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1、盾构机定义 盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机 盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建 铺设 隧道之 盾 指支撑性管片 它区别于敞开式施工法 国际上 广义盾构机也可以用于岩石地层 只是区别于敞开式 非盾构法 隧道掘进机 而在我国 习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为 狭义 盾构机 将用于岩石地层的称为 狭义 TBM 盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构 挤压式盾构 半机械式盾构 局部气压 全局气压 机械式盾构 开胸式切削盾构 气压式盾构 泥水加压盾构 土压平衡盾构 混合型盾构 异型盾构 1 2 S457 S458盾构机介绍 海瑞克S457和S458两台盾构机于2008年10月在广州海瑞克隧道机械
2、有限公司南沙工厂组装生产 2008年至今先后在广州和深圳及南昌等城市参与地铁施工 两台盾构机于2015年1月至9月运抵公司广州盾构维修中心由中船重工公司进行全面维护保养 该土压平衡盾构机整机长度约75米 盾体长度8 2米 最小转弯半径200米 总重量约为429吨 总装机功率约为1660kw 变压器容量2000kVA 目前两台盾构机在江联重工维修车间内进行维修 改造 承担南昌地铁3号线一标区间掘进任务 3 盾构机主要组成部分 刀盘 刀具盾体拼装机螺旋机台车及后配套 4 刀盘 作为盾构机的关键部件之一 刀盘主要起到开挖土体 稳定工作面及搅拌土砂的功能 因此在掘进过程中刀盘工作环境恶劣 受力复杂 刀
3、盘型式及结构关系到盾构的开挖效率 使用寿命及刀具费用 刀盘配置及选型主要依赖于工程地质及水文地质条件 不同的地层应采用不同的刀盘型式 盾构刀盘由钢结构件焊接而成 目前其主流型式有2种 面板式和辐条式 另外 还有介于2者之间的辐板式刀盘 由辐条和幅板组成 5 6 S457刀盘 7 8 S457 S458盾构机刀盘开挖直径6280mm 刀盘直径6250mm 开挖直径大于刀盘直径 可以避免刀盘面板与开挖面的直接接触 较少磨损和摩擦力 刀盘面板只是刀具以及渣土改良剂管路的载体 前方土体开挖靠的是刀具 而不是面板 9 刀具 目前盾构机刀具按切削原理划分 一般公认有滚刀和切削刀两种类型 根据隧道围岩性质不
4、同 切削目的不同 这两类刀具还可进一步细分 滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩 一般用于岩石隧道的掘进 当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石 粒径大于400mm 并且含量达到一定比例时 也可采用滚刀型刀具 另在隧道地质条件复杂多变 岩石 强度不算太高 与一般土体 或粘土或砂土 交错频繁出现的情况 也有可能采用滚刀型刀具 即在复合式盾构机中采用 切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时 刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向 沿隧道前进方向 剪切力和径向 刀盘旋转切线方向 切削力 不断将开挖面前方土体切削下来 切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石 砂土 粘土等松散体地层 10 11 3号线
5、一标区间需刀具类型 数量 12 S457二号线出洞时刀具情况 13 盾体 盾体主要包括前盾 中盾和尾盾三部分 这三部分都是管状简体 其外径是6 25m 6 24m 6 23m递减 呈倒锥型 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动 同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离 承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器 可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力 前盾的后边是中盾 中盾和前盾通过铰接油缸连接 这两台盾构机的铰接模式是主动铰接 有12个铰接油缸 分为4组进行控制 14 15 中盾与尾盾是焊接在一起的 因此 对焊接质量和盾壳定位的要求很高 若盾尾的同轴度误差过大 会增加掘进姿态和管片拼装质量的
