盾构的工作原理及技术特点

地铁盾构的工作原理及技术特点地铁盾构通常采用Φ6.34~Φ6.18米直径的单园土压平衡式盾构，也有采用双圆盾构的，但由于双圆盾构的地面沉降和纠偏问题没很好解决，现在上海已废弃不用。盾构机构造及工作原理：见下图1：螺旋机螺旋机闸门1号车架车架走轮拼装机管片盾尾密封刷千斤顶已缩回(拼好管片)刀盘驱动土仓大刀盘中心回转接头千斤顶推靴千斤顶伸出(未拼好管片)切削刀具图1盾构前部构造示意车架铁轨皮带机下面是盾构机工作的几个特殊方面：一．推进模式与拼装模式：盾构机的工作是由上面二种模式周而复始、交替进行，用以完成一环又一环的挖掘和拼装管片来实现整条隧道的组建。推进模式：大多数φ6.34米地铁盾构在圆周上设置22个千斤顶，当油压达到340公斤/厘米时，每根千斤顶提供160吨的推力，因此盾构的最大推力可达3500吨，千斤顶分成4个区域，分别用4套减压比例阀无级控制4个区域内的千斤顶油压，从而控制各自的推力大小，达到控制盾构机前进方向的目的，通过控制千斤顶油泵的流量输出，达到控制盾构机前进速度的目的。见图2：推进过程描述如下：启动大刀盘旋转切割并在土仓内搅拌泥土，螺旋机旋转抽取泥土（转速受土压平衡系统控制），通过螺旋机闸门将土运放到皮带机上，传送到车架后部的泥斗箱中，然后由电瓶机车运走倒掉。开启同步注浆系统，填充工艺空隙防地面沉降，开启盾尾油脂压注系统，防止盾构外的泥水从盾尾密封刷与管片之间的缝隙侵入，开启集中润滑油脂压注系统，防止盾构外的泥水从刀盘支撑圈经人形密封缝隙侵入大轴承内以及提供所需的润滑油脂，开启冷却水系统防止某些部件过热，如果需要的话，开启加水、加泥、加泡沫系统，改良土体，降低刀盘旋转面磨擦力。在掘进过程中司机必须密切注意各个传感器及仪表的参数，如土压、油压、推进力矩、千斤顶伸出长度、速度，刀盘、螺旋机的速度、盾构姿态、纠偏等。当推进的长度达到管片的宽度并加上拼装空隙时，这一环的推进模式结束，经司机将选择开关打到拼装模式，进入管片拼装。管片拼装过程描述如下：启动拼装机油泵系统，提供旋转、上下、前后、左右倾斜等动作的动力，启动千斤顶油泵低压系统，提供分别伸缩的功能，启动管片输送系统，将需要管片运到拼装机下方。每一环管片由6片组成，分别是落地块、封顶快、L1\L2块、R1\R2第一区域第三区域第二区域第四区域21222120191817161514131211109876543靴板千斤顶图2块。见图3.图3落地块封顶块L1块R1块R2块L2块拼装必须从落地块开始，首先松开、缩回下部顶住落地块的几个相关千斤顶，将新的落地块放在下部，对好螺栓孔，并穿好并旋紧连接螺栓（与上一环落地块连接）。随后重新顶上缩回的千斤顶。再松开缩回L1块的相关千斤顶，用拼装机将L1块放到位，重复落地块所做的工作，这样依次完成各块管片的安装，并旋紧相互连接的螺栓后，就可进入下一轮推进。需要提一下的是：最后安装封顶块，由于管片是契形的，由下向上已放不进，必需从后向前插进安装，这就需要盾构顶部的3个千斤顶具有长行程才能完成封顶块的拼装。（局部错缝拼装）二．什么叫土压平衡？为什么要土压平衡？盾构在一定深度的土体中推进，对土体产生扰动：如果推得过快，土压太高，就会引起盾构前方地面隆起，如果推得过慢，土压太低，就会引起盾构前方地面下陷。这种土体的隆起或下陷都会对地面的建筑、道路、地下管线产生很大的危害。因此必须要设置一种力来平衡盾构对前方土体的作用，以维持原先深度的土压不变，就像没有盾构经过一样，就可避免上述的危害。具体做法是在盾构的切削刀盘后面设置一个土仓，利用土仓里建立的土压力来平衡外面原先的土压，此压力值可根据土体深度、负荷情况计算出，并可设定调整。当手动调整千斤顶伸长，盾构推进速度时，土仓内压力升高，自动控制装置便自动调整螺旋机的转速（即取土量）来保持土压设定值不变，这种控制模式为目前盾构机普遍采用。