盾構施工概論及盾構選型

盾構施工概論盾構的歷史沿革盾構的誕生第一臺盾構的誕生。法國工程師布魯諾爾在倫敦從船蛀在船板上蛀孔，再利用分泌物涂在孔的四周得到啟示，發(fā)現了盾構法掘進隧道的原理。后來，布魯諾爾完善了構思，1806年注冊了專利，布魯諾爾構想的盾構機內部結構由不同的單元格組成，每個單元格可容納一個工人獨立工作并對工人起到保護作用，此后，布魯諾爾逐步完善了盾構結構的機械系統(tǒng)，設計成用全段面螺旋式開挖的封閉式盾殼，襯砌緊隨其后的方式。布魯諾爾在倫敦泰晤士河下的隧道工程中首次使用了這種盾構，這是一臺矩形盾構，就這樣第一臺盾構誕生了。幾個歷史階段1869年,格瑞海德第一次發(fā)明了圓形盾構。格瑞海德用圓形盾構再次在泰晤士河下修建了隧道，隧道襯砌第一次采用了鑄鐵的襯砌管片。格瑞海德的圓形盾構成為后來大多數盾構的模型。1886年,格瑞海德在倫敦地下施工中第一次將壓縮空氣方法與盾構施工掘進組合使用。1896年,普萊斯第一次將格瑞海德盾構與旋轉刀盤組合在一起，切削輪由四個輻條臂組成，在臂裝有切削和刮削的工具，切削輪上設有鏟斗，將土料提升并倒入斜槽入料斗并運走。1963年日本SATOKOGYO公司發(fā)明第一臺土壓平衡盾構。1896年,德國發(fā)明了早期的泥水盾構,1964年英國的三位工程師發(fā)明了現代的泥水盾構。1907年,德國漢堡的易北河第一隧道修建。1917年,日本引進盾構法用于日本地鐵。1962年,中國上海開始盾構試驗,網格式盾構。1985年,德國的WAYSSFREYTAG和HERRENKNECHT發(fā)明了混合盾構。全球的發(fā)展水平盾構法得到廣泛應用到20世紀初，盾構施工法在英、美、德、俄、法、日等國開始推廣。1917年日本開始在鐵羽越線的折返段隧道施工中引進盾構法，1938年正式在國鐵關門隧道應用盾構法施工，為日本盾構技術的發(fā)展奠定了基礎。1967年由英國提出的泥水加壓系統(tǒng)在日本得到了實施，日本研制成功第一臺有切削刀盤、水力出土的泥水加壓式盾構（直徑為3.1m）。1974年日本獨創(chuàng)性地研制成功土壓平衡盾構，同時德國Wayss&Freytag也研制成功頗具特點的膨潤土懸浮液支撐開挖面的泥水平衡盾構。之后，盾構技術得到了迅猛發(fā)展，已成功應用于各種公路隧道、地鐵隧道、引水隧道以及市政公用設施隧道等。盾構技術突飛猛進縱觀盾構隧道掘進180多年的發(fā)展歷史，盾構隧道施工法和盾構掘進機的改進都是在圍繞著：①地層穩(wěn)定和地面沉降控制；②機械化、自動化掘進和掘進速度；③襯砌和隧道質量，這三個要素進行盾構掘進機的改進和施工方法的革命。傳統(tǒng)的盾構法是把這三個要素分別獨立考慮的，把地層穩(wěn)定處理作為盾構的輔助方法，主要有降低地下水位法、改良地基法、凍結法及氣壓法等。在盾構掘進機本身結構上沒有考慮對地層穩(wěn)定的影響或減少和防止地面沉降，盾構一般為敞胸式結構。然而，任何地層穩(wěn)定處理方法即使能抑制對地層的影響，也很難滿足在城市內施工時的各種要求，特別是關系到地面建筑安全的地面沉降問題，所以，很自然地發(fā)展到下一代盾構——閉胸式盾構。現代盾構的一個最為顯著的特點就是統(tǒng)籌考慮盾構法的這三個要素，用盾構掘進機設備本身解決工作面穩(wěn)定的問題。用壓縮空氣平衡土壓力的方法，由于容易發(fā)生漏氣、噴發(fā)、工作面崩塌等事故，和造成地面沉降等對環(huán)境的不良影響，尤其在遇到粘聚力小、透氣性的地層這種方法無法勝任。自然，人們想到用液體代替空氣來支撐工作面，最初在德國和英國進行了有關的試驗，1967年日本完成了這一系統(tǒng)，即產生了現代概念上的泥水平衡盾構。泥水平衡盾構是靠送入工作面與密閉胸板間所形成空腔的加壓泥水平衡土壓、保持工作面穩(wěn)定，并用泥水輸送刀盤切削下來的棄土，這個方法的問世使工作面穩(wěn)定狀況大大改善，盾構法的適用范圍被大大拓寬，盾構掘進機得到了前所未有的發(fā)展。然而，由于泥水平衡盾構需要大規(guī)模的泥水分離處理系統(tǒng)，占地面積大，對環(huán)境影響大，施工成本高，對城市內施工的隧道這個系統(tǒng)并不理想。繼而在1974年日本首先研制成功土壓平衡盾構，這一系統(tǒng)是將刀盤切削下來的棄土送入前端密閉倉內，攪拌或注入添加劑攪拌成塑流化的棄土并與螺旋型輸送機等機構相結合，邊使工作面保持適當穩(wěn)定的壓力，邊通過螺旋輸送機向外排土。這一系統(tǒng)由于排土處理簡單，可靠性較高，得到了廣泛的應用?