講盾構(gòu)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)

第十六講《大型施工機(jī)械》——盾構(gòu)機(jī)部分盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造（2）主講：郭京波9/10/20231目錄一、添加材注入裝置二、攪拌機(jī)構(gòu)三、排土機(jī)構(gòu)四、管片拼裝機(jī)構(gòu)五、其它配套設(shè)備六、盾構(gòu)基本參數(shù)的選定9/10/20232一、添加材注入裝置（土壓盾構(gòu)）1.添加材對(duì)細(xì)粒成分(粘土、淤泥)少的地層而言，刀盤(pán)掘削下來(lái)的泥土的塑流性很難滿足排土機(jī)構(gòu)直接排放的條件，且抗?jié)B性也差。為此必須向這種掘削泥土中注入添加材，以便改變其塑流性、抗?jié)B性，使其達(dá)到排土機(jī)構(gòu)可以排放的條件。通常使用的添加材有膨潤(rùn)土、粘土、陶土等天然礦物類材料、高吸水性樹(shù)脂類材料、水溶性高分子類材料、表面活性類特殊氣泡劑材料。

9/10/20233澎潤(rùn)土是一種層狀含水硅酸鹽。澎潤(rùn)土的礦物學(xué)名稱為蒙脫石，民間俗稱觀音土、膠泥。天然澎潤(rùn)土主要以鈣基為主，可經(jīng)人工改性為鈉基澎潤(rùn)土、有機(jī)澎潤(rùn)土和活性白土。澎潤(rùn)土具有遇水膨脹的特性，鈣基澎潤(rùn)土膨脹時(shí)，為自身體積的3倍左右，鈉基澎潤(rùn)土膨脹時(shí)約為自身體積的15倍左右。利用澎潤(rùn)土遇水膨脹的性能，人們常用它做成防水材料。當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖面土層含水量較高時(shí)，需采用澎潤(rùn)土系統(tǒng)向工作面加入泥漿。加泥裝置由泥箱、泵、壓力表、流量?jī)x、注入管路、手動(dòng)球閥等構(gòu)成。注入泵壓送的泥漿液，通過(guò)輸送管道在門(mén)架車與盾構(gòu)的連接橋處和泡沫系統(tǒng)相連通。9/10/20234泡沫施工法即用由特殊發(fā)泡材料和壓縮空氣制成30~400μm的細(xì)小齒狀氣泡，代替一直在加泥式土壓平衡盾構(gòu)法中作為主要添加材料的粘土和膨潤(rùn)土等。泡沫盾構(gòu)工法所使用的泡沫是用專用原料和水制成的混合液與空氣通過(guò)泡沫發(fā)生器制成的。這種專用原料主要是特殊發(fā)泡劑和泡沫添加劑。特殊發(fā)泡劑是由各種表面活性劑經(jīng)過(guò)特別調(diào)配制成，它的水溶液被稱為A型特殊發(fā)泡材料，主要用于粘性土及含水量較少的砂質(zhì)土。泡沫添加劑是用礦漿為主要原料的高分子水溶液。如果將特殊發(fā)泡劑的比例降低，代之以泡沫添加劑，那么所形成的水溶液稱之為B型特殊發(fā)泡材料。

9/10/20235泡沫施工優(yōu)點(diǎn)：1)粘性土地基中，泡沫起著界面活性劑的作用，可有效防止開(kāi)挖土附著于刀盤(pán)上和土壓室內(nèi)壁，防止泥餅現(xiàn)象，使掘進(jìn)工作順利地進(jìn)行。2)沙性土和砂礫土地基中，泡沫的支承作用使開(kāi)挖土的流動(dòng)性提高，土壓室內(nèi)泥土不會(huì)產(chǎn)生擁堵，刀盤(pán)及螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩減小，刀具磨損減小，從而有利于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。3)微細(xì)泡沫置換了土顆粒中的空隙水，提高了土的止水性，能較容易地開(kāi)挖地下水位較高的砂礫土地基，而且可以有效地防止螺旋輸送機(jī)泥水噴涌。9/10/20236泡沫施工法優(yōu)點(diǎn)（續(xù)前）：4)泡沫可壓縮性使開(kāi)挖面的土壓力波動(dòng)減小，在不影響開(kāi)挖面穩(wěn)定的同時(shí)保證順利掘進(jìn)。5)排出土中的泡沫在短時(shí)間內(nèi)會(huì)逐漸消除，另外由于泡沫中的特殊發(fā)泡材料是少量的，因此，排出的碴土很快就可以恢復(fù)到注入泡沫前的狀態(tài)，碴土處理問(wèn)題容易解決。6)由于未使用粘土、膨潤(rùn)土，這就避免了隧洞內(nèi)外的污染，有助于保持良好的工作環(huán)境。7)泡沫注入設(shè)備和制作設(shè)備比加泥設(shè)備規(guī)模小，設(shè)備布置、安裝更便利。該工法能夠適用于從沙礫層到粘性土層等廣泛地層中施工。9/10/202379/10/202382.注入裝置添加材的注入裝置有添加材配制設(shè)備、添加材注入泵、輸送添加材的管線及添加材注入口等。注入口位置：考慮到掘削泥土和添加材的攪拌混合效率，希望把注入口設(shè)在刀盤(pán)中心突出頭的前面、輻條上或土艙隔板上。注入口結(jié)構(gòu)：因?yàn)樽⑷肟谥苯优c泥土接觸，故必須像圖2-14那樣設(shè)置可以防止泥土和地下水涌入的防護(hù)頭和逆流防止閥。9/10/20239注入口的配置舉例

