海瑞克土压平衡盾构机结构分析

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1、海瑞克土压平衡式盾构机结构分析2008-08-07关键字：盾构机结构分析承担修建深圳地铁一期工程第七标段（华强全岗厦区间内径为5.4m的双 线隧道）的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点， 购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两 台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化 的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光 导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合 实际施工情况做一简要阐述。盾构机的工作原理1. 盾构机的掘进

2、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，再通过竖井运全地面。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

3、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，使隧道一次成型。盾构机的组成及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5300kNR 26;m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm / min。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。1. 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。前盾和与之焊在

4、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20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20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

5、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12个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。 这种铰接连接可以使盾构机易于转向。2. 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26%，刀盘直径6.28m，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

6、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。3. 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0-6.1rpm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、4. 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

8、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离门，工 作人员甲进入泥土仓。如果这时工作人员乙也需要进入泥土仓工作，乙就可以先 进入前室，然后关闭前室和常压操作环境之间的隔离门，给前室加压全和主室及 泥土仓中的压力相同，扣开前室和主室之间的闸阀，使两者之间的压力平衡，打 开主室和前室之间的隔离门，工作人员乙进入主室和泥土仓中。5. 管片拼装机管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两 个滚轮安放在拼装机大梁上的行走槽

9、中，一个内圈为齿圈形式外径3.2m的滚珠 轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与 旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横粱相连接。现以拼装头在正下方位置的情况为例，来说明拼装机的运动情况。两个拼装 机行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道轴线方向 移动；安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通过驱动滚珠轴承的内 齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各200度；通过伸缩油缸可 以使拼装头上升或下降；拼装头在油缸的作用下又可以实现在水平方向上的摆 动，和在竖直方向上的摆动以及抓紧和放松管片的功能。这样在拼装管片时，就 可以有六个方向

10、的自由度，从而可以使管片准确就位。拼装手可以使用有线的或遥控的控制器操作管片拼装机，用来拼装管片。我 们采用的是1.2m长的通用管片，一环管片由六块管片组成，它们是三个标准块、 两块临块和一块封顶块。封顶块可以有十个不同的位置，代表十种不同类型的管 环，通过选择不同类型的管环就可以使成型后的隧道轴线与设计的隧道轴线相拟合。隧道成型后，管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间 及管环之间都由高强度的螺栓连接。6. 排土机构盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输

11、送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾 部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井， 龙门吊将士箱吊全地面，并倒人碴土坑中。螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后 者可以在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由 蓄能器贮存的能量自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构 也。7. 后配套设备后配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、四节后配套台车及其上 面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、 膨润土设备、循环水设备及通风设备等。A. 管片运输设备管片运输设备包括管片运送

12、小车、运送管片的电动葫芦及其连接桥轨道。管片由龙门吊从地面下至竖井的管片车上，由电瓶车牵引管片车至第一节台 车前的电动葫芦一方，由电动葫芦吊起管片向前运送到管片小车上，由管制、车 再向前运送，供给管片拼装机使用。B. 一号台车及其上的设备一号台车上装有盾构机的操作室及注浆设备。盾构机操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、盾构机PLC自动控制系统、 VMT隧道掘进激光导向系统电脑及螺旋输送机后部出土口监视器。C. 二号台车及其上的设备二号台车上有包含液压油箱在内的液压泵站、膨润土箱、膨润土泵、盾尾密 封油脂泵及润滑油脂泵。液压油箱及液压泵站为刀盘驱动、推进油缸、铰接油缸、 管片拼装机、管片运输小

13、车、螺旋输送机、注浆泵等液压设备提供压力油。泵站 上装有液压油过滤及冷却回路，液压油冷却器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾构机掘进时将盾尾密封油脂由12条管路压送到三排盾 尾密封刷与管片之间形成的两个腔室中，以防止注射到管片背后的浆液进入盾体 内。润滑油脂泵将油脂泵送到盾体中的小油脂桶中，盾构机掘进时，4kw电机驱 动的小油脂泵将油脂泵送到主驱动齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头 中。这些油脂起到两个作用，一个作用是被注入到上述三个组件中唇形密封件之 间的空间起到润滑唇形密封件工作区域及帮助阻止赃物进入被密封区域内部的 作用，对于螺旋输送机齿轮箱还有另外一个作用，就是润滑齿轮箱的球面轴承D.

14、三号台车及其上的设备三号台车上装有两台打气泵、一个1立方米贮气罐、一组配电柜及一台二次 风机。打气泵可提供8Bar的压缩空气并将压缩空气贮存在贮气罐中，压缩空气可 以用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵和气动污水泵，用宋给人闸、开挖室加压， 用来操作膨润土、盾尾油脂的气动开关，用来与泡沫剂、水混合形成改良土壤的 泡沫，用来8嘞气动工具等。二次风机由11kW的电机驱动，将由中间井输送至第四节台车位置处的新鲜 空气，继续向前泵送全盾体附近，以给盾构机提供良好的通风。E. 四号台车及其上的设备四号台车上装有变压器、电缆卷筒、水管卷筒、风管盒。铺设在隧道中的两条内径为100mm的水管作为盾构机的进、回水管，

15、将竖井 地面的蓄水池与水管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱动 盾构机用水在蓄水池和盾构机之间循环。通常情况下，进人盾构机水管卷筒水管 的水压控制在5Bar左右。正常掘进时，进人盾构机水循环系统的水有以下的用 途：对掖压油、主驱动齿轮油、空压机、配电柜中的电器部件及刀盘驱动副变速 箱具有冷却功能，为泡沫剂的合成提供用水，提供给盾构机及隧道清洁用水。蓄 水池中的水用冷却塔进行循环冷却。风管盒中装有折叠式的风管，风管与竖井地面上的风肌连接，向隧道中的盾 构机里提供新鲜空气。新鲜空气通过风管被送至第四节台车的位置。8. 电气设备盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压器、配电柜、

16、动力电缆、 控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺旋输送机后部出土口监视器、 电机、插座、照明、接地等。电器系统最小保护等级为IP5.5。主供电电缆安装在电缆卷筒上，10kV的高压电由地面通过高压电缆沿隧道 输送到与之连接的主供电电缆上，接着通过变压器转变成400v，50Hz的低压电 进人配电柜，再通过供电电缆和控制电缆供盾构机使用。西门子S7-PLC是控制系统的关键部件，控制系统用于控制盾构机掘进、拼 装时的各主要功能。例如盾构机要掘进时，盾构机司机按下操作控制台上的掘进 按钮，一个电信号就被传到PLC控制系统，控制系统首先分析推进的条件是否具 备（如推进油缸液压油泵是否打开，润滑脂系统是否工作正常等，.如果推进的条 件不具备，就不能推进，如果条件具备，控制系统就会使推进按钮指示灯变亮， 同时控制系统也会给推