盾构机的构造及工作原理 [兼容模式]

盾构的构造及工作原理盾构的构造及工作原理中铁隧道集团有限公司技术中心中铁隧道集团有限公司技术中心1盾构的“类型”2盾构的“机型”3土压平衡盾构的结构原理4泥水盾构的结构原理5土压盾构开挖面平衡机理6泥水盾构开挖面平衡机理主主要要内内容容Ø盾构的“类型”是指与特定的盾构施工环境，特别是与特定的基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构的种类。Ø根据施工环境，隧道掘进机的“类型”分为软土盾构、硬岩掘进机(TBM)、复合盾构三类。因此，盾构的“类型”分为软土盾构和复合盾构两类。1盾构的“类型”Ø软土盾构是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩条件下的一类盾构。Ø软土盾构的主要特点是刀盘仅安装切刀和刮刀，无需滚刀。软土盾构软土盾构Ø复合盾构是指既适用于软土、又适用于硬岩的一类盾构，主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层施工。Ø复合盾构的主要特点是刀盘既安装有切刀和刮刀，又安装有滚刀。复合盾构复合盾构Ø盾构的“机型”是指在根据工程地质和水文地质条件，盾构所采用的最有效的开挖面支护形式。Ø盾构按支护地层的形式主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式、土压平衡支护式五种机型。Ø目前应用最广的是土压平衡盾构(土压平衡支护式)和泥水盾构(泥浆支护式)两种机型。2盾构的“机型”土压平衡盾构泥水盾构土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。3土压盾构的结构原理土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。土压平衡盾构结构原理土压平衡盾构结构原理刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。土压平衡盾构工作原理土压平衡盾构工作原理Ø刀盘Ø刀盘驱动Ø刀盘支承ØØ碴土改良系统碴土改良系统Ø螺旋输送机Ø皮带输送机Ø同步注浆系统Ø盾尾密封系统Ø管片安装机Ø数据采集系统Ø导向系统土压平衡盾构的基本配置土压平衡盾构的基本配置刀盘刀盘刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难。不同的地质情况和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。维修工人l刀盘应有足够的强度和刚度。l刀盘应有较大的开口率。l针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。l刀盘结构应有足够的耐磨强度。l刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。l刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀。以满足刀具的冷却、润滑和渣土改良。刀盘应满足以下要求刀具的结构、材料及其在刀盘上的数量和位置关系直接影响到掘进速度和使用寿命。不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的。刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。刀具的配置面板式刀盘面板式刀盘盘型滚刀重型撕裂刀刮刀钢格栅面板辐条辐条泡沫口中心刀辐条式刀盘辐条式刀盘外周强化刀先行撕裂刀刮刀辐条辐条泡沫口中心刀Ø面板式刀盘在中途换刀时安全可靠，但开挖土体进入土仓时易粘结易堵塞，在刀盘上易形成泥饼。Ø辐条式刀盘仅有几根辐条，辐条后设有搅拌叶片，土砂流动顺畅，不易堵塞。但不能安装滚刀，且中途换刀安全性差，需加固土体，费用高。Ø辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强；但由于不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层，宜采用面板式刀盘。面板式刀盘与辐条式刀盘比较面板式刀盘与辐条式刀盘比较面板式刀盘面板式刀盘辐条式刀盘辐条式刀盘前体前体前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土部分，位于盾构的最前端，结构为圆筒形，前端设有刃口，以减少对底层的扰动。在圆筒垂直于轴线、约在其中段处焊有压力隔板，隔板上焊有安装主驱动、螺旋输送机及人员舱的法兰支座和四个搅拌棒，还设有螺旋机闸门机构及气压舱（根据需要），此外，隔板上还开有安装5个土压传感器、通气通水等的孔口。不同开挖形式的盾构机前体结构也不相同。刀盘驱动刀盘驱动刀盘刀盘驱动装置由主轴承、八个液压驱动马达、八个减速器及主轴承密封组成，轴承外圈通过连接法兰用螺丝与前体固定，内（齿）圈用螺丝和刀盘连接，借助液压动力带动液压马达、减速器、轴承内齿圈直接驱动刀盘旋转。主轴承设置有三道唇形外密封和两道唇形内密封，外密封前两道采用永久性失脂润滑来阻止土仓内的渣土和泥浆渗入，后一道密封是防止主轴承内的润滑油渗漏。内密封前一道阻止盾体内大气尘土的侵入，后一道防止主轴承内润滑油的外渗。刀盘驱动刀盘驱动的三种形式刀盘驱动的三种形式变频电机驱动变频电机驱动定速电机驱动定速电机驱动液压驱动液压驱动驱动部外形尺寸驱动部外形尺寸中中大大小小后续设备后续设备少少少少较多较多效率效率0.950.950.90.90.650.65起动力矩起动力矩大大较小较小较大较大起动冲击起动冲击小小大大较小较小转速微调控制转速微调控制好好不能无级调速不能无级调速好好噪声噪声小小小小大大盾构温度盾构温度低低较低较低较高较高维护保养维护保养易易易易较复杂较复杂刀盘支撑刀盘支撑刀盘支承方式有3种：Ø中心支承式（适用于中小型直径盾构）Ø中间支承式（适用于中大型直径盾构）Ø周边支承式（适用于小型直径盾构）①①中心支承方式中心支承方式②中间支承方式②中间支承方式③周边支承方式③周边支承方式中体中体又叫支承环是盾构的主体结构，承受作用于盾构上的全部载荷。是一个强度和刚性都很好的圆形结构，地层力、所有千斤顶的反作用力、刀盘正面阻力、盾尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受。中体内圈周边布置有盾构千斤顶和铰接油缸，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操作控制台。