盾构机工作原理.docx

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盾构机工作原理

盾构机的工作原理

1.盾构机的进

叛压马达驱动刀盘旌转，同时开启盾枸机推进油紅，将盾枸机向前推进，随着推进油缸的向前推进，JJ盘持续废转，被切削下来的笛土充满泥土仓，it时开动Ml蘆输送#1将切期下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通11竖井运至地面。

2.損进中控制萍土量与萍土速度

当泥士仓和累鹿输送机中的竜土稅累到一定数量时，开挖面彼切下的渣土经刀檜进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下*的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从喙鹿输送机和泥土仓中输送出去的酒土量与切前下来的流人視土仓中的渣土量相平無时，开挖工作就能JR利进行。

3•管片拼装

盾构机II进一环的更离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬«!

管片，使隧道一次成型。

盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用

盾构机的最大直径为6.28m,总长65m,其中盾体长8.5m,后配套按备长56.5m,总重量约406t,总配置功率1577kW,最大損进扭矩5300kN?

m,最大推进力为36400kN,最财进速度BJfi8cm/minof枸机主要由9大部分组成，他rj分别是盾体、uai动、双室气用、管片拼装机、菲土机构、后配套装置、电气系筑和辅助按备。

1•盾体

盾体主要色括前盾、中盾和尾盾三部分，泄三部分都是管状简体,其外径是6.25m。

甫盾和与之焊在一起的承压漏板用来支撑刀盘驱动，同时使尿士仓与后面的工作空同相隔离，推力油缸的压力可通11承压陽极作用到开挖面上，以起到支搏和稳定开挖面的作用。

瑕压陽檢上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探側泥土仓中不同高度的土压力。

前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以期栓连接，中盾内II的周边位置装有30个推进油紅，推进抽缸杆上安有塑料撑靴，撑靴頂推在后面已安装好的管片上，通1S控制油缸杆向后伸出可以提供给盾枸机向前的#1进力，这30个千斤顶按上下左右被分fiEA、B、c、DEI组，#|进过程中，在操作室中可单独控匍每一组

油紅的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直斤,从而可以使H进中盾构机的鞘线尽量81合隧道按廿辆线。

中盾的

后边是尾盾，尾盾通1114个被动跟H的较接油缸和中盾相连。

这种较接连接可以使盾构机易于转向。

2•刀盘

刀盘是一个带有多个进料槽的切II盘休，位于盾构机的最前部，用于切制士休，J］盘的开口率约为28%,刀盘直径6.28m,也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰极用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软士刀具，刀盘的外U还装有一《!

超挖刀，盾构机在转向拥进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸岀，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。

超挖刀汕紅杆的行程为50mm。

刀盘上安装的所有类塑的刀具部由H栓连接，都可以从刀盘后面的强土仓中进行更换。

法兰板的后部安装有一个回转接头，其作用是向J］盘的面板上输入泡殊或燼涓土及向超挖刀液压曲紅输送液压油。

3•刀盘驱动

刀盘驱动由«1栓牢固地连接在甫盾承压陽板上的法兰上，它可以便J］盘在JR时针和逆时针两个方向上实现0-6.IrpmffJ无级变速。

JJ盘鬼动主要由8组传动剧和主齿轮箱组成，每组传动刚由一个斜辆衣变量轴向柱塞马达和水袴戏变速齿轮箱组成，其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀盘。

安装在甫盾右H承压隔板上的一台定量撇便式叛压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来涸渭主齿轮箱，该油路中一个水衿式的齿轮油袴却器用来衿测齿轮油。

4•双室气闸

双室气闸装在前盾上，包括前室利主室两部分，当損进过程中JJ具作人员进入到視土仓检察及更换刀具时，要使用双室气用。

在进入視土仓时，为了避免开挖面的坍坍，要在況土仓中建立并保持与垓地层深度土压力与水压力相适应的气压，这样工作人员要进出泥土仓时，就存在一个适应泥土仓中压力的冋題，通过调整气闸前室利主室的压力，就可以使工作人员可以适应常压和开挖仓压力之同的变化。

但要注意，只有通11髙压空气检査和受到相应培W有资质的人员,才可以通过气用进出有压力的泥土仓。

现以工作人员从常压的操作环境下进入有压力的視土仓为例，来規明双室气闸的作用。

工作人员甲先从前室进入主室，关冈前室和主室之间的爾离门，按照規定程序给主室加压，直到主室的压力利泥土仓的压力相同时，打开主室和泥土仓之间的使两者之间压力平痢，这时扌J开主室和泥土仓之同的隔离门，工作人员甲进入泥土仓。

