海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)分析

1、海瑞克土壓平衡式盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)分析2008-08-07關(guān)鍵字：盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)分析承擔修建深圳地鐵一期工程第七標段（華強至崗廈區(qū)間內(nèi)徑為5.4m的雙線隧道）的施工任務(wù)，根據(jù)施工地段地層自立條件差，地下水較豐富的特點，購進了兩臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的世界上最先進的土壓平衡式盾構(gòu)機。這兩臺盾構(gòu)機都由西門子公司的S7-PLC自動控制系統(tǒng)控制，配備了機電一體化的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、同步注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤土設(shè)備及SLS-T隧道激光導(dǎo)向設(shè)備，并可在地面監(jiān)控室對盾構(gòu)機的掘進進行實時監(jiān)控。本文將就盾構(gòu)機的工作原理、盾構(gòu)機的組成、及各組成部分的功能結(jié)合實際施工情況做一簡要闡述。盾構(gòu)機的工作原理1 .盾構(gòu)機的掘進液壓馬達驅(qū)動

2、刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟盾構(gòu)機推進油缸，將盾構(gòu)機向前推進，隨著推進油缸的向前推進，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來的磴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上，后由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運至地面。2 .掘進中控制排土量與排土速度當泥土倉和螺旋輸送機中的磴土積累到一定數(shù)量時，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進入泥土倉的阻力增大，當泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對應(yīng)的地面部分也不致坍坍或隆起，這時只要保持從螺旋輸送機和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時，開挖工作就能順利進行。3 .管片拼裝盾構(gòu)機

3、掘進一環(huán)的距離后，拼裝機操作手操作拼裝機拼裝單層襯砌管片，使隧道一次成型。盾構(gòu)機的組成及各組成部分在施工中的作用盾構(gòu)機的最大直徑為6.28m,總長65m其中盾體長8.5m,后配套設(shè)備長56.5m,總重量約406t,總配置功率1577kW最大掘進扭矩5300kN•m,最大推進力為36400kN,最陜掘進速度可達8cm/min。盾構(gòu)機主要由9大部分組成，他們分別是盾體、刀盤驅(qū)動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備。1 .盾體盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，這三部分都是管狀簡體，其外徑是6.25m。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅(qū)動，同時

4、使泥土倉與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上，以起到支撐和穩(wěn)定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器，可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接，中盾內(nèi)側(cè)的周邊位置裝有20個推進油缸，推進油缸桿上安有塑料撐靴，撐靴頂推在后面已安裝好的管片上，通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構(gòu)機向前的掘進力，這20個千斤頂按上下左右被分成A、RGD四組，掘進過程中，在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力，這樣盾構(gòu)機就可以實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進中盾構(gòu)機的軸線盡量擬合隧道設(shè)計軸線。中盾的后邊是尾盾，尾

5、盾通過12個被動跟隨的錢接油缸和中盾相連。這種錢接連接可以使盾構(gòu)機易于轉(zhuǎn)向。2 .刀盤刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，位于盾構(gòu)機的最前部，用于切削土體，刀盤的開口率約為26%刀盤直徑6.28m,也是盾構(gòu)機上直徑最大的部分，一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅(qū)動部分，刀盤上可根據(jù)被切削土質(zhì)的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具，刀盤的外側(cè)還裝有一把超挖刀，盾構(gòu)機在轉(zhuǎn)向掘進時，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴大開挖直徑，這樣易于實現(xiàn)盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)向。超挖刀油缸桿的行程為50mm刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉中進行更換。法蘭板的后部安裝

6、有一個回轉(zhuǎn)接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。3 .刀盤驅(qū)動刀盤驅(qū)動由螺栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上，它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現(xiàn)0-6.1rpm的無級變速。刀盤驅(qū)動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成，每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置，用于制動刀盤。安裝在前盾右側(cè)承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅(qū)動主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。4 .雙室氣閘雙室氣閘裝在前盾上，包括前室和主室兩部分，當掘進過程中刀具磨損工作人員進入

