(整理)盾构机结构详解

盾构机技术讲座盾构机结构〔EPB总体结构图〕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。其优点如下: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平安施工。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。其缺点为：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。盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形〔断面形状〕随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。〔如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车〕。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及本钱相对低廉，绝大局部盾构还是采用传统的圆形。为适应各种不同类型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：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。软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。模式型软土盾构机硬岩盾构机混合盾构机土压平衡泥水加压开胸式★★★半开胸式★★★闭胸式★★★★以下以海瑞克公司在广州地铁使用的典型土压平衡式盾构机为例：盾构机总图总体外形尺寸：6280X75000mm总质量：520t装机总功率：1744.6KW最大掘进速度：80mm/min第一节：主机结构〔盾体及刀盘结构〕断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为：S335J2G3。主要由已下局部构成：刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机。主机外形尺寸：7565mm〔L〕Ｘ6250〔前体〕Ｘ6240〔中体〕Ｘ6230〔盾尾〕质量：刀盘57t前体92t中31.4t盾尾26t主轴承6.64t人舱4t管片安装机18.6t总质量约：236T。〔不含各系统设备质量〕功能:实现对岩土的开挖、推进、一级出渣、管片安装。盾构机主机结构图刀盘硬岩盘口局部硬岩盘口局部开挖直径6280mm软岩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本钱，并且出了故障维修处理困难。不同的地质情况和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。软岩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、润滑和渣土改进。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：6280mm6130mm〔刀圈外经〕Ｘ1410mm刀盘质量：57000kg开口率：28%超挖刀行程：50mm刀盘转速：0-6.1r/min最大扭矩：I-4500KN.mmII-1970KN.mm脱困扭矩：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。为保证刀盘的抗扭强度和整体刚度，刀盘中心局部、辐条和法兰是采用整体铸造，周边局部和中心局部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。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：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀〔双刃以上的一般都是中心滚刀〕、齿刀、切刀、刮刀和方形刀〔超挖刀〕。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。单刃滚刀结构图双刃滚刀结构图刀具形式双刃中心刀用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀数量：4单刃滚刀用于硬岩掘进刀刃距刀盘面175mm，掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动，可换装齿刀。数量：31中心齿刀用于软土掘进，替换滚刀，更换后可以增加刀盘中心局部的开口率。数量：4窄齿刀用于软土掘进。其结构形式有利于碴土流动进入土仓数量：19切刀软土刀具，图示斜面结构利于软土切削中的导渣作用。同时可用做硬岩掘进中的刮渣。数量：64弧形刮刀刀盘弧形周边软土刀具，斜面结构，利于碴土流动。同时在硬岩掘进下可用作刮渣数量：16仿形刀用于局部扩大隧道断面数量：1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到达切削效果。软土刀具切削机理示意图软土刀具切削机理示意图硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石挤压产生的剪切力和〔冲击力〕碾碎岩石的机械破岩方法。要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。所以滚刀破岩要想到达满意效果，必须满足两个条件：①工作面的岩层要有一定强度；②滚刀的启动扭矩要小。因为以下因素很难满足以上条件：①地质因素；②滚刀的制造质量及工艺；③滚刀质量一致性；④开挖模式问题。滚刀滚压破岩示意图滚刀滚压破岩示意图1、断裂体2、碎断体3、密实承载体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。配置差异表制造商参数海瑞克公司维尔特公司三菱公司滚刀启动扭矩/mm20-5050-8030-50滚刀直径/in171713或17滚刀磨损量限制/mm20〔刀圈厚70〕30〔刀圈厚80〕20边缘滚刀高度/mm高出盾壳15-20高出盾壳15-20高出盾壳15-20中心滚刀高度/mm/把数175/8110/10110/8正面滚刀高度/mm/把数175/30110/25110/30切刀高度/mm/把数140/〔32X2〕70〔37X2〕70/〔30X2〕刮刀高度/mm/把数140/16---70/42刀盘先行刮刀无，滚动与刮刀互换无，滚动与刮刀互换90,滚动与刮刀互换刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响：①刀具高对防结泥饼有利。②刀具的高度差大有利于破岩。滚刀与滚刀之间的刀间距。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，降低破岩成效。目前，刀盘边缘局部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115-120刀间距示意图前体前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土局部，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。