盾构机配电系统简介

1、盾构机构造及工作原理简介 武汉港迪电气有限公司 配电技术部 王蔚 2012年11月 内容简介 盾 构 机 的 起 源 和 发 展 史 我我 国国 盾盾 构构 机机 的的 发发 展展 历历 程程 盾 构 机 概 述 盾 构 机 的 构 造 及 工 作 原 理 盾 构 机 上 的 电 力 系 统 结 语 盾构机，全称为盾构隧道掘进机，其名称是由“盾构”和“隧 道掘 进机”组合而成。其中“隧道掘进机”说明该设备是一种隧道掘进 的专 用工程机械，而“盾构”二字则来源于盾构法施工。 盾构法施工是利用盾构进行隧道开挖，衬砌等作业的施工方法， 其中盾构指的是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌 块作

2、为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预 制混凝土衬砌块。 盾构发明于19世纪初期，首先应用于开挖英国伦敦泰晤士河水 底隧道。 一、盾构机的起源及发展史 3 一、盾构机的起源及发展史 一、盾构机的起源及发展史 一、盾构机的起源及发展史 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。 一、盾构机的起源及发展史 1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初称为小筒(cell)或圆筒(cylinder)， 在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构” ( shield )这一术语。 1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰 吾士河下修建外径2.2m的隧道

3、。 1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性的地层中很难用压缩空气支撑隧道 工作面，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，以泥浆的 形式出土。 1876年英国人约翰荻克英森布伦敦和姬奥基布伦敦申请第一个机械化盾构 专利。这台盾构有一个由几块板构成的半球形的旋转刀盘，开挖的土料落入 径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转运到 后面从盾构中运出，这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。 1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用 ，在压缩空气条件下施工，标志着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步 ，20世纪初，大多数隧道都是采用格瑞海德盾

4、构法修建的。 1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美国家以外第一个引进盾构的国家。 一、盾构机的起源及发展史 1963年，土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司(佐藤工业)开发出来。下 图为当时设计的土压平衡盾构示意图。 1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用。该盾构由日本制造商IHI（石川岛 播磨）设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管线。 一、盾构机的起源及发展史 1989年，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km ，是世界最长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。 在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、压力保持盾构、软泥盾构

5、、土壤压 力盾构、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。所有这些名称的盾构都应有 了同一种工法国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。 1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构(由3个直径7.8m的刀 头构成，总长17.3m)，并成功地用于大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工 程施工。 我国于20世纪60年代引进盾构技术，1962年2月在上海市城建局隧道处的塘 桥试验隧道工程中采用直径4.16m的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层 下进行掘进试验，试验获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。 20世纪80年代至2000年，随着改革开放和经济发展，地铁建设也由服务于战 备转为服务于

6、经济发展。继北京、天津修建地铁外，上海、广州也相继修建 了地铁工程。地铁施工技术突破了原有浅埋明挖法的限制，盾构法施工方法 被引入地铁施工中。 进入21世纪，随着国家经济、技术的迅猛发展为地铁建设带来了重大机遇， 同时也为盾构技术应用和发展提供了广阔的平台和空间。国家有关部门已经 规定人口在300万以上、GDP值在1000亿以上、年财政收入在100亿以上的城 市可以建地铁。目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国已经成为世 界上最大的城市轨道交通市场。同时，盾构机在越江道路、输气和市政排水 隧洞等工程中也得到了广泛应用。 专家预计：到2020年前，我国的盾构需求量可达300多台。据不完全统计

7、，截 至2009年，国内保有的盾构机在170台左右，主要为日本三菱重工、小松制作 所、德国海瑞克制造。 二、我国盾构机的发展历程 盾构机是掘进机的一种类型。 掘进机的定义是：用机械能破碎隧道掌子面、随即将破碎物质连续向后输出 并获得预期的洞型、洞线的机器。 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而 向前推进。这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的 土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被称为盾构。盾 构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。 盾构是盾构掘进机的简称，是在钢壳体保护下完成隧道掘进、拼装作业，由 主机

8、和后配套组成的机电一体化设备。 为适应各种不同的土质，所以形成盾构的种类繁多。按其构造特点和开挖方 法，可归纳为以下4类。 其中敞口式盾构或称普通盾构、普通闭胸式盾构或称普通挤压式盾构（半机 械化盾构）以及TBM硬岩盾构在本司的产品中尚未涉及，因此不作详述，下 面主要了解一下机械式闭胸盾构。 三、盾构机概述 三、盾构机概述 正面封闭舱中加压，刀盘切削土体的，称局部气压盾构。 正面密封舱中设泥浆或泥浆加气压平衡装置的称泥水平衡盾构、泥水加压式 平衡盾构。泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固 结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层；洪积形成的砂砾、砂、粉 砂、粘土层以及含水

