土压平衡盾构机械结构及功能介绍

土压平衡盾构机机械结构及功能介绍中铁隧道装备制造有限公司中国中铁目录一、土压平衡盾构机介绍（结合总装图）二、主驱动系统三、出渣系统四、管片拼装系统五、设备桥拖车六、人员仓一、土压平衡盾构机介绍•土压平衡就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。如图１-1所示，在盾构开挖时土仓内的压力P2和掌子面上的压力P1相平衡，其中P2包括土仓内碴土的压力和注入材料的压力，这种掘进模式即为土压平衡模式，P1等于土柱压力和水柱压力的总和。图１-1土压平衡原理示意图二、主驱动系统1、刀盘2、主驱动刀盘概述•1、重要性•刀盘是盾构机的关键部件之一，刀盘及刀具的选择是否合适直接影响盾构掘进机的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。•2、个性化•盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进行个性化设计。•3、多样化•随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵，为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀盘也随之变得各式各样。刀盘主要结构1、主驱动连接法兰（连接主驱动）2、扭腿（传递扭矩及轴向力）3、外圈梁（加强结构强度）4、刀梁（安装刀具）5、搅拌棒（渣土改良）6、渣土改良注入口（渣土改良、回转接头）中心回转接头刀盘泡沫注入口结构刀盘的主要分类按结构形式分，一般分为两类：辐条式刀盘和面板式刀盘。按功能分，一般分为两类：软土刀盘和复合式刀盘。开口率的定义•开口率是指开口面积占整个刀盘面积的百分比。一般在20%～65%不等，开口率对土压平衡盾构有着重要意义，开口是否合适直接影响到压力控制。辐条式刀盘面板式刀盘软土刀盘•在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如切刀、边刮刀、中心刀等。以中铁6号盾构为例，装有1把鱼尾形中心刀，100把切刀，16把周边刮刀、66把先行刀及1把超挖刀。复合式刀盘•隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程地质、水文地质等)中进行,按其变化程度可分为均一地层和复合地层。均一地层可分为两种:单纯的软土地层和单纯的硬岩地层。上海、天津、北京地铁隧道的施工当中遇到的可归为均一地层,但严格的均一地层现实中是不存在的。复合地层的组合方式是非常复杂多样的,但总的来说可分为三大类:一类是在掘进断面上不同地层的组合;一类是在掘进轴线方向上地层的不同组合;另一类是上述两者兼而有之。在广州、南京、深圳的地铁修建中都遇到了大量的复合地层的困扰,严重影响了施工效率,增加了施工成本。为了应对不同的地层条件,发明了复合盾构技术。复合盾构技术是根据掘进面不同的地层条件,盾构机采用不同的掘进模式,例如土压平衡模式、气压平衡模式及非土压平衡模式等。在复合式地层,也要求刀盘采用混合式设计,即在同一个刀盘上同时布置2种或2种以上的类型的刀具,切刀和滚刀并存。复合式刀盘刀具的分类及工作原理•目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具，二是滚动类刀具。•1、切削类刀具•刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。撕裂刀先行刀•先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置，因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一般设计为切刀的一半，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。