如果EWI作人员Z也需要进入視土仓工作，乙就可以先进入前室，然后关因前室利常压操作环境之间的is离n,给前室io压至和主室及电土仓中的压力相同，扣开前室和主室之间的闸阴，便两者之同的压力平衡，打开主室利甫室之同的歸离口，工作人员乙进入主室和泥土仓中。

5•管片拼装机

管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、鹿转架和拼装头组成。

拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装#1的支挥架通tt左右各两个液轮安放在拼装机大梁上的行定槽中，一个内圈为齿圈形衣外径3.2m的滾味辆承外圈通过法兰与拼装机支撐架相连，内圈通过法

兰与鹿转架相连，拼装头与鹿转支架之同用两个伸编油紅和一个横粱相连接。

现以拼装头在正下方位置的情况为例，来说明拼装机的运动情猊。

两个拼装机折走液压油缸可以使支搏架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道鞘线方向移动；安装在支撐架上的两个斜盘式釉向柱塞鹿转马迭，通u鬼动激珠辆承的内齿圈可以使鹿转架利拼装头沿隧道圆周方向左右鹿转各200度；通过伸堀油紅可以便拼装头上升或下降；拼装头在油紅的作用下乂可以实现在水平方向上的摆动，和在竖直方向上的摆动以及抓紧利放松管片的功能。

这样在拼装管片w,就可以有兀个方向的自由度，从而可以使管片准爾就位。

拼装手可以使用有线的或遥控的控制器操作管片拼装机，用来拼装管片。

我竹采用的是1・2m长的通用管片，一环管片由穴块管片组成，它们是三个标准块、两块临块和一块封頂块。

封呗块可以有十个不同的位置，代表十种不同类塑的管环，通垃选择不同类塑的管环就可以使成型后的隧道轴线与设廿的隧道轴缆相执合。

隧道欣型后，管环之同及管环的管片之同葡装有密封，用以防水。

管片之同及管环之间都由高强度的噪栓连接。

6虎土机枸

盾构机的排土机构主要色括端鹿输送机和皮带输送机。

期廈输送机由斜盘戒变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机岖动。

籍土由噪便输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再將II土向后运输至第四节台车的尾部，落入等候的蚩土车的土箱中，土箱装满后，由电翦车牵引於轨埴运至竖井，龙n吊将士箱吊至地面，并倒人殖土坑中。

螺鹿输送机有前后两个ho,前者关团可以便泥土仓和期旌输送机隔断，后者可以在停止拥进或錐修时关团，在整个盾枸机断电紧急情乱下，此闸n也可由蓄能器r存的能量自动关冈，以肪止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。

7•后配套按备

后配套披备主要由以下几部分组成：

管片运输披备、四节后S!

套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、裁压協件、注浆披备、泡辣按备、燼刑土按备、循坏水披备及通风没备等。

A・管片运输按备

管片运输按备包括管片运送小车、运送管片的电动葫芦及其连接桥轨道。

管片由龙门用从地面下至竪井的管片车上，由电JS车牵弓I管片车至第一节台车前的电动葫芦一方，由电动葫芦吊起管片向前运送到管片小车上，由管制、车再向前运送，供给管片拼装机使用。

B.一号台车及其上的设备

一号台车上装有盾枸机的操作室及注浆投备。

盾构机操作室中有盾构#1操作控胃台、控胃电脂、盾构机PLC自动控制系统、VMT隧道損进激光导向系统电脑及撇廉输送机后部出土口监視器。

C•二号台车及其上的按备

二号台车上有包含飯压油箱在内的飯压泵站、協洞士箱、協渭土泵、盾尾密封油脂泵及润渭油脂泵。

液压油箱及液压泵站为刀盘驱动、推进油缸、较接油紅、管片拼装机、管片运输小车、累便输送机、注浆泵等裁压按备提供压力油。

泵站上装有裁压汕11滤及袴却回路，M压曲衿却器是*枚式。

盾尾密封油脂泵在盾枸机81进时將盾尾密封油脂由12条管路压送到三排盾尾密封刷与管片之间形成的两个腔室中，以肪止注射到管片背后的浆液进入盾休内。

润渭油脂泵将油脂泵送到盾体中的小油脂桶中，盾枸机損进时，4kw电机驱动的小油脂泵挣油脂泵送到主驱动齿轮箱、券鹿输送机齿轮箱及刀盘II转接头中。

这些油脂起到两个作用，一个作用是被注入到上述三个组件中唇形密封件之间的空同起到刑滑唇形密封件工作区域及帮助阻止JB物进入被密封区域内部的作用，对于療鹿输送机齿轮箱还有另外一个作用，駅是润滑齿轮箱的球面辆承。

