泥水平衡加压盾构机分析

目录

1.工程参数5

1.1隧道概况5

1.2地质状况5

1.3管片设计6

1.4工程概况及地质剖面图6

2.总体方案8

2.1泥水加压平衡盾构机8

2.1.1基本技术原理/气垫调节原理8

2.1.2泥水加压平衡盾构机技术10

2.2穿黄工程的盾构机基本设计14

2.2.1基本设计14

2.2.2使用寿命14

2.3主要性能14

2.4泥水加压平衡盾构机的技术优势16

2.4.1降低堵塞的风险16

2.4.2减少前闸门区域多种堵塞的危险17

2.4.3障碍物的去除17

3.技术参数表18

3.1扭矩曲线22

4.盾构机主机24

4.1盾体24

4.2超前钻机管线25

4.3推进油缸25

4.4盾尾25

4.4.1盾尾润滑系统26

4.4.2盾尾密封刷的寿命27

4.4.3盾尾注浆管28

4.5气闸设备29

4.5.1人闸29

4.5.2压缩空气调节30

4.6碎石机31

4.7出口格栅31

4.8前闸门31

4.9刀盘32

4.9.1设计32

4.9.2刀盘结构33

4.9.3钢结构33

4.9.4刀具33

4.9.5钢结构的耐磨保护35

4.9.6磨损监测系统36

4.9.7中心冲刷36

4.9.8刀具布置36

4.10刀盘驱动37

4.10.1旋转驱动、主轴承37

4.10.2主驱动密封系统（见图纸A-1954-05）38

4.10.3密封润滑39

4.10.4齿轮油润滑40

4.10.5主驱动控制40

4.10.6安全设施40

4.11管片安装机40

4.11.1概述40

4.11.2真空吸盘系统（参见图AT954-97）41

4.11.3控制42

4.11.4互锁/安全42

4.12盾构机上的材料运输42

4.12.1膨润土泥浆循环43

4.12.2盾构机上的冲刷循环43

4.12.3测量装置44

5.后配套系统46

5.1概述46

5.2原理、结构及设备：46

5.3管片装卸46

5.3.1管片吊机46

5.3.2喂片机46

5.4电气及安全设备47

5.4.1供电变压器47

5.4.2配电柜47

5.4.3电容补偿48

5.4.4刀盘驱动电机48

5.4.5控制室49

5.4.6单独控制面板51

5.4.7控制系统51

5.4.8电缆51

5.4.9电机51

5.4.10接地52

5.4.11电压52

5.4.12插座52

5.4.13照明52

5.4.14安全装置52

5.4.15通讯和闭路电视系统53

5.5液压设备53

5.5.1过滤和冷却53

5.5.2管路53

5.5.3监控53

5.6油脂设备54

5.6.1盾尾密封油脂泵54

5.6.2主驱动油脂泵54

5.7注浆系统54

5.7.1概述54

5.7.2单液注浆系统54

5.7.3人工操作模式55

5.7.4自动操作模式55

5.7.5技术参数56

5.7.6双液注浆系统57

5.8后配套设备58

5.8.1管路延伸系统58

5.8.2排水系统59

5.8.3冷却回路59

5.8.4压缩空气设备59

5.8.5通风系统60

5.9数据采集系统60

5.9.1数据处理61

5.9.2操作数据的显示62

5.9.3测量数据的评估62

5.10盾构机上的数据显示63

5.10.1掘进、注浆64

5.10.2刀盘64

5.10.3泥水回路65

5.10.4错误信息66

5.11导向系统67