6、控制难度 而焊接质量较差则直接影响盾构施工的安全 中盾处有20个分为4组的推进千斤顶 为盾构机前进提供推力 千斤顶可以分组控制也可以单独控制 可实现盾构机上 下 左 右不同方向的调节 16 17 18 人仓中盾上安装有一个双舱的人仓结构 人仓的作用是提供一个密闭的与土仓压力一致的施工环境 可在施工过程中根据需要进行刀具的检查更换和土压传感器的检修等工作 也为进入盾构机前方的施工人员提供休息的空间 人仓内的作业可分为常压和带压 开仓作业是有很高风险的施工 需编制专项施工方案以及做好充足的安全保障准备和人员 技术准备 19 20 盾构机盾体上还有各类预留孔 用于水 改良剂 浆液的注入 尾盾还有三道
7、盾尾刷 用于紧贴管片 三道盾尾刷形成的两个空腔 由盾尾油脂填充 进一步确保盾构机内部行程密闭空间 保证作业安全 若盾尾刷破损严重 会导致盾体内形成流体的通道 随着地下水 沙的涌入 严重影响施工安全 因此盾尾刷的选择和焊接质量也是需要重视的地方 21 22 拼装机 管片拼装机是一种设置在盾尾部位 并可以迅速把管片拼装成确定形式的起重机械 一般管片拼装机的形式有环式 空心轴式 齿条齿轮式 我们所使用的管片拼装机采用环式 由回转系统 提升系统 平移系统和管片夹取系统构成 其中主要部件有大功率马达 传动轴 传动齿轮 回转盘体 支重轮 辊轮 提升横梁 水平平移系统 管片夹取装置 23 管片拼装机的动作有
8、六个自由度 六个自由度的含义即沿着管片的三维方向进行平移和旋转的六种方式的自由运动 拼装机的操作由无线遥控器控制 其控制信号经无线信号接收盒传递至PLC 再通过PLC控制各液压阀组做相应的动作 24 25 26 拼装机的正常与否直接影响管片拼装质量和施工进度 因此在每日掘进过程中 针对拼装机的故障问题报告要引起足够重视 尽快通知维修人员进行处理 27 螺旋机 旋输送机是土压平衡盾构排土和建立土压平衡的主要设备 安装于前体的底部和管片拼装机之间 其中线从前向后上扬一定角度 螺旋输送机工作时 伸入土仓内的螺杆和螺旋叶片在液压马达的驱动下旋转 渣土在螺旋叶片和机壳的共同作用下 沿一定角度的螺旋线进行
9、输送提升 至出土口处排出 螺旋输送机从内部结构形式可分为2类 1 中心轴螺旋杆式主要包括圆筒状机壳 中心螺杆 轴式 和螺旋叶片3个部分 适用于一般性砂土运输 且有较好的抵抗水压的能力 是目前土压平衡盾构螺旋输送机的主要形式 2 无中心轴带式 仅有机筒和螺旋叶片 通过叶片的旋转将渣土刮出 可用于较大颗粒砂砾和块石运输 目前主要用于含有大量卵石的地层 对水压的抵抗能力较差 S457 S458采用的是第一种 中心轴螺杆式螺旋输送机 28 螺旋输送机的主要作用1 从有压力的密封土仓内将刀盘切削下的渣土排出盾构 2 渣土在螺旋输送机内输送过程中形成土塞 使土仓内的压力沿螺旋输送机渐进衰减以保持土仓内压力
10、的稳定 3 通过调整螺旋输送机转速 改变排土量 调节土仓内土压力值 使其与掘进面水压力和土压力保持动态平衡 29 30 31 土压平衡盾构施工的关键是土压平衡的实现 主要包括土仓内外的压力平衡和土仓内进土量与出土量的平衡 两者分别代表了土压平衡盾构掘进过程中的力学平衡条件和几何平衡条件 力的平衡依靠量的平衡来实现 而量的平衡则依靠螺旋输送机转速与盾构掘进速度的匹配来实现 即通过排土量的控制来实现上述的平衡状态 排土量过大 会导致开挖面地层损失过大而坍塌或引起地表过量沉降 排土量过小 会使土仓压力迅速增大 进而使掘进面产生过大压力 使掘进面失稳或引起地表隆起破坏 因此 排土量的控制是土压平衡盾构
11、正常掘进施工中极为重要的环节之一 32 台车及后配套 S457 S458盾构机有4节台车和一节连接桥 连接桥的作用是将台车与盾体连接起来 当盾体向前移动时 可拖动台车一起向前移动 连接桥上左侧是泡沫发生装置及管路 膨润土管路 连接桥右侧有管片小车和螺旋机闸门阀组和螺旋机后闸门紧急关闭使用的氮气蓄能器 连接桥上部有双轨梁管片吊机 用于管片从台车到管片小车上的转运 33 34 1号台车 1号台车左侧是司机控制室 整个盾构机大脑 核心控制部位 在控制室内有两套系统 一套是pvd系统和控制面板 用于掘进参数的设定和掘进信息的反馈 一套是vmt系统 用于掘进测量数据的设定和反馈 同时在控制室内可监控螺旋