9、很高固结松散易于发生涌水破坏的地层，是一种适用于 多种土质条件的盾构型式。但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基 、砾石地基，有时也要考虑采用辅助施工方法。 正面密封舱中设土压或土压加泥水式平衡装置的，称土压平衡盾构或加泥式 土压平衡盾构。土压平衡盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘 土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及 螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质，不宜选用。 地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。当地层的透水系数小 于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10- 4m/s之间时

10、，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透 水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。现在还有土压与泥水结合的双模式 盾构，能够适应更大范围的地质条件。 四、盾构机的构造及工作原理 下面我就通过介绍中交天和机械设备制造有限公司生产的2套14.93m盾构机的 结构及工作情况来熟悉和了解盾构机的工作方式。该盾构机为泥水气压平衡 复合式隧道掘进机，用于南京市纬三路过江通道工程，该工程采用八车道 “X”形隧道方案，S从浦口到定淮门将有两条隧道“X”形交叉过江，左右线分 离布置两隧，内设上下层双向四车道，共为双层双向八车道。S线全长7363m ，其中盾构隧道长4135m，N线全长7014

11、m，其中盾构隧道长3557m。盾构机 直径14.93m，隧道管片外径14.5m，内径13.3m。盾构机的驱动部总功率为 3750kW，并预留1台250kW的安装位置，其设计推进速度为5cm/min，日最 大掘进能力可达到20米，是国内最大的泥水气压平衡复合式隧道掘进机。 四、盾构机的构造及工作原理 下图是天地重工生产的土压平衡盾构机，请大家结合刚才的动画，了解一下土压平衡式盾构机与 泥水平衡盾构机的异同。而我接着会为大家介绍盾构机的最重要的组成部分，盾体。 前盾中盾后盾 刀盘 人行闸 推进油缸 排土系统 管片拼装机盾尾刷和同步注浆系统 四、盾构机的构造及工作原理 盾构机的控制系统大体上可分为主

12、控和辅控，目前我司已经可以独立承接盾 构机上所有辅控系统的生产和调试工作，但对尚未介入主控系统，目前正在 积极努力中。上文提及的刀盘驱动系统、推进系统、排土系统以及管片拼装 系统全部属于盾构机的主控系统，而同步注浆系统则属于盾构机的辅控系统 。下面会向大家介绍盾构机还有哪些重要的辅控系统及设备。 润滑油脂系统 ：盾构机掘进时，润滑油脂系统将润滑油脂送到主驱动齿轮箱 、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

13、箱的球面轴承。 通风系统：新鲜的空气是由一条空气管来输送。抽风管从拖车一直延伸到整 个后配套系统。它将盾体及液压系统中的废气撤出，此管路中含有消音通风 机。通风机及管路保证了隧道中有持续的新鲜空气提供。空气通过压缩后还 用来驱动盾尾油脂泵和润滑油脂泵，用来给人行闸、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 等。 四、盾构机的构造及工作原理 土体改良系统：对于在不同种类且高渗水性的土壤中（砂层、砾石等）中开 挖时，需要进行土体改良来保证土压平衡操作模式能够顺利进行（易于形成 结块从而保持螺旋输送机内的水压）。对于泥水平衡式盾构来说，为保证注 入工作

14、仓的泥水可以与盾构机前端的水土压力抗衡，其必须以下特性：高的 可塑性；具有流动性，密度低；低的内摩擦；低的渗水性。而一般的泥土不 经处理是不具有以上特性的，因此泥水平衡式盾构注入的泥水全部是由膨润 土调节而成。膨润土往往被称为盾构的血液，可见其重要性。 泡沫是另一种调节介质，适合于靠土压支持的盾构在掘进过程中泥土粘性非 常高的意外情况。经泡沫调节后的土壤有以下特点和好处：使支持压力传递 到隧道开挖面、流动性好、渗水性能低、良好的弹性、降低对盾构机的附着 性、减少对盾构机的磨损、减少驱动功率。泡沫是在泡沫发生器内用空气对 液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂量是通过 PLC 和流量计来计量