有的还有行人加、减压舱。中体盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。中体结构示意图盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，通过交接油缸与中体相连，并装有预紧式铰接密封。铰接密封和盾尾密封装置都是为防止水、土及压注材料从盾尾进入盾构内。为减小土层与管片之间的空隙，从而减少注浆量及对地层的扰动，盾尾做成一圆筒形薄壳体，但又要能同时承受土压和纠偏、转弯时所产生的外力。盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道数来决定。另外在盾尾壳体上合理的布置了8根盾尾油脂注入管和4根同步注浆管。由于施工中纠偏的频率较高，盾尾密封要求弹性好，耐磨、防撕裂，能充分适应盾尾与管片间的空隙，盾尾结构示意图一般采用效果较好钢丝刷加钢片压板结构。钢丝刷中充满油脂，既有弹性又有塑性。盾尾密封的道数要根据隧道埋深、水位高低来定，一般为2-3道。盾尾及盾尾密封盾尾及盾尾密封盾尾铰接密封：铰接密封一般有三种形式：一种是采用一道或多道橡胶唇口式密封；另一种是采用石墨石棉或橡胶材料的盘根加气囊式密封；还有一种是双排气囊式密封。单排充气式双排充气式铰接式盾构的盾尾密封系统包括铰接密封和盾尾密封。盾尾密封盾尾密封：盾尾止水采用钢丝刷密封装置，是集弹盾尾止水采用钢丝刷密封装置，是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。盾尾油脂簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。盾尾油脂泵向每道钢丝刷密封之间供应油脂，以提高止水性能。泵向每道钢丝刷密封之间供应油脂，以提高止水性能。螺旋输送机螺旋输送机螺旋输送机由伸缩筒、出碴筒、液压马达、螺旋轴、出碴闸门组成。是土压平衡盾构的排土装置，主要有以下三个功能：ü将盾构土仓内的土体向外连续排出，ü土体在螺旋输送机内向外排出的过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持土仓内土压的稳定。ü将盾构土仓内的土压值自动与设定土压值进行比较，随时调整向外排土的速度，控制盾构土仓内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。螺旋输送机螺旋输送机由液压马达减速装置驱动，驱动装置与螺旋输送机采用球形铰接，以适应螺旋轴的自由摆动。为防止渣土的侵入，其输出端采用了与主轴承外密封相同的结构，并自动注脂。螺旋机转速范围可以在0~22rpm内无级调速，控制出土量很方便。调节螺旋输送机的出土速度是控制土仓压力的重要方法之一。皮带输送机皮带输送机皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车里。皮带输送机的驱动方式采用电动驱动或液压驱动，皮带机由皮带机支架、前随动轮、后主动轮、上下托轮、皮带、皮带张紧装置、皮带刮泥装置、和带减速器的驱动电机等组成。安装布置在后配套连接桥和拖车的上面。为安全起见，其上设有3处急停开关。管片安装机的主要功能是通过拼装机上一般具有的4个自由度动作进行管片的拼装。由于管片安装机必须具有独立旋转的功能，所以一般设有独立的密封液压油箱，并配备电缆卷筒进行电气上的控制。管片拼装机的回转驱动方式采用液压驱动，并配备失压刹车，其他动作采用液压油缸驱动。管片安装机管片安装机管片安装机有管片安装机有22种类型。种类型。机械抓取式机械抓取式管片安装机管片安装机真空吸盘式真空吸盘式主要有膨润土添加系统和泡沫系统，是盾构掘进的调节媒介。采用该系统，对于不同的地质条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构土仓内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水土压力，又能向外顺畅排土，拓宽了土压平衡盾构的适应范围。碴土改良系统碴土改良系统碴土改良系统示意图同步注浆系统同步注浆系统同步注浆系统的主要功能为在盾构掘进过程中，注入浆液充填管片脱出盾尾后产生的建筑空隙，减少地面沉降。同步注浆系统采用一台柱塞泵将浆液搅拌筒内的浆液通过各分路向盾尾外部注出。同步注浆系统的控制方式有手动控制和自动控制，自动控制又分为压力控制和流量控制。数据采集系统数据采集系统““采集、处理、储存、显示、评估出现的与盾构采集、处理、储存、显示、评估出现的与盾构有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、周报等数据；有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、周报等数据；有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线。所有采集数据均能保存下来，供日后分析、判断和参考线。所有采集数据均能保存下来，供日后分析、判断和参考数据采集系统数据采集系统数据采集系统数据采集系统““采集、处理、储存、显示、评估出现的与盾构采集、处理、储存、显示、评估出现的与盾构有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、周报等数据；有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、周报等数据；有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线。所有采集数据均能保存下来，供日后分析、判断和参考线。所有采集数据均能保存下来，供日后分析、判断和参考数据采集系统数据采集系统导向系统导向系统••导向系统由经纬仪、导向系统由经纬仪、ELSELS靶、后视棱镜、计算机等组成，能连续不断靶、后视棱镜、计算机等组成，能连续不断地提供关于盾构姿态的最新信息。通过适当的转向控制，可将盾构控地提供关于盾构姿态的最新信息。通过适当的转向控制，可将盾构控制在设计隧道线路允许公差范围内。导向系统的主要基准点是由一个制在设计隧道线路允许公差范围内。导向系统的主要基准点是由一个从激光经纬仪发射出的激光束，经纬仪安装在盾构后方的管片上。从激光经纬仪发射出的激光束，经纬仪安装在盾构后方的管片上。PPSPPS激光导向系统激光导向系统包括下列硬件：ü工业用PC机ü激光全站仪ü双轴倾斜计üPC机与激光全站仪之间的无线电联系ü激光全站仪的电源ü2个电动棱镜，1个参考棱镜ü1套