5.11.1SLS-TAPD系统67

5.11.2盾尾间隙测量系统（SluM）68

5.11.3掘进偏差报警功能69

5.11.4纠偏69

6.其它设备70

6.1超前钻机70

6.2气体检测系统72

7.隧道内的泥浆回路73

7.1概述73

7.1.1泥浆泵的类型73

7.2设备描述74

7.2.1隧道内的排泥泵74

7.2.2进泥泵74

7.2.3密度测量仪75

8.服务错误!未定义书签。

8.1装箱单错误!未定义书签。

8.2工地组装错误!未定义书签。

9.其它文件77

9.1供货商清单77

9.1.1主要部件供货商清单77

9.2设计和制造标准79

10.图纸错误!未定义书签。

1.工程参数

1.1隧道概况

工程距离郑州市30公里。盾构机将在北岸竖井内始发，穿越南岸竖井，掘完

最后800米，直至隧道完成。

穿黄隧道工程是南水北调工程的一部分，穿黄隧道计划分成两部分，长度分

别约为3,450米和800米。隧道总长约4,250米。

隧道计划使用两台盾构机进行平行开挖。

＞隧道用途：输水隧道

＞两段隧道区间将使用盾构机进行施工

＞最大隧道坡度：+4.9K（最后一段）

＞最大竖曲线半径：800m

1.2地质状况

整条隧道线路位于黄河水位以下；土壤具透水性；最大水压预计为4.5bar；

最大埋深35米。

在线路上将遇到各种地质情况，包括：

Q4中砂层：大约占25%

（中砂层，部分为粗砂和砂质砾石晶体）

Q4/1/Q4上部砂层：大约占40%

（上部砂层和下部粉质壤土）

Q2（粉质壤土）：大约占34%

其它状况：

在中砂层，可能出现粒径达10cm的卵石或更大的孤石。较高石英含量使砂

具有磨砺性；硬粘土层正好位于隧道下面。

1.3管片设计

>内径：7,900mm

>外径：8,700mm

>长度：1,600mm

>分布：4A+2B+1K

>搭接长度：1067mm（参见图纸A-1954-79）

>最大管片重量：6.5吨

1.4工程概况及地质剖面图

粘土

Q2壤土QJ砂土Q42砂土

2.总体方案

2.1泥水加压平衡盾构机

2.1.1基本技术原理/气垫调节原理

刀盘在膨润土中旋转、开挖隧道。挖掘的磴土与膨润土悬浮液混合。刀盘旋

转的盾体区域被称为开挖舱，压力舱板将它与盾体的其它常压区域分隔开来

开挖舱内的土压和水压被膨润土吸收，从而避免不受控制的土壤的进入，并

保证了隧道开挖面的稳定。

使用该系统，在良好的操作和注浆条件下，能够把沉降控制在较小的范围。

开挖舱被一个称为分隔舱板的钢板分隔成两个区域。

July2004

泥水加压平衡盾构机-气垫调压舱

膨润土对隧道开挖面的支撑

膨润土悬浮液通过气垫对隧道开挖面施加压力从而实现支撑作用。对开挖面

施加的压力的控制由压缩空气控制单元进行。

泥水加压平衡盾构机一通过气垫加压实现支撑作用

气垫调节舱内的压缩空气气垫产生支撑压力并将该压力传至膨润土悬浮液从

而调节液位高度。受压后的悬浮液，其液位则刚好高过机器轴线的位置。

承压悬浮液产生的支持压力传输到开挖舱，这时，整个开挖舱内完全充满承

压的膨润土悬浮液。

开挖舱内悬浮液的波动将被精确控制以保持平衡状态。

气垫调节功能

空气压力能够在高工作压力范围内自由、安全地调节。压缩空气调节器通过

气垫来补偿膨润土液位压力的差值从而使该压力保持平衡。

调节器调节作用的实现无需电力，因此能够持久提供支撑压力。两个独立的

调节器单元被安装来防止可能出现的干扰，并用于维保停机阶段和断电情况