，F代盾構掘進機雖然在部件結構、驅動方式、自動控制、測控導向等方面做了很大的改進，但是這些工作面壓力平衡的原理和方法一直沿用至今。當今盾構基本都是基于泥水平衡和土壓平衡這兩種模式，或是這兩種模式的組合，或是這兩種模式與開胸式組合，形成復合型盾構以適應地層條件多變的隧道施工的要求。全球從事盾構生產設計的制造商也越來越多據不完全統(tǒng)計，目前國外盾構機的主要制造廠有18家，集中在日本和歐美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川島播磨重工，德國的海瑞克公司、維爾特公司，美國的羅賓斯公司，加拿大的羅法特公司等。各個廠家可以根據不同的地質條件和不同的工程對象，以及使用單位的不同要求，設計、生產出不同直徑、不同類型、以及有特殊要求的盾構機，以滿足用戶的需要，其工藝和設備先進。中國的現狀中國應用現代盾構近30年，目前在用近200臺；全世界最大直徑的盾構、雙圓、矩型盾構、各種復合式盾構的應用；多家研發(fā)機構、制造商紛紛投入，研發(fā)自主知識產權的盾構；使用盾構的承包商達60家之多，施工水平不斷提高；盾構的從業(yè)人員達到幾十萬人。盾構設備生產廠商的情況HerrenknechtKOMATSUWIRTHHITACHINFMIHIRobinsLovatKAWASAKIRASAMITSUBISHI德國海瑞克（HerrenknechtAG）1977年，馬丁·海瑞克先生創(chuàng)辦了海瑞克公司；1980年，在靠近法國和瑞士邊境的德國南部施瓦諾（Schwanau）設立了辦公室和生產車間。公司總部距離斯圖加特機場、斯特拉斯堡機場（法國）以及巴塞爾機場（瑞士）都很近。今天，公司員工分布于世界各地，已超過1,400人。其中，公司總部有1,000人。公司的生產和組裝面積已增長到59,900m2，擁有現代化的生產廠房和辦公設施。作為隧道設備生產商，海瑞克公司的設備尺寸完全，能適應各種地質狀況。因此，從設備覆蓋范圍方面來說，海瑞克公司是獨一無二的：擁有直徑從4,000mm到15,440mm用于公路、鐵路、地鐵及輸水隧道施工的大直徑機器到外徑僅100mm的全自動微型隧道掘進機、房屋管件連接設備和水平定向鉆設備，機器適用于從軟質、含水非粘性地層到抗壓強達到300MPa的硬巖的各種地質條件。尤其是在大直徑隧道掘進機技術方面，海瑞克公司在長距離隧道和高工作壓力施工上獲得了豐富的經驗。在25年的隧道施工行業(yè)中，海瑞克公司一直是一些重大隧道工程的TBM供應商。在荷蘭西西爾德、瑞典哈蘭德拉斯、馬德里、巴塞羅那、易北河等隧道工程中大顯身手。在中國參與并完成了香港、北京、天津、廣州、深圳、南京、重慶等城市的地下隧道及越江隧道工程。至今，海瑞克公司已向世界范圍內的客戶提供了超過1,200臺的隧道掘進設備。德國維爾特Wirth法NFM集團德國維爾特公司1895年建立，自1916年以來生產鉆機和泵，1965年以來生產全斷面隧道掘進機(TBMs)。大約90%的產品出口，產品行銷超過60個國家和地區(qū)。NFM技術公司是一家法國的實業(yè)公司，于2001年11月1日加入德國維爾特公司，專門開發(fā)和制造工業(yè)設備和特殊用途設備（比如，全斷面隧道掘進機），處理和舉升設備等高性能設備。美國羅賓斯公司（ROBBINS）美國羅賓斯公司是一家從事地下挖掘設備的設計,制造,銷售和租賃等業(yè)務的公司，專門生產各種挖掘材料,包括提供與傳統(tǒng)的“鉆孔爆破”方法完全不同的在堅硬的巖層進行機械作業(yè)的方法?，F今，巖石掘進機械提供了一種比鉆孔爆破法更值得的高效隧道挖掘方法。鉆孔爆破法需要按此分開程序操作:先鉆出小孔,然后裝入炸藥,爆破,通風,最后裝巖出碴。反復如此進行作業(yè)。而巖石機械挖掘法是一個連續(xù)地從隧道表面“切開”巖石體的過程，然后通過傳送帶機或坑道車直接把碴從隧道內運出來。羅賓斯公司的主要產品是全斷面隧道掘進機(TBMs)。TBMs被應用于開挖經過各種各樣地質狀況的圓剖面隧道,從一般土壤到堅硬巖石層。羅賓斯已經生產出了隧道挖掘直徑從1.6到12.87米的全斷面隧道掘進機(TBMs)，機器重量從50公噸到1500公噸以上,總裝機功率從300千瓦到3000千瓦以上。羅賓斯公司也設計和銷售范圍很廣的其他能使TBM得到高效率的運用的設備和服務。使用左邊的菜單可以發(fā)現關于我們的小型掘進設備(SBUs),隧道出碴系統(tǒng),支持系統(tǒng),切削刀,零部件，人員和全部的隧道開挖技術。羅賓斯公司已經設計制造了超過250臺全斷面隧道掘進機(TBMs)。