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土压平衡盾构原理及构造介绍中铁一局天津项目部2010年08月目录一、盾构机介绍二、土压平衡式盾构机三、土压平衡盾构机本体结构四、土压平衡盾构机构造五、盾构始发装置六、盾构机下井及组装一、盾构机介绍盾构机是集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有切削土体、输送渣土、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能的一种隧道掘进的专用工程机械。盾构机的基本工作原理就是：一个柱体的钢组件，沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。1、盾构机简介2、盾构机分类盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾构（局部气压、全局气压）、机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。根据开挖方法可分为敞开式、机械切削式、网格式和挤压式。目前国内使用的泥水加压盾构和土压平衡盾构都属于机械切削式盾构。土压平衡盾构(Earth-pressurebalancesystem)，通常简写为EPBS。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输送器出土量(旋转速度)进行调节。二、土压平衡式盾构机2、土压平衡盾构机原理土压平衡盾构机：刀盘面板借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面，使作业面稳定，同时用螺旋输送机排土，螺旋输送机排土量与盾构推进量相适应，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量动态平衡，维持土舱内土压力稳定在预定范围内。通过安装在土舱内的4个土压传感器对土舱内的土压力进行测量。为保证预定的土压力，可通过控制推进速度、螺旋输送机转速和向土舱注入添加剂来控制。•如图表示的是土舱内的土压力与地层土压力和水压力的关系图•本体是由前盾、后盾构成的铰接式盾构机。前盾由切口环和支撑环组成，后盾由支撑环和盾尾组成，前、后支撑环用铰接油缸连接，可以上下左右弯曲，在铰接部设置有止水密封。本体为圆形截面的钢板焊接结构。其基本构造如图所示。三、土压平衡盾构机本体结构所有盾构的形式，其本体从工作面开始均可分为切口环（前体）、支承环（中体）和盾尾三部分，借以外壳钢板联成整体。盾构主机在切口环部设有安装刀盘及刀盘支撑的结构，在土仓胸板下部安装有螺旋机。后支撑环部配置有推进油缸22根，铰接油缸16根，在盾尾部位设有管片拼装机和后方工作平台。盾构机内还设有检查用平台、液压及电气设备装置、计测装置、人行闸、注入管等附属装置。1、盾构机本体：切口环、支撑环、盾尾盾构基本构造示意图•切口环部分是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时最先切入地层井掩护开挖作业。切口环保持着工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输的通道，因此，采用机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。2、切口环土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；•支承环是盾构的主体结构，是承受作用于盾构上全部荷载的骨架。它紧接于切口环，位于盾构中部，通常是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有推进油缸的反作用力以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工荷载均由支承环来承受。3、支承环在支承环外沿布置有推进油缸，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备，操纵控制台，当切口环压力高于常压时，在支承环内要布置人行加、减压舱。