盾構機構造及工作原理2008-8-16

1、盾構機構造及工作原理1盾構機的發(fā)展歷史盾構機作為修建地下隧道的一種設備，最早出現(xiàn)在 1818年，當時是在修建泰晤士河橫斷隧道，是由托勒維克斯提出了盾構方案，并取得了專利。1896年由萊普斯設計出近似于現(xiàn)在的機械式盾構?，F(xiàn)在盾構機廣泛使用于地下鐵道、公路、電力通信、上下水道等城市技術設施的建設。根據有關資料記載，1964至1984年的20年間，日本就制造了大概5000臺盾構機。日本的很多廠家都可以制造盾構機 象三菱重工、川崎重工、小松、日立等公司。2盾構機的分類 1)人工挖掘式 2)封閉式3)半機械挖掘式4)敞開式機械挖掘式5)泥水式6)土壓式葉片式3.土壓平衡盾構機的構造與工作原理3.1盾構機

2、主要由下列一些裝置構成1、 盾構機殼體（前殼體、中殼體、盾尾）2、 推進油缸3、 切削刀盤4、 鉸接裝置5、 螺旋輸送機6、 管片拼裝機7、 皮帶輸送機8、 整圓器9、 單、雙軌梁10、盾尾密封11、同步注漿系統(tǒng)12、加泥系統(tǒng)13、加注泡沫裝置14、超挖刀裝置15、人行閘16、集中潤滑17、盾尾密封油脂注入系統(tǒng)18、后續(xù)臺車19、動力源20、液壓控制設備21、電氣設備22、檢測裝置及資料收集系統(tǒng)23、管路系統(tǒng)4功能分析說明 在說明盾構機各部位的功能時，以下以我單位購買的日本小松公司盾構機為例。4.1、抵擋周圍土體壓力的功能：抵擋周圍土體壓力的功能是由盾構機前殼體、中殼體和盾尾殼體完成。盾構機主

3、機殼體是用鋼板焊接而成的園型筒體，在內部焊有筋板、環(huán)板等一些加強板，具有足夠的耐土壓、水壓的強度和剛度。4.1.1、盾構機本體：盾構機殼體和盾尾殼體的直徑是由管片的外形尺寸、盾構機殼體在施工時所受的載荷以及隧道最小曲率半徑等所決定。4.1.1.1、構造：盾構機本體前安裝有刀盤，盾構機本體內安裝有刀盤驅動裝置、推進油缸、鉸接裝置、螺旋輸送機、拼裝機、整圓器、人行閘、工作平臺等裝置。4.1.1.2、規(guī)格： （1）盾構機外徑 6340 mm （2）盾構機內徑 6260 mm （3）盾尾間隙 30 mm （單側） （4）殼體鋼板厚 切口環(huán) 40 mm （材質Q235）支撐環(huán) 40 mm （材質Q235

4、）盾尾環(huán) 40 mm （材質Q235） （5）盾構機主機長 8105mm （6）盾構機主機殼體分塊數(shù) 4分塊 注：盾構機主機殼體分三段，但盾尾段再上下分成二塊。4.1.1.3、各部詳細說明：（1）盾構外徑（D）：盾構外徑由下式決定：DDs2（CT）其中：D: 盾構外徑Ds: 管片外徑C: 盾尾間隙T: 盾尾鋼板厚度 盾尾間隙：C123其中：1：盾尾內管片的傾斜量2：管片的真圓度公差。3：管片拼裝時的余量。a) 由計算得：當隧道曲率半徑R250時，14.6mmb）管片橢圓度公差：2 根據日本隧道標準真圓度公差：當盾構機外徑 6mD<8m 215mm/27.5mmc）管片拼裝時的余量：3根據

5、施工實績一般取810mm基于以上考慮，盾尾間隙（C）C1234.6+7.5+(810)20.122.1因此，根據以上計算并且考慮工程實績,本盾構機盾尾間隙C取30mm。 盾尾鋼板厚度：盾尾鋼板厚度（T），一般來說是根據盾尾鋼板自身強度或者盾尾密封安裝厚度（安裝厚度：盾尾密封刷安裝部位殼體厚度T1盾尾密封刷厚度T2）的大小而決定。本工程中，從盾尾密封刷安裝部位的殼體鋼板的強度和剛度關系考慮，盾尾殼體板厚取40mm。因此可得盾構機外徑：D=Ds+2(C+T)=6200+2(30+40)=6340mm其中：Ds： 管片外徑6200mmC ： 盾尾間隙30mmT ： 盾尾鋼板厚度40mm5.1.2、盾

6、構機長度： 盾構機主機長度由刀盤、切口環(huán)、支撐環(huán)、盾尾環(huán)的長度組成。盾構機主機長（不包括中心刀長度）：L = 500 + 2900 + 2270 + 2435 = 8105 mm刀盤部 切口環(huán) 支撐環(huán) 盾尾4.1.3、盾構機整機靈敏度：盾構機整機靈敏度為：盾構機主機長（L）/盾構機主機外徑（D）L / D = 8105 / 6340 = 1.28由于本盾構機具有鉸接裝置，所以按主機總長度計算的靈敏度比沒有鉸接裝置大一些。 4.2、掘進、挖掘土壤功能：這一功能是由大刀盤（帶有切削刀具）、刀盤驅動和確保盾構前進的推進系統(tǒng)（推進油缸、撐靴）完成。4.2.1、刀盤：4.2.1.1、構造：土壓平衡系列盾