在本年底將有超過50臺羅賓斯TBMs機器投入使用。這足以證明羅賓斯的設備質量非?？煽?。日本川崎重工（KawasakiHeavyIndustries,Ltd.）川崎重工創(chuàng)立于1896年10月15日，是從修船、造船發(fā)展起來的日本著名公司，在現代航海技術中處于領先的地位，此外還生產飛機和航空設備，機場登機系統(tǒng)、行李系統(tǒng)，鐵路車輛，大型橋梁結構，供電、供熱、天然氣輸送設備，環(huán)境工程設施等，同時也是機器人生產的先鋒廠家。在地下施工機械方面，已生產出1200多臺軟巖和硬巖挖掘機，如東京市神田川地下調蓄工程用的直徑為13.94m的盾構機，東京灣海底隧道14.14m直徑的盾構機，英法海峽隧道開挖用的盾構機，以及上海地鐵隧道用的盾構機等。日本三菱重工（MitsubishiHeavyIndustries,Ltd.）日本三菱是一家具有100多年歷史的企業(yè)集團，目前的經營范圍除保持傳統(tǒng)的造船業(yè)、汽車制造業(yè)和化工業(yè)外，還涉及金融領域，近些年來并涉足核能源、宇宙航天、生態(tài)環(huán)境和深海開發(fā)等尖端技術領域；其屬下的直系企業(yè)有29家，三菱重工是其中的一家，為世界各地提供軟、硬土盾構掘進設備的建設機械部是三菱重工旗下神戶造船所的一個分支。從1939年制造日本第一臺手掘盾構機起，至2003年神戶造船所就一共制造了1608臺盾構機，其中包括土壓平衡、泥水平衡、雙圓、三圓、MMST等各種類型，數量和種類可謂世界第一，技術居國際之首。如開挖英法海峽交通隧道用的盾構機，其中就有兩臺是該公司制造的。曾向法國里昂地區(qū)提供直徑為11m的土壓平衡式盾構機，為上海延安東路第二條過江隧道工程生產泥水加壓式盾構機，為東京灣海底隧道生產了直徑14.14m的泥水加壓式盾構機等。在這1608臺盾構中，日本三菱創(chuàng)造了多個第一。除第一臺日本手掘盾構外，1970年三菱制造了日本最早的泥水盾構，直徑7290mm；1986年制造了馬蹄形機械挖掘盾構；1989年為英法海峽隧道提供了2臺土壓盾構；1991年制造了馬蹄形的ECL盾構；1992年為法國里昂高速公路制造了直徑為10.96m的土壓盾構；1993年制造了迄今最大的雙圓盾構；1994年為日本東京灣隧道制造了3臺當時最大的泥水盾構；1995年制造了三圓盾構；1996年，為滿足共同溝施工需要，制造了7950mm×5420mm的矩形盾構；同年又完成了球形刀盤盾構。1997年三菱為川崎高速提供了MMST盾構；同年三菱又將泥土加壓盾構的直徑刷新為11.52m；1999年三菱生產了第一臺子母盾構；2001年在大阪共同溝工程項目中，三菱制造了最大的MSD盾構，直徑為8.07m，解決了盾構對接技術。日本小松制作所（KomatsuLtd.）成立于1921年的日本小松制作所（株式會社）是跨行業(yè)領域的跨國集團公司，至今已有80年的歷史。集團公司是由包括小松公司在內的142家公司(控、持股對象)組成。公司主要產品除了始終處于世界領先地位的建筑工程機械、產業(yè)機械以外，同時還涉足電子工程、環(huán)境保護、工程事業(yè)、土木工程、運輸、流通機械、金屬材料制造和銷售，軟件以及金融、服務業(yè)等高科技領域。其隧道工程機械包括盾構機、巖石掘進機和頂管機。加拿大羅浮特公司（LOVAT）加拿大羅法特公司成立于1972年，在傳統(tǒng)的盾構機設計上處于世界領先地位。產品廣泛應用服務于地鐵、鐵路、公路、暗渠、市政、電信等隧道建設，擅長于風化巖石、混合土質、軟土、土壓平衡式和泥水式盾構機的制造，開挖盾構直徑從0.75米到17米。LOVAT盾構機具有高精技術和更可靠的施工安全性及質量特點。除此之外，LOVAT是唯一能提供從盾構機的全面設計、制造、檢測和試驗的公司。盾構的分類手掘系統(tǒng)盾構手掘式盾構（敞開式盾構或叫普通盾構）手掘盾構是最原始的一類盾構，其構造簡單，配備較少，造價低，目前在地質條件較好的工程中仍廣泛使用。盾構頂部有活動前檐以支護上部土體。挖土由人工從上往下進行，每隔2～3m設一作業(yè)平臺，可適應各種復雜地層，開挖面可根據地質條件全部敞開，也可采用正面支撐，隨開挖隨支撐。施工人員可觀察到地層變化情況，遇到樁、孤石等地下障礙物時，比較容易處理，容易進行盾構糾偏，也便于在曲線段施工。擠壓式盾構（普通閉式盾構或擠壓式盾構）擠壓式盾構分為全擠壓及半擠壓兩種，前者將手掘式盾構的開挖工作面用胸板封閉起來，把土層擋在胸板外，沒有水土涌入及土體坍塌的危險，并省去了出土工序。