盾构机工作流程简

盾构机及盾尾密封油脂培训讲义一、盾构机简介盾构机（shieldmachine），全名叫盾构隧道掘进机，也称作盾构掘进机，是地下暗挖隧道的一种专用工程机械。现代盾构机集光、机、电、液、控等技术于一体，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，而且要根据不同的地质条件进行“量体裁衣”式的设计与制造，可靠性要求极高。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、施工速度快、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在地下水位较高、隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理，因而盾构机广泛用于地铁隧道、越江隧道、铁路隧道、水电隧道、市政公路隧道等工程的建设。二、盾构机的工作原理与分类盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体（即护盾）对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面，挖掘、排土、衬砌等作业就在护盾的掩护下安全地进行。盾构机的分类方法很多：根据工作原理，盾构机可以分为手掘式盾构机、挤压式盾构机、半机械式盾构机（局部气压、全局气压）、机械式盾构机（开胸式切削盾构机，气压式盾构机，泥水加压盾构机，土压平衡盾构机，混合型盾构机，异型盾构机）；根据适用的土质及工作方式的不同，盾构机可以分为开胸式、压缩空气式、泥水式、土压平衡式、组合式、插板式、多断面式盾构机以及微型盾构机等。此外，盾构机还可按直径分为特大、大、中、小及微型盾构机；按开挖断面分为部分断面开挖和全断面开挖的盾购机等等。目前作为主流技术的，主要有泥水加压平衡盾构机、土压平衡盾构机、组合式盾构机和微型盾构机等。盾构机各部位示意图1．盾构壳体盾构的形式，其本体从工作面开始均可分为切口环、支承环和盾尾三部分，借以外壳钢板联成整体。（1）切口环切口环部分是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端设有刃口以减少切入掘进时对地层的扰动。切口环保持着工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输的通道，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。（2）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载荷的骨架。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，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷均由支承环来承受。在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、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空间。（3）盾尾盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，所以盾尾长度要满足上述各项工作的进行。盾构法具有安全、可靠、快速、环保等优点：（1）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；（2）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、大直径速度，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。盾构法隧道缺点：（1）盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险极大；（2）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调难；（3）建造短于750m的隧道没有经济性；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大。三、国外主要盾构机制造企业盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。在日本，由于经济的快速发展及实际工程的需要，盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机发展很快。德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，在保证密封的前提下，可以在高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造企业有18家，集中在日本和欧美，如日本的川崎重工、三菱重工、石川岛播磨重工业株式会社、小松制作所，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗浮特公司等。它们可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其生产设备和工艺水平居世界前列四、国产盾构机2001年，国家科技部将盾构国产化列入国家“863”计划。在科技部领导下，成立了以中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主，浙江大学、同济大学、煤炭科学研究院、北京城建公司、中信重工机械有限责任公司、沈阳九久技术开发有限公司等单位参加的产学研结合的课题组，分阶段在多项关键技术进行研究和攻关，已在设计和制造上有了明显突破，基本掌握核心技术，研制出了拥有自主知识产权的世界上最大的先进大型多功能盾构模拟试验平台；在上海组建了股份制的盾构设计试验研究中心；建成河南新乡、上海两个盾构产业化基地2004年5月，中铁隧道集团有限公司成功组装直径6.3m土压平衡盾构1台。2004年底，上海隧道工程股份有限公司推出第一台具有自主知识产权的“先行号”地铁盾构样机。2006年底，“先行2号”盾构在沪制造安装完成并正式下线，首次实现了国内地铁盾构的批量生产。“先行2号”盾构机直径达6.34米，拥有33项技术专利。