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1、 第二节盾构机结构简介 盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备 它集和了盾构施工过程中的开挖 出土 支护 注浆 导向等全部的功能 目前 盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用 优点 不受地面交通 河道 航运 季节 气候等条件的影响 能够经济合理地保证隧道安全施工 盾构的掘进 出土 衬砌 拼装等可实行自动化 智能化和施工运输控制信息化 掘进速度较快 效率较高 施工劳动强度较低 地面环境不受盾构施工的干扰 缺点 盾构机械造价较高 在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大 隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大 设备的转移 运输 安装及场地布置等较复杂 为适应各种不同类型
2、土质及盾构机工作方式的不同 盾构机可分为三种类型 四种模式 三种类型 软土盾构机 硬岩盾构机 混合型盾构机 四种模式 图2 1盾构机总图 开胸式 半开胸式 半闭胸式 欠土压平衡式 闭胸式 土压平衡式 气压式 图2 1盾构机总图 图2 2盾构机主机结构图 一 刀盘 刀盘是盾构机的核心部件 其结构形式 强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本 并且出了故障维修处理困难 常见的结构有 平面圆角刀盘 平面斜角刀盘 平面直角刀盘 盾构机刀盘应满足以下要求 刀盘应有足够的强度和刚度 刀盘应有较大的开口率 针对地层的变化 能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀 刀盘结构应有足够的耐磨强度 刀盘上应配置足够的
3、渣土搅拌装置 刀盘上应配置足够的注入口 各口并装有单向阀 以满足刀具的冷却 润滑和渣土改良 图2 3刀盘 1 下面是海瑞克公司的刀盘结构和参数 结构形状 平面圆角形刀盘 铸造和焊接混合型 外形尺寸 F6280mmF6130mm 刀圈外经 1410mm总厚 刀盘厚580mm 刀盘质量 57000kg开口率 28 超挖刀行程 50mm刀盘转0 6 1r min最大扭矩 I 4500KN mmII 1970KN mm脱困扭 5300KN mm结构 刀盘前端面有8条辐板 开有8个对称的长条孔 其上配有滚刀 齿刀 座 刮刀座和2根搅拌棒 刀盘与驱动装置是用法兰连接 法兰与刀盘之间是靠四根粗大的辐条相连
4、为保证刀盘的抗扭强度和整体刚度 刀盘中心部分 辐条和法兰是采用整体铸造 周边部分和中心部分采用先拴接后焊结的方式连接 以前该件需从国外进口 现在已国产化 为保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性 刀盘的周边焊有耐磨条 面板上焊有栅格状的Hardox耐磨材料 刀盘上装有4路泡沫管并分8个出口 各口都装有单向阀 装有塔形滚刀超挖刀一套 配油管2根 其行程为 50mm 刀盘上可装双刃滚刀4把 单刃滚刀31把 正面齿刀64把 边缘齿刀16把 2 刀具的配置 刀具的结构 材料及其在刀盘上的数量和位置关系直接影响到掘进速度和使用寿命 不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的 刀具种类 图2 4单刃滚刀结构图 图2
5、 5双刃滚刀结构图 双刃中心刀 单刃滚刀 中心齿刀 窄齿刀 切刀 弧形刮刀 仿形刀 刀具的破岩机理 分软岩切削机理和硬岩破岩机理 软岩切削机理是刀具对土层的挤压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削效果 图2 6软土刀具切削机理示意图 滚刀破岩要想达到满意效果 必须满足两个条件 a 工作面的岩层要有一定强度 b 滚刀的启动扭矩要小 因为以下因素很难满足以上条件 a 地质因素 b 滚刀的制造质量及工艺 c 滚刀质量一致性 d 开挖模式问题 刀具配置的差异性 刀具配置的差异性表现在滚刀和刮刀的配置数量和高等级组合高度差等方面 刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响 a 刀具高对防结泥饼有利 b 刀具的高
