“盾构”和“隧道掘进机”组合而成。其中“隧道掘进机”说明该设备是一种隧道掘进的专用工程机械，而“盾构”二字则来源于盾构法施工。盾构法施工是利用盾构进行隧道开挖，衬砌等作业的施工方法，其中盾构指的是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推动，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。盾构独创于19世纪初期，首先应用于开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。一、盾构机的起源及发展史3

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，并在英国取得专利。下图为布鲁诺尔注册专利的盾构。

一、盾构机的起源及发展史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爱护作用。接受的方法是将全部的单元格牢靠地装在盾壳上。当时布鲁诺尔设计了两种方法，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动；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推动。（第一种方法后来被接受，并得到了推广应用，演化为成熟的盾构法）。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。1825年，他第一次在伦敦泰晤土河下起先用一个断面高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。泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了很多困难，在经验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。一、盾构机的起源及发展史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爱护作用。接受的方法是将全部的单元格牢靠地装在盾壳上。当时布鲁诺尔设计了两种方法，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动；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推动。（第一种方法后来被接受，并得到了推广应用，演化为成熟的盾构法）。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。1825年，他第一次在伦敦泰晤土河下起先用一个断面高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。泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了很多困难，在经验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。一、盾构机的起源及发展史1830年，英国的罗德独创“气压法”协助解决隧道涌水。一、盾构机的起源及发展史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运用了“盾构”(shield)这一术语。1865年，英国的布朗首次接受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。1874年，工程师格瑞海德发觉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。1876年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请第一个机械化盾构专利。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。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运用，在压缩空气条件下施工，标记着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初，大多数隧道都是接受格瑞海德盾构法修建的。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的国家。一、盾构机的起源及发展史1963年，土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司(佐藤工业)开发出来。下图为当时设计的土压平衡盾构示意图。1974年第一台土压平衡盾构在东京被接受。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。一、盾构机的起源及发展史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，是世界最长马路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。在以后的年头里，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”。