盾構機的組成

1、盾構機的組成及各組成部分在施工中的作用盾構機的最大直徑為 634m，總長 65m，其中盾體長 8 5m，后配套設備長 565m，總重量約 406t ，總配置功率 1 577kW，最大掘進扭矩 5 300kN m，最大推進力為 36400kN，最陜掘進速度可達 8cmmin。盾構機主要由 9 大部分組成，他們分別是盾休、刀盤驅動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設備。2.1 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動，同時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

2、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， 中盾內側的周邊位置裝有 30 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機向前的掘進力， 這 30 個千斤頂按上下左右被分成A、 B、 c、D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，這樣盾構機就可以實現(xiàn)左轉、右轉、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。中盾的后邊是尾盾，尾盾通過14 個被動跟隨的鉸接油缸和中盾相連

3、。這種鉸接連接可以使盾構機易于轉向。2.2 刀盤刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，位于盾構機的最前部，用于切削土體，刀盤的開口率約為28，刀盤直徑 628m，也是盾構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動部分，刀盤上可根據(jù)被切削土質的軟硬而1/10選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具，刀盤的外側還裝有一把超挖刀，盾構機在轉向掘進時，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)盾構機的轉向。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。法蘭板的后部安裝有一個回轉接頭，其作用是向刀

4、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。2.3 刀盤驅動刀盤驅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。安裝在前盾右側承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅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。2.4 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到泥土倉檢察及更換刀

5、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的氣壓，這樣工作人員要進出泥土倉時，就存在一個適應泥土倉中壓力的問題，通過調整氣閘前室和主室的壓力，就可以使工作人員可以適應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培訓有資質的人員，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。J 怍 u 吊甲先從前室進入主室，關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，2/10使兩者之

6、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。2.5 管片拼裝機管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉架和拼裝頭組成。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，一個內圈為齒圈形式外徑 32m的滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連，內圈通過法蘭與旋轉架相連，拼裝頭與旋轉支架

7、之間用兩個伸縮油缸和一個橫粱相連接?，F(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馬達，通過驅動滾珠軸承的內齒圈可以使旋轉架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉各 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 12m長的通用管片

8、，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。2.6 排土機構盾構機的排土機構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動，皮帶輸送機由電機驅動。3/10碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸?shù)狡л斔蜋C上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節(jié)臺車的尾部，落入等候的碴土車的土箱中，土箱裝滿后，由電瓶車牽引沿軌道運至豎井，龍門吊將士箱吊至地面，

9、并倒人碴土坑中。螺旋輸送機有前后兩個閘門，前者關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閉，在整個盾構機斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構機。2.7 后配套設備后配套設備主要由以下幾部分組成：管片運輸設備、四節(jié)后配套臺車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環(huán)水設備及通風設備等。管片運輸設備管片運輸設備包括管片運送小車、運送管片的電動葫蘆及其連接橋軌道。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)臺車前的電動葫蘆方，由電動葫蘆吊起管片向前

10、運送到管片小車上，由管制、車再向前運送，供給管片拼裝機使用。一號臺車及其上的設備一號臺車上裝有盾構機的操作室及注漿設備。盾構機操作室中有盾構機操作控制臺、 控制電腦、盾構機 PLC自動控制系統(tǒng)、 VMT隧道掘進激光導向系統(tǒng)電腦及螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器。二號臺車及其上的設備二號臺車上有包含液壓油箱在內的液壓泵站、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動、推進油缸、鉸接油缸、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。4/10盾尾密封油脂泵在盾構機掘進時將盾尾密封油脂由12 條管路壓

11、送到三排盾尾密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。潤滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中，盾構機掘進時， 4kw 電機驅動的小油脂泵將油脂泵送到主驅動齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱及刀盤回轉接頭中。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。三號臺車及其上的設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

12、用來驅動盾尾油脂泵、 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，用來與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫，用來8 嘞氣動工具等。二次風機由 11kW的電機驅動，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，以給盾構機提供良好的通風。四號臺車及其上的沒備四號臺車上裝有變壓器、電纜卷筒、水管卷筒、風管盒。鋪設在隧道中的兩條內徑為100mm的水管作為盾構機的進、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動盾構機用水在蓄水池和盾構機之間循環(huán)。通常情況下，進人盾構機水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。