12、机出渣口 皮带出渣口两处的渣土情况 一方面可观察出土情况 一方面可观察土斗装土情况 及时优化掘进参数 35 1号台车右侧为同步注浆系统 用于盾构机掘进时及时补充管片与周边土体的空隙 确保管片稳固不变形 也确保周边土体沉降值在控制范围内 砂浆的制作是地面砂浆站完成 通过电机车配套的砂浆罐运至隧道内 再抽至台车上的搅拌罐内存储 通过搅拌罐下方4路注浆泵压至盾尾浆液管路 从尾部向外注入土体中 每一环的砂浆注入量通过计算得出 但是理论注入值不一定能满足实际需要 因此需要根据实际情况的变化 及时进行二次补浆 36 37 38 2号台车 2号台车左侧为膨润土罐及膨润土泵 泡沫泵及泡沫箱 可以理解为该部分为
13、渣土改良剂部分 针对不同地层条件 注入对应的渣土改良剂 降低施工风险 保证设备安全及施工进度 2号台车右侧为液压泵站 几乎盾构机主要的动力液压泵均在此处 这里有主油箱 油水热交换循环装置 油路过滤装置以及大功率电机 是盾构机的心脏 为各类液压设备提供动力来源 39 40 41 3号台车 3号台车左侧有内循环水泵 盾尾油脂启动泵 润滑油脂启动泵 提供盾构机上冷却水循环及主要设备润滑 密封功能 3号台车右侧是主电柜 为各类电机 传感器 灯具提供电源 并有远程数据采集系统 小型的PLC 作为远程数据采集和控制 每个电柜内装备了不同功能和用处的开关 变频器等器件 可根据电气图纸进行线路的检修和故障判断
14、 42 43 44 4号台车 4号台车左侧是两台大功率空压机 为气动泵 人仓加压 土仓加压 泡沫等提供压缩空气 在3号台车尾部有一个储气罐 一般情况下 空压机的排气压力值设定在0 8MPa 空压机并非时刻运行 当低于设定临界值时才启动 当达到设定排气压力值时停止 在人仓带压开仓作业期间 可根据空压机启动和停机的时间比 判断盾构机外部密闭空间是否出现泄漏及泄漏量 当启动过于频繁 启动时间大于停机时间时 需注意已有较大泄漏 要及时采取措施确保安全 45 4号台车右侧为2000KVA容量的油浸式变压器 高压端为10KV 低压端为400V 是盾构机总动力来源 高压线由地面环网柜引出 跟随盾构机前进 因
15、此每隔一段距离 需设立连接柜 延长高压线 确保高压线不被挤压 拖拽 高压很危险 高压线的防护就显得很重要 在管片壁上需安装挂钩 套上胶管 避免高压线直接压在金属件上或者埋在污水里 降低施工风险 严禁人员坐在高压线缆上休息 46 47 48 管片小车 二次风机 测量设备 管片小车位于拼装机前方的管片上 是管片水平运输的一部分 与双轨梁一起承担管片运输的任务 因为皮带机的遮挡 无法仅靠双轨梁完成管片运输任务 因此通过管片小车在低处将管片运输至拼装机下方 S457 S458盾构机的管片小车上一次可承载4块管片 因此管片摆放的顺序需预先确定 根据不同的拼装点位有不同的摆放顺序 49 二次风机位于台车上
16、方 其作用是将隧道外一次风机输送的新鲜空气输送至前方盾体处 保证人员呼吸通畅以及隧道内空气质量 当盾构机掘进较长距离时 洞外风机送风能力将明显减弱 因此需要二次风机继续传递空气 测量系统 该两台盾构机的测量有车载测量系统和人工复测两种方式 其中车载测量系统即VMT导向系统由激光标靶 全站仪 后视棱镜 有线通讯盒 黄盒子 和电脑软件组成 是自动化程度极高的测量系统 可实现盾构机姿态实时监控 管片选型预测等多种功能 是保证盾构机按照设计轴线前进的重要辅助工具 当然人工复测同样重要 可有效降低误差 进一步确保盾构掘进方向的正确性 50 总结 各厂商制造的盾构机略有不同 但其基本原理都是服务于盾构法施工 满足盾构法施工的各项需求 各个城市的业主要求也不尽相同 本标段 为满足南昌地铁业主下发的盾构管理文件相关规定 对盾构机作了相应的改造 螺旋机后闸门的双闸门设计 泡沫系统单管单泵 刀盘刀具磨损检测装置等 均是为了更加全面的提高盾构施工的安全性和设备可靠性 盾构机的结构大致介绍到这里 针对盾构机每一部分实际还有更细致的东西去熟悉 掌握 盾构法施工的主体就是盾构机 只有掌握盾构机的构造 才能更好的驾