（高压电缆延伸时）。

隧道掌子面支持压力的分布

1膨润土Pi空气压力

2膨润土液位Ps„顶部悬浮液压力

3压缩空气气垫Psu底部悬浮液压力

4压力舱板Y悬浮液密度

5分隔舱板D盾构直径

6支撑区域hi承压舱高度

7处于大气压力下的区域

隧道开挖面的支持压力从上到下增加（呈梯形）。调节器上显示的调节压力

为在压缩气垫调节下膨润土液位处的支持压力。

2.1.2泥水加压平衡盾构机技术

泥水加压平衡盾构机技术是最安全、最先进的隧道开挖技术。在不稳定地质

状况、高工作压力的情况下，泥水加压平衡盾构机的以下几方面的技术能够

保证隧道的安全开挖。

硝土运输

＞膨润土泥水的传输和支持压力的控制（气垫）彼此分开，

＞开挖舱内的膨润土（渗入泥饼）不断更新：

＞挖掘的磴土与靠近出渣管（左、右）的膨润土混合，在底部产生涌流效

应从而使磴土易于流动；

＞压力舱板上部和中部的其它冲刷点将使开挖舱内集中的整体流量和新鲜

膨润土的重新分配达、混合到最佳状态。高涌流效应和安装在出渣管前

面的冲刷管避免了磴土粘结的危险；

检查、维保阶段的隧道掌子面和开挖舱

＞通过开挖舱底部的出渣管，挖掘的硝土将被泵送出开挖区域，而不会影

响对开挖面支持压力的监测。

悬浮液类型

＞在粘性地质状况下，水和膨润土悬浮液都可以用于泥水加压平衡盾构机

的操作中。

＞膨润土悬浮液产生的渗入泥饼对隧道开挖面进行支撑（尤其在粗颗粒的

土壤和/或非粘性土壤地质状况）。

＞受到压缩空气施压的渗入泥饼保证了人员能够安全进入开挖舱进行机器

检查和维修保养工作。

位于隧道掌子面的泥饼

保证人员安全进入开挖

舱进行检查、保养工作

压力控制

＞泥水加压平衡盾构机的开挖区域设计为一个双舱构造：开挖舱为前舱，

气垫调压舱为后舱（工作舱）。

＞气垫用来控制调节支撑压力。该压力由压缩空气系统精确地进行控制。

＞开挖舱内的受压悬浮液通过分隔舱板门与调压舱的悬浮液相连。开挖舱

内完全充满受压的悬浮液后就会产生支撑压力。

＞传输到膨润土悬浮液的支撑压力精确率为+/-0.Ibaro

＞泥浆回路内的压力浮动变化将被准确、迅速平衡。

Mixshield(Twobulkhead)

泥水加压平衡盾构机开挖隧道掌子面支持压力的控制

隧道开挖

＞泥水加压平衡盾构机技术能够保证支撑压力的精确率为+/-0.Ibaro在

隧道开挖过程中，外界压力的变化不会对开挖面的稳定造成影响，见上

图。

＞隧道开挖过程中，传统泥水盾构机（单舱）开挖舱内支持压力较大的变

化会带来隧道开挖面不稳定情况及发生塌陷的危险，见下图。

ConventionelSlurry-Shield(Onebulkhead)

传统泥水盾构的掌子面支持压力控制

＞支持压力较大的变化将导致基床不稳

a）盾构机基床不稳定

b）管片衬砌的基床不稳定

气垫调压舱及开挖舱通道

＞维保工作在处于大气压下的气垫调压舱内进行，例如在检修筛选器（格

栅）、碎石机或出渣管，或移开障碍物。

＞在高压情况下，工作人员通过安装在压力舱板上的人闸可以安全地进入

气垫调压舱。

＞基本上无需为检查刀盘而对隧道开挖面进行土体改良（但该措施实施与

否取决于地质状况）。如可能，承压渗入泥饼和一个通过气垫调节技术

精确控制的液位降低步骤可以保证人员能够安全进入开挖舱。

＞在检修工作中，气垫控制降液位调节越精确，坍塌的危险就越小。

2.2穿黄工程的盾构机基本设计

2.2.1基本设计

根据穿黄隧道工程的招标文件，基本设计如下：

•最大开挖速度为40mm/min.