全部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）。1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构(由3个直径7.8m的刀头构成，总长17.3m)，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。二、我国盾构机的发展历程我国于20世纪60年头引进盾构技术，1962年2月在上海市城建局隧道处的塘桥试验隧道工程中接受直径4.16m的一台一般敞胸盾构在两种有代表性的地层下进行掘进试验，试验获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。20世纪80年头至2000年，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。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供应了广袤的平台和空间。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。目前我国正处于轨道交通建设的旺盛时期，中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。同时，盾构机在越江道路、输气和市政排水隧洞等工程中也得到了广泛应用。专家预料：到2020年前，我国的盾构需求量可达300多台。据不完全统计，截至2009年，国内保有的盾构机在170台左右，主要为日本三菱重工、小松制作所、德国海瑞克制造。二、我国盾构机的发展历程三、盾构机概述盾构机是掘进机的一种类型。掘进机的定义是：用机械能裂开隧道掌子面、随即将裂开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动。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平安的作用，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。盾构是盾构掘进机的简称，是在钢壳体爱护下完成隧道掘进、拼装作业，由主机和后配套组成的机电一体化设备。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。其中敞口式盾构或称一般盾构、一般闭胸式盾构或称一般挤压式盾构（半机械化盾构）以及TBM硬岩盾构在本司的产品中尚未涉及，因此不作详述，下面主要了解一下机械式闭胸盾构。三、盾构机概述三、盾构机概述正面封闭舱中加压，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。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，有时也要考虑接受协助施工方法。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。土压平衡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干脆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淌性的土质，不宜选用。地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。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。现在还有土压与泥水结合的双模式盾构，能够适应更大范围的地质条件。四、盾构机的构造及工作原理四、盾构机的构造及工作原理下面我就通过介绍中交天和机械设备制造有限公司生产的2套14.93m盾构机的结构及工作状况来熟悉和了解盾构机的工作方式。该盾构机为泥水气压平衡复合式隧道掘进机，用于南京市纬三路过江通道工程，该工程接受八车道“X”形隧道方案，S从浦口到定淮门将有两条隧道“X”形交叉过江，左右线分别布置两隧，内设上下层双向四车道，共为双层双向八车道。S线全长7363m，其中盾构隧道长4135m，N线全长7014m，其中盾构隧道长3557m。盾构机直径14.93m，隧道管片外径14.5m，内径13.3m。盾构机的驱动部总功率为3750kW，并预留1台250kW的安装位置，其设计推动速度为5cm/min，日最大掘进实力可达到20米，是国内最大的泥水气压平衡复合式隧道掘进机。下面请看动画演示四、盾构机的构造及工作原理下图是天地重工生产的土压平衡盾构机，请大家结合刚才的动画，了解一下土压平衡式盾构机与泥水平衡盾构机的异同。而我接着会为大家介绍盾构机的最重要的组成部分，盾体。前盾中盾后盾刀盘人行闸推动油缸排土系统管片拼装机盾尾刷和同步注浆系统四、盾构机的构造及工作原理盾构机的限制系统大体上可分为主控和辅控，目前我司已经可以独立承接盾构机上全部辅控系统的生产和调试工作，但对尚未介入主控系统，目前正在主动努力中。上文提及的刀盘驱动系统、推动系统、排土系统以及管片拼装系统全部属于盾构机的主控系统，而同步注浆系统则属于盾构机的辅控系统。下面会向大家介绍盾构机还有哪些重要的辅控系统及设备。润滑油脂系统：盾构机掘进时，润滑油脂系统将润滑油脂送到主驱动齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头中。