7、到泥土倉檢察及更換刀具時，要使用雙室氣閘。在進入泥土倉時，為了避免開挖面的坍坍，要在泥土倉中建立并保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應(yīng)的氣壓，這樣工作人員要進出泥土倉時，就存在一個適應(yīng)泥土倉中壓力的問題，通過調(diào)整氣閘前室和主室的壓力，就可以使工作人員可以適應(yīng)常壓和開挖倉壓力之間的變化。但要注意，只有通過高壓空氣檢查和受到相應(yīng)培訓(xùn)有資質(zhì)的人員，才可以通過氣閘進出有壓力的泥土倉?，F(xiàn)以工作人員從常壓的操作環(huán)境下進入有壓力的泥土倉為例，來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進入主室，關(guān)閉前室和主室之間的隔離門，按照規(guī)定程序給主室加壓，直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時，打開主室和泥土倉之間的閘閥，使

8、兩者之間壓力平衡，這時打開主室和泥土倉之間的隔離門，工作人員甲進入泥土倉。如果這時工作人員乙也需要進入泥土倉工作，乙就可以先進入前室，然后關(guān)閉前室和常壓操作環(huán)境之間的隔離門，給前室加壓至和主室及泥土倉中的壓力相同，扣開前室和主室之間的閘閥，使兩者之間的壓力平衡，打開主室和前室之間的隔離門，工作人員乙進入主室和泥土倉中。5 .管片拼裝機管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上，拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中，一個內(nèi)圈為齒圈形式外徑3.2m的滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連，內(nèi)圈通過法蘭與旋轉(zhuǎn)架相連，拼裝頭與旋轉(zhuǎn)

9、支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫粱相連接。現(xiàn)以拼裝頭在正下方位置的情況為例，來說明拼裝機的運動情況。兩個拼裝機行走液壓油缸可以使支撐架、旋轉(zhuǎn)架、拼裝頭在拼裝機大梁上沿隧道軸線方向移動；安裝在支撐架上的兩個斜盤式軸向柱塞旋轉(zhuǎn)馬達，通過驅(qū)動滾珠軸承的內(nèi)齒圈可以使旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉(zhuǎn)各200度；通過伸縮油缸可以使拼裝頭上升或下降；拼裝頭在油缸的作用下又可以實現(xiàn)在水平方向上的擺動，和在豎直方向上的擺動以及抓緊和放松管片的功能。這樣在拼裝管片時，就可以有六個方向的自由度，從而可以使管片準確就位。拼裝手可以使用有線的或遙控的控制器操作管片拼裝機，用來拼裝管片。我們采用的是1.2m長的通用管片

10、，一環(huán)管片由六塊管片組成，它們是三個標準塊、兩塊臨塊和一塊封頂塊。封頂塊可以有十個不同的位置，代表十種不同類型的管環(huán)，通過選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型后的隧道軸線與設(shè)計的隧道軸線相擬合。隧道成型后，管環(huán)之間及管環(huán)的管片之間都裝有密封，用以防水。管片之間及管環(huán)之間都由高強度的螺栓連接。6 .排土機構(gòu)盾構(gòu)機的排土機構(gòu)主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由斜盤式變量軸向柱塞馬達驅(qū)動，皮帶輸送機由電機驅(qū)動。磴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸?shù)狡л斔蜋C上，皮帶輸送機再將磴土向后運輸至第四節(jié)臺車的尾部，落入等候的磴土車的土箱中，土箱裝滿后，由電瓶車牽引沿軌道運至豎井，龍門吊將土箱吊至地面，并倒人磴土