先行刀鱼尾刀•在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构整体掘进效果。滚动刀具•滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。见图根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃和多刃。仿行刀主驱动液压驱动典型结构（以中铁2号为例）主要组成：1）液压马达/8台2)减速机/8台3）小齿轮及其两端的调心滚子轴承/8套4）主轴承/1个5）驱动箱及其它环类零件/1套6）主轴承外密封/3道7）主轴承内密封/2道驱动参数1）驱动形式：液压驱动2）速度：0～3.34rpm，连续可调3）最大扭矩：5060KN·m4）脱困扭矩：6030KN·m5）最大速度下的扭矩：1350KN·m/3.34rpm6）驱动功率：630KW主驱动主轴承驱动箱主驱动润滑主轴承密封系统通过油脂注入向迷宫方向挤出，防止砂土进入密封系统。密封系统由3道TBMS密封构成。密封保护通过3种注射方式实现：腔室1：使用气动泵与齿轮马达分配器在各点平均注入HBW油脂。腔室2：用气动泵从6个点向外密封，4个点向内密封注入EP2油脂。腔室3：在主轴承滚道、小齿轮与小轴承内注满320号齿轮油。变频驱动典型结构（以中铁16号为例）主要组成：1）变频电机/6台2)减速机/6台3）小齿轮/6个4）主轴承/1个5）驱动箱及其它环类零件/1套6）主轴承外唇形密封/4道，外MY型密封/3道7）主轴承内唇形密封/3道，内MY型密封/3道驱动参数1）驱动形式：变频电机驱动2）速度：0～3rpm，连续可调3）最大扭矩：5500KN·m4）脱困扭矩：6900KN·m5）驱动功率：660KW电驱与液驱的比较No项目变频方式①离合器方式②液压方式③备注1驱动部尺寸中大小如以③外形尺寸为1，则①1.5~2，②2~2.5。2后续设备少少大③需要液压泵、大油箱、冷却装置等，所以后续设备大。3效率(%)0.950.90.65由于①，②采用电机驱动，故效率高。4起动电流小小小①利用变频起动电流小，②因为切断离合器起动，电流小，③由于无负荷起动电流小。5起动力矩中中小①起动力矩可以达到额定力矩的120%，③约低20%。6起动冲击小大小①利用变频，③控制液压泵排量，可以低转速、缓慢起动。②由于离合器离、合，所以冲击大。7转速控制、微调好差好①利用变频，③控制液压泵排量，可以控制转速、微调。②由于采用离合器，所以一般只要二种速度。8噪音小小大③由于液压系统，所以噪音大9隧道内温度小小大③由于液压系统，功率损耗大，所以温度大。10维护保养好好差①、②几乎不要，③液压系统维护保养复杂，要求高。11综合评价变频方式：在产业界普遍采用，其安全性、效率、可靠性都好。离合器方式：其安全性、效率、可靠性好。但适应土质变化的可靠性差，并且起动、反转，速度控制差。液压方式：其安全性、效率、可靠性差。12方式组成变频方式①：变频电机+减速机+驱动刀盘；离合器方式②：电机+离合器（磁粉）+减速机+驱动刀盘；液压方式③：液压马达+减速机+驱动刀盘。三、出渣系统1、螺旋输送机2、皮带输送机螺旋输送机螺旋输送机的主要功能螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分，其主要构造由圆筒状机壳和中心螺旋杆组成，工作时螺旋杆旋转，而泥土充满机壳内，沿螺旋杆轴线平移输送。螺旋输送机的主要功能有：（1）从盾构泥土密封舱内将开挖下的泥土排出盾构；（2）泥土通过螺旋杆输送压缩形成密封土塞，阻止泥土中的水流出，保持泥土密封舱土压稳定；（3）可通过改变螺旋输送机转速，调节排土量，即调节泥土密封舱的土压，使其与开挖面水、土压保持平衡。