D.三号台车及其上的按备

三号台车上装有两台打气泵、一个1立方米r气權、一组配电柜及一台二次风机。

打气泵可提供8Bar的压缩空气并将压堀空气上存在t气耀中，压编空气可以用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵利气动右水泵，用耒给人闸、开挖室加压，用来操作膨润土、盾尾油脂的气动开关，用来与泡沫剂、水混合形成改良土壤的泡沫，用来8嶋气动工具等。

二次风机由11kW的电机驱动，衢由中同井输送至第四节台车位置处的新鮮空气，继续向甫泵送至盾体附近，以给盾构机提供良好的通风。

E.0!

号台车及其上的投备

四号台车上装有变压器、电缆卷筒、水管卷筒、风管倉。

舗设在隧道中的两条内径为100mm的*管作为盾枸机的进、回水管，将竖井地面的蓄水泡与*管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台髙压水泵鬼动盾构机用水在蓄水池利盾构机之同循坏。

通常悄况下,进人盾构机水管卷简水管的水压控制在5Bar左右。

正常折进时，进人盾构机水簡环系统的水有以下的用途：

对报压油、主驱动齿轮油、空压机、配电柜中的电器部件及刀盘驱动剧变速箱具有袴却功能，为泡沫剂的合成提供用水，提供给盾柯机及隧道清洁用水。

蓄水池中的水用衿测塔进打循环冷却。

风管盒中装有折叠找的风管，风管与竖井地面上的风fill连接，向隧道中的盾构机里提供新鲜空气。

新鲜空气通15风管彼送至第四节台车的位置。

8•电气按备

盾构机电气按备色站电缆卷筒、主供电电境、变压器、S!

电柜、动力电缆、控制电缆、控制系筑、操作控胃台、现场控制台、甥施输送机后部出土口监視器、电机、播座、照明、接地等。

电器系竦最小保护等级为IP5・5o主供电电缆安装在电缆卷筒上，10kV的髙压电由地面通过髙压电缆沿隧道输送到与之连接的主供电电境上，接着通过变压器转变成400v,50Hz的低压电进人配电柜，再通过供电电缆和控制电缆供盾构机使用。

西门子S7-PLC是控制系统的关建部

件，控匍系缆用于控制盾构机損进、拼装时的各主要功能。

傍如盾枸机要II进时，盾构机司机按下操作控制台上的18进按31,—个电信号就祯传到PLC控制系统，控圜系统首先分林推进的条件是否具备（如推进油缸裁压油泵是否打开，澗渭脂系统是否工作正常等，.如果推进的条件不具备，就不能推进，如果条件具备，控制系筑就会使推进按钮指示灯变亮，同时控制系竦也会务推进油紅控制IS的电厳阴供电，电＜8IB通电打开推进油紅控制KL盾构#1开始向甫推进oPLC安装于控胃室，在配电柜里装有玩程接口，PLC系竦也与操作控胃台的控胃电H及VMT公司的SLS-TK8道激光导向系鋭电U相连。

盾枸机操作室内的操作控制台和盾构机某些可移动装置旁ii的现场控制台（如管片拼装机、管片吊车、管片运送小车等）用来操作盾构机，实现各种功能。

操作控制台上有控胃系竦电!

8显示器、实现各种功能的按钮、调整压力利速度的厦钮、显示压力或油紅伸长长度的显示模块及各种胡匙开关等。

撇旌输送机后部岀土口盟視器用来监視喙便输送机的出土情

电机为所有液压油泵、皮带机、泡沫剂泵、合成泡沫用水水泵、燼駅土泵等提供动力。

当电机的功率在30kW以下时，采用直接起动的方式，当电机的功率大于30KWB1,为了降低起动电流，采用星形一三角形起动的方成。

9•辅助按备

辅助按备包括数据果集系统、S1S-T隧道激光导向系统、注浆装置、泡沫装置、協涓土装置。

A.数摇釆集系竦

数据采集系竦的硕件是一台有一定配置要求的计算机和能使垓it算机与隧道中18进的盾构机保持联络的调胃解调器、转换器及电话线等原件。

该廿算机可以放置在堆面的监控室中，并始终与隧道中进的盾构机自动控制系统的PLC保持联络，这样数据采集系统就可以利盾构机自动控制系竦的PLC具有相同的各种关于盾构机当甫狀态的信息。