15、的。是否进行调整主要是根据掘进速度、支持压力和所给的配方来决定。 泡沫发生系统有三种操作模式：手动、半自动和全自动。通过控制可控制球 阀，盾构机操作手通过操作控制台元件向有关注入点将泡沫注入到刀盘前端 、土仓和螺旋输送机内。 四、盾构机的构造及工作原理 发泡处理前后对比 四、盾构机的构造及工作原理 泡沫注入试验 泡沫注入试验视频 四、盾构机的构造及工作原理 管片拼装循环：在掘进过程中要安装的管片由管片运输机车运送过来，至第 一节台车前的电动葫芦，由电动葫芦吊起管片向前运送到管片小车上，由管 片小车再向前运送，供给管片拼装机使用。管片运输机车和电动葫芦吊同时 还负责各种油箱、膨润土箱的运输工作。

16、 管片 四、盾构机的构造及工作原理 在掘进完一环后后，一部分推进千斤顶回缩，为第一片管片留出足够的空间 。其余推进千斤顶和已经装好的管片仍保持接触，以防止盾构机由于土压而 后退。管片拼装机抓起管片并将其放在应放的位置，在此位置它可以和上一 管片用螺栓连接起来。在管片拼装机夹头放开管片之前，一定要保证已回缩 的推进油缸再次顶紧管片，以防止管片意外移动。其余管片的安装方法与此 相同，而最后一块管片称为封顶块，一般为楔形，从管片前方插入已拼好的 管片中，形成完整的管片环。每个管片都有编号，需安装预先制定好的顺序 才可以将管片环拼装成功。相邻管片环的封顶块不会位于管片环的相同位置 ，防止封顶块意外滑出

17、。而盾构机的正常工作流程也就是在这样掘进、拼环 、再掘进、再拼环的循环中不断进行着。下面通过视频来直观的了解一下盾 构机的掘进、拼环过程。 掘进、拼环视频 四、盾构机的构造及工作原理 气体保护系统：盾构机在掘进中有可能会遭遇瓦斯泄露，氧气不足等种种危 险，该系统通过测量气体中的氧气和有害气体的含量，适时进行报警，保证 工作人员的人身安全。 冷却系统：盾构机具有一个封闭的回路用以冷却设备上的电气及液压设备。 数据采集系统：采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据 。比如压力、水位、温度、电气参数等，通过分析这些数据作为盾构机控制 系统的控制依据。 隧道导向系统：系统可以提供盾构机高精

18、度地沿着设计路线掘进所需的必要 信息。为了进行文件处理，测量到的盾构机姿态和管片数据可以在任何时候 保存、显示或打印出来。 控制系统：控制系统用以控制盾构机的主要功能，所有的软件都必须完全防 止未经授权的登录。所有系统都有失效保护，包括在错误情况下的错误操作 引起的电路自锁及断路保护。所有的主要设备均设置有预先报警系统及远程 的控制功能。关键部件的硬件安全措施是与总控系统（PLC）分设的。这部 分是电控事业部的内容，就不多作描述了。 四、盾构机的构造及工作原理 水循环系统：在隧道中铺设盾构机的进、回水管，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

19、 蓄水池和盾构机之间循环。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。 台车：台车式盾构机盾体后挂的配套拖车，盾构机上所有的设备都置于台车 上。上文中提及的设备和系统一般都安装于靠前及靠近盾体的台车上，但是 还有一个重要的系统还没有介绍，此系统一般安装与盾构靠后的台车上。那 就是： 五、盾构机上的电力系统 电力系统：我司配电技术部完成的就是该系统的工作，盾构机的电力系统一 般由以下设备构成。 电力变压器：盾构机一般为10kV上电，因此需设置变压器进行

20、降压。若无防 护外壳，则一般选用防护等级IP55以上，全封闭，户外型的油浸式变压器。 若在变压器另有防护外壳，则可选用户内型的干式变压器。 配电柜：盾构机配电柜防护等级为 IP55以上，配电柜由高压进线柜和若干低 压馈线柜组成，在主配电柜面板上须装有仪表测量电压、电流、有功功率， 无功功率等电参数。根据实际需要，设置电度表用于监测电量使用情况。每 个回路设置单独的过载保护和短路保护器件。 电容补偿装置：盾构机上必须安装适当的功率补偿设备以保证系统功率因数 大于 0.9，无功补偿装置通过无功补偿控制器是自动投切。在明显位置设置功 率因数用于检测系统实时功率因数。 箱式变电站：上述设备即可以分散安

