盾构机功能原理

盾构机功能原理顾剑刚中铁四局集团有限公司世界盾构技术发展概况1818年——布鲁尔（Brunel）研究出了开敞式手掘盾构机，1823年在伦敦泰晤士河水底公路隧道进行了盾构试验，后因坍方事故中止。Brunel对盾构进行了改进，于1834年使工程再次上马，历时7年于1841年隧道贯通。1869年——采用Greathead新开发的圆形盾构铸铁管片，在伦敦泰晤士河水底第二条隧道。1887年——气压盾构在南伦敦铁路隧道中应用。19世纪末～20世纪初——城市隧道工程促进了闭胸式盾构的产生，盾构工法相继传入美国、日本、法国、德国等国家。20世纪60年代至80年代——盾构工法迅速发展，完善了气压盾构、挤压（网格）盾构、插刀盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，盾构工法在地铁、市政隧道、公路隧道等的建设中得到广泛应用。20世纪80年代至今——研制出了加气泡盾构，同时大直径盾构、异形断面盾构（方形、椭圆形、马蹄形等）、双圆盾构、三圆盾构等得到发展。中国地铁工程盾构技术的发展20世纪60年代——北京城建集团前身基建工程兵为修建北京地铁，自己研制网格式压缩混凝土盾构机成功地进行了试验。1990年——上海地铁1号线，采用了7台盾构机共掘进了18Km1996年——上海地铁2号线开始建设，以后陆续建设3号线、4号线、M8线、6号线1996年——广州开始建设1号线，以后陆续建设2号线、3号线、5号线2000年——北京地铁5号线盾构实验段开始设计施工。2001年——深圳地铁1号线、南京地铁1号线开始建设。2002年——北京地铁5号线正式开工，以后4号线、10号线、机场线、地下直径线陆续开工。2002年——天津地铁1号线开工建设。2006年——沈阳地铁1号线开工建设。目前已有35个城市正在修建地铁。主要内容1.概述2.盾构机类型3.盾构机机型4.土压平衡盾构机原理5泥水平衡盾构机原理1.概述盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械。头部可以安全地开挖地层,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，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、同步衬砌注浆、拼装隧道衬砌管片、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“定制式”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、地下公路、城市市政、水电等隧道工程。盾构机定义2.盾构的“类型”盾构的“类型”是指与特定的盾构施工环境，特别是与特定的基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构的种类。根据施工环境，隧道掘进机的“类型”分为软土盾构、硬岩掘进机(TBM)、复合盾构三类。因此，盾构的“类型”分为软土盾构和复合盾构两类。软土盾构：软土盾构是指适用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条件下的一类盾构。软土盾构的主要特点是刀盘仅安装切刀、先行刀和刮刀，无需滚刀。复合盾构复合盾构是指既适用于软土、又适用于硬岩的一类盾构，主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层施工。复合盾构的主要特点是刀盘既安装有切刀、撕裂刀和刮刀，又安装有滚刀。3.盾构的“机型”盾构的“机型”是指在根据工程地质和水文地质条件，盾构所采用的最有效的开挖面支护形式。盾构按支护地层的形式主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式、土压平衡支护式五种机型。目前应用最广的是土压平衡盾构(土压平衡支护式)和泥水盾构(泥浆支护式)两种机型。土压平衡盾构机泥水盾构机泥水盾构机4.土压盾构的结构原理土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土渣加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。4.1盾构的“模式”盾构的“模式”是指在一定“型”的基础上，根据特定的盾构施工环境，在确保开挖面稳定的前提下，盾构所采用的最有效的“出碴”方式。“模式”是盾构的一种操作方式。土压平衡盾构的“模式”可分为敞开式、半敞开式、闭胸式三种。泥水盾构的“模式”可分为泥水平衡模式和气压复合模式两种。在掌子面足够稳定并且涌水能够被控制时，采用‘敞开’模式作业。在敞开模式下，刀具切削开挖面土体，切削土进入土仓，通过位于土仓底部的螺旋输送机将碴土排出。在土仓的底部，要有足够的碴土供应螺旋输送机出碴用，土仓的其他空间是空的。敞开模式下，土仓通过螺旋输送机的出料口与隧道相通。当推进停止时，可以随时进入开挖仓而无需采取其他措施。复合式土压平衡盾构具有三种模式，即:敞开式、半敞开式（加气模式）、闭胸式(土压平衡模式)敞开式模式土压平衡模式加气模式（半敞开模式）在掌子面具有足够的自稳能力，且水压小于1.5bar的地层中，采用半敞开模式掘进。半敞开式作业时，土仓下部是刀盘切削下来的碴土，上部为压缩空气。半敞开式作业的开挖和推进与敞开式作业基本一致。闭胸式即土压平衡模式用于围岩不稳定或水压高、水量大的地层。