盾构机的构造与工作原理

1、盾构机的构造与工作原理,内容,一、盾构法隧道的起源及发展史 二、盾构机的概述 三、盾构机的构造 四、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

2、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。

3、,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

4、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

5、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Sato Kogyo公司开发出来。,1963年Sato Kogyo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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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2.5m2.5m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3.8m3.8m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

11、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

12、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

13、、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。,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。,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

14、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,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

15、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

16、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

17、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,

18、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；,（

19、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。,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、

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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： 有盾体、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

26、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.盾体,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

27、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。 推进系统具有纠偏和爬坡功能。,海瑞克s-235盾构机油缸位置示意图,4、海瑞课盾构机刀盘,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),(

28、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

29、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,边刮刀 ：,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。,边刮刀示意图,仿形刀 ：,刀盘上安装了仿形刀。安装

30、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

31、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

32、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

33、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。

34、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。,2016年4月维修中心对s-285盾构机主轴承进行解体检查并完成组装组装,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

35、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

36、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 抓举头 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，

37、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 抓举头,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。,6.8真圆保持,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。,7、螺旋输送机,7.

38、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

39、有耐磨保护） 卸料口的闸门,。,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。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

40、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

41、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。 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.

42、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 (2 x 315kW) 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

43、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。,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

44、，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。,12 辅助设备,12.1 注浆设备 配备两台同步注浆机进行注浆，同步注浆机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

45、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： 泡沫水泵 泡沫泵 混合液控制装置 压缩空气控制装置 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。,12.7压缩空气设备,压缩空气 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

46、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

47、运到渣车内。,五、盾构机工作原理,前盾,中盾,拼装机,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。,盾构掘进机选型首先要看该盾构机是否有利于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因素，同时，还必须将宜用的辅助工法加以考虑，只有这些才能选择出一种较为合适的盾构掘进机 在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高；反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。,3土压平衡式盾构机,土压平衡式,为了土压的平衡，防止地表的隆陷，隧道开挖面由刀盘挖出的

48、碴土来支撑。为了使其成为支撑介质，挖出的碴土应具有以下特性： 高的可塑性； 具有流动性，密度低； 低的内摩擦； 低的渗水性。,一般来说，开挖出来的泥土不经处理是不具有以上特性的，因此我们可以采用如下方案解决： 在支撑土体中加入一些添加剂，如膨润土和泡沫。 如果对土体特性不满意，那么可以预先定好土体改良措施，然后交付现场执行。,发泡处理使用对比,4.土压平衡工作原理,4.1开挖 （见掘进动画） 土体由旋转刀盘上的刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土舱，与土舱内已有的粘性土浆混合。推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体，从而保证开挖面的稳定。 当土舱内的土体不能再被土压力和水压力压紧时，就达到了土压

49、平衡，这时开挖面的土压约等于土舱中土体的压力。,当土舱中土体的压力增加至超过平衡时的土压时，土舱中土体就会压紧开挖面的土体，这会导致盾构前方的地面隆起。当土舱中的土体压力小于平衡土压时，通常会引起地面下沉。 土舱中的土体在压力的作用下通过螺旋输送机被输送出去。,土体的压力主要受下列因素影响： 掘进速度、 开挖土量、 土体改性所用添加剂的量。,在一定速度下进行掘进时通常可以通过改变螺旋输送机的速度来控制土压。当螺旋输送机转速较快时泥土就会迅速被运出去，这时土压就会降低，相反土压就升高。 通常也可以通过改变掘进速度来控制土压，减小掘进速度土舱中的土压会降低，相反会升高。,为了保证在掘进过程中土压的稳定，土舱的压力应和刀盘前的土压相一致，以防止刀盘前的土体下沉和