（还有一种模式是手动控制螺旋机速度，自动控制装置根据土压设定值自动控制千斤顶的推进速度，目前较少采用此方式）这样保持住盾构开挖面的土压值不变，将不良危害减到最低，通常地面的沉降可控制在1CM之内。三．同步注浆模式由于采用盾构法施工，其开挖直径与完成好的隧道外径之间存在工艺间隙，经计算约2.76立方米（以每块管片宽1.2米计算），必须采用同步注浆形式，用拌好的浆料来填补这个工艺间隙，否则地面将引起较大的沉降，所谓同步注浆即与盾构掘进同步，随时填补因推进而形成的空隙。如果注浆设备出了故障盾构是无法再工作的。注浆的好坏关系到整条隧道的质量和地面的沉降。见图4管壳保护头浆管保护壳盾尾厚板注浆管密封油脂盾尾密封刷盾尾薄板拼好的管片配制浆液工艺间隙盾构外的泥土浆液开挖外径管片外径图4注浆管道有的盾构4套，如小松盾构。有的盾构6套，如FCB、NFM盾构。每套均设有压力传感器、阀门，阀门位置传感器，流量传感器，控制气阀和液压阀等组成。注浆泵与附属设备要求注出浆量大、压力高、不易堵塞，具有清洗及搅拌功能。配制的浆液要求自立性好，粘稠、注出后固结快，不易堵管。以下系统限于篇幅，仅作介绍，不详细展开：四．人行闸（气闸门）系统盾构为了能在突发情况下到土仓里清除障碍，或更换刀具，设置了人行闸来供维修人员通行，为了防止土体涌入和塌方，土仓内必须充以3KG左右的压缩空气，人员要进土仓前必须在人行闸内进行缓慢升压，使人体内气压压力一致后方可进入，反之，出去时必须缓慢减压到常压才能出去，否则会得气压病，影响健康，人行闸系统便提供了这方面的保护，它由通讯、加减压装置，过滤等设备组成。考虑到安全因素，不到万不得已是不会使用该系统。五．导向系统及数据采集系统盾构在地下推进，周围又没有路标及参照物，如何在地下经上下坡、拐弯、行进1-2公里后正确进入接收井预留孔洞内，周边的误差仅5厘米？这就要依靠盾构的导向系统及外部的测量装置，导向的装置有ZED系统、陀螺仪系统、全站仪系统等，各有优缺点，目前用的较多的是全站仪系统，依靠盾构前部中心的靶子与完成好隧道顶部中心的靶子，通过激光扫描、定位。可以高精度、准确地引导盾构一环、一环地沿着轴线前进。数据采集系统：盾构机设置一台计算机，内装有专门的数据处理软件，通过与PLC控制器通讯的方式，采集所有实时施工数据，在存储后并通过光纤电缆将数据传送到地面的另一台计算机中，供地面技术人员监控施工，并将数据通过公共网络送到整个地区的指挥中心，供领导决策、指挥用。所有施工期的数据均有效存储，供随时调用分析。有些数据采集系统还集成了专家处理、诊断系统，供维修盾构之用。六．大容量的PLC控制系统及人机界面为了高速、可靠、集中控制盾构繁多的部套进行协调、互锁地工作和数据通讯、传输的需要，大型高速的多个PLC控制器必不可少。它们之间用数据总线连接，组成一个控制网络。如小松盾构采用3-4个PLC：主PLC在1号车架控制室内，2号PLC在盾构前部，注浆系统1个PLC，注泥、注泡沫系统1个PLC，控制命令及参数数据均通过通讯方式传送，节省大量连接线且安全可靠。人机界面采用大尺寸多块触摸屏系统，集控制、显示一体，可省去大量仪表，成本低且方便、可靠、占地少。如小松盾构采用主控室2块12英寸，主要控制推进及泵的起停。拼装平台采用2块12英寸，主要用来控制拼装管片，3块9英寸触摸屏，1块在盾构前部，用来注浆控制，2块在控制室，用来控制注浆、注水、注泡沫用。通过画面显示各种状态、位置、参数、动作，一目了然，方便直观。七．高压及配电、应急照明系统由于盾构工作时消耗功率大，行进距离长，通常均采用高压电缆供电，电压等级为10KV，自带1-2个高压变压器降压后供设备用。高压电缆通常采用盘8字预先储存在车架上，随着推进一点点放下去。为安全，盾构必须在内部行走通道上设置应急照明系统，通常有十多个，供断电时撤离用，要求有1小时以上的放电照明时间。八．其他设备盾构的其余设备没什么特殊，只是数量、种类多、质量要求高，因地下施工工况差，可靠性要求高，维护、抢修技术要求高。赵美鹤2010-10-11