北京首台直径3.63m加泥式土压平衡盾构机“京盾一号”也研制成功，掘进速度10m/d，标志我国盾构设备技术水平已达到当代国际先进水平。虽然目前国内有许多企业，如上海隧道工程股份有限公司（日本三菱）、长沙中铁轨道集团有限公司（海瑞克）、郑州中铁装备有限公司（海瑞克）、沈阳重型机械集团有限责任公司(模仿砝码通、维尔特)等单位都相继开展了盾构设备的研制和相关技术的开发，五、盾构法施工概貌示意图1——盾构；2——盾构千斤顶；3——盾构正面网格；4一一出土转盘；5－一出土皮带运输机；6——管片拼装机；7——管片；8——压浆泵；9－一压浆孔；10——出土机；11——由管片组成的隧道衬砌结构；12——在盾尾空隙中的压浆；13——后盾装置；14——竖井六、盾构机盾尾密封系统盾尾主要用于掩护管片的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌间隙进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，盾尾长度要满足上述各项工作的进行。盾尾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少压浆工作量，对地层扰动范围也小有利于施工，但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时，还有一些难以估计的载荷出现。所以其厚度应综合上述因素来确定。盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于施工中纠偏的频率很高，因此，要求密封材料要富有弹性、耐磨、防撕裂等，其最终目的是要能够止水。形式多种，目前常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道。1－盾壳；2－弹簧钢板；3－钢丝束；4－密封油脂；5－压板；6－螺栓盾构机盾尾密封刷示意图由上图可看出，由于钢丝束内充满了油脂，钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。采用专用的盾尾油脂泵加注油脂，这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达500m左右，这主要取决于土质情况，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则使用寿命较长。其次，盾尾的长度必须根据管片宽度及盾尾的道数来确定，对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构，还要根据盾尾密封的结构来确定，必须保证管片拼装工作的进行；修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，故必需有一些余量。Φ6.14mE.P.B土压盾构机Φ7.15mE.P.B土压盾构机盾构机操纵室示意图盾尾油脂操作画面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。七、盾尾密封油脂简介盾构机在地下推进中为了防止地下层压水等涌入盾构机内部，故在盾构机尾部设置了数到钢丝密封刷，在刷与刷之间有一定的间距，由此形成了盾尾油脂腔。盾尾密封脂作用于盾构机的尾部,起到密封地下水(淡水或海水)、密封泥桨和密封膨润土泥桨(如使用)的作用。盾尾密封脂都是采用机泵加入,因此盾构机密封脂中最重要的性能即是泵送性和抗水密封性,另外还应具有较好的粘附性。盾尾密封油脂是盾构法施工隧道中盾构掘进机钢丝刷型盾尾的主要配套材料之一，具有密封和润滑作用，可有效地保护盾尾和隔绝泥浆，保障盾构施工顺利推进，对盾构有防蚀和减少磨损的效果。盾尾密封脂的作用管片盾尾密封刷密封脂水、土、沙管片管片浆料1：具有优异的抗水性能，在施工中不会被水冲走，也不会被水稀释、溶解，同时还不会与水发生反应。2：具有良好的润滑性能，要在密封刷与管片表面起到润滑作用，延长密封刷的使用寿命。3：具有很好的防护作用，保护盾尾不被水、泥浆等物质腐蚀。4：具有良好的密封性能，不仅密封管片与盾尾间的间隙，而且还要密封管片与管片的间隙，保证施工中不会出现渗漏。5：能够承受一定的水压。6：能够轻松的将其泵送到密封刷之间。除此之外，还应具有满足环保的要求，满足施工的安全要求等。盾构施工对盾尾密封脂的要求产品设计路线：适当韧性及长度的纤维（生物可降解）＋特种抗水复配填料＋高粘性基础油＋复配稠化剂：1：纤维的韧性保证了盾构脂的抗压强度，同时纤维的长度不能影响盾构脂的泵送性能；生物可降解性确保产品流入土壤无环保问题。2：特种抗水复配填料保证盾构脂的抗水性能，同时调节产品的比重，合适的比重对产品的防水、用量有较大影响。3：高粘性基础油增强盾构脂与盾尾刷、密封面的附着力，是产品阻水、阻浆的重要保证，同时不影响产品的泵送性能，这是一个平蘅。4：复配稠化剂确保纤维、填料、基础油被稠化剂高强度地结合在一起，在压力下不分离，这是以上组份发挥作用的基础。我们的产品技术YK系列盾尾油脂采用高性能的深度精制基础油和无机稠化剂，复配多种功能添加剂制成的盾构机专用耐磨防护密封油脂。具有以下特点：优异的抗水压性能；优异的粘附、润湿性能；良好的泵送性能良好的抗磨、防护性能；对环境无害，安全环保。在确保其它性能的同时，盾构脂的防水性能尤为重要，既不能不被水稀释，溶解，同时不会与水发生反应，因此在研发过程中，我们设计了一个简易的试验:1、在一玻璃容器中放入适量的水;2、将盾构脂用力的涂在盛水的容器中，观察脂的变化。从这个试验既可以看出盾构脂的抗水性能，也可以考察粘附性能。抗水性能实验经多次重复与进口盾构脂对比试验，结果如下：★YK系列盾构脂涂抺过程中与水没有任何反应，完全粘附性于水下，涂抹过程中没有粉尘及纤维屑析出，证明YK系列盾构脂抗水性、粘附性好。★某进口油脂经以上试验有粉尘及纤维屑析出现象。抗水性能实验对比图示YK系列盾尾密封脂对比品牌盾尾密封脂试验步骤：1.将盾构脂装在容器底部，大约4cm;2.将水装入容器上方;3.盖好盖子，密封好，加气压;4.注意观察压力表，及容器底部润滑脂或水漏出现象。经多次重复与两个法国品牌盾构脂对比试验，结果如下★YK系列盾构脂可以承受水压7kg以上，而且容器底部没有水、油、脂溢出。★A品牌盾构脂在压力加到2kg时，底部有脂溢出，当继续增加压力到5kg时，开始漏水；★B品牌盾构脂在压力加到6.5kg时，底部有脂漏出；以上试验证明YK系列盾构脂承受水压能力高于A、B两种盾构脂。DOWSYN系列盾尾密封脂承压密封试验承压密封试验装置图示良好的抗水冲刷性能