主要结构组成1、螺旋叶片2、外壳3、排土闸门4、驱动装置5、伸缩装置6、观察窗双闸门控制单闸门控制螺旋输送机的型式螺旋输送机的型式大致区分为有轴和无轴两种型式。1）对于中间有轴的螺旋输送机，能通过的最大粒径较小，例如内径φ800的螺旋机通过粒径在φ300左右。2）在含有卵砾石的地层中，为了尽量增加螺旋输送机通过土能力，常采用无轴螺旋输送机。但是在透水性好的土质条件下，需认真研究止水性等压力保持能力，并且无轴的螺旋输送机被堵塞时，由于只有螺旋叶片的结构较为软弱，它不能通过反转来实现脱困，否则螺旋输送机在套管内会立刻被扭坏。有轴无轴驱动装置•螺旋输送机按结构分，一般有周边驱动和中心驱动两种结构形式。中心驱动式周边驱动式中心驱动，结构紧凑，便于相邻部件的布置。周边驱动，出闸口在后部，提高出渣位置，易喷涌防止渣土从皮带机倒流。渣土通过无轴区时利用自身重力堆积、密实，形成土塞，使渣土具有一定连续性，并能起到一定止水作用。出土量的控制出土量的控制是影响开挖面稳定和周边地基的重要因素，稍有不慎就会造成地面沉降等严重后果，所以必须充分注意管理。1）出土量的控制通过调整闸门的开度来调整；2）出土量的控制靠推进速度及螺旋输送机内的螺旋转速来调整；3）出土量的控制要密切配合刀盘的切削速度，使之尽量相等，土舱内既充满泥土，又不致于过于饱满。房屋开裂地表下沉防洪堤坍塌南京某地铁到达过程造成的隧道塌方皮带输送机•参照CAD总装图进行理解•主要结构和功能（16号为例）•拉线开关4处•跑偏检测装置2处•清理装置4处•打滑检测装置1处•分流装置1处四、管片拼装系统•管片拼装机•管片吊机•管片输送小车管片拼装机一、概述管片拼装机是管片拼装系统的一个重要组成部分，管片拼装系统有管片车、管片吊机、管片输送器、管片拼装机、整圆器组成；管片拼装机安装在盾尾部分，是一种可以安全迅速地把管片组装成所定形式的机械，它可以实现多个自由度的动作。二、功能要求•管片安装机能完成锁紧、升降、平移、回转、仰俯、横摇和偏转七种动作。•管片安装机有足够的回转力矩和平移力回转机构应具备常闭制动功能。•在设计中要考虑对污染、泄漏、噪声的控制措施。三、可靠性要求•确保回转架转角不超限•超压保护•确保回转架停车制动可靠•管片扣紧状态检测采用压力和位置双重检测•两个回转马达均带制动器•管片机设无线遥控装置管片拼装机的型式•从使用动力来分，目前有液压式、电气驱动等，从安装位置来分，可分为安装在盾构内的环式、中空轴式等形式。1、环式•在支承环后部或在盾构液压缸压力垫附近的盾尾设置支承滚轴，在滚轴上安装中空形的圆环，其中设有可自由伸缩的臂。采用这种形式时，可得到较大的作业空间，便于布置出土设备。2、中心轴式通过法兰把移动梁连接在支撑环米字粱上，移动环合旋转环通过滚轮轴承安装在移动梁上。中心空间小，但轴向移动距离很大。管片吊机•概述管片吊机的功能是从管片车上将管片吊运到管片运输小车上。管片吊机的轨道为双梁布置，从1号拖车到设备桥的前方。吊机包括两个电动葫芦和驱动装置。管片吊机设置一个行走档，快速/慢速两个提升挡。管片输送小车概述管片输送小车放置在设备桥下方，能够将管片吊机运送过来的管片临时存储，并能将管片转运到管片安装机能够抓取的范围之内。它在牵引链的作用下随主机前进。五、设备桥拖车（总图）•设备桥设备桥为桁架结构，架设在管片安装机拖架梁和一号拖车上，前端通过拖拉油缸和托架梁连接，后端通过销轴与一号拖车连接。在设备桥上布置了各种管线，同时还布置了皮带输送机和管片吊机。•拖车拖车上布置各种系统设备，每节拖车由连接杆相连。拖车上面布置了各种管线，同时顶部还布置了皮带输送机和风筒支架。六、人舱•人仓包括主舱和辅舱，两舱横向连接，之间有舱门相通。通过前盾隔板上的门可以由主舱进入开挖仓。辅舱的作用是在出现紧急情况时出入，主舱最多可以进3人，辅舱最多可进2人。•主舱和辅舱都可独立操作，内部都配有以下设备：通讯系统、排气阀和通风阀、时钟、气压