?刀盤(pán)面板前面：5處

?刀盤(pán)中心

：1處?固定隔板一側(cè)：7處?固定攪拌翼前端：1處?螺旋出渣機(jī)

：3處可選擇泥漿和泡沫2種類型（也可加聚合物）螺旋機(jī)（3處）面板前（5處）隔板（7處）中心（1處）攪拌翼（1處）噴出口構(gòu)造9/10/202310二、攪拌機(jī)構(gòu)

應(yīng)該說(shuō)攪拌機(jī)構(gòu)是土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)的專用機(jī)構(gòu)。就土壓盾構(gòu)而言，攪拌機(jī)構(gòu)的功能是攪拌注入添加材后的艙內(nèi)掘削土砂，提高其塑流性，嚴(yán)防堆積粘固，利于排土效果的提高。該攪拌機(jī)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分：(1)掘削刀盤(pán)；(2)掘削刀盤(pán)背面的攪拌葉片；(3)螺旋輸送機(jī)軸上的攪拌葉片；(4)設(shè)在隔板上的固定、可動(dòng)攪拌葉片；(5)設(shè)置在艙內(nèi)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的攪拌葉片。9/10/2023119/10/202312攪拌盲區(qū)9/10/202313就泥水盾構(gòu)而言，攪拌機(jī)構(gòu)的功能是使掘削下來(lái)的土砂均勻地混于泥水中，進(jìn)而利于排泥泵將混有掘削土砂的濃泥漿排出。為防止排泥吸入口堵塞，特把旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)設(shè)置在泥水艙內(nèi)底部。刀盤(pán)也具攪拌功能。9/10/202314三、排土機(jī)構(gòu)

機(jī)械式盾構(gòu)：排土系統(tǒng)由鏟斗、滑動(dòng)導(dǎo)槽、漏土斗、皮帶傳送機(jī)(或者螺旋傳送機(jī))、排泥管構(gòu)成。鏟斗設(shè)置在掘削刀盤(pán)背面，可把掘削下來(lái)的土砂鏟起倒入滑動(dòng)導(dǎo)槽，經(jīng)漏斗送給皮帶傳輸機(jī)、螺旋傳輸機(jī)、排泥管。對(duì)粘性高的土質(zhì)而言，鏟斗易粘附土砂造成裝運(yùn)效率下降，進(jìn)而致使掘進(jìn)被迫停止。這與鏟斗的形狀、鏟斗和槽口的相對(duì)位置、鏟斗的鍍膜材料有關(guān)，所以須對(duì)鏟斗的形狀、位置、材料進(jìn)行深入研究。土壓盾構(gòu)：排土機(jī)構(gòu)由螺旋輸送機(jī)、排土控制器及盾構(gòu)機(jī)以外的泥土運(yùn)出設(shè)備構(gòu)成。僅敘述螺旋輔送機(jī)和排土控制器。9/10/2023151.螺旋輸送機(jī)螺旋輸送機(jī)的功能是把土艙內(nèi)的掘削土運(yùn)出、經(jīng)輸土控制器送給盾構(gòu)機(jī)外的泥土運(yùn)出設(shè)備(至地表)。因此，螺旋輸送機(jī)的始端(進(jìn)土口)延伸到土艙底部靠隔板的位置上，末端(排土口)直接與排土控制器連接。按其構(gòu)造差異可分為有軸式和無(wú)軸式(帶式)兩種，構(gòu)造示意如圖。有軸和無(wú)軸式特點(diǎn)9/10/202316盾構(gòu)外徑與螺旋輸送機(jī)外徑、最大礫石直徑的關(guān)系9/10/202317除了上述兩種螺旋輸送機(jī)外，還有下圖示出的兩種特殊螺旋輸送機(jī)，即擴(kuò)大葉片式螺旋輸送機(jī)(圖a)和螺桿加長(zhǎng)葉片延伸到土艙內(nèi)的螺旋輸送機(jī)(圖b)。這兩種方式的設(shè)計(jì)所考慮的是增加對(duì)土艙內(nèi)土體的攪拌作用。