6、度差大有利于破岩 表2 2配置差异表 滚刀与滚刀之间的刀间距 图2 8刀间距示意图 滚刀的刀间距也是影响破岩能力的关键因素 刀间距过大会在两刀之间出现破岩的盲区而形成 岩脊 刀间距过小会将岩体碾成小碎块 降低破岩功效 刀盘边缘部分的刀间距一般都小于90mm 正面刀具的刀间距一般在100mm 有的在115 120mm 二 前体 前体又叫切口环 是开挖土仓和挡土部分 位于盾构的最前端 结构为圆筒形 前端设有刃口 以减少对底层的扰动 图2 9前体结构示意图 在圆筒垂直于轴线 约在其中段处焊有压力隔板 隔板上焊有安装主驱动 螺旋输送机及人员舱的法兰支座和四个搅拌棒 还设有螺旋机闸门机构及气压舱 根据需
7、要 此外 隔板上还开有安装5个土压传感器 通气通水等的孔口 不同开挖形式的盾构机前体结构也不相同 举例参数 F6250mm 直径 X1700mm 长度 X60mm 板厚 X57t 质量 1 主驱动装置 主驱动装置由主轴承 八个液压驱动马达 八个减速器及主轴承密封组成 轴承外圈通过连接法兰用螺丝与前体固定 内 齿 圈用螺丝和刀盘连接 借助液压动力带动液压马达 减速器 轴承内齿圈直接驱动刀盘旋转 举例参数 最大扭矩 I 4500KN mII 1970KN m脱困扭矩 5300KN m输出转速 0 6 1r min主轴承外径 F2600mm质量 6 64t寿命 10000h 图2 10主驱动结构图
8、三 中体 图2 11中体结构示意图 中体又叫支承环是盾构的主体结构 承受作用于盾构上的全部载荷 是一个强度和刚性都很好的圆形结构 地层力 所有千斤顶的反作用力 刀盘正面阻力 盾尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受 中体内圈周边布置有盾构千斤顶和铰接油缸 中间有管片拼装机和部分液压设备 动力设备 螺旋输送机支承及操作控制台 举例参数 F6240mm 直径 X2580mm 长度 X40mm 板厚 X31 4t 质量 1 人员舱 人员舱是在需要压缩空气以平衡盾构围岩的水土压力 以保持作业面的稳定作业时使用 图2 12人员舱结构示意 举例参数 结构双舱型 1800mm 长 X2550mm 宽
9、 X1600mm 高 工作压力 0 3Mpa实验压力 0 45Mpa容纳人数 普通舱3人 紧急舱2人 图2 13推进油缸分区 图2 14推进系统油缸分组图 2 推进油缸 盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力 推进机构包括30个推进油缸和推进液压泵站 推进油缸按照在圆周上的区域分为四组 每组7 8个油缸 3 铰接油缸 为了使盾构在掘进时能够灵活的进行姿态调整及小曲线半径掘进时能够顺利通过 必须减少盾构的长径比 它是通过铰接油缸把盾构的中体和盾尾相连接来实现的 铰接系统包括十四个铰接油缸和预紧式铰接密封 铰接油缸一般处于保持位置 盾尾在主机的拖动下被动前进 当盾构转弯时 油缸也应处于保持位置 盾尾
10、可以根据调向的需要自动调整位置 举例参数油缸数量 14 油缸尺寸 F180mmXF80mmX150mm工作压力 30Mpa牵引力 7340KN 四 盾尾及盾尾密封 图2 16盾尾密封示意图 图2 15盾尾结构示意图 盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封 通过交接油缸与中体相连 并装有预紧式铰接密封 铰接密封和盾尾密封装置都是为防止水 土及压注材料从盾尾进入盾构内 为减小土层与管片之间的空隙 从而减少注浆量及对地层的扰动 盾尾做成一圆筒形薄壳体 但又要能同时承受土压和纠偏 转弯时所产生的外力 盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道数来决定 由于施工中纠偏的频率较高 盾
11、尾密封要求弹性好 耐磨 防撕裂 能充分适应盾尾与管片间的空隙 盾尾结构示意图一般采用效果较好钢丝刷加钢片压板结构 钢丝刷中充满油脂 既有弹性又有塑性 五 螺旋输送机 图2 18螺旋输送机叶片 图2 17螺旋输送机结构示意图 螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要部件 其作用是 掘进渣土排出的唯一通道 掘进时通过螺旋机内形成的土塞建立密封前方土仓内的压力 有效地抵御地下水 螺旋输送机由液压马达减速装置驱动 驱动装置与螺旋输送机采用球形铰接 以适应螺旋轴的自由摆动 为防止渣土的侵入 其输出端采用了与主轴承外密封相同的结构 并自动注脂 螺旋机转速范围可以在0 22rpm内无级调速 控制出土量很方便 调节螺