13、正常掘進時，進人盾構機水循環(huán)系統(tǒng)的水有以下的用途：對掖壓油、主驅動齒輪油、空壓機、配電柜中的電器部件及刀盤驅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。5/10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。2.8 電氣設備盾構機電氣設備包括電纜卷筒、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， 10

14、kV的高壓電由地面通過高壓電纜沿隧道輸送到與之連接的主供電電纜上，接著通過變壓器轉變成 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機使用。西門子 S7-PLC是控制系統(tǒng)的關鍵部件，控制系統(tǒng)用于控制盾構機掘進、拼裝時的各主要功能。例如盾構機要掘進時，盾構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，

15、盾構機開始向前推進。PLC安裝于控制室，在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 VMT公司的 SLS-T 隧道激光導向系統(tǒng)電腦相連。盾構機操作室內的操作控制臺和盾構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

16、方式，當電機的功率大于 30kW時，為了降低起動電流，采用星形三角形起動的方式。2.9 輔助設備6/10輔助設備包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、S1S-T 隧道激光導向系統(tǒng)、注漿裝置、泡沫裝置、膨潤土裝置。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機保持聯(lián)絡的調制解調器、轉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機自動控制系統(tǒng)的PLC保持聯(lián)絡，這樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就可以和盾構機自動控制系統(tǒng)的PLC具有相同的各種關于盾構機當前狀態(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、顯示和評判盾構機

17、運行中的所有關鍵監(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面監(jiān)控室中實時監(jiān)控盾構機各系統(tǒng)的運行狀況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以完成以下任務：用來查找盾構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，修改隧道中盾構機的PLC的程序等等。隧道掘進激光導向系統(tǒng)德國 VMT公司的 SLS-T 隧道掘進激光導向系統(tǒng)主要作用有以下幾點：可以在隧道激光導向系統(tǒng)用電腦顯示屏上隨時以圖形的形式顯示盾構機軸線相對于隧道設計軸線的準確位置，這樣在盾構機掘進時，操作者就可以依此來調整盾構機掘進的姿態(tài)，使盾構機的軸線接近隧道的設計軸線，這樣盾構機軸線和隧道設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

18、內。推進一環(huán)結束后，隧道掘進激光導向系統(tǒng)從盾構機 PLC自動控制系統(tǒng)獲得推進油缸和鉸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向系統(tǒng)電腦的盾尾間隙等因素，計算并選擇這環(huán)適合拼裝的管片類型?？梢蕴峁┩暾母鳝h(huán)掘進姿態(tài)及其他相關資料的檔案資料?？梢酝ㄟ^標準的隧道設計幾何元素計算出隧道的理論軸線。可以通過調制解調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)控盾構機的掘進姿態(tài)。7/10隧道掘進激光導向系統(tǒng)主要部件有激光經緯儀、帶有棱鏡的激光靶、黃盒子、控制盒和隧道掘進激光導向系統(tǒng)用電腦。激光經緯儀臨時固定在安裝好的管片上，隨著盾構機的不斷

19、向前掘進，激光經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室氣閘上。激光經緯儀發(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，另外激光靶內還有測傾儀，用來測量盾構機的滾動和傾斜角度，再根據(jù)激光經緯儀與激光靶之間的距離及各相關點的坐標等數(shù)據(jù)，隧道掘進激光導向系統(tǒng)就可以計算出當前盾構機軸線的準確位置。控制盒用來組織隧道掘進激光導向系統(tǒng)電腦與激光經緯儀和激光靶之間的聯(lián)絡，并向黃盒子和激光靶供電。黃盒子用來向激光經緯儀供電并傳輸數(shù)據(jù)。隧道掘進激光導向系統(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。所得結果可以被以圖形或數(shù)字的形式顯示在顯示屏上。注漿裝置注漿裝

20、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，電瓶車牽引漿液車至盾構機漿液箱旁，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)場操作臺上預先設定好的，盾構機掘進即啟動注漿系統(tǒng)。泡沫裝置泡沫系統(tǒng)主要包括泡沫劑罐、泡沫劑泵、水泵、四個溶液計量調節(jié)閥、四個空氣劑量調節(jié)閥個液體流量計、四個氣體流量計、8/10泡沫發(fā)生器及連接管路。泡沫裝置產生泡沫，并向盾構機開挖室中注入泡沫，用于開挖土層的改良，作為支撐介質的土在加入泡沫后，其塑型、流動性、