后者在封閉胸板上局部開孔，土體從孔中擠入盾構，裝車外運，省去了人工開挖，勞動條件比手掘式盾構大為改善，效率也成倍提高。擠壓式盾構僅適用于軟弱可塑的粘性土層。網格式盾構網格式盾構在開挖面裝有鋼制的開口格柵，當盾構向前推進時，土被網格切成條狀，進入盾構后運走，當盾構停止推進時，網格起到擋土的作用，有效地防止開挖面坍塌。這種盾構對土體的擠壓作用比擠壓式小，因而引起的地表變形也小些。網格式盾構只適用于軟弱可塑的粘性土層，當地層含水時，尚需要輔以降水、氣壓等措施。半機械式盾構在手掘式盾構正面裝上挖土機械和出土裝置，即成為半機械式盾構。挖土裝置有鏟斗式、切削式和混合式三種形式。鏟土式適用于粘土和砂礫混合層，切削式適用于硬粘土和硬砂土層，混合式適用于自立性較好的土層。如遇土質堅硬可安裝軟巖掘進機的切削頭子。其適用范圍基本上與手掘式盾構一樣。機械系統(tǒng)盾構機械式盾構（機械式閉式盾構）在手掘式盾構的切口環(huán)部分，安裝與盾構直徑大小相同的旋轉大刀盤，對土體進行全斷面開挖的盾構，稱為機械式盾構。它適用于各類土層，尤其適用于極易坍塌的砂性土層中的長隧道，可連續(xù)掘進挖土。由刀盤切削產生的土經過刀盤上的預留槽口進入土艙，提升和流入漏斗后，再通過傳送帶運人出土車。這類盾構有作業(yè)環(huán)境好、省力、省時、省工、效率高、后續(xù)設備多、發(fā)生偏差時難糾偏、造價高等特點。泥水加壓盾構泥水加壓盾構就是在機械式盾構大刀盤后面設置一道隔板，隔板與刀盤之間作為泥水室，在開挖面和泥水室中充滿加壓的泥水，通過加壓作用，保證開挖面土體的穩(wěn)定。盾構推進時開挖下來的土體進入泥水室，由攪拌裝置進行攪拌，攪拌后的高濃度泥水用流體輸送系統(tǒng)送出地面，把送出的濃泥水進行水土分離，然后把分離后的泥水再送入泥水室，不斷循環(huán)使用，其全部工程均由中央控制臺綜合管理，可實現施工自動化。其適用于以砂性土為主的洪積地層，也較適用于以粘性土為主的沖擊地層，但泥水處理費用較高。土壓平衡盾構土壓平衡盾構前端有一個全斷面切削刀盤，盾構的中心或下部有長筒形螺旋運輸機的進土口，其出土口在密封艙外。所謂土壓平衡，就是用刀盤切削下來的土，如同壓縮空氣或泥水一樣充滿整個密封艙，并保持一定壓力來平衡開挖面的土壓力。其適用于變形較大的淤泥、軟弱粘土、粘土、粉質粘土、粉砂、粉細砂等土層。盾構的選型選型的重要性盾構與項目的唯一性關系盾構機的選型必須做到針對不同的工程，不同的地質特點進行“量體裁衣”式設計和選型，才能使盾構機更好的適應工程施工要求。根據盾構施工法的特點，盾構機選型主要取決于盾構經過的地層的地質情況，同時，所選盾構機必須具有與工期相適應的掘進速度，而且能夠滿足隧道施工的要求。對盾構機有如下要求：盾構機必須具備較強的穩(wěn)定開挖面、防止開挖面坍塌的能力。要具有能夠適應不同地層的刀盤。在地質復雜區(qū)段中，有必要的手段能夠對前方地層進行超前探測，以便及時采取相應的施工技術措施。能夠防止突發(fā)地下水和開挖面坍塌的襲擊，應設置緊急關閉土倉的裝置。盾構機有良好的密封性能。導向系統(tǒng)精度高，導向準確。為能及時更換刀具，人員必須進入土倉，應提供可靠的安全裝置保護人員安全。正確的盾構選型是工程成敗的決定性因素歷史上許多選型失敗的慘痛教訓選型原則盾構類型與地層的關系

盾構選型應從安全性、可靠性、經濟性等方面綜合考慮，所選擇的機型要能盡量減少輔助施工法并確保施工安全可靠。不同類型的盾構適應的地質范圍不同，盾構選型的主要依據是土質條件、巖性，要確保所選擇的盾構能適應地質條件，保持開挖面穩(wěn)定。土壓平衡盾構是依靠推進油缸的推力給土倉內的開挖土碴加壓，使土壓作用于開挖面使其穩(wěn)定，主要適用于粉土、粉質粘土、淤泥質粉土和粉砂層等粘稠土壤的施工。泥水盾構利用循環(huán)懸浮液的體積對泥漿壓力進行調節(jié)和控制，采用膨潤土懸浮液（俗稱泥漿）作為支護材料。開挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥水平衡倉內，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過該泥膜保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。開挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過泥水處理設備進行分離，分離后的泥水進行質量調整，再輸送到開挖面。