12、旋输送机的出土速度是控制土仓压力的重要方法之一 图2 19螺旋输送机驱动 举例参数 形式 一端悬浮中心轴式 外径 F900mm 导程 600mm 驱动功率 315KW 最大扭矩 215kN m 转速 0 22 4r min 无级调速 最大出土能力 300m3 h 最大通过块度 300mm 闸门耐压 0 3MPa 液压式 六 管片安装机构 管片安装机由 大梁 支承架 旋转架及拼装头组成 大梁以悬臂梁的形式安装在盾构中体的支承架上 支承架通过行走轮可纵向移动 旋转架通过大齿圈绕支承架回转 旋转架上装有两个提升油缸用以实现对拼装头的提升和横向摆动 拼装头与铰接的方式安装在旋转架的提升架上 安装头上装
13、有两个油缸 用以控制安装头的水平和纵向两个方向上的摆动 其结构如图所示 图2 20管片安装机结构示意图 七 皮带输送机 皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车里 皮带机由皮带机支架 前随动轮 后主动轮 上下托轮 皮带 皮带张紧装置 皮带刮泥装置 和带减速器的驱动电机等组成 安装布置在后配套连接桥和拖车的上面 为安全起见 其上设有3处急停开关 举例参数 驱动形式 电机 皮带机长度 45m 皮带宽度 800mm 皮带运行速度 2 5m s 最大输送能力 750m3 h 电机功率 30KW 八 拖车 盾构的拖车属门架结构 用以安放液压泵站 注浆泵 砂浆罐及电气设备等 拖车行走在钢轨上
14、 拖车之间用拉杆相连 每节拖车上的安装设备如下表 九 液压系统 统及盾构的液压系统包括主驱动 推进系统 包括铰接系统 螺旋输送机 管片安装机及辅助液压系统 主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站 安装在二号拖车上 主驱动系统和螺旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统 这样可以保证液压系统的高效率及系统的清洁 推进系统和管片安装机泵站安装在盾壳内 十 注脂系统 注脂系统包括三大部分 主轴承密封系统 盾尾密封系统和主机润滑系统 三部分都以压缩空气为动力源 靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位 主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量 次 分 并可以从外面检查密封系统是否正常 盾尾
15、密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制 对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控 当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号 并锁定操作系统 直到重新换上油脂 这样可以充分保证油脂系统的正常工作 十一 碴土改良系统 盾构机配有两套碴土改良系统 泡沫系统和膨润土系统 两者共用一套输送管路 在1号拖车处相接 十二 泡沫系统盾构机配有一套泡沫发生系统 用于对碴土进行改良 泡沫系统主要由泡沫泵 高压水泵 电磁流量阀 泡沫发生器 压力传感器 管路组成 其工作原理如图所示 十三 膨润土系统 盾构机还准备加装一套膨润土注入系统 在确定不使用泡沫剂的
16、情况下 关闭泡沫输送管道 同时将膨润土输送管道打开 通过输送泵将膨润土压入刀盘 碴仓和螺旋输送机内 达到改良碴土地目的 根据实际需要 可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内 膨润土只应用在一些特殊的工程下 十四 注浆系统 盾构机采用同步注浆系统 这样可以使管片后面的间隙及时得到充填 有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉 盾构机配有两台液压驱动的注浆泵 它将砂浆泵入相应的注浆点 通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙 注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整 并通过注浆同步监测系统监测其压力变化 单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到 在数据采集和显示程序的帮助下 随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据