7、構機，其刀盤形狀大致有面板式和輻條式二種。本工程由于主要在淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉土、粉砂及細砂層中施工，故刀盤設計為面板式（6根輻條加封板），中間支持方式，在刀盤各輻條上設置切削刀具，可以順時針或逆時針回轉對開挖面進行掘削?？紤]到由于會在粘性土層中施工，可能會產生粘性土粘附在刀盤及縫隙上從而引起堵塞，因此把輻條設計成倒梯型形狀（刀盤內表面開口比外表面大），這樣土砂能更容易地從輻條側面開口流入土倉。對本工程中土質都能很好地適應。4.2.1.2、規(guī)格： (1) 開挖直徑： 6360 mm (單側高出殼體10 mm)(2) 輻條數(shù)： 6條(3) 刀具種類： 切削刀 78個 (120 mm寬)

8、邊刀 (單刃) 12個 (140 mm寬)邊刀 (雙刃) 4個 先行刀 （刀盤外周） 12個 中心刀 （箭型刀） 1個(4)面板縫隙開口寬度： 550 mm(5) 開口率： 40%(6) 仿型刀： 數(shù)量 2把 伸出推力 294kN 30tf 行程 0135 mm 最大超挖量 125 mm（高出盾構機殼體）4.2.1.3、各部詳細說明：1) 刀盤形狀： 土壓平衡系列盾構機，其刀盤形狀為面板式。2) 輻條數(shù)： 輻條數(shù)與盾構機直徑成比例增加，一般說，二根輻條之間的刀盤外周長多設定在2.54.5m左右。如果輻條寬度過大，刀盤與開挖面掘削下的廢棄土接觸面積就增加，可能會產生過壓密，面板和刀具的磨損也要增

9、加。本盾構機輻條數(shù)： n =×D / 2.54.5 =×6.34 /2.54.5 = 4.48.0其中：n ： 輻條數(shù)D ： 盾構機外徑 考慮到在淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉土、粉砂及細砂層中施工，特別是在粘性土層中施工時，如果粘性土的粘性特別大，可能會產生粘性土粘附在刀盤及縫隙上從而引起堵塞，因此，小松公司根據實績經驗將輻條設計為6條。3) 開口率： 基于上述輻條數(shù)的考慮，為了防止刀盤中央部位可能的堵塞或土砂的過度取入，在面板型刀盤的有限中央部位盡可能增加開口。設定刀盤二輻條之間的開口幅度為550mm，刀盤開口率40%。開口率表達式： W = As / Ar ×

10、100%其中：W： 開口率 （%）As： 刀盤開口部分的總面積 （12.7 m2）Ar： 盾構機刀盤斷面積 (31.57 m2)4）支撐方式： 刀盤采用6根中間支撐方式，用大型軸承支持刀盤，驅動刀盤的回轉。在強度上能適合大口徑盾構機，并且，可以確保土倉中土砂的攪拌及流動性，特別是可以配置大型人行閘。5）加泥系統(tǒng)注入口： 為了使切削下來的土體能與加泥材料很好的混合，在刀盤輻條前面設置五個添加劑注入口。五個注入口（一只在刀盤中央，二只在刀盤中間部位，二只在刀盤外周）可通過各自二套系統(tǒng)注入加泥材料或發(fā)泡劑等添加料，對開挖面上的土壤進行改良處理，為了確保注入的添加料的效果，五個注入口及管路分別由二個互

11、不相關的注漿系統(tǒng)（或1個加注泡沫系統(tǒng)）控制。在胸板上也設有四個注入口可向土倉中加注添加料。 為了在砂層及砂礫層中改善土體的性質,配置加注泥漿和發(fā)泡劑添加裝置，可通過加泥、氣泡注入系統(tǒng)向開挖面注入發(fā)泡劑。 刀盤前面的注入口設有橡膠逆流防止閥（單向閥），以防止管路被泥砂堵塞。如果刀盤中的注入管路被堵塞，可用設置在刀盤回轉中心后端部的接口通過一套液壓疏通裝置用油泵向加泥系統(tǒng)管路加注最大為14Mpa左右的液壓油進行疏通，工程效果很好。6）、刀盤土倉中的攪拌裝置：設置固定攪拌翼和隨刀盤一起轉動的攪拌翼，用攪拌翼把注入在開挖面的加泥材料與切削下來的土體在土倉中進行充分的攪拌，提高土體的塑性流動性，防止土體

12、的滯留和粘附。使在園滑土倉中的廢棄土體具有良好的流動性和止水性。4.2.1.4、刀盤支撐方式的比較和選擇：刀盤的支持方式一般有中間支撐、中心支撐及外周支撐方式三種，從以往的施工實績看，一般情況下，6m左右的盾構機大多采用中間支撐方式。下面就6m左右的盾構機采用中間支撐方式與采用中心支撐方式各利弊進行比較： 表1 刀盤的支持方式比較表 表示好；表示比較好；表示較差名 稱外周支撐中間支撐中心支撐結 構 圖刀盤強度土砂的排出粘附中心部內周部外周部大型人行閘安裝1）、在同樣的的地質條件偏載荷下，采用中間支撐方式比采用中心支撐方式由于刀盤力臂小，所受彎曲扭矩也，因此在滿足同樣偏載荷下，其強度及剛度可以相