盾構類型與水壓及滲透性的關系地層滲透系數是盾構選型的重要因素。根據歐美和日本的施工經驗，當地層的滲透系數小于10-7m/s時可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲透系數在10-7m/s和10-4m/s之間時既可選用土壓平衡盾構也可選用泥水盾構；當地層的滲透系數大于10選型的依據水文地質條件:巖性的抗壓、抗拉、粒徑、成層、開挖面穩(wěn)定性、地下水位、水壓、水量、有無障礙物。設計:斷面尺寸、設計線型、坡度、襯砌類型。環(huán)境條件:始發(fā)、到達條件、沿線的地面建筑物、地下管線條件、水電條件。工期條件:掘進速度、效率的要求。造價。選型的內容盾構的類型:土壓、泥水、泥水土壓復合、土壓敞開式復合。刀盤：開挖直徑、結構（整體、分塊）、開口率、刀具（齒刀、單刃、雙刃）、布置（刀間距、高度、高差）、超挖刀、泡沫孔布置、攪拌布置等。盾構密封的強度：主軸承、鉸接、螺旋輸送機、盾尾密封、人倉、泡沫、油脂。最小轉彎半徑：前體、中體、盾尾的分塊、鉸接油缸的行程、皮帶機、拖車。驅動形式：電驅、液驅。輔助系統(tǒng)的配置：管片安裝、運輸、注漿、泡沫、油脂、通風、螺旋機、皮帶機、聚合物、水、冷卻、排污等。后配套的選擇：用電等級、拖車的軌面高度、寬度、長度、單件尺寸、重量。其他：管片寬度、導向精度等級、數據采集容量、保護、電器系統(tǒng)版本等。復合土壓盾構的簡介復合土壓盾構在結構上包括刀盤、盾體、人艙、螺旋輸送機、管片安裝機、整圓器、管片小車、皮帶輸送機機和后配套拖車等；在功能上包括開挖（主驅動）系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、出碴系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、供水供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及附屬功能裝置（激光導向、姿態(tài)控制裝置、壁后注漿裝置、后方臺車、集中潤滑裝置、超前鉆機及預注漿裝置、鉸接裝置、通風裝置、碴土改良裝置、保壓泵碴裝置、碴土稱量裝置）及其他一些重要裝置如盾殼、人閘等組成。盾構機實現掘進的主要運動包括刀盤的旋轉和推進千斤頂的推進，盾構通過刀盤的旋轉實現對開挖面上巖土的切割破碎，借助推進千斤頂的推力實現盾構機不斷向前推進，同時提供破巖的正面壓力和維持開挖面穩(wěn)定。刀盤掘削下來的碴土通過刀盤的開口槽進入土艙，由前端伸入土艙下部的螺旋輸送機將碴土輸送到皮帶輸送機上，皮帶輸送機把碴土輸送到碴土運輸車，再由碴土運輸車、吊車將碴土運出隧道。推進千斤頂推壓拼裝好的管片襯砌環(huán)，受管片襯砌環(huán)的反向推力，為盾構機的前進提供推進力。配套的盾尾同步注漿裝置，在盾構機向前推進的同時，向管片襯砌環(huán)脫出盾構機盾尾后形成的空隙即管片與隧道洞壁之間的環(huán)狀間隙加注配制好的水泥砂漿，以達到固定管片和穩(wěn)定圍巖地層防止地面沉降的目的。原理土壓平衡模式就是在盾構開挖時，利用土倉內的土壓或加注輔助材料產生的壓力來平衡掌子面的土壓及地下水壓力，以避免掌子面坍塌或地層失水而引起地表下沉的一種掘進模式，在盾構開挖時碴倉內的壓力和掌子面上的壓力相平衡，其中開挖時碴倉內的壓力包括碴倉內碴土的壓力和注入材料的壓力，這種掘進模式即為土壓平衡模式，掌子面上的壓力等于土柱壓力和水柱壓力的總和。系統(tǒng)組成開挖系統(tǒng)開挖功能主要由開挖系統(tǒng)來完成，開挖系統(tǒng)主要由刀盤、切口環(huán)（前盾）、密封隔板、攪拌裝置、驅動裝置組成。刀盤靠液壓馬達驅動，通過工作在閉式回路的功率控制變量液壓泵（945KW）,可實現雙向無級調速。刀盤裝在盾構機的最前面，直接與開挖面接觸，上面裝有刮刀、單雙刃滾刀（部分可更換為齒刀），用來對各種土體和巖層進行掘進開挖；設置超挖刀一把，專門用于盾構曲線施工和盾構姿態(tài)的修正。在刀盤面板及周圍最易磨損處，覆以耐磨鋼板或交叉堆焊硬質合金，以增加刀盤的耐磨性；刀盤中心裝有回轉接頭和管路，以便連接超挖刀液壓管路和泥漿管路。在液壓馬達驅動下，通過減速器、大小齒輪、主驅動軸承、中間式支撐傳遞動力給刀盤，用以切削土體。刀盤采用面板式結構，切削下來的泥土碎石由開口槽進入泥土艙，在泥土艙內由裝在刀盤后壁和密封隔板上的攪拌棒對其進行強制攪拌，使其塑流性和不透水性達到最佳狀態(tài)，經伸在泥土艙底部的螺旋輸送機輸送出去。