11、坑中。螺旋輸送機有前后兩個閘門，前者關(guān)閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷，后者可以在停止掘進或維修時關(guān)閉，在整個盾構(gòu)機斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關(guān)閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入地苞四7 .后配套設(shè)備后配套設(shè)備主要由以下幾部分組成：管片運輸設(shè)備、四節(jié)后配套臺車及其上面安裝的盾構(gòu)機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤土設(shè)備、循環(huán)水設(shè)備及通風設(shè)備等。A.管片運輸設(shè)備管片運輸設(shè)備包括管片運送小車、運送管片的電動葫產(chǎn)及其連接橋軌道。管片由龍門吊從地面下至豎井的管片車上，由電瓶車牽引管片車至第一節(jié)臺車前的電動的產(chǎn)一方，由電動的產(chǎn)吊起管片向前運送到管

12、片小車上，由管制、車再向前運送，供給管片拼裝機使用。8 .一號臺車及其上的設(shè)備一號臺車上裝有盾構(gòu)機的操作室及注漿設(shè)備。盾構(gòu)機操作室中有盾構(gòu)機操作控制臺、控制電腦、盾構(gòu)機PLC自動控制系統(tǒng)、VMT1道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦及螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器。C.二號臺車及其上的設(shè)備二號臺車上有包含液壓油箱在內(nèi)的液壓泵站、膨潤土箱、膨潤土泵、盾尾密封油脂泵及潤滑油脂泵。液壓油箱及液壓泵站為刀盤驅(qū)動、推進油缸、較接油缸、管片拼裝機、管片運輸小車、螺旋輸送機、注漿泵等液壓設(shè)備提供壓力油。泵站上裝有液壓油過濾及冷卻回路，液壓油冷卻器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾構(gòu)機掘進時將盾尾密封油脂由12條管路壓送到三排盾尾密

13、封刷與管片之間形成的兩個腔室中，以防止注射到管片背后的漿液進入盾體內(nèi)。潤滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中，盾構(gòu)機掘進時，4kw電機驅(qū)動的小油脂泵將油脂泵送到主驅(qū)動齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱及刀盤回轉(zhuǎn)接頭中。這些油脂起到兩個作用，一個作用是被注入到上述三個組件中唇形密封件之間的空間起到潤滑唇形密封件工作區(qū)域及幫助阻止贓物進入被密封區(qū)域內(nèi)部的作用，對于螺旋輸送機齒輪箱還有另外一個作用，就是潤滑齒輪箱的球面軸承。D.三號臺車及其上的設(shè)備三號臺車上裝有兩臺打氣泵、一個1立方米貯氣罐、一組配電柜及一臺二次風機。打氣泵可提供8Bar的壓縮空氣并將壓縮空氣貯存在貯氣罐中，壓縮空氣可以用來驅(qū)動盾尾油脂泵、

14、密封油脂泵和氣動污水泵，用宋給人閘、開挖室加壓，用來操作膨潤土、盾尾油脂的氣動開關(guān)，用來與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫，用來8嘲氣動工具等。二次風機由11kW勺電機驅(qū)動，將由中間井輸送至第四節(jié)臺車位置處的新鮮空氣，繼續(xù)向前泵送至盾體附近，以給盾構(gòu)機提供良好的通風。E.四號臺車及其上的設(shè)備四號臺車上裝有變壓器、電纜卷筒、水管卷筒、風管盒。鋪設(shè)在隧道中白兩條內(nèi)徑為100mm勺水管作為盾構(gòu)機的進、回水管，將豎井地面的蓄水池與水管卷筒上的水管連接起來，與蓄水池連接的一臺高壓水泵驅(qū)動盾構(gòu)機用水在蓄水池和盾構(gòu)機之間循環(huán)。通常情況下，進人盾構(gòu)機水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。正常掘進時，進人盾構(gòu)機