支承环的长度应不小于固定推进油缸所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。•盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成。主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作，盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。4、盾尾盾尾厚度从整体结构上考虑应尽量薄，这样可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，进而减少压浆量，对地层扰动范围也小，有利于施工。但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时，还有一些难以估计的载荷出现。所以盾尾是一个受力复杂的圆筒形薄壳体，其厚度应综合上述因素来确定。•土压平衡盾构机主要由盾壳、开挖系统、推进系统、排土系统、管片拼装系统、油压、电气、控制系统、姿态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后拖台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、碴土改良装置及其他一些重要装置如人闸等组成。四、土压平衡盾构机构造（以小松TMX634为例）•形式：平面面板式、顺、逆时针回转方向掘削。•构造：钢板焊接结构。•刀盘前面设有5处注泥口，刀盘背面设有搅拌棒。•切削刀盘由6根圆柱形中间悬梁通过主轴承由刀盘支撑结构支撑。由8台减速变频电机驱动。1、切削刀盘•刀盘面装备有切削刀、边刀、箭形刀等，刀盘配备有2套超挖刀(1套为预备)。•切削刀、刮刀的安装采用辐条二侧螺栓连接、背装式设计，方便作业人员在刀盘背后（土仓内）进行刀具的拆装工作。中心切削刀正面切削刀周边刮刀先行刀•超挖刀：•形式：液压油缸驱动式。•构造：由超挖刀、驱动油缸、导向滑动机构构成，可对盾构机外周土体进行超挖。以圆周的16分之1(22.5゜)为设定单位，在0゜～359゜超挖范围内进行设定。超挖刀配备有2套(其中一套为预备用)。•超挖刀照片•构造：由固定部(齿轮箱部分)、回转部、主轴承和密封部分构成，固定部由盾构主机前侧切口环支撑固定。•主轴承承受切削刀盘的轴向、径向负荷和力矩，支撑刀盘的回转及传动。•润滑方式:•主轴承部分：油浴强制润滑方式。•密封部分：集中润滑注脂方式。•密封部分内外圈分别设计有三道V型密封圈，在最外层分别有一道唇型密封，并在唇型密封的沟槽中注入油脂，增强密封效果，防止土舱内的渣土进入刀盘驱动回转部分。2、刀盘支撑：•集中润滑注脂泵•形式：减速电机驱动（变频调速控制）。•构造：由安装在刀盘支撑(齿轮箱)上的8台减速电机及小齿轮，通过主轴承内周部的大齿圈，驱动切削刀盘。回转方向可正可逆。•回转速度采用0.25～1.3rpm5极变速•刀盘回转检测装置：由齿轮、接近开关(安装于刀盘支撑背面)组成。3、刀盘驱动装置刀盘驱动减速机•形式：液压回转环式•构造：由回转环、升降机架、拼装机头、托轮、挡轮等构成。拼装机的回转由液压马达驱动；管片的升降、滚动、偏转由液压油缸驱动。•操作通过无线操作盒或有线的吊式操作盒的按钮开关进行4、管片拼装机吊环螺栓管片连接板油缸缸体外部结构油缸活塞杆锁紧装置管片连接销夹取装置结构图液压马达提升油缸平移油缸拼装机－1旋转功率：45KW左右：200度；转速0.2/1.2rpm油缸功率：11KW平移行程：1000mm；提升行程：700mm；提升力：216KN左右摆动油缸支撑油缸前后摆动油缸回转油缸机构配重回转盘体垂直导杆升降油缸悬臂梁提升横梁水平导杆平移油缸拼装机总体结构管片夹取装置•后盾体内周装有22根推力为1715kN（行程2150mm）推进油缸，最大总推力为37730KN。在活塞杆后端，装有靴撑，以防止因集中负荷造成的管片变形、破损。•NO.1、6、11、17油缸兼做计测油缸，既便盾构机推进时没有选择，也可以以低压同步来测量油缸速度和行程，并显示在操作盘上。5、推进装置推进系统的液压原理图•盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于在施工中纠偏的频率很高，因此，就要求密封材料要富有弹性，结构形式要耐磨，防撕裂，其最终目的是要能够止水。