・最高日掘进速度12环

・最高月掘进速度480米

・完好率90%

所有开挖所需要的盾构机设备的设计（例如推进油缸的伸出速度、注浆、泥

浆回路）都将根据性能要求来确定。

2.2.2使用寿命

在盾构机操作和维保作业都符合海瑞克公司的文件规定的情况下，除了易损

件外，主要部件都是为长距离隧道开挖作业（10公里以上）设计的。

主轴承及部件（变速箱等）的寿命在最大推力下为10,000小时，在正常工

作状况下其可靠性为99%。

2.3主要性能

根据穿黄隧道工程的要求，设计有如下主要特点：

1）刀盘

・重载型结构以满足该项目的要求，

・大尺寸耐用刮刀以适应砾石地质状况，

・中间部分专门设计的大植土出口易于粘性土壤中磴土的流动（主要用

于粘土），

・专门的刀具设计增加刀具寿命，

•中心冲刷系统可以减少刀盘阻塞的风险，尤其在粘性土壤中，

・装配了可靠的磨损检测装置以监测刀具的磨损情况，

・先行刀具可以降低对刮刀的直接磨损。

独特的刀盘设计一例如专门的刀具设计、较大开口率一可以增加刀具的

寿命从而减少换刀的次数。

2）主驱动

・带有特殊压力装置的密封系统满足6bar高工作压力的要求，

・整体式的结构保证了主驱动的刚性，

・有脱困功能的大范围扭矩在刀盘被阻塞的情况发生时使刀盘脱困，

•主轴承寿命：大于10,000小时。

3）盾体

・符合欧洲标准、经过验证的气闸设计满足安全压缩空气和/或潜水员

操作需要，

・钢结构设计适合预期的地质和水压状况，

・气垫调压功能的泥水加压平衡盾构机技术保证了对开挖面的精确的

支撑，

・可靠、耐用的大碎石机可以破碎较大石块，

・精确的冲刷系统减少了开挖舱内/工作舱内硝土粘结或大量砧土沉积

的情况，

・最佳的通道设计保证了维保工作的顺利进行，

・入口格栅阻止大块的磴土等进入泥浆管路；该格栅尺寸是根据泥水管

路可以接受的砧土尺寸确定的。

4）盾尾

・钢结构的设计适应预计的水压和土压，

・专门设计用于高工作压力的密封系统，包括4排钢丝刷和1道应急密

封。

・止浆板

5）后配套系统

・吊机和液压油箱的设计适应预计的坡度（+4.91%）,

・在辅助轨道上运行，保证了后配套系统的安全操作，

・最佳的通路设计保证了维保工作的顺利进行，

・预留一个管片车运载4片管片的运输空间，

・泥水管道的延伸可靠而清洁。

6）泥水循环

最佳的冲刷循环降低堵塞/物料堆积的危险（在刀盘中间区域、开挖

舱和吸浆管附近），

・专门类型的泥浆泵有最佳的安全系数以确保长距离隧道开挖操作中

的渣土的运输；耐磨设计适应砂质磨损地质状况。

2.4泥水加压平衡盾构机的技术优势

泥水加压平衡盾构机的操作（气泡调节原理）有如下优点：

＞在不稳定的、混合土层中能够安全地进行隧道开挖掘进

＞能够在高压状态下安全地进行隧道开挖掘进

＞减少地面受到影响的危险性（沉降、超挖、坍塌等）

＞对格栅/岩石破碎机区域的维保更加容易

＞泥水管路和保护格栅被堵塞的危险减小

＞断电时（例如高压电缆延伸时）和泥水回路停止运转时（管路延伸、进

行维保等）有效的隧道掌子面压力支撑

＞减少大的障碍物（漂石等）进入排泥管、岩石破碎机的危险

＞人员能够安全进入格栅/岩石破碎机区域进行维保工作

2.4.1降低堵塞的风险

通过以下措施降低堵塞的风险：

＞格栅一阻止过大的物体进入排泥管线

＞专门的冲刷系统（开挖舱和吸浆管）

＞较大的管道直径

另外，通过气垫调节可以针对进泥、排泥管的泄漏/堵塞安全地采取相应的行

动。

排泥管

如果发生排泥管/泵的泄漏/堵塞，要求停止泥水回路/关闭阀。在关闭阀的过

程中，气垫舱将作为过剩的膨润土的临时存储罐。膨润土进入气垫舱而不会

对开挖面的调节带来任何影响。

进泥管

如果发生进泥管/泵的泄漏/堵塞，在使用压缩空气关闭泥水回路的阀门的短

暂时间内，调节气垫将代替新鲜膨润土。这样就保证了在此紧急状况下对隧

道掌子面的支撑。泥水加压平衡盾构机技术作为隧道开挖操作原理是最安全

的，它不会带来任何副作用。

泥浆管的冲刷（逆向冲刷模式）

在盾体区域集成的一个旁通装置对盾构机上的泥浆管进行冲刷（反向冲刷模

式）以除去可能的堵塞。

2.4.2减少前闸门区域多种堵塞的危险

使用了先进的技术来保证开挖物料到吸浆管的良好流动，例如：

・底部区域的专门几何形状及90°圆角渐变

・碎石机区域的强烈的冲刷

•可调的膨润土喷嘴

如果前闸门区域发生严重的堵塞/渣土沉淀，将使用气垫调节舱和开挖舱之间

的连接管路以保证对开挖面的调节。该连接管路只有在前闸门关闭时才关闭,

其它时候都处于开放状态。

2.4.3障碍物的去除

对于岩石破碎机不能处理的障碍物要由人员进入开挖舱去除。

气闸系统将给在压缩空气下进行的操作提供一个安全的环境。压力舱板上安

装了必要的接口以给工具提供动力。一旦障碍物移开并且尺寸减小就可以通

过气闸系统运出或由岩石破碎机进行处理。

3.技术参数表

盾构机技术参数表

设计依据：

隧道参数：

隧道长度2x4,250m

隧道内径7,900mm

隧道外径8,700mm

管片宽度1,600mm

管片重量最大6.5吨

管片数量4A+2B+1K,搭接长度为2/3管片长度

主部件名称细目部件名称参数

盾构类型泥水加压平衡式

综述主机长10.97m

盾构及后配套总重1166t

开挖直径9,000mm（新滚刀：9,030mm）

类型中间支撑、闭式

旋转接头1个,用于膨润土、液压管、电气线路

中心冲刷装置1个,200m3/h

开口率35%

先行刀27把，与刮刀高度差为30mm

刀盘

齿刀6把，与刮刀高度差为30mm

刮刀76把（多个鸽质嵌刃）

铲刀16把

仿形刀1把，带软土刀具

滚刀2把，双刃，17”