15、水循環(huán)系統(tǒng)的水有以下的用途：對掖壓油、主驅(qū)動齒輪油、空壓機、配電柜中的電器部件及刀盤驅(qū)動副變速箱具有冷卻功能，為泡沫劑的合成提供用水，提供給盾構(gòu)機及隧道清潔用水。蓄水池中的水用冷卻塔進行循環(huán)冷卻。風管盒中裝有折疊式的風管，風管與豎井地面上的風肌連接，向隧道中的盾構(gòu)機里提供新鮮空氣。新鮮空氣通過風管被送至第四節(jié)臺車的位置。8 .電氣設(shè)備盾構(gòu)機電氣設(shè)備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電柜、動力電纜、控制電纜、控制系統(tǒng)、操作控制臺、現(xiàn)場控制臺、螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器、電機、插座、照明、接地等。電器系統(tǒng)最小保護等級為IP5.5。主供電電纜安裝在電纜卷筒上，10kV的高壓電由地面通過高壓電纜沿隧

16、道輸送到與之連接的主供電電纜上，接著通過變壓器轉(zhuǎn)變成400v,50Hz的低壓電進人配電柜，再通過供電電纜和控制電纜供盾構(gòu)機使用。西門子S7-PLC是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，控制系統(tǒng)用于控制盾構(gòu)機掘進、拼裝時的各主要功能。例如盾構(gòu)機要掘進時，盾構(gòu)機司機按下操作控制臺上的掘進按鈕，一個電信號就被傳到PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)首先分析推進的條件是否具備（如推進油缸液壓油泵是否打開，潤滑脂系統(tǒng)是否工作正常等，.如果推進的條件不具備，就不能推進，如果條件具備，控制系統(tǒng)就會使推進按鈕指示燈變亮，同時控制系統(tǒng)也會給推進油缸控制閥的電磁閥供電，電磁閥通電打開推進油缸控制閥，盾構(gòu)機開始向前推進。PLC安裝于控制室，在

17、配電柜里裝有遠程接口，PLC系統(tǒng)也與操作控制臺的控制電腦及VM隹司的SLS-T隧道激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦相連。盾構(gòu)機操作室內(nèi)的操作控制臺和盾構(gòu)機某些可移動裝置旁邊的現(xiàn)場控制臺（如管片拼裝機、管片吊車、管片運送小車等）用來操作盾構(gòu)機,實現(xiàn)各種功能。操作控制臺上有控制系統(tǒng)電腦顯示器、實現(xiàn)各種功能的按鈕、調(diào)整壓力和速度的旋鈕、顯示壓力或油缸伸長長度的顯示模塊及各種鑰匙開關(guān)等。螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器用來監(jiān)視螺旋輸送機的出土情況。電機為所有液壓油泵、皮帶機、泡沫劑泵、合成泡沫用水水泵、膨潤土泵等提供動力。當電機的功率在30kW以下時，采用直接起動的方式，當電機的功率大于30kWM,為了降低起動電流，采用星

18、形一三角形起動的方式。9 .輔助設(shè)備輔助設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、S1S-T隧道激光導(dǎo)向系統(tǒng)、注漿裝置、泡沫裝置、膨潤土裝置。A.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件是一臺有一定配置要求的計算機和能使該計算機與隧道中掘進的盾構(gòu)機保持聯(lián)絡(luò)的調(diào)制解調(diào)器、轉(zhuǎn)換器及電話線等原件。該計算機可以放置在地面的監(jiān)控室中，并始終與隧道中掘進的盾構(gòu)機自動控制系統(tǒng)的PLC保持聯(lián)絡(luò)，這樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就可以和盾構(gòu)機自動控制系統(tǒng)的PLC具有相同的各種關(guān)于盾構(gòu)機當前狀態(tài)的信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按掘進、管片拼裝、停止掘進三個不同運行狀態(tài)段來記錄、處理、存儲、顯示和評判盾構(gòu)機運行中的所有關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，地面工作人員就可以在地