9/10/202318在泥土具有良好塑流性的場(chǎng)合下，螺旋輸送機(jī)的排土量與其轉(zhuǎn)數(shù)成正比。因此，通常以螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行掘土量的管理。另外，還可以根據(jù)土壓計(jì)的測(cè)量值與設(shè)定基準(zhǔn)值的對(duì)比結(jié)果，增減轉(zhuǎn)數(shù)維持土壓平衡，即進(jìn)行土壓管理。9/10/2023192.排土控制器排土控制器，即直接接在螺旋輸送機(jī)后面的排土控制裝置。其功能是控制螺旋輸送機(jī)的排土量，調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)內(nèi)土體密度，防止噴水；同時(shí)也有調(diào)節(jié)艙內(nèi)土壓，穩(wěn)定掘削面的作用。9/10/202320常用的幾種排土控制器9/10/202321四、管片拼裝機(jī)構(gòu)

管片拼裝機(jī)構(gòu)設(shè)置在盾構(gòu)的尾部，由管片拼裝機(jī)和真圓保持器構(gòu)成。1.管片拼裝機(jī)管片拼裝機(jī)是在盾尾內(nèi)把管片按所定形狀安全、迅速拼裝成管環(huán)的裝置。它包括搬運(yùn)管片的鉗挾系統(tǒng)和上舉、旋轉(zhuǎn)、拼裝系統(tǒng)。對(duì)管片拼裝機(jī)的功能要求是能把管片上舉、旋轉(zhuǎn)及挾持管片向外側(cè)移動(dòng)。為適應(yīng)作為K型管片使用的楔形管片的拼裝作業(yè)的需求，故還要求管片拼裝機(jī)具有沿盾構(gòu)軸向滑動(dòng)的功能。9/10/202322管片拼裝機(jī)為油壓驅(qū)動(dòng)方式，有環(huán)式、空心軸式和齒條齒輪式三種。因環(huán)式是空心圓形旋轉(zhuǎn)，即使在驅(qū)動(dòng)中也可以確保作業(yè)空間，同時(shí)土砂運(yùn)出作業(yè)不受影響照常進(jìn)行，故通常使用較多。