13、對小。中心支撐形式中間支撐形式力臂大彎曲扭矩大偏載荷力臂小偏載荷彎曲扭矩小圖2中間與中心支撐方式強度及剛度的比較2）、對于廢棄土的排出與粘附，采用中間支撐方式比采用中心支撐方式，由于在中心處開口大，所以在刀盤的中心部位有利。中心部開口沒有中心部開口大中心支撐形式中間支撐形式圖3中間與中心支撐方式廢棄土的排出與粘附的比較中心支撐形式中間支撐形式因此，刀盤采用中間支撐方式，在強度上能適合大口徑盾構機，并且，在刀盤的結構設計上可以確保土倉中土砂的攪拌及流動性。 4.2.2、刀具：4.2.2.1刀具的配置：l 在外周部位配置了12把單刃刮刀，4把雙刃邊刀。l 切削刀具78把，為了使各刀片的磨損量盡可能

14、接近，根據其切削工作量，將刀盤分為3部分： 刀盤外周部位每一切削軌跡配置3把刀具。 刀盤中間部位每一切削軌跡配置2把刀具。 刀盤內周部位每一軌跡配置1把刀具。l 在刀盤外周配置了12把先行刀具，可減少刀盤外周部位切削刀具的磨損。l 中心刀1把。4.2.2.2、刀具種類：1) 切削刀具和刮刀刀具：切削刀具和刮刀刀具的規(guī)格見表2、形狀如圖4、圖5所示?？紤]到各刀具的安裝、更換，采用更換作業(yè)容易的螺栓安裝型。表2 切削刀具、刮刀刀具規(guī)格項目規(guī)格形式切削刀具刮刀刀具刀片材質E3（JIS）E3（JIS）刀架材質SKC24SKC24刀架保護材料硬質合金堆焊硬質合金堆焊刀具寬度120mm140mm刀具高度8

15、0mm80mm （外周10 mm）刀片高度30mm30mm刀具前角150150刀具后角100100刀具刃角650650 圖4 切削刀具形狀 圖5 刮刀刀具形狀2) 先行刀具（根據需要配置，選購件）：先行刀具的主要作用是減輕切削刀的荷載，減少刀具磨損。焊接在刀盤前表面部位，高于刀盤面板90mm，比切削刀高10mm。 圖6 先行刀具形狀3) 中心切削刀： 為了有效地掘削刀盤中心部位附近的土體和把土砂順暢的排入土倉為目的，在刀盤中心部位，設置高度350mm具有超硬刀片的中心切削刀。中心切削刀板厚100mm，能承受一定的沖擊載荷。4.2.3、刀盤驅動裝置： 刀盤驅動裝置是盾構機的最關鍵部件，特別是刀盤

16、密封、大軸承的可靠性、安全性、壽命是至關重要的。4.2.3.1、規(guī)格：(1) 裝備扭矩： 100%時 5151kN m 526tf-m （=20.2） 120%時 6181kN m 631tf-m （=24.3）(2) 轉速：無級調速最大轉速 1.3 rpm (刀盤最外周線速度25.1m/min)最小轉速 0.25 rpm (刀盤最外周線速度4.8m/min)(3) 驅動方式： 變頻電機驅動(4) 驅動電機： 功率 55kW 臺數(shù) 8臺 輸出扭矩 77.2kN 7872kgf-m /臺 在50Hz時4.2.3.2、構造： 刀盤驅動裝置是由 字型斷面的鋼板焊接構造而組成，在內部安裝高精度、大負荷

17、的三排園柱滾子軸承和刀盤驅動密封圈。8臺變頻電動機通過減速機輸出軸上的小齒輪帶動與其嚙合的大軸承內齒圈驅動刀盤旋轉，刀盤可以順時針或逆時針旋轉。為了防止土砂、水進入驅動裝置內，在旋轉部與固定部中間設置密封裝置。內MY型密封（4道）內唇型密封（4道）胸板刀盤驅動部(包括密封、大軸承、小齒輪、減速機變頻電動機組)作為一個整體組裝調試后再用高強度螺栓按規(guī)定的扭矩栓接在盾構機殼體上，這樣能保證盾構機在運轉及多次拆裝時刀盤密封與傳動的可靠性與安全性。驅動裝置構造如下圖7所示：土倉胸板變頻電機（帶減速機）盾構機前殼體外MY型密封（3道）外唇型密封（4道）大軸承刀盤支撐內MY型密封（3道）唇型密封（4道）小