19、面監(jiān)控室中實時監(jiān)控盾構(gòu)機各系統(tǒng)的運行狀況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以完成以下任務(wù)：用來查找盾構(gòu)機以前掘進的檔案信息，通過與打印機相連打印各環(huán)的掘進報告，修改隧道中盾構(gòu)機的PLC的程序等等。B.隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)德國VM隹司的SLS-T隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)主要作用有以下幾點：可以在隧道激光導(dǎo)向系統(tǒng)用電腦顯示屏上隨時以圖形的形式顯示盾構(gòu)機軸線相對于隧道設(shè)計軸線的準確位置，這樣在盾構(gòu)機掘進時，操作者就可以依此來調(diào)整盾構(gòu)機掘進的姿態(tài)，使盾構(gòu)機的軸線接近隧道的設(shè)計軸線，這樣盾構(gòu)機軸線和隧道設(shè)計軸線之間的偏差就可以始終保持在一個很小的數(shù)值范圍內(nèi)。推進一環(huán)結(jié)束后，隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)從盾構(gòu)機PLC自動控制系統(tǒng)獲得

20、推進油缸和較接油缸的油缸桿伸長量的數(shù)值，并依此計算出上一環(huán)管片的管環(huán)平面，再綜合考慮被手工輸入隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦的盾尾間隙等因素，計算并選擇這一環(huán)適合拼裝的管片類型?？梢蕴峁┩暾母鳝h(huán)掘進姿態(tài)及其他相關(guān)資料的檔案資料。可以通過標準的隧道設(shè)計幾何元素計算出隧道的理論軸線?？梢酝ㄟ^調(diào)制解調(diào)器和電話線和地面的一臺電腦相連，這樣在地面就可以實時監(jiān)控盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)。隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)主要部件有激光經(jīng)緯儀、帶有棱鏡的激光靶、黃盒子、控制盒和隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)用電腦。激光經(jīng)緯儀臨時固定在安裝好的管片上，隨著盾構(gòu)機的不斷向前掘進，激光經(jīng)緯儀也要不斷地向前移動，這被稱為移站。激光靶則被固定在中盾的雙

21、室氣閘上。激光經(jīng)緯儀發(fā)射出激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，另外激光靶內(nèi)還有測傾儀，用來測量盾構(gòu)機的滾動和傾斜角度，再根據(jù)激光經(jīng)緯儀與激光靶之間的距離及各相關(guān)點的坐標等數(shù)據(jù)，隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)就可以計算出當前盾構(gòu)機軸線的準確位置。控制盒用來組織隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦與激光經(jīng)緯儀和激光靶之間的聯(lián)絡(luò)，并向黃盒子和激光靶供電。黃盒子用來向激光經(jīng)緯儀供電并傳輸數(shù)據(jù)。隧道掘進激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦則是將該系統(tǒng)獲得的所有數(shù)據(jù)進行綜合、計算和評估。所得結(jié)果可以被以圖形或數(shù)字的形式顯示在顯示屏上。C.注漿裝置注漿裝置主要包括兩個注漿泵、漿液箱及管線。在豎井，漿液被放入漿液車中，電瓶車牽引

22、漿液車至盾構(gòu)機漿液箱旁，漿液車將漿液泵入漿液箱中。兩個注漿泵各有兩個出口，這樣總共有四個出口，四個出口直接連至盾尾上圓周方向分布的四個注漿管上，盾構(gòu)機掘進時，山注漿泵泵出的漿液被同步注入隧道管片與土層之間的環(huán)隙中，漿液凝固后就可以起到穩(wěn)定管片和地層的作用。為了適應(yīng)開挖速度的快慢，注漿裝置可根據(jù)壓力來控制注漿量的大小，可預(yù)先選擇最小至最大的注漿壓力，這樣可以達到兩個目的，一是盾尾密封不會被損壞，管片不會受過大的壓力，二是對周圍土層的擾動最小。注漿方式有兩種：人工方式和自動方式。人工方式可以任選四根注漿管中的一根，由操作人員在現(xiàn)場操作臺上操作按鈕啟動注漿系統(tǒng)；自動方式則是在注漿現(xiàn)場操作臺上預(yù)先設(shè)定好的，盾構(gòu)機掘進即啟動注漿系統(tǒng)。D.泡沫裝置泡沫系統(tǒng)主要包括泡沫劑