止水的形式有许多，目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2-3道。1—盾壳；2—弹簧制板；3—钢丝束；4—密封油脂；5—压板；6—螺栓盾尾密封示意图6、盾尾密封装置盾尾密封设在盾构机盾尾后端部，装有3道防止土砂、水及同步注浆材料侵入的随动性、耐久性优良的钢丝刷式盾尾密封。并且在钢丝刷之间的两道沟槽中均匀布置有油脂注入口，增强盾尾密封的同时减少钢丝刷的磨损。•该图是盾尾油脂注入系统图盾尾油脂是由气动油脂注入泵将油脂泵送到盾尾，在由12个电动阀分别控制12个注入点的关闭，并能分别控制各注入口的开闭时间，自动模式下可以单孔循环注入。盾尾油脂注入泵•螺旋输送机：•形式：带轴螺杆、后方排土方式•构造：由螺杆、筒体、驱动部及排土口构成，筒体由盾构本体土仓胸板下部及螺旋机拉杆支撑。筒体后部的排土口处，配备有由液压油缸调节开度的NO.1、NO.2闸门。•皮带输送机：•设在螺旋输送机后方至NO.5后续台车后部，将螺旋机排出的土砂运到在NO.5后续台车后部等待的运土车斗中。7.排土系统功率：45×2＝90KW转速：18rpm直径：φ711.2mm；扭矩：38.9kN-m输送量：191m3/h•形式：液压动作•构造：本装置在NO.1台车左侧，由搅拌箱、泵、压力计、流量计、注浆配管、清洗配管、电动球阀、气动球阀等构成，把从注入泵送出的同步注浆材料注入到刀盘掘削直径和管片外径所生成的间隙部位。配管在盾构机壳体外周设置4处，同步注浆装置可以进行2种浆液的注入。•清洗管通过液压油缸在前后方向上的移动，进行注入口的开闭，注浆结束后关闭注入口，连通注浆管，使注浆管与清洗管路相通清洗注浆管。清洗水经由注浆管流回盾构机内。注浆管路可被拆分，以便分别清洗。配管尺寸，A液注入管2英寸、B液注入管3/4英寸、清洗管1.5英。8.同步注浆系统：•同步注浆机原理图•液压驱动活塞式注浆机加泥装置由泥箱、泵、压力表、流量仪、注入管路、手动球阀等构成。注入泵压送的泥浆液，通过输送管道在门架车与盾构的连接桥处和泡沫管路相连通，然后加注到土舱和刀盘支撑面。9、加泥、泡沫装置•泡沫是由特殊发泡材料和压缩空气制成30~400μm的细小齿状气泡，代替一直在加泥式土压平衡盾构法中作为主要添加材料的粘土和膨润土等。•添加材的注入装置有添加材配制设备、添加材注入泵、输送添加材的管线及设置在刀盘中心钻头前端的添加材注入口等。•考虑到掘削泥土和添加材的搅拌混合效率，希望把注入口设在刀盘中心突出头的前面、辐条上或土舱隔板上。因为注入口直接与泥土接触，所以必须设置可以防止泥土和地下水涌入的防护头和逆流防止阀。10、注入装置注入口构造图•盾构始发设施主要包括始发托架和反力架。始发托架一方面承载盾构主机，另一方面保证盾构主机的精确定位，使盾构机能够沿着设计线路顺利掘进；反力架主要为始发阶段盾构机提供前进的支撑力，盾构始发时产生的推力达1000吨左右，所以要求反力架有足够的强度。五、盾构始发1、始发设施安装2、始发托架•始发托架主要由型钢、槽钢、钢板及钢轨焊接而成，结构形式见下图：始发托架结构形式3、始发托架定位、安装•在始发井底板上预埋10块(500*500mm)钢板，以固定始发托架。始发托架的定位主要控制其高程及水平位置，盾构机始发进洞后由于地质条件突变，即由洞门进入加固区，再到软土层，这个过程盾构机会出现“低头”现象，所以盾构始发时一般将盾构机比隧道设计中线抬高2cm左右，根据盾构机和始发托架的结构尺寸，布置始发托架位置。始发托架吊装始发托架安装（一）预留盾尾焊接槽预埋¦Δ20钢板(500500)预埋¦Δ20钢板(10001000,共2块)隧道中线始发托架安装（二）盾构中线比隧道中心线高2隧道中线盾构中轴线始发托架安装（三）始发托架安装（四）预埋钢板始发托架刀盘前盾中盾盾尾4、反力架安装•反力架结构形式•反力架是由钢板等焊接而成的框架结构，本标段反力架是用现场的钢箱梁制作的。•在始发井底板预埋两块钢板以固定反力架。为方便盾构机组装，反力架分为上下两部分，盾构组装前把反力架下半部分安放到既定位置，盾构组装结束后再安装上半部分。反力架安装（一）反力架安装（二）盾尾中盾前盾刀盘负环管片与反力架拆除•盾构机下井组装主要分两部•第一部分，后配套台车按从后到前（即5号台车→4号台车→3号台车→2号台车→1号台车）的顺序吊装下井；•第二部分，