泥土艙內設有土壓傳感器和泥漿、泡沫及水的注入口，當切削下來的碴土塑流性和不透水性差不適于碴土的排放時，排土量小于開挖進土量，開挖量與排土量的動態(tài)平衡被打破，無法保證碴土艙內的壓力與開挖面土壓和水壓的平衡，土艙壓力升高影響開挖面穩(wěn)定，應及時注入碴土改良添加劑，經攪拌混合提高碴土塑流性和不透水性，使碴土能順利的排出，利于壓力平衡調節(jié)，確保刀盤開挖的順利進行。出碴系統(tǒng)排土功能主要由螺旋輸送機、皮帶輸送機及運碴車輛來完成。螺旋輸送機的作用是出碴和調節(jié)土艙壓力。螺旋輸送機螺旋軸從土艙下部伸入土艙取土，通過出土閘門卸在皮帶輸送機上。土壓平衡模式掘進時，可以通過調節(jié)出土閘門的開度和螺旋機的轉速來實現對土艙內壓力的調節(jié)。螺旋軸采用驅動端固定，取土端浮動的支承形式。取土端的外殼底部焊接有耐磨合金條，螺旋葉片邊緣焊有耐磨合金塊，葉片受碴土摩擦的一面堆焊有硬質合金條紋，使螺旋輸送機具有較好的耐磨性能。螺旋輸送機后部的出土閘門由液壓缸控制，可以通過它控制螺旋輸送機的排土量，在土壓平衡模式掘進時，可起到調節(jié)土艙壓力的作用。螺旋輸送機（及保壓泵）排出的泥土，由皮帶輸送機（或泵管）運送到后配套臺車的尾部裝車，通過運碴車、工作井提升設備將土碴運到地面。管片安裝系統(tǒng)管片拼裝系統(tǒng)由管片拼裝機、管片輸送機構、整圓器組成。在完成一次掘進循環(huán)后，一部分推進油缸回縮，為下一環(huán)第一片安裝管片留出足夠的安裝空間。其余推進油缸和上一環(huán)拼裝好的管片仍保持接觸支撐，繼續(xù)對盾構提供支撐力，以防止盾構機由于失去支撐力后受前方土壓作用而后退造成掌子面支撐力減弱而坍塌。圖1管片安裝機結構示意圖管片吊機從管片車上運輸管片至管片輸送機上，通過輸送機構將管片輸送到管片拼裝機下。管片拼裝機通過夾緊機構將管片夾起，完成管片的粗定位和微調整定位，盾構推進千斤頂圖1管片安裝機結構示意圖管片拼裝機為環(huán)形結構，由盾構支承加強圈上的二根橫梁支承，拼裝機可在橫梁上移動；拼裝機的平移、伸縮由液壓油缸操縱控制，如圖1結構示意圖。拼裝機有6個自由度，確保管片的旋轉、升降、移動、俯仰、側傾和搖擺的各基本動作而進行最終的定位。當管片從盾尾脫出后，由于受到管片自重和土壓的作用會產生變形，給環(huán)間管片的縱向螺栓安裝帶來困難，此時整圓器（真圓保持器）工作，支撐環(huán)與管片內圓保持接觸，整圓器可使管片在脫出盾尾后臨時保持真圓，不發(fā)生變形。整圓器可以前后移動和徑向頂壓。管片拼裝機具有自動鎖定功能，即當液壓系統(tǒng)失壓時，液壓馬達上的制動器可以實現自動鎖定。管片拼裝機不受推力油缸靠近和加壓產生的運動及外力的影響。整個管片拼裝機的工作可采用手控和遙控進行。管片輸送機構每次可存放三片管片。動力與控制系統(tǒng)油壓控制系統(tǒng)油壓控制系統(tǒng)根據施工要求合理配置，主要用于刀盤驅動和推進系統(tǒng)、螺旋輸送機、管片拼裝機及鉸接裝置等，集中供油裝置設在拖車上。供油裝置設有過濾系統(tǒng)，其過濾精度達6微米。海瑞克公司基本使用不易自燃的液壓油，并使用4層鋼絲編制的高壓膠管，可以有效防止因高壓系統(tǒng)泄漏發(fā)生火災的危險。電氣控制系統(tǒng)功能描述電氣控制系統(tǒng)由高壓電纜卷筒、高壓電纜及快速接頭、變壓器、配電盤等組成。配置在便于操作、檢查、維護的位置，均具有防水、防滴、防潮、防塵和防振的特點，具有接地保護、安全警報、自動互鎖、漏電保護、過電流、短路保護等功能，可實現高壓電纜的快速收放，保證供電的安全?？刂葡到y(tǒng)（報警裝置）盾構控制系統(tǒng)由PLC和1臺監(jiān)控計算機組成主機系統(tǒng)，配有專門的數據獲取處理軟件，遠程監(jiān)控終端分布在盾構內及后方臺車上，每臺遠程終端配置小型PLC，主機和遠程終端的通信采用總線方式。盾構工作分盾構掘進、管片拼裝和停機三個階段，盾構掘進時，可采用自動控制模式和手動控制模式，即根據推進速度及土倉壓力自動或手動改變螺旋輸送機轉速以改變排土量來維持土壓平衡的控制模式。盾構配置必需的傳感器，主要有土壓傳感器、土艙碴土的表觀密度監(jiān)測裝置、油壓儀、行程儀、螺旋輸送機測速儀（棄土自動秤量）、閉路電視系統(tǒng)等，還配有壓力、溫度繼電器。監(jiān)控計算機是監(jiān)控掘進施工操作、管理、監(jiān)視為目的的設備，主要功能有數據顯示、數據保存、數據處理、數據設定、報警等。