这些油脂起到两个作用，一个作用是被注入到上述三个组件中唇形密封件之间的空间起到润滑唇形密封件工作区域及帮助阻挡赃物进入被密封区域内部的作用，对于螺旋输送机齿轮箱还有另外一个作用，就是润滑齿轮箱的球面轴承。通风系统：簇新的空气是由一条空气管来输送。抽风管从拖车始终延长到整个后配套系统。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。通风机及管路保证了隧道中有持续的簇新空气供应。空气通过压缩后还用来驱动盾尾油脂泵和润滑油脂泵，用来给人行闸、开挖室加压，用来操作膨润土、盾尾油脂的气动开关，用来与泡沫剂、水混合形成改良土壤的泡沫等。四、盾构机的构造及工作原理土体改良系统：对于在不同种类且高渗水性的土壤中（砂层、砾石等）中开挖时，须要进行土体改良来保证土压平衡操作模式能够顺当进行（易于形成结块从而保持螺旋输送机内的水压）。对于泥水平衡式盾构来说，为保证注入工作仓的泥水可以与盾构机前端的水土压力抗衡，其必需以下特性：高的可塑性；具有流淌性，密度低；低的内摩擦；低的渗水性。而一般的泥土不经处理是不具有以上特性的，因此泥水平衡式盾构注入的泥水全部是由膨润土调整而成。膨润土往往被称为盾构的血液，可见其重要性。泡沫是另一种调整介质，适合于靠土压支持的盾构在掘进过程中泥土粘性特别高的意外状况。经泡沫调整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、流淌性好、渗水性能低、良好的弹性、降低对盾构机的附着性、削减对盾构机的磨损、削减驱动功率。泡沫是在泡沫发生器内用空气对液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂量是通过PLC和流量计来计量的。是否进行调整主要是依据掘进速度、支持压力和所给的配方来确定。泡沫发生系统有三种操作模式：手动、半自动和全自动。通过限制可限制球阀，盾构机操作手通过操作限制台元件向有关注入点将泡沫注入到刀盘前端、土仓和螺旋输送机内。四、盾构机的构造及工作原理发泡处理前后对比四、盾构机的构造及工作原理泡沫注入试验泡沫注入试验视频四、盾构机的构造及工作原理管片拼装循环：在掘进过程中要安装的管片由管片运输机车运输过来，至第一节台车前的电动葫芦，由电动葫芦吊起管片向前运输到管片小车上，由管片小车再向前运输，供应管片拼装机运用。管片运输机车和电动葫芦吊同时还负责各种油箱、膨润土箱的运输工作。管片四、盾构机的构造及工作原理在掘进完一环后后，一部分推动千斤顶回缩，为第一片管片留出足够的空间。其余推动千斤顶和已经装好的管片仍保持接触，以防止盾构机由于土压而后退。管片拼装机抓起管片并将其放在应放的位置，在此位置它可以和上一管片用螺栓连接起来。在管片拼装机夹头放开管片之前，确定要保证已回缩的推动油缸再次顶紧管片，以防止管片意外移动。其余管片的安装方法与此相同，而最终一块管片称为封顶块，一般为楔形，从管片前方插入已拼好的管片中，形成完整的管片环。每个管片都有编号，需安装预先制定好的依次才可以将管片环拼装成功。相邻管片环的封顶块不会位于管片环的相同位置，防止封顶块意外滑出。而盾构机的正常工作流程也就是在这样掘进、拼环、再掘进、再拼环的循环中不断进行着。下面通过视频来直观的了解一下盾构机的掘进、拼环过程。掘进、拼环视频四、盾构机的构造及工作原理气体爱护系统：盾构机在掘进中有可能会遭遇瓦斯泄露，氧气不足等种种危急，该系统通过测量气体中的氧气和有害气体的含量，适时进行报警，保证工作人员的人身平安。冷却系统：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设备。数据采集系统：采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。比如压力、水位、温度、电气参数等，通过分析这些数据作为盾构机限制系统的限制依据。隧道导向系统：系统可以供应盾构机高精度地沿着设计路途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。限制系统：限制系统用以限制盾构机的主要功能，全部的软件都必需完全防止未经授权的登录。全部系统都有失效爱护，包括在错误状况下的错误操作引起的电路自锁及断路爱护。全部的主要设备均设置有预先报警系统及远程的限制功能。关键部件的硬件平安措施是与总控系统（PLC）分设的。这部分是电控事业部的内容，就不多作描述了。四、盾构机的构造及工作原理水循环系统：在隧道中铺设盾构机的进、回水管，将竖井地面的蓄水池与水管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱动盾构机用水在蓄水池和盾构机之间循环。正常掘进时，进人盾构机水循环系统的水有以下的用途：对掖压油、主驱动齿轮油、空压机、配电柜中的电器部件及刀盘驱动副变速箱具有冷却功能，为泡沫剂的合成供应用水，供应应盾构机及隧道清洁用水。台车：台车式盾构机盾体后挂的配套拖车，盾构机上全部的设备都置于台车上。上文中提及的设备和系统一般都安装于靠前及靠近盾体的台车上，但是还有一个重要的系统还没有介绍，此系统一般安装与盾构靠后的台车上。那就是：电力系统五、盾构机上的电力系统五、盾构机上的电力系统电力系统：我司配电技术部完成的就是该系统的工作，盾构机的电力系统一般由以下设备构成。