18、齒輪高強度螺栓圖7刀盤驅動裝置構造5.2.3.3、各部詳細說明：1）、軸承：軸承形式為三排園柱滾子軸承（帶內齒）。軸承規(guī)格見表4所示。表4 軸承規(guī)格項目靜載荷*1動載荷*2軸向側 CA (tf)5501886反軸向側 CRA (tf)2650381.2徑向側 CR (tf)366111計算壽命11615小時以上大軸承壽命是根據地質條件及埋深所決定的荷載情況（水土壓力）及盾構機配備的推力、盾構機自重等條件而計算，本工程所選用的大軸承計算壽命在埋深18m，土的比重1.8t/m3時為11615小時。2）、刀盤驅動密封： 刀盤驅動密封由一道機械式迷宮密封、一道唇型密封（四唇型）、三道MY型密封組成。刀

19、盤驅動密封構造如上圖7所示，規(guī)格如表5所示。表5 密封規(guī)格項 目規(guī) 格形 式MY 型唇型（4唇口）材 質丁晴橡膠聚胺脂橡膠數(shù)量內周（刀盤與胸板）3 道1 道外周（刀盤與殼體）3 道1 道耐 壓 力最大1 Mpa 密封部的磨損主要是密封配合面（鋼板上）的磨損,，根據小松公司的實驗結果，在密封圈直徑2000mm、水壓1.08Mpa、轉速5rpm，在運走距離500km時，MY型密封配合面的磨損在0.02 mm（包括殼體）以下，溫升在700左右。雖然實際上磨損量可能要大于預測磨損量，但密封圈在裝配時，密封圈具有很大的壓縮量，因此具有足夠的補償量。3）、潤滑、供脂裝置：軸承部（包括內齒圈）、小齒輪采用設

20、置在主軸承室下部的油池進行強制潤滑：油池中的齒輪油用泵輸出，通過濾清器濾清后的清潔潤滑油來潤滑大軸承和內齒輪。集中潤滑系統(tǒng)采用集中自動間斷給脂式，用泵經過分配閥間斷地向刀盤驅動密封（唇型密封及MY型密封）之間加注潤滑油脂，加油脂采用壓力和時間控制，壓力優(yōu)先；在螺旋輸送機驅動部密封處、中心回轉接頭密封部分也充填具有一定壓力的潤滑油脂。 并且，在給油脂回路中設置了當發(fā)生異常高壓時，在報警的同時刀盤旋轉立即停止的聯(lián)鎖系統(tǒng)，以防止密封損壞。表6 給脂裝置規(guī)格系統(tǒng)項目規(guī)格潤滑裝置形式泵電動機設置地點油池強制潤滑式11.6L/min×1.5MPa×1臺0.75kw×400V&

21、#215;4P×1臺盾構機內給脂裝置形式泵電動機設置地點獨立強制給脂式(間斷給油脂)0.036L/min×15.7MPa×2臺0.2kw×400V×4P×2臺臺車4.2.3.4、驅動方式：因為大口徑盾構機內空間較大，驅動裝置空間設置限制少。為了提高效率，減低起動扭矩，簡化后方設備，改善隧道內環(huán)境（低噪音、無高溫）等，切削刀盤采用變頻電機驅動方式。驅動電機的變頻控制可使刀盤變速運轉，隨施工狀況和土質的軟硬進行調整，所以對各種土質的適應性最好。變頻器及變頻電動機是小松公司與日本東芝公司專門為小松公司盾構機使用制造的，已具有20多年的設計制

22、造歷史。具有啟動時電機頻率很低（解決了啟動時電流大的問題），起動力矩最大可達150%，并且能保持各驅動電機同步等特點。盾構機刀盤驅動一般有以下3種形式： 變頻方式： 變頻電機+減速機+驅動刀盤。 電機離合器方式：電機+離合器（磁粉）+減速機+驅動刀盤。 液壓方式： 液壓馬達+減速機+驅動刀盤。表7 為3種刀盤驅動方式優(yōu)缺點比較。表7 刀盤的3種驅動方式比較No項目變頻電動機電動機方式液壓方式備 注1驅動部外形尺寸中大小如以外形尺寸為1，則1.52，22.5。2后續(xù)設備少少大需要液壓泵、大油箱、冷卻裝置等，所以后續(xù)設備大。3效率 (%)0.950.90.65由于，采用電機驅動，故效率高。4起動電

23、流小小小利用變頻起動，電流小，因為切斷磁粉離合器起動，電流小，由于無負荷起動，電流小。5起動力矩大中小起動力矩可以達到額定力矩的120%，約低20%。6起動沖擊小大小利用變頻、控制液壓泵排量，二者可以低轉速、緩慢起動。由于離合器離、合，所以沖擊大。7轉速控制微調好差好利用變頻、控制液壓泵排量，可以控制轉速、微調。由于采用離合器，所以一般只有二種速度。8噪音小小大由于液壓系統(tǒng)，所以噪音大9隧道內溫度小小大由于液壓系統(tǒng)，功率損耗大，所以溫度高。10維護保養(yǎng)好好差、幾乎不要，液壓系統(tǒng)維護保養(yǎng)復雜，要求高。11綜合評價變頻方式：產業(yè)界普遍采用，其安全性、效率、可靠性都好。電動機方式：其安全性、效率、可