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：6250mm〔直径〕X1700mm〔长度〕X60mm〔板厚〕X57t〔质量〕前体结构示意图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。主轴承设置有三道唇形外密封和两道唇形内密封，外密封前两道采用永久性失脂润滑来阻止土仓内的渣土和泥浆渗入，后一道密封是防止主轴承内的润滑油渗漏。内密封前一道阻止盾体内大气尘土的侵入，后一道防止主轴承内润滑油的外渗。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：2600mm质量：6.64t寿命：10000h主驱动结构图中体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体结构示意图举例参数：6240mm〔直径〕X2580mm〔长度〕X40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。实现操作人员在气压状态下检查、更换刀具及排除工作面异物等工作。人员舱分普通〔主〕舱和紧急舱，它们由密封的压力门隔开。普通舱和盾构前体上的中间舱之间用法兰连接，而中间舱直接焊接在压力隔板上。通过隔板上的压力门就可以进入土仓。普通舱和紧急舱横向连接，舱内舱外都装有时钟、温度计、压力计、、记录仪、加人员舱结构示意图压阀、减压阀、溢流排气阀即水路、照明系统。紧急舱的作用是在压缩空气工作时和出现紧急情况时的出入。进入人员舱的工作人员必须经过身体检查及专业培训，并取得劳动部门的相关资质，在进行加压和减压作业时要严格遵循加压、减压规程，一般参照美国海军潜水规程。推进油缸分区示意图举例参数：结构双舱型、1800mm〔长〕X2550mm〔宽〕X1600mm推进油缸分区示意图工作压力：0.3Mpa实验压力：0.45Mpa容纳人数：普通舱3人、紧急舱2人。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。通过调整每组油缸的不同推力来对盾构进行纠偏和调向。油缸后端的球铰支座顶在管片上以提供盾构前进的反力，球铰支座可使支座与管片之间的接触面密贴，以保护管片不被损坏。推进系统油缸的分组如下图4-7-4，其中红色位置的油缸安装有位移传感器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。举例参数油缸数量：30〔单、双缸各10组〕；油缸尺寸：220mmX180mmX2000mm；工作压力：30Mpa最大工作压力：35Mpa总推力；34210KN；最大推力：39890KN最大伸出速度：80mm/min〔空载〕最大缩回速度：1400mm/min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：180mmX80mmX150工作压力：30Mpa牵引力：7340KN盾尾及盾尾密封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。另外在盾尾壳体上合理的布置了8根盾尾油脂注入管和4根同步注浆管。盾尾结构示意图盾尾密封示意图由于施工中纠偏的频率较高，盾尾密封要求弹性好，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。盾尾密封示意图举例参数：6230mm〔外径〕X3285mm〔长度〕X40mm〔板厚〕X26t〔质量〕螺旋输送机螺旋输送机叶片螺旋输送机结构示意图螺旋输送机叶片螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要部件。其作用是：是掘进渣土排出的唯一通道；螺旋输送机驱动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。螺旋输送机既要出土效率高，又要在喷涌时起到土塞作用，所以在螺旋器的结构分：有心轴式和无心轴式，为到达土塞目的，在螺旋带上设一段空段或反向螺旋带。螺旋带的支撑采用单侧轴承悬臂支承法，前端依靠渣土的悬浮力支承和平衡。在螺旋器壳体内和螺旋带的前端均焊有耐磨合金条或耐磨合金粒，以保证其使用寿命。螺旋输送机还设置了前、后端两个闸门，以控制其出土速度和建立、维持密封土仓内的土压平衡。为使前端闸门能够自由关闭，采用了螺旋带可前后伸缩，行程为：1000mm。螺旋机壳体上还设有4个注入孔，可注水、泡沫和膨润土以减少出土阻力。有的在排渣口设置渣土与泥水别离装置或容积是排放装置，尽量使泥水不掉下污染隧道螺旋输送机驱动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。调节螺旋输送机的出土速度是控制土仓压力的重要方法之一。举例参数：形式：一端悬浮中心轴式、外径：900mm、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〕、管片安装机构管片安装机结构示意图管片安装机由：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。其结构如下图。管片安装机的控制方式有遥控和线控两种，均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协调动作把管片安装到准确的位置。管片安装机结构示意图管片安装机由单独的液压系统提供动力，管片安装机通过液压马达和液压缸实现对管片前后、上下移动、旋转、俯仰等六个自由度的调整，且各动作的快慢可调，从而使管片拼装灵活，就位准确。举例参数：自由度：6、旋转架旋转角度：±200°〔旋转速度可调〕、回转力矩：150kN.m举升行程X质量X速度：1000mmX12tX(0-80mm/s)、纵向移动行程X推力X速度：2000mmX5tX(0-80mm/s)、安装头水平摆动X纵向垂直摆动X横向垂直摆动：±2.5°X±2.5°X±2.0°、驱动功率：55KW、质量：18.6t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。为平安起见，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、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，拖车之间用拉杆相连。每节拖车上的安装设备如下表：拖车号主要安装设备连接桥皮带机随动轮及接渣支架装置、管片吊机、1控制室、注浆泵、砂浆罐、小配电柜、泡沫发生装置2主驱动系统泵站、膨润土罐及膨润土泵3主配电柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站4两台空压机、风包、主变压器、电缆卷筒5内然空压机、水管卷筒、通风机、皮带机出料装置皮带机从五节拖车的上面通过，在5号拖车的位置处卸碴。绝大局部的液压管、水管、泡沫管及油脂管从拖车内通过到盾构主机。在拖车的一侧铺设有人员通过的通道。拖车和主机之间通过一个连接桥连接，拖车在盾构机主机的拖动下前行。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。盾构的液压系统元器件全部采用国际知名品牌的产品，泵和马达绝大局部采用力士乐的产品，阀主要采用力士乐、哈威等国际知名公司