4.2土压平衡盾构的组成刀盘前体刀盘驱动和刀盘支承中体铰接装置推进系统盾尾螺旋输送机皮带输送机碴土改良系统同步注浆系统盾尾密封系统管片安装机数据采集系统导向系统盾构设备主要组成部分示意图1.土体，2.刀盘，3.土仓，4.压力墙，5.油缸，6.螺旋机，7.拼装机，8.衬砌土压平衡盾构机的组成(2)压力舱压力测试搅拌系统压力控制加浆系统(3)排土、排泥系统排土器排浆管路搅拌装置加浆装置(4)推进装置千斤顶选型和配置推进速度安全锁总推力千斤顶行程压力控制盾构机通用装置轴承密封(1)刀盘超挖装置刀盘开口旋转速度形式润滑装置刀具旋转力矩支承方式(6)附属装置盾尾止水装置壁后注浆装置开挖面崩坏探测装置锁定装置测量装置后方台车接头装置起重臂真圆保护(5)管片拼装机油压机油油压机油压管路(7)油压装置4.2.1刀盘及刀具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成本，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。刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。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、润滑和渣土改良。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。切削刀的实物照片a)周边刮刀b)周边刮刀(背面)c)周边刀安装位置d)齿刀方柄齿刀f)齿刀g)中心齿刀切削刀的实物照片h)先行刀i)先行刀j)先行刀k)牛角刀l)羊角刀m）三棱刮刀34滚刀的示意图和实物照片b)盘形滚刀圈c)盘形滚刀a)盘形滚刀示意图面板式刀盘盘型滚刀重型撕裂刀刮刀钢格栅面板辐条辐条泡沫口中心刀辐条式刀盘面板式刀盘与辐条式刀盘比较面板式刀盘在中途换刀时安全可靠，但开挖土体进入土仓时易粘结易堵塞，在刀盘上易形成泥饼。辐条式刀盘仅有几根辐条，辐条后设有搅拌叶片，土砂流动顺畅，不易堵塞。但不能安装滚刀，且中途换刀安全性差，需加固土体，费用高。辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强；但由于不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层，宜采用面板式刀盘。辐条式面板式仿形刀或扩挖刀系统仿形刀系统的主要功能为可以根据需要配合刀盘进行局部的超挖。仿形刀安装在刀盘的侧面，驱动采用液压油缸形式，结合刀盘旋转的位置传感器在360°范围内的任意位置进行伸和缩。扩挖刀伸出后不能自动按要求在360°范围内的任意位置进行伸和缩4.2.2前体前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土部分，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、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人行闸，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。4.2.3刀盘驱动及刀盘支撑刀盘驱动装置由主轴承、液压（变频电机）驱动马达、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。刀盘驱动的三种形式比较变频电机驱动定速电机驱动液压驱动驱动部外形尺寸中大小后续设备少少较多效率0.950.90.65起动力矩大较小较大起动冲击小大较小转速微调控制好不能无级调速好噪声小小大盾构温度低较低较高维护保养易易较复杂刀盘支撑刀盘支承方式有3种：中心支承式（适用于中小型直径盾构）中间支承式（适用于中大型直径盾构）周边支承式（适用于小型直径盾构）中心支承式中间支承式周边支承式4.2.4中体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，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操作控制台。有的还有行人加、减压舱。中体盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。中体结构示意图4.2.5铰接密封系统铰接密封：铰接密封一般有三种形式：一种是采用一道或多道橡胶唇口式密封；另一种是采用石墨石棉或橡胶材料的盘根加气囊式密封；还有一种是双排气囊式密封。单排气囊双排气囊4.2.6推进系统盾构推进系统是盾构机前进的唯一动力。主要功能为以已拼管片作为支撑点，克服盾构机前方土体压力及其他阻力，使盾构机向前掘进；完成一环的推进后，可通过液压油缸的伸缩进行新一环管片的拼装及固定；通过调节四个区域千斤顶的油压来控制盾构前进的方向。推进系统以液压为动力、通过液压油缸产生的推力向前推进。盾构推进千斤顶分为几个压力区，通过改变分区千斤顶的压力实现盾构的转弯或纠偏。4.2.7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，通过铰接油缸与中体相连，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。盾尾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。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。钢丝刷中充满油脂，既有弹性又有塑性。盾尾密封的道