動(dòng)畫(huà)9/10/202323機(jī)構(gòu)配重回轉(zhuǎn)盤(pán)體垂直導(dǎo)桿升降油缸懸臂梁提升橫梁水平導(dǎo)桿平移油缸拼裝機(jī)總體結(jié)構(gòu)管片夾取裝置9/10/202324管片拼裝機(jī)襯砌的流程圖9/10/202325管片拼裝機(jī)實(shí)物圖9/10/202326管片拼裝機(jī)的推力、上提力、旋轉(zhuǎn)力、旋轉(zhuǎn)速度、臂的伸縮速度、前后滑動(dòng)距離性能等指標(biāo)，應(yīng)據(jù)管片種類形狀、重量、拼裝方法等因素確定。推力通常定為管片最大重力的5倍，上提力為管片最大重力的2倍。9/10/2023272.真圓保持器當(dāng)盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)管片拼接環(huán)(管環(huán))就從盾尾脫出，由于管片接頭縫隙、自重力和作用土壓的原因，管環(huán)會(huì)產(chǎn)生橫向變形，使橫斷面成為橢圓形。當(dāng)變形量大時(shí)，前面裝好的管環(huán)和現(xiàn)拼的管環(huán)在連接時(shí)會(huì)出現(xiàn)高低不平，給安裝縱向螺栓帶來(lái)困難。為了避免管環(huán)的高低不平，需使用所謂的真圓保持器，修正、保持拼裝后管環(huán)的正確(真圓)位置。9/10/2023289/10/202329真圓保持器支柱上裝有可上下伸縮的千斤頂，另外上下兩端裝有圓弧形的支架，該支架可在動(dòng)力車架的伸出梁上滑動(dòng)。當(dāng)一環(huán)管環(huán)拼裝結(jié)束后，就把真圓保持器移到該管環(huán)內(nèi)，當(dāng)支柱上的千斤頂使支架緊貼管環(huán)后，盾構(gòu)就可推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)后由于真圓保持器的作用，故管環(huán)不產(chǎn)生變形，且一直保持真圓狀態(tài)。9/10/2023301.盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置當(dāng)盾構(gòu)機(jī)靈敏系數(shù)(機(jī)長(zhǎng)/外徑)大于1.5或隧道曲率半徑小于250m時(shí)，應(yīng)采用鉸接裝置。鉸接由鉸接油缸、行程傳感器、密封等組成。這個(gè)設(shè)備通過(guò)液壓旋轉(zhuǎn)裝置把后盾鉸接到前盾，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)隧道的轉(zhuǎn)彎，允許后盾相對(duì)前盾做鉸接運(yùn)動(dòng)。五、其它配套設(shè)備9/10/202331分主動(dòng)鉸接和隨動(dòng)鉸接兩種。日系多為主動(dòng)鉸接，歐系多為隨動(dòng)鉸接，二者各有優(yōu)劣。主動(dòng)與隨動(dòng)鉸接的優(yōu)缺點(diǎn)。隨動(dòng)鉸接：盾構(gòu)鉸接在盾構(gòu)機(jī)的支撐環(huán)和盾尾之間，這樣盾構(gòu)機(jī)切口至支撐環(huán)到盾尾都是活體，它就能根據(jù)掘進(jìn)軸線，管片與盾尾的四周空隙來(lái)調(diào)整切口環(huán)、支撐環(huán)及盾尾之間的夾角，達(dá)到控制盾構(gòu)的高程及平面位置，減少了盾構(gòu)對(duì)周圍的擾動(dòng)范圍。9/10/202332鉸接系統(tǒng)有3個(gè)操作模式：1.自由模式：這是鉸接最通用的模式。后盾只是作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸承鉸接在前盾后部，隨前盾移動(dòng)。通過(guò)在油缸腔室之間傳遞油來(lái)保持后盾的平均位置，油缸腔室內(nèi)的壓力由后盾的拖拽產(chǎn)生。2.放松模式：這種模式允許打開(kāi)鉸接，通過(guò)前盾向前運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鉸接油缸被動(dòng)的伸展；由于推力油缸的動(dòng)作，前盾向前移動(dòng)，后盾仍停留在原位。3.盾體回縮模式：這種模式能夠在放松模式之后使用，是為了關(guān)閉鉸接或?yàn)榱烁鼡Q刀具(利用前部壓力)而回縮前盾。9/10/202333鉸接構(gòu)造9/10/2023342.同步注漿系統(tǒng)重要作用：同步填充盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)管片逐漸脫出盾尾所產(chǎn)生的間隙；改善管片結(jié)構(gòu)防水和抗?jié)B性能；促進(jìn)隧道管片結(jié)構(gòu)及早穩(wěn)定；限制隧道結(jié)構(gòu)變形。盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)有單、雙液注漿兩種。當(dāng)隧道覆土深度不大、沉降控制要求嚴(yán)格、以及隧道穿越地層地質(zhì)不良、穩(wěn)定性差時(shí)，采用壁后同步雙液注漿，注入漿液能夠同步及時(shí)填滿整個(gè)盾尾間隙，并迅速固結(jié)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。當(dāng)施工環(huán)境條件與前相反時(shí)，則可采用壁后同步單液注漿，也能達(dá)到及時(shí)飽滿填充盾尾間隙的要求和控制沉降的目的。9/10/2023353.盾尾密封系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)盾尾密封系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵系統(tǒng)，有剛性密封和柔性密封，剛性密封對(duì)管片生產(chǎn)和管片拼裝質(zhì)量要求較高，逐漸被柔性密封取代。常用的是多道、可更換的鋼絲刷，鋼絲刷密封系統(tǒng)柔度適中，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)管片及管片拼裝質(zhì)量要求一般，密封的道數(shù)根據(jù)隧道埋深、水位高低來(lái)定，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，向盾尾連續(xù)注入優(yōu)質(zhì)盾尾密封油脂，保證盾尾不會(huì)出現(xiàn)滲漏水和滲漏泥漿。