21、装，也可以安装与同一箱式变电站中， 我司目前完成的盾构机配电产品多为此种形式。 散热系统：由于盾构机工作环境恶劣，箱变空间紧张、箱变防护等级又高达 IP55，因此需设置有效的通风措施帮助变压器和电容补偿装置散热，以保证 盾构机的稳定运行。 电缆卷筒：电缆卷筒通过控制电缆的卷起和放出，选择合适的电缆长度将外 界电源引入系统中。盾构机上类似的装置还有水管卷筒等辅助设备。 电缆：电缆必须置于专用的电缆桥架或悬挂系统中永久固定，对其加以保护 以防止绝缘层损坏，电缆的行走路径应方便接线或维护。动力电缆与控制、 通信电缆应分离，防止出现电力干扰。 安全装置：设置有专用的声光报警装置、安全继电器、急停回路保

22、证电力系 统的安全运行。 照明：在合适位置设置照明装置方便系统设备的操作、维护及检修。 接地系统：盾构机安全接地系统用适当的接地线将所有拖车连结在一起，使 得盾构机成为一个等势区域，在此区域中所有暴露的导电零件和外部金属件 维持相同的电位。电力系统内的所有设备的地线都必须连接起来在同一点统 一接地。 五、盾构机上的电力系统 六、结语 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优点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工 尤为经济合理。现代盾构机集光、机、电、液、传感、

23、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。 其中电气作为其中不 可或缺的一环，起到了至关重要的作用。 截止到2010年5月，我国十大城市地铁总运营总里程1039公里，已有30多个城市 获批兴建地铁，2016年底拟建92条线路，总长2677公里。据预测，2020年，我 国将有36个以上的城市拥有地铁，城市轨道交通累积营业里程将达到11042公里 。可见，未来510年，将迎来地铁的发展高峰，这将带来巨大的盾构市场。而且 ，由于近年多发的洪涝灾害，中国政府已经意识到中国城市市政排水管的脆弱， 预

24、计未来58年，会有越来越多的盾构机进入市政排水管道施工领域。 时值今日，我们港迪人尤其应抓住如今的大好形势，大力开拓新的市场领域，力 争进入到盾构机的核心领域。在盾构机的电气系统专业树立起港迪的品牌，借轨 道交通高速发展的东风，奠定港迪成就“中国的西门子，中国的ABB”的基石！ 刀盘 铲刀 切削刀 滚刀与推出式滚刀 仿行刀与超挖刀 刀盘通过安装在 前盾承压隔板上的法 兰上的刀盘电机来驱 动。它可以使刀盘在 顺时针和逆时针两个 方向上实现无级变速 。刀盘电机的变速齿 轮箱内需设置制动装 置，用于制动刀盘。 电机的防护等级需大 于IP55。 铲刀 铲刀可以双向进行开挖，主要用于保证开挖直径的稳定不

25、变。 切削刀 切削刀主要用于切削软土、泥砂地层 刀口与刀盘旋转方向水平的称为切刀，刀口与刀盘旋转方向垂直的称为削刀 滚刀与推出式滚刀 滚刀用于砂卵石、硬岩地层，滚刀可以将大块的岩石打碎，分成小块。 推出式滚刀可替代外部已磨损的滚刀，从而减少复合地层的带压换刀，延长 掘进距离，加快施工进度，缩短工期。 同推出式滚刀一样，切削刀同样有推出式的。 仿行刀和超挖刀 刀盘上安装了仿形刀。安装的仿形刀通过一个油缸进行伸缩操作。仿形刀的 伸缩则在主控室内事先加以设置控制。 盾构具有仿形超挖功能是目前盾构中较为先进的一种，其仿形超挖方位、超 挖量可根据不同的施工要求而调整。 当盾构机因为隧道路线设计或由于地质

26、状况需要转向时，仿行刀的超挖功能 可以帮助盾构机转向。 人行闸 人行闸装在前盾上，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或更换刀具时，要通过人行闸。 如果地面具备地层加固条件或事先已经进行了地层加固处理，开挖面的稳定 有保障，则可在常压下进行刀具检查和更换作业。盾构在选定地点停机后， 将土仓里的土排出一部分，直至土仓内土体高度低于土舱隔板上的密封门， 此时作业人员可以通过气闸打开通往土仓的密封门在不带压的情况下进入土 仓，从而进行刀具检查和更换。 如果没有注浆加固条件，开挖面又不是可以自稳的地层，则需要用压缩空气 来维持开挖面的稳定。作业人员需在土仓内带压作业。做这项工作必须由经 过培训的专业人员进行。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，来说明人行闸的作用。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。 人行闸示意图 人行闸 推进油缸 推进油缸又称作掘进千斤顶，安装在中盾内侧的