地下工程机械盾构式掘进机

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1、盾构式掘进机盾构式掘进机盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，俗称 隧道工程的穿山甲。现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一 体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉 及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且 要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进 机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次 成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在 水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞

2、线较长、埋深较大的情况下，用 盾构机施工更为经济合理。 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边 对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞 段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地 下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。 盾构机的选型原则是因地制宜，尽量提高机械化程度，减少对环境的影响。参与沈阳地铁工作的盾构机名为开拓者号，总长为 64.7 米，盾构部分 9.08 米， 重量为 420 吨，其工作误差不超过几毫米。德国进口的盾构机大概需要人民币 5000 万元，日本进口的盾构机大概需要人民币 30

3、00 万元以上，国产的盾构机 价格一般在 2500 万左右。 目前国内具有自主知识产权的国产盾构机是上海隧道工程股份有限公司研 制的国产“863”系列盾构机。 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）。 泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面， 其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开 挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压 平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进

4、行改良)作为稳定开挖面的 介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再 由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输 出料器出土量(旋转速度)进行调节。 根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网 格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构 使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。 敞开式手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方法适于地地质条件较好， 开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况，其开挖一般 是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可借用千斤顶加撑板对开挖面

5、进 行临时支撑。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容 易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间。 机械切削式指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。根据地质条件的好坏， 大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。刀架间无封板适用于土质较好的条 件。大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。此外， 清除障碍物也不如敞开式开挖。使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力 较大。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方 式。 网格式采用网格式开挖，开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作 用是由土的粘聚力和网格厚度范围内

6、的阻力而产生的。当盾构推进是，土体就 从格子里挤出来。根据土的性质，调节网格的开孔面积。采用网格式开挖时， 在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，在 施工务必采取有效措施，防止盾构后退。 挤压式全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的 扰动，在施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压时施工时，要精心控 制出土量，以减少和控制地表变形。全挤压式施工时，盾构把四周一定范围内 的土体挤密实。 盾构机的市场需求及特点当前，中国已经成为世界最大的盾构机市场，我国盾构机市场需求旺盛。 据有关专家预计，随着我国城市轨道交通的发展，各类盾构掘进机未来潜在市

7、 场将有 200 亿元以上的产值。 我国盾构机的市场有以下几个特点： 1.地铁建设高潮将至。在国内，目前 地铁已经开工的共 23 个城市，国务院批准的有 33 个城市，国内地铁盾构机由 中心城市向四周辐射，到 2015 年将进入地铁发展的高潮。 2.范围不断扩大。 盾构机使用范围从城市轨道交通向市政地下管道发展，包括污水管道、电力管 道、上下水、煤气燃气管道、城市共同沟。 3.盾构机品种多样化。从单一的地 铁盾构发展到多品种，包括土压平衡盾构、泥水盾构、开敞式盾构、以及其他 异形（双圆、三圆、矩形、马蹄形等）盾构。 4.已经从国内市场向国际市场发 展。 应用用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高

8、、节省人力、施工速度快、一次 成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在 水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用 盾构机施工更为经济合理。 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边 对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞 段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地 下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。 盾构机的工作原理 1盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进， 随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切

9、削下来的碴土充满泥土仓，此 时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运 输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。2掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土 经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的 水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或 隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的 流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。3.管片拼装盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片， 使隧道次成型。盾构机的组成及

10、各组成部分在施工中的作用。盾构机的最大 直径为 6.28m，总长 65m，其中盾体长 8.5m，后配套设备长 56.5m，总重量 约 406t，总配置功率 1577kW，最大掘进扭矩 5300kN?m，最大推进力为 36400kN，最陕掘进速度可达 8cmmin。盾构机主要由 9 大部分组成，他们 分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电 气系统和辅助设备。4.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 625m。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，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面

11、上， 以起到支撑和稳定开挖面的作用。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 前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有 30 个推进油缸，推进油 缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向 后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这 30 个千斤顶按上下左右被分成 A、B、c、D 四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力， 这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾 构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。中盾的后边是尾盾，尾盾通过 14 个被动 跟随的铰接油缸和中盾

12、相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。5.刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削 土体，刀盘的开口率约为 28，刀盘直径 628m，也是盾构机上直径最大的 部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可 根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有一 把超挖刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方 向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆 的行程为 50mm。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘 后面的泥土仓中进行更换。法兰板的后部安装有一个回转接头，其

13、作用是向刀 盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。 6.刀盘驱动刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它可以使刀盘在 顺时针和逆时针两个方向上实现 0-61rpm 的无级变速。刀盘驱动主要由 8 组 传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式 变速齿轮箱组成，其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀 盘。 安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却 齿轮油。 7.双室气闸 双室气闸装在前盾上，包括前室和主室两部分，当掘进过程中刀具磨损工 作人

14、员进入到泥土仓检察及更换刀具时，要使用双室气闸。在进入泥土仓时， 为了避免开挖面的坍坍，要在泥土仓中建立并保持与该地层深度土压力与水压 力相适应的气压，这样工作人员要进出泥土仓时，就存在一个适应泥土仓中压 力的问题，通过调整气闸前室和主室的压力，就可以使工作人员可以适应常压 和开挖仓压力之间的变化。但要注意，只有通过高压空气检查和受到相应培训 有资质的人员，才可以通过气闸进出有压力的泥土仓。 现以工作人员从常压 的操作环境下进入有压力的泥土仓为例，来说明双室气闸的作用。工作人员甲 先从前室进入主室，关闭前室和主室之间的隔离门，按照规定程序给主室加压， 直到主室的压力和泥土仓的压力相同时，打开主

15、室和泥土仓之间的闸阀，使两 者之间压力平衡，这时打开主室和泥土仓之间的隔 盾构机问世至今已有近 180 年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。 近 30 年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有 效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使 用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技 术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。盾构机尤其是土压平 衡式和泥水式盾构机在日本由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。 德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前提 以及高达 0.3MPa 气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘 进长度。德国还开发了在密封条件下，从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨 损的刀具。 据了解，采用盾构法施工的掘进量占京城地铁施工总量的 45%，目前共 有 17 台盾构机为地铁建设效力。虽然盾构机成本高昂，但可将地铁暗挖功效 提高 8 到 10 倍，而且在施工过程中，地面上不用大面积拆迁，不阻断交通， 施工无噪音，地面不沉降，不影响居民的正常生活。不过，大型盾构机技术附 加值高、制造工艺复杂，国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。 盾 构机将在社会的发展上起到不可磨灭的作用。地 下 工 程 机械 盾构机B09060412李小康