24、靠性好。但適應土質變化的可靠性差，并且起動、反轉，速度控制差。液壓方式：其安全性、效率、可靠性差。5.2.3.5、刀盤驅動扭矩：刀盤配置扭矩是根據理論計算所需扭矩（見盾構機設計計算書）、日本及小松公司工程實績而決定的。1）對于本工程的土質條件，根據以往的實績，盾構機直徑在6m左右，扭矩系數(shù)在1423（6.34m的盾構機扭矩在32415329kN-m）之間。2）理論計算所需扭矩為3947kN-m310.9tf-m，而本工程盾構機配置的額定扭矩（100%）時為5147kN-m 525tf-m（=20.2），扭矩在120%時，為 6176kN-m630tf-m（=24.2）。圖8盾構機配置扭矩圖3）

25、從圖9可見（取自日本隧道標準書），本盾構機所配置的扭矩比以往工程施工中同類盾構機的實績扭矩要大。本機120%時本機額定時（100%）圖9 土壓平衡式盾構機的值（隧道標準） 所以說，本盾構機所配備的扭矩完全能滿足工程的需要。4.2.4、推進裝置：4.2.4.1、規(guī)格： (1) 裝備總推力 37730kN 3850tf(2) 單位面積推力 1195kN/cm2 122tf/ m2 (3) 裝備推進油缸數(shù) 22只 (4) 推進油缸22只長行程油缸 1715kN×2150st×260×32.4Mpa 175tf×2150st×260×330

26、kgf/cm2 (5) 最大推進速度 (油缸全數(shù)動作) 6.0cm/min4.2.4.2、各部詳細說明：1)、盾構機推力及裝備數(shù)量：裝備推力是根據工程土質條件（粘土、砂、砂礫層）所需推力的理論計算、工程實績所決定。 、所需理論推力計算為16625 kN1696.5tf。根據本工程土質條件（特別是在砂、砂礫層），本盾構機配置了足夠大的推進油缸：1715kN175tf×22只油缸，總推力為37730 kN3850tf，單位面積推力1195kN/cm2 122tf/ m2,為理論計算推力的2.27倍。、從圖8可見（取自日本隧道標準書），本盾構機所配置的單位面積推力1195kN/cm2 12

27、2tf/ m2,比以往工程施工中同類盾構機的實績推力要大。 本機 圖8 盾構機外徑與裝備推力的關系（隧道標準書）所以說，本盾構機所配備的推力完全能滿足工程的需要。2)、推進油缸行程（St）：考慮封頂塊K型管片能在管片360度范圍內的任意處拼裝，22個推進油缸的行程都為2150mm，布置及行程充分考慮了管片的構造及拼裝管片的方便。3)、推進油缸撐靴：為了防止盾構機推進時管片的缺損，撐靴不配置在相鄰管片的接縫部位。推進油缸撐靴與推進油缸活塞頭部是用可任意方向轉動的球鉸聯(lián)接，能夠充分對應管片與盾構機的傾斜，保證撐靴平面與管片密貼。為了能使推進油缸的推力均勻地傳遞給管片，推進油缸撐靴面積要適當大些。撐

28、靴表面有一聚安脂膠墊，千斤頂撐靴在與管片接觸時能保證推力緩和均勻地作用在管片上，確保管片襯砌環(huán)面的受力狀況良好。4.3、抵擋泥漿和水的密封功能：由刀盤驅動密封（大刀盤與殼體之間，以及大刀盤與密封隔倉之間）、集中潤滑系統(tǒng)、鉸接密封、盾尾密封及盾尾油脂系統(tǒng)完成。4.3.1、刀盤驅動密封、集中潤滑系統(tǒng)：前面已介紹4.3.2、盾尾密封及油脂注入系統(tǒng)：1)、構造：安裝有3道鋼絲刷式盾尾密封，并且設置氣動盾尾油脂注入系統(tǒng)。本工程的水壓在0.20Mpa左右，根據小松公司以往工程實績，采用三道盾尾密封在充滿一定壓力盾尾油脂的情況下可耐0.30.5Mpa的水壓。 設置了盾尾油脂充填泵和管路，在盾構機推進過程中根

29、據需要向盾尾鋼絲刷中注入油脂。一般情況下，在水壓小于0.3Mpa時可根據地質及施工實際情況向盾尾鋼絲刷中注入盾尾油脂，但在水壓大于0.3Mpa時，盾構機在推進過程中需不間斷地向盾尾鋼絲刷中注入具有一定壓力的油脂，防止盾尾鋼絲刷反轉。由于油脂的不斷充填，可以獲得充足的止水效果。2)、規(guī)格：表8盾尾密封規(guī)格項目規(guī)格形式鋼絲刷型鋼絲材質硬鋼絲鋼絲長度200mm數(shù)量3道油脂注入管1英寸×12根油脂注入泵排量0.9 L/min額定壓力8.8MPa圖18 盾尾密封油脂系統(tǒng)圖圖9 盾尾油脂注入點4.3.3鉸接裝置密封：4.3.3.1構造：盾構推進油缸后殼支持式，鉸接裝置是在前后方向上將盾構本體分成