刮刀磨损检测装置3个

换刀方式背装

驱动型式电动变频驱动，实现同步调速

主驱动类型中间支撑式

主轴承寿命10,000小时

连接形式螺栓固定式

电机10台

总功率1,100kW

主轴承类型3排滚柱轴承

刀盘驱动

密封形式4道外密封、2道内密封

外密封最大工作压力6bar

最大扭矩18,876kNm

最大扭矩25,547kNm

脱困扭矩9,467kNm

旋转速度0-2.6rpm

旋转方向顺时针/逆时针

驱动方式液压

类型颗式

碎石机安装位置调压舱

功率30kW

最大破碎粒径500mm

前盾直径、钢板厚度9,000mm（不计耐磨层）/80mm

中盾直径、钢板厚度8,985mm/50mm

压缩空气调节系统2套（其中1套备用）

调压舱的调压精度±0.lbar

压力舱板1个

分隔舱板1个

碎石机冲刷头1个

前闸门1个（液压控制）

盾体（包括盾尾）

盾尾直径、钢板厚度8,970inm/60mm

盾尾类型固定式

钢丝刷密封数量4道

紧急膨胀密封数量1道

油脂管,通径30mm3x10条

注浆管，通径50mm4条，集成在盾尾内

注浆管，通径30nmi4条，集成在盾尾内

注浆管，通径10mm4条软管，分别位于30mm注浆管内

盾尾间隙40mm

最大总推力60,344kN

2x14个，其中4个带有压力测量和内置的行

油缸数量

程测量系统

油缸尺寸280/240mm

油缸行程2,300mm

工作压力

推进系统50-350bar

最大推进速度60mm/min

最大回缩速度1,600mm/min

行程传感器测量精度±0.5min

压力传感器测量精度±0.lbar

推进油缸分区数量4区

舱室数量2个

直径1,600mm

容量3+2人+1付担架

人舱舱门数量4个

标准按欧洲安全标准EN12110设计

工作压力6bar

测试压力6.75bar

单液系统：

注浆泵数量2套,KSP12双活塞泵

同步注浆系统总能力20m3/h

砂浆罐容量8m3,带搅拌器

最大注浆压力30bar

压力传感器数量4个

注浆管路4条

双液系统：

A成分泵4xAllweiler螺杆泵

总能力20m3/h

A成分罐8m3

B成分泵4xAllweiler螺杆泵

总能力6m3/h

B成分罐Im3

B成分罐更换设备1台

压力传感器4+4

流量计4+4

注浆管路4条+4条

类型中心回转式，液压驱动,CEN标准

类型中心回转式，液压驱动，欧洲CEN标准

额定起吊能力72KN

最大起吊能力100KN

抓取系统真空吸盘式

驱动方式液压

自由度6

2,300mm,可以拆装最后安装的一环管片和

管片拼装机移动行程

前两排盾尾密封刷

旋转角度+/-200"

纵向移动速度0-8m/min.

控制方式无线遥控，和有线遥控（用于紧急状况）

控制调节方式比例阀调节

旋转速度0-lrpm

超前钻机安装位置和接

与选定的钻机匹配

口

型式真空吸盘式

额定起吊能力72kN

最大起吊能力100kN

管片吊机

行走速度（变频调速）0—40m/min

提升速度（变频调速）0—10m/min

控制方式有线控制

型式SLS-APD

精度2秒

管片预选程序配备

导向系统

盾尾间隙自动测量系统配备

纠偏程序配备

掘进偏差警示功能配备

彩色摄像头数量2台

监视系统

彩色显示屏数量1个

后配套拖车数量3节

允许列车通过尺寸（宽X

1.8mx2.8m

高）

能力45m3/h

水管卷筒规格/数量DN80mmx40m（水管长度）/2个

冷却水系统

工业水罐1个，5m3

调节水罐1个，lm3

容量75kw,13.8m3/min@8bar

空气压缩机储气罐In?

噪音68dB

盾尾油脂泵lx200L

油脂站IIBW油脂泵lx60L

主驱动润滑油脂泵lx200L

排污系统潜水式排污泵一台，50m1/h,电机驱动，安装在管片拼装区域

风管储存箱数量2个，100m风管储存能力

隧道通风

隧道里的风管直径61,400mm

风机1台，带消声器

盾构机上的风管直径6700mm

二次通风

通风速度0.5m/s(瑞典标准SIA196)

通风能力90000m3/h

送泥流量l.OOOmVh