电力变压器：盾构机一般为10kV上电，因此需设置变压器进行降压。若无防护外壳，则一般选用防护等级IP55以上，全封闭，户外型的油浸式变压器。若在变压器另有防护外壳，则可选用户内型的干式变压器。配电柜：盾构机配电柜防护等级为IP55以上，配电柜由高压进线柜和若干低压馈线柜组成，在主配电柜面板上须装有仪表测量电压、电流、有功功率，无功功率等电参数。依据实际须要，设置电度表用于监测电量运用状况。每个回路设置单独的过载爱护和短路爱护器件。电容补偿装置：盾构机上必需安装适当的功率补偿设备以保证系统功率因数大于0.9，无功补偿装置通过无功补偿限制器是自动投切。在明显位置设置功率因数用于检测系统实时功率因数。箱式变电站：上述设备即可以分散安装，也可以安装与同一箱式变电站中，我司目前完成的盾构机配电产品多为此种形式。散热系统：由于盾构机工作环境恶劣，箱变空间惊惶、箱变防护等级又高达IP55，因此需设置有效的通风措施帮助变压器和电容补偿装置散热，以保证盾构机的稳定运行。电缆卷筒：电缆卷筒通过限制电缆的卷起和放出，选择合适的电缆长度将外界电源引入系统中。盾构机上类似的装置还有水管卷筒等协助设备。电缆：电缆必需置于专用的电缆桥架或悬挂系统中永久固定，对其加以爱护以防止绝缘层损坏，电缆的行走路径应便利接线或维护。动力电缆与限制、通信电缆应分别，防止出现电力干扰。平安装置：设置有专用的声光报警装置、平安继电器、急停回路保证电力系统的平安运行。照明：在合适位置设置照明装置便利系统设备的操作、维护及检修。接地系统：盾构机平安接地系统用适当的接地线将全部拖车连结在一起，使得盾构机成为一个等势区域，在此区域中全部暴露的导电零件和外部金属件维持相同的电位。电力系统内的全部设备的地线都必需连接起来在同一点统一接地。五、盾构机上的电力系统六、结语六、结语用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节约人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可限制地面沉降、削减对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等优点，在隧洞洞线较长、埋深较大的状况下，用盾构机施工尤为经济合理。现代盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、限制、测量等多门学科技术。其中电气作为其中不行或缺的一环，起到了至关重要的作用。截止到2010年5月，我国十大城市地铁总运营总里程1039公里，已有30多个城市获批兴建地铁，2016年底拟建92条线路，总长2677公里。据预料，2020年，我国将有36个以上的城市拥有地铁，城市轨道交通累积营业里程将达到11042公里。可见，将来5~10年，将迎来地铁的发展高峰，这将带来巨大的盾构市场。而且，由于近年多发的洪涝灾难，中国政府已经意识到中国城市市政排水管的脆弱，预料将来5~8年，会有越来越多的盾构机进入市政排水管道施工领域。时值今日，我们港迪人尤其应抓住如今的大好形势，大力开拓新的市场领域，力争进入到盾构机的核心领域。在盾构机的电气系统专业树立起港迪的品牌，借轨道交通高速发展的东风，奠定港迪成就“中国的西门子，中国的ABB”的基石！谢谢Thankyou如有不妥之处，请予以指正！刀盘铲刀切削刀滚刀与推出式滚刀仿行刀与超挖刀刀盘通过安装在前盾承压隔板上的法兰上的刀盘电机来驱动。它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现无级变速。刀盘电机的变速齿轮箱内需设置制动装置，用于制动刀盘。电机的防护等级需大于IP55。铲刀铲刀可以双向进行开挖，主要用于保证开挖直径的稳定不变。切削刀切削刀主要用于切削软土、泥砂地层刀口与刀回旋转方向水平的称为切刀，刀口与刀回旋转方向垂直的称为削刀滚刀与推出式滚刀滚刀用于砂卵石、硬岩地层，滚刀可以将大块的岩石打碎，分成小块。推出式滚刀可替代外部已磨损的滚刀，从而削减复合地层的带压换刀，延长掘进距离，加快施工进度，缩短工期。同推出式滚刀一样，切削刀同样有推出式的。仿行刀和超挖刀刀盘上安装了仿形刀。安装的仿形刀通过一个油缸进行伸缩操作。仿形刀的伸缩则在主控室内事先加以设置限制。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、超挖量可依据不同的施工要求而调整。当盾构机因为隧道路途设计或由于地质状况须要转向时，仿行刀的超挖功能可以帮助盾构机转向。人行闸人行闸装在前盾上，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或更换刀具时，要通过人行闸。假如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状况下进入土仓，从而进行刀具检查和更换。假如没有注浆加固条件，开挖面又不是可以自稳的地层，则须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。做这项工作必需由经过培训的专业人员进行。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，来说明人行闸的作用。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，依据规定