30、2部分，用個液壓油缸將分割部接合；通過液壓油缸的行程差來彎曲盾構本體的一種裝置，通過液壓油缸的動作，能在任意的方向上調整盾構本體。在分割部位，采取防止土砂、水等浸入的鉸接密封措施。4.4、掘削土的排出和轉運至棄土車上的功能：由螺旋輸送機和皮帶輸送機完成。4.4.1、 排土裝置 (螺旋輸送機、皮帶輸送機)：4.4.1.1、構造：考慮到本工區(qū)地質資料所表述的土層為淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉土、粉砂及細砂，不含砂礫。因此所設計的螺旋輸送機有軸式，能滿足該種地質的施工。螺旋輸送機所能輸送的最大礫徑為200×300mm的礫石，因此，如果遇到在含量不是很多且砂礫礫徑不是很大的砂礫層中施工，本螺

31、旋輸送機也能滿足施工要求。由于天津地下水不豐富，地下水壓較低為0.18Mpa，有軸式螺旋輸送機不太會出現(xiàn)噴發(fā)現(xiàn)象。4.4.1.2、規(guī)格：(詳見參數(shù)表)4.4.1.3、各部詳細說明：1)、葉片形狀：葉片形狀采用有軸螺旋葉片式。2)、螺旋輸送機控制：螺旋輸送機轉速的控制有自動和手動操作二種。自動操作時，自動控制系統(tǒng)將刀盤土倉中實測的土壓與預先設定的掘進速度及土壓進行比較，可自動地調整螺旋輸送機轉速（增、減排土量），將密封土倉中的土壓保持在一定的管理值內，以最合適的土壓進行掘進管理。保證隧道開挖面的穩(wěn)定性和安全性。并且可以手動（用在操作臺上的電位器）控制螺旋輸送機轉速。當測量土倉中土壓力的壓力傳感器

32、發(fā)生故障，盾構機推進速度與預先設定好的螺旋輸送機轉速不相匹配時：即挖土量與排土量不相適應時（超過一定的范圍值），盾構機將自動停止工作。3)、排土能力：本盾構機掘進時所需排土量Q1=114m3/h，螺旋輸送機的排土能力Q2=191 m3/h，因此本螺旋輸送機所配置的排土能力是所需排土量的1.67倍（191/114）。4)、在螺旋輸送機的徑向排土口設有一道液壓開閉閘門，在開啟油缸上安裝有行程傳感器。在操作盤上可任意控制該閘門的開口度，根據掘進速度隨時調節(jié)排土量，可形成良好的土塞，提高排土止水效果。5)、排土閘門的液壓系統(tǒng)中設有蓄能裝置，油壓為210kgf/cm2，在突然斷電，液壓泵停止工作的情況下

33、，可以啟動蓄能裝置，關閉排土閘門。4.5、管片的裝卸、運輸、拼裝功能：通過單、雙軌梁上的起吊管片的電動環(huán)鏈葫蘆將管片從運輸車上吊起運送至拼裝機處，管片拼裝由拼裝機完成。4.5.1、管片拼裝機、單、雙軌梁裝置：4.5.1.1、構造：單軌梁安裝在第1節(jié)車架與第2節(jié)車架之間內，雙軌梁安裝在第1節(jié)車架與盾構機主機之間，將管片從運輸車上卸下送至拼裝機下部。拼裝機裝置是用來進行管片拼裝作業(yè)的，安裝在盾構機的支撐環(huán)上。拼裝機為盤型回轉式，用油馬達驅動，管片伸降、平移、支撐、擴張的動作用油缸進行。油馬達具有常閉制動功能。4.5.1.2、規(guī)格：(詳見參數(shù)表)4.5.1.3、各部詳細說明： 1)、拼裝機油缸的動力

34、和油箱等裝置安裝在拼裝機的結構件上（懸臂梁等）。 2)、拼裝機回轉有高速1.2rpm及低速0.2rpm二擋速度，可切換。左右可各2000回轉。3)、管片拼裝機具有有線和無線操作功能?？赏ㄟ^有線或無線操作盒進行操作，拼裝管片作業(yè)時可以在安全的地方邊觀察邊進行操作。4)、管片拼裝機旋轉時伴有警笛聲和警燈閃動。設計充分考慮了以安全第一的原則。5)、通過單、雙軌梁將管片從輸送車上吊起送到盾構拼裝機處，方便了管片的運輸，單、雙軌梁設有電氣和機械限位裝置以防止行走小車脫落軌道。6)、行走小車采用鏈輪鏈條行走。7)、雙軌梁行走小車上配置具有起吊2.5T重量的電動環(huán)鏈葫蘆2只, 單軌梁行走小車上配置具有起吊5

35、T重量的電動環(huán)鏈葫蘆1只,滿足單片管片最大重量3.5t的運輸要求。4.6、管片襯砌背后環(huán)狀空隙注漿功能（同步注漿）：通過盾構機同步注漿管路、注漿泵及控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。4.6.1、結構：為了減小對周圍地層的影響及防止地面的沉降，在盾構機推進的同時迅速地向盾尾空隙注入漿液充填。在盾尾的外殼體上設置4處注漿口（上部2點，下部2點）。為了防止管路的堵塞，設置管路清洗系統(tǒng)。4.6.2、規(guī)格：注入管（殼體上）： 1 1/2B×4根（管路上安裝有球閥）清洗管（殼體上）： 1 1/2B×4根（管路上安裝有球閥）盾構機內管路基本為2B注入口開閉油缸：1.7tf×40×100

