盾构机结构简介

福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件第二节盾构机结构简介福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件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优点①不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。②能够经济合理地保证隧道安全施工。③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。④掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。⑤地面环境不受盾构施工的干扰。缺点①盾构机械造价较高。②在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。③隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。④设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件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：①软土盾构机；②硬岩盾构机；③混合型盾构机。四种模式：图2-1盾构机总图①开胸式；②半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）；③闭胸式（土压平衡式）；④气压式。图2-1盾构机总图福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件图2-2盾构机主机结构图福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（一）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成本，并且出了故障维修处理困难。常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。盾构机刀盘应满足以下要求：①刀盘应有足够的强度和刚度。②刀盘应有较大的开口率。③针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。④刀盘结构应有足够的耐磨强度。⑤刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。⑥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。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件硬岩盘口部分开挖直径6280mm图2-3刀盘福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（1）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：F6280mmF6130mm（刀圈外经）Ｘ1410mm总厚（刀盘厚580mm）刀盘质量：57000kg开口率：28%超挖刀行程：50mm刀盘转0-6.1r/min最大扭矩：I-4500KN.mmII-1970KN.mm脱困扭：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，刀盘中心部分、辐条和法兰是采用整体铸造，周边部分和中心部分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。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（2）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。①刀具种类图2-4单刃滚刀结构图图2-5双刃滚刀结构图福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件双刃中心刀单刃滚刀中心齿刀窄齿刀切刀弧形刮刀仿形刀福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件②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达到切削效果。图2-6软土刀具切削机理示意图福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件滚刀破岩要想达到满意效果，必须满足两个条件：a.工作面的岩层要有一定强度；b.滚刀的启动扭矩要小。因为以下因素很难满足以上条件：a.地质因素；b.滚刀的制造质量及工艺；c.滚刀质量一致性；d.开挖模式问题。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件③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。刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响：a.刀具高对防结泥饼有利。b.刀具的高度差大有利于破岩。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,滚动与刮刀互换表2-2配置差异表福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件④滚刀与滚刀之间的刀间距图2-8刀间距示意图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，降低破岩功效。刀盘边缘部分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115-120mm。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（二）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图2-9前体结构示意图在圆筒垂直于轴线、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：F6250mm（直径）X1700mm（长度）X60mm（板厚）X57t（质量）福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（1）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。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：F2600mm质量：6.64t寿命：10000h图2-10主驱动结构图福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（三）中体图2-11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。????举例参数：F6240mm（直径）X2580mm（长度）X40mm（板厚）X31.4t（质量）福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（1）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。图2-12人员舱结构示意举例参数：结构双舱型、1800mm（长）X2550mm（宽）X1600mm（高）；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。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件图2-13推进油缸分区图2-14推进系统油缸分组图（2）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。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（3）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：F180mmXF80mmX150mm工作压力：30Mpa牵引力：7340KN福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（四）盾尾及盾尾密封图2-16盾尾密封示意图图2-15盾尾结构示意图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。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。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（五）螺旋输送机图2-18螺旋输送机叶片图2-17螺旋输送机结构示意图螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要部件。其作用是：①掘进渣土排出的唯一通道；②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。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件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。图2-19螺旋输送机驱动举例参数：形式：一端悬浮中心轴式、外径：F900mm、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）。福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（六）管片安装机构管片安装机由：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。其结构如图所示。图2-20管片安装机结构示意图福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件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（七）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。为安全起见，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。（八）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：福州地铁运营分公司维修中心内部培训课件（九）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。（十）注脂系统注脂系统包