所有的主要設備均設有預先報警、安全互鎖系統(tǒng)及遠程控制功能，保證安全無故障操作。當土艙壓力低于穩(wěn)定掌子面設定壓力時，土壓傳感器信號經主控計算機處理給出報警信號，對推進壓力進行調整。螺旋輸送機排土時通過安裝其上的兩個土壓傳感器給出的信號，經主控計算機處理，當排碴土超過上限時給出報警信號，及時處理。螺旋輸送機排碴口安裝閉路電視系統(tǒng)，可方便地在控制室直觀觀察出土的表面性狀，對異常情況進行及時處理。當泥土倉碴土表面密度低于下限時，檢測裝置的信號經計算機處理，及時給出報警信號，作出必要調整，滿足正常掘進施工要求。計算機屏幕為直觀菜單顯示，有多幅畫面供盾構司機選擇，并有打印功能?？刂剖以O在后方臺車上，帶空調設施。后配套系統(tǒng)盾構的拖車用以安放液壓泵站、注漿泵、砂漿罐及電氣設備等。拖車行走在鋼軌上，拖車之間用拉桿相連。每節(jié)拖車上的安裝設備如下表。皮帶機從五節(jié)拖車的上面通過，在5號拖車的位置出卸碴。絕大部分的液壓管、水管、泡沫管及油脂管從拖車內通過到過盾構主機。如下表1所示：表1拖車安裝設備拖車號主要安裝設備1控制室、注漿泵、砂漿罐、小配電柜、泡沫發(fā)生裝置2主驅動系統(tǒng)泵站、膨潤土罐及膨潤土泵3主配電柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站4兩臺空壓機、風包、主變壓器、電纜卷筒5內然空壓機、水管卷筒、通風機在拖車的一側鋪設有人員通過的通道。拖車和主機之間通過一個連接橋連接，拖車在主機的拖動下前進。輔助系統(tǒng)注漿系統(tǒng)壁后注漿裝置由注漿泵、清洗泵、儲漿槽、管路、閥件等組成，安裝在后配套臺車上。當盾構掘進時，注漿泵將儲漿槽中的漿液泵出，通過四條獨立的輸漿管道，通到盾尾殼體內的4根同步注漿管（備用4根同步注漿管），對管片外表面的環(huán)行空隙進行同步注漿，其作用首先是防止地層變形，其次是提高隧道整體防水性能，確保管片襯砌的早期穩(wěn)定性。在每條輸漿管道上都有一個壓力傳感器，在每個注漿點都有監(jiān)控設備監(jiān)視每環(huán)的注漿量和注漿壓力；而且每條注漿管道上設有兩個調整閥，當壓力達到最大時，其中一個閥就會使注漿泵關閉，而當壓力達到最小時，另外一個閥就會使注漿泵打開，繼續(xù)注漿。注漿量和注漿壓力的大小可以實現自動控制和手動控制，手動控制可對每一條管道進行單個控制，而自動控制可實現對所有管道的同時控制。盾尾密封采用三道鋼絲刷加注油脂密封和一排倒刺狀彈簧鋼板機械密封，用于防止同步注漿時因砂漿倒流至盾構前方或泄露造成的注漿壓力不能穩(wěn)定和提高，同時可減小砂漿浪費，確保壁后注漿的順利進行。通風系統(tǒng)通風裝置由風管貯存箱，輔助通風機、風管及消音裝置等組成，實現隧道主風管的延伸，通過輔助通風機及風管將新鮮空氣壓送到盾構主機位置，可調節(jié)機內的溫度，改善工作環(huán)境。油脂系統(tǒng)(潤滑、密封）潤滑系統(tǒng)包括三大部分：主軸承密封系統(tǒng)，盾尾密封系統(tǒng)和主機潤滑系統(tǒng)。三部分都以壓縮空氣為動力源，靠油脂泵油缸的往復運動將油脂輸送到各個部位。主軸承密封可以通過控制系統(tǒng)設定油脂的注入量（次／分），并可以從外面檢查密封系統(tǒng)是否正常。盾尾密封可以通過PLC系統(tǒng)按照壓力模式或行程模式進行自動控制和手動控制，對盾尾密封的注脂次數及注脂壓力均可以在控制面板上進行監(jiān)控。當油脂泵站的油脂用完后油脂控制系統(tǒng)可以向操作室發(fā)出指示信號，并鎖定操作系統(tǒng)，直到重新?lián)Q上油脂。這樣可以充分保證油脂系統(tǒng)的正常工作。導向系統(tǒng)導向系統(tǒng)采用SLS-TAPD自動定位隧道導向系統(tǒng)，由PC機、隧道掘進軟件、激光經緯儀、ELS靶、控制盒、調制解調器、激光發(fā)射器、TBM-PLC、電纜等組成，能對盾構在掘進中的姿態(tài)位置、水平和垂直偏差進行監(jiān)測控制、顯示，并能及時報警，操作人員可以及時的根據導向系統(tǒng)提供的信息，快速、實時地對盾構的掘進方向及姿態(tài)進行調整，保證隧道掘進沿設計路線推進。所有被監(jiān)控對象的資料均可由隧道掘進軟件進行分類組合，以圖表、數據的形式顯示出來。如圖2所示。管片激光全站儀后視棱鏡黃盒子顯示屏控制盒ELS靶地面監(jiān)控計算機調制解調器調制解調器打印機圖2SLS-T激光導向系統(tǒng)SLS-TAPD導向系統(tǒng)和隧道掘進軟件全天侯提供盾構機的三維坐標和定向的連續(xù)的動態(tài)信息。