36、st×13.7MPa×4只單液同步注入泵： PA30C型柱塞泵一臺（變頻控制）規(guī)格： 功率30kW出口壓力5.5Mpa流量231 L/min 漿液箱容量： 5.4m34.6.3、各部詳細說明：1)、在后部殼體鋼板外側上、下部兩側設置了同步注漿口，共4處。在4個注漿分管路上安裝電氣控制的氣動閥門（4只）、并裝有壓力傳感器（4只）及壓力表（4只）。計量裝置通過柱塞泵的計數(shù)來反映泵送的總流量。2)、注漿量一般為環(huán)形空隙的130180左右，在曲線轉彎時注漿量會增加。同步注漿壓力一般在0.20.3Mpa左右，具體情況根據地質條件和充填效果而定。3)、在遇到松散地層，注漿壓力較小而注漿

37、量很大時，應考慮增加注漿量，直到注漿壓力超過控制壓力下限。4)、同步注漿量、同步注漿壓力可以自動或手動控制，且能在控制操作臺上顯示，注漿量，注漿壓力都可以通過操作屏設定。5)、盾構機邊推進邊注漿，注漿量按照預先設定好的量與盾構機推進速度相適應。6)、注漿系統(tǒng)具有清洗功能，注漿時，注漿管路出口處（在盾尾殼體末端）活塞打開，在停止注漿時，出口處被活塞堵住，此時漿液無法注到環(huán)形空隙中，可用清水清洗管道，以防管道堵塞，并且在盾構殼體外側的管道結構上設計成可以從盾構機內拆卸與疏通。7）、注漿時，在操作室內的控制屏上通過控制管路上的球閥，4個注漿口可任意選擇。4.7、盾構機的導向控制功能：4.7.1、構造

38、：盾構機的導向控制（如：軸線糾偏、曲線掘進等軸線控制）由均布在盾構機上的22只推進油缸裝置、仿形刀、鉸接油缸裝置、測量系統(tǒng)及操作臺上的顯示操作屏完成。4.7.2 、規(guī)格：4.7.2.1、推進油缸裝置： 見4.2.4推進裝置中規(guī)格及各部詳細說明。4.7.2.2、仿形刀裝置規(guī)格：在刀盤中安裝仿形刀，可以進行盾構機外周部位（大于盾構機外徑）的超挖。表9 仿形刀規(guī)格項目規(guī)格數(shù)量2只推力294kN/只 30tf/只最大超挖量125mm （高于殼體）超挖設定范圍22.50節(jié)距超挖量用流量計設定4.7.2.3、鉸接油缸規(guī)格：數(shù)量：16行程：230mm糾偏角度：上下10 左右1.50總推力：1960×

39、;16=31,360kN 200×16 =3200tf4.7.3、各部詳細說明：4.7.3.1 盾構機推進油缸：1)、盾構機推進千斤頂采用22只油缸均布在盾構機殼體四周，被編為4個組，按上、下、左、右劃分為4個區(qū)域。在上、左、右3個區(qū)域各有一只油缸安裝測量油缸伸出長度的行程傳感器，形成基本導向裝置系統(tǒng)。2)、四個區(qū)域的液壓回路中各有一只正比例控制的減壓閥，可通過操作觸摸屏來調節(jié)每個區(qū)域中油缸的推進壓力，推進千斤頂也可按照需要分別單獨選擇。在操作室內的操作觸摸屏上能準確、直觀地顯示盾構機千斤頂伸縮的數(shù)值，并且可以進行油缸的選擇。推進千斤頂可根據施工狀況在操作臺上任意進行組合。 4.7.

40、3.2 盾構機仿形刀裝置：1)、仿形刀實際使用只需一只即可，為安全起見，設置了二只，其中最大超挖為125mm，對曲率半徑為250mm的曲線施工綽綽有余，理論上在左右鉸接角度為0.4度，超挖量為40mm就能滿足2)、仿形刀的動作范圍與行程可在運行操作臺上顯示并可任意設定。5.7.3.3 盾構機鉸接裝置：1）、鉸接裝置是將盾構本體前后2部分用16個液壓油缸連接成一個整體；通過液壓油缸的行程之間的差來彎曲盾構本體的一種裝置。通過液壓油缸的動作，能在上下、左右方向上調整盾構本體彎曲角度。2）、在前后殼體連接部位，采取防止土砂、水等浸入的密封措施。3）、鉸接裝置是為順利進行曲線施工的一種輔助手段，在進行

41、曲線施工時，一定要與推進油缸的單側推進、錐形管片的使用、超挖的實施共同進行，以實現(xiàn)所定的曲率半徑。4）、鉸接油缸行程可通過上下左右（No.2、4、7及13）4個油缸行程檢測裝置在操作盤上顯示。5）、鉸接動作：（1）在曲率半徑R250m時，鉸接角度0.4o，油缸行程差為39mm，刀盤超挖40mm。（2）在鉸接動作中，如超出鉸接范圍時，聯(lián)鎖機構起動，這時只能進行將彎曲狀態(tài)返回工作范圍的操作。操作盤上的顯示燈：方向修正不可閃亮。（3）因鉸接量和曲率半徑的關系是計算值，所以，在施工時必須要邊測量確認曲率半徑及曲線長度邊進行曲線施工。5.7.3.4 盾構機測量裝置：1)、盾構機位置的測定由ROBOTEC