9/10/2023364.盾尾間隙自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)需要盾尾間隙(盾尾內(nèi)徑與管片外徑之間空隙)，間隙的大小則根據(jù)盾構(gòu)法隧道曲線段施工曲率半徑的大小，管片安裝可需空間等因素確定。為了減少盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程盾尾間隙處出現(xiàn)管片外周與盾殼內(nèi)側(cè)相互擠壓，降低推進(jìn)阻力，建議安裝盾尾間隙自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。在施工中可自動(dòng)連續(xù)測(cè)量盾尾間隙大小，及時(shí)判斷管片與盾尾之間的相對(duì)位置，隨時(shí)掌握管片安裝質(zhì)量。9/10/2023375.盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)由盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀和數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)組成。它集測(cè)量、儀器儀表和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有對(duì)盾構(gòu)的掘進(jìn)姿態(tài)與隧道設(shè)計(jì)軸線偏離進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的功能。測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并向施工人員提供實(shí)時(shí)圖控界面、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交換界面。目前盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要有三種：英國(guó)ZED公司生產(chǎn)的ZED261盾構(gòu)姿態(tài)測(cè)試儀和數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)；德國(guó)VMT開(kāi)發(fā)的SLS—TAPD導(dǎo)向系統(tǒng)；日本的演算工房。9/10/2023386.其它對(duì)刀具在刀盤(pán)上布置和刀具形狀、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的土壓計(jì)、運(yùn)輸管片單雙軌道梁、車架設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、輸送泥土皮帶運(yùn)輸機(jī)、電氣設(shè)備、循環(huán)水設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)、安全保障及有害氣體報(bào)警裝置等，在選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)都應(yīng)提出明確要求。9/10/202339六、盾構(gòu)基本參數(shù)的選定1、盾構(gòu)直徑盾構(gòu)直徑是指盾構(gòu)的盾尾外徑。盾構(gòu)直徑必須根據(jù)管片外徑、盾尾空隙和盾尾鋼板厚度進(jìn)行確定。所謂盾尾空隙（間隙），是指盾殼鋼板內(nèi)表面與管片外表面的空隙。盾尾空隙應(yīng)根據(jù)管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結(jié)構(gòu)的安裝等進(jìn)行確定。根據(jù)隧道限界和結(jié)構(gòu)尺寸要求，在確定襯砌外徑之后，可按施工要求或經(jīng)驗(yàn)確定盾構(gòu)直徑。下面介紹兩種計(jì)算方法。9/10/202340（1）式中，D—盾構(gòu)外徑(mm)；d—管片外徑(mm)；x—盾尾空隙(mm)；δ—盾尾鋼板厚度(mm)9/10/202341（2）式中，d內(nèi)—隧道內(nèi)徑(mm)

T—隧道襯砌厚度(mm)—隧道內(nèi)襯厚度(mm)e—最小余裕量(mm)D，δ，x意義同前。9/10/2023422、盾構(gòu)長(zhǎng)度和靈敏度盾構(gòu)長(zhǎng)度主要取決于地質(zhì)條件、隧道的平面形狀、開(kāi)挖方式、運(yùn)轉(zhuǎn)操作、襯砌形式和盾構(gòu)的靈敏度(即盾殼總長(zhǎng)L與盾構(gòu)外徑D之比)。一般在盾構(gòu)直徑確定后，靈敏度值有一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參考：小型盾構(gòu)(D=2~3m)L／D=1.50中型盾構(gòu)(D=3~6m)L／D=1.00大型盾構(gòu)(D>6m)L／D=0.759/10/202343盾構(gòu)總長(zhǎng)度由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分組成，它不包括盾構(gòu)內(nèi)設(shè)備超出盾尾的部分，如后方平臺(tái)、螺旋輸送機(jī)等。盾構(gòu)長(zhǎng)度計(jì)算公式：三項(xiàng)分別指切口環(huán)長(zhǎng)度、支承環(huán)長(zhǎng)度、盾尾長(zhǎng)度。9/10/2023443、盾構(gòu)的推力盾構(gòu)向前行進(jìn)是靠安裝在支承環(huán)周圍的千斤頂頂力，各千斤頂合力就是盾構(gòu)的總推力，在計(jì)算推力時(shí)，一定要考慮周全，要將工程的施工全過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)可能產(chǎn)生的阻力都要計(jì)算在內(nèi)。盾構(gòu)的總推進(jìn)力必須大于各種推進(jìn)阻力的總和，否則盾構(gòu)無(wú)法向前推進(jìn)。9/10/202345盾構(gòu)的各種推力和計(jì)算公式如下：式中，F(xiàn)1—盾構(gòu)外壁周邊與土體之間的摩擦力或粘結(jié)阻力；F2—推進(jìn)中切口插入土壤的貫入阻力；F3—工作面正面阻力；F4—管片與盾尾之間的摩擦力；