隧道掘進軟件是SLS-TAPD的核心。通過其附帶的通信裝置接收數據，由隧道掘進軟件計算盾構機的方位和坐標，并以圖表和數字表格顯示出來，使盾構機的位置一目了然。參見圖3。圖圖3激光導向系統(tǒng)指示圖數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(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，這樣數據采集系統(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。數據采集系統(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、顯示和評判盾構機運行中的所有關鍵監(jiān)控參數。

通過數據采集系統(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。數據采集系統(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。 泡沫系統(tǒng) 泡沫系統(tǒng)主要由發(fā)泡劑泵、水泵、空壓機、泡沫發(fā)生器、管路及閥件等組成，安放在后方臺車上。 按一定比例將發(fā)泡劑和水分別由發(fā)泡劑泵和水泵泵入泡沫發(fā)生器，在空壓機壓縮空氣的作用下在泡沫發(fā)生器中生成泡沫，并通過四條獨立的管道將泡沫送到盾構前部的中心回轉接頭，再經各自的管道進入刀盤、密封艙和螺旋輸送機對碴土進行改良。 泡沫系統(tǒng)可由人工操作，也可實現半自動、自動控制。泡沫注入量根據掘進速度、開挖面壓力和既定的公式計算予以確定。膨潤土系統(tǒng)膨潤土裝置也是用來改良土質，以利于盾構機的掘進。膨潤土裝置主要包括膨潤土箱、膨潤土泵、九個氣動膨潤土管路控制閥及連接管路。和漿液一樣，在豎井，膨潤土被放人膨潤土車中，電瓶車牽引膨潤土車至膨潤土箱旁，膨潤土車將膨潤土泵入膨潤土箱中。 膨潤土系統(tǒng)主要由膨潤土泵、儲漿箱、管道、閥等組成，安放在后方臺車上。膨潤土由膨潤土泵泵出，經管道通到前面的刀盤、密封土艙和螺旋輸送機內，對土碴進行改良。膨潤土的注入可實現手動控制和自動控制。膨潤土續(xù)加裝置有膨潤土罐、管道、膨潤土泵組成，可向儲漿箱中進行補充添加，保證儲存量可供正常使用。冷卻系統(tǒng)鋪設在隧道中的兩條水管作為盾構機的進、回水管，將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)。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：對液壓油、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。結構簡介本項目使用的土壓平衡盾構機的結構介紹：主機：刀盤、主軸承、螺旋輸送機、前體、中體、盾尾、管片安裝機等幾大部分。盾構機的鋼結構是根據當前0.3Mpa的工作水壓設計的。盾體由前體（切口環(huán)）、中體（支撐環(huán)）和后體（盾尾）三大部分組成，具有足夠的剛度和強度，用以支撐盾構機外部的圍巖，并保護在盾構機內工作的人員和設備的安全。前體分隔開挖區(qū)和人員工作區(qū)，依靠前體的密封艙壁，盾構機和開挖面之間構成一個土艙，用于堆積刀盤切削下來的碴土，通過對這些碴土進行加壓、壓力傳遞，使壓力作用在開挖面上，維持開挖面的穩(wěn)定。同時還能夠保護在土艙內作業(yè)人員的安全。前體的艙壁上安裝有土壓傳感器，還在不同高度位置上設置了許多管口，可以用于注入各種添加材料、壓送氣體。人閘氣壓艙入口和螺旋輸送機取土口也開設在前體的隔板上。前體隔板中心為主軸承的安裝座孔，上下部為人閘氣壓艙、螺旋輸送機提供安裝法蘭。中體的內部焊接有加強環(huán)和H架，在中體內布置推進缸支座和管片安裝機架。管片安裝機支架通過相應的法蘭面和管片安裝機梁連接起來。在中體前部的盾殼上焊接了帶球閥的實施超前鉆孔的預留孔，可在需要時對軟弱地層實施超前加固。中體通過鉸接油缸和盾尾相連，這種中折機構可使盾構在較小曲線半徑線路上進行掘進，便于通過曲線段而不至于進行過多的超挖，殼體的鉸接環(huán)上設置有鉸接密封，其中有一道緊急氣囊密封，能夠保證開挖過程中地下水不會由此處進入到盾構內部。盾尾與盾體的連接是一種