42、測量系統(tǒng)（光波測量系統(tǒng)）自動精確測出，并且可通過測量資料轉換系統(tǒng)將資料顯示在操作臺上。2)、盾構機在掘進時，由于大刀盤切削土體，從而產生了一個反力矩，在這個反力矩作用下，盾構機可能會繞軸線旋轉，一般情況下，這個反力矩由盾構機殼體與土體的摩擦力以及推進油缸撐靴與管片之間的摩阻力矩來克服的。本盾構機沒有設置專門的防旋轉機構，但在測量控制系統(tǒng)中設置了：當盾構機繞軸線旋轉±3°時，盾構機報警；而當盾構機繞軸線旋轉±5°時，盾構機自動停止工作。4.8、土壓自動控制系統(tǒng)：完成土壓管理及土壓控制的功能。4.8.1、構造：合理管理刀盤土倉內的土壓對土壓平衡式盾構機是非常

43、重要的，它要求合理配置土壓傳感器、實現(xiàn)實時監(jiān)控。因此，我們在土倉內的上、下、左、右位置配置土壓傳感器，實現(xiàn)連續(xù)測量控制管理。4.8.2、各部詳細說明：1)、通過土壓控制裝置，控制刀盤土倉內的土壓，當土壓值與所設定的管理目標值不一致時，自動調節(jié)螺旋機的轉速（即排土量），直至土壓值與所設定的管理目標值趨于一致。2)、控制的方法：自動土壓控制是由操作盤內的程序裝置進行的，下面表示實際的控制流程（圖）。首先計算出被計測的當前土壓值（PV：Process Value）與操作設定的管理目標值（V：Set Value）的差（偏差E）。把得到的偏差傳給PID控制演算部，得到螺旋輸送機旋轉速度的控制輸出值（MV

44、：Manipulated Vale）。自動控制時，如果計測土壓（PV）比設定土壓（SV）高，螺旋輸送機轉速（MV）就增加，如果低，螺旋輸送機轉速就減少。螺旋輸送機轉速如發(fā)生變化，“每單位時間的排土量”也隨著變化，因此，在掘進速度恒定的情況下（開挖面的每單位時間挖掘土量一定），土倉內的棄土量將發(fā)生變化，其結果就會引起土倉內土壓發(fā)生變化。自動控制就是控制螺旋輸送機的轉速，使這種土壓的變化向目標管理土壓值靠近。只要有設定土壓與計測土壓之差，就會經常進行這種控制。因此，自動控制時，在設定土壓管理范圍內，螺旋輸送機轉速會反復出現(xiàn)輕微的加快與放慢，這是正常的自動控制動作，并非異常。（然而振幅異常大不見變小

45、時，可考慮控制參數(shù)的設定異常。）在手動操作的場合下，操作盤上的“螺旋輸送機轉速”調整電位器控制的信號就成為輸出MV值。土壓目標設定值土倉土壓計測值 主動操作量（電位器）比較（偏差E算出） 土壓變化自動操作量演算（PID） 控制參數(shù) 土倉土量變化 切換PID演算部螺旋輸送機回轉速度手動控制 排出土量變化 螺旋輸送機轉速變化螺旋輸送機轉速輸出(MV) 圖10：整體控制流程4.9、檢測裝置及資料收集系統(tǒng)：由各種傳動器（用以測定工作面土壓力、千斤頂推力、出土速度、盾構姿態(tài)等）、資料傳送、測定處理、計算機操作控制系統(tǒng)完成。4.10、其它：4.10.1、加泥注入系統(tǒng)： 參見5.2.1刀盤中5.2.1.3各

46、部詳細說明5）加泥系統(tǒng)注入口。加泥注入設備安裝在后續(xù)臺車上。規(guī)格： 泵形式：橡膠管擠壓式 泵規(guī)格： 加泥注入泵15kW×2只 氣泡注入泵1.5kW×1只泥箱容量：6.8 m3×1只4.10.2、密封隔倉：為了提高土倉中土體的流動性，在密封隔倉胸板部位設置了4根固定注入管向土倉中注入添加材料。密封隔倉上安裝有土壓力傳感器，人行閘及固定攪拌棒。并且設有氣體管路，可在需要排出土倉中較大障礙物或者更換刀具時向切削土倉中壓入具有一定壓力的氣體，用以穩(wěn)定開挖面。4.10.3、人行閘：為了防備意外事態(tài)發(fā)生，在密封隔倉的胸板中央部位安裝了人行閘，人員可以通過人行閘出入土倉。1)、由于盾構機內部空間的限制，為了保證人行閘具有足夠的空間，以確保人行閘內人員的活動空間及安全，故人行閘與材料閘合為一閘。2)、人行閘為單艙，具有配套的調節(jié)土倉壓力平衡的裝置。3)、人行閘額定使用壓力為0.5Mpa，最大壓力為0.75Mpa以上。長度為2.315m，直徑為1.518m，能保證二人的空間。4.10.4、滑材注入口（本體外周部，固定式）：在靠近密封隔倉的殼體外周部位安裝了11根注入管（在管路上有手動球閥），可以向殼體和周圍土體之間