数据釆集系铳按#1进、管片拼装、停止《1进三个不同运行狀态段来记录、处理、存储、显示和坪判盾构机运行中的所有关键监控参数。

通过数据采集系统，地面工作人员就可以在地面监控室中实时监控盾构机各系统的运行状况。

数据果集系统还可以完质以下任务：

用来査找盾构机UKS进的苗案信息，通11与打印机相连打印各环的損进报告，修改隧道中盾构机的PLC的程序等等。

B.隧道損进激光导向系毓

復国VMT公司的SLS-Ti道掘进激光导向系竦主要作用有以下几总①可以在盛道澈光导向系统用电JI显示屏上随时以图形的形

衣显示盾构机轴线相对于隧道按廿JU线的准确位置，这样在盾构#181进时，操作者就可以彼此来期整盾构机損进的姿盗，使盾枸#1的轴线接近隧道的设it輛线，这样盾构机轴裁和隧道按廿聃线之间的怕差就可以始终保持在一个很小的数值范围内。

②推进一环结東后，隧

道損进激光导向系筑从盾构机PLC自动控制系竦获得推进抽紅和餃接油紅的Mil杆伸长量的数值，并依此廿算出上一环管片的管环平面，再综合考處彼手工输入赛道押进激光导向系统电18的盾尾同隙等因素，it算并选择这一环适合拼装的管片类型。

③可以提供完整的

各环II进姿态及其他相关资料的档案资料。

④可以通过标准的隧

道按it几何元素廿算岀隧道的理论辆线。

⑤可以通11调匍解调器

和电话线和堆面的一台电II相连，这样在堆面就可以实时监控盾构机的H进姿盗。

隧道11进激光导向系筑主要部件有澈光经纬仪、带

有棱镜的激光吧、黄盒子、控制食和隧道拒进激光导向系竦用电膾。

液光经纺仪临时固定在安装好的管片上，I®着盾构机的不断向前拥进,激光经饬仪也要不断地向前杨动，这祯称为移站。

激光固定在中盾的双室气H±o激光经纬仪发射出激光束照射在澈光1!

上，激光IB可以幷定澈光的入射角及折射角，另外激光靶内还有濃锁仪，用来濃量盾构机的渡动和锁斜角度，再根据激光经饬仪与激光IB之同的距离及各相关点的坐标等数据，隧道拥进激光导向系统就可以廿算出当

前盾构机轴线的准确位置。

控胃盒用来组级隧道18进激光导向系

统电81与激光经饬仪和激光IB之间的联络，并向黄食子和激光《!

供电。

黄盒子用来向激光经纬仪供电并传输数据。

隧道II进激光导向系统电脂则是符垓系统获得的所有数据进斤综合、it算利坪估。

所得结果可以被以图形或数字的形武显示在显示屏上。

C.注浆装置

注浆装置主要包括两个注浆泵、浆液箱及管线。

在竖井，浆

液祯放入浆液车中，电務车牵引浆液车至盾构机浆液箱旁，浆飯车将浆裁泵入浆權箱中。

两个注浆泵各有两个岀口，这样总共有皿个出口,EI个出口直接连至盾尾上BI周方向分布的皿个注浆管上，盾构机損进时，山注浆泵泵岀的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环除中，浆液瞿固后就可以起到席定管片利地层的作用。

为了适应开挖速度的快慢，注浆装置可根据压力来控制注浆量的大小，可预先选择最小至最大的注浆压力，这样可以迭到两个目的，一是盾尾密封不会被損坏，管片不会受过大的压力，二是对周围土层的扰动最小。

注浆方式有两种：

人工方戒和自动方式。

人工方式可以任选四根注浆管中的一根，由操作人员在现场操作台上操作按钮启动注浆系统；自动方成则是在注浆现场操作台上预先玫定好的，盾构机損进即启动注浆系统。

DM装置

泡昧系统主要包括泡沫剂權、泡沫剂泵、水泵、四个溶植廿量坍节18、皿个空气剂量调节阴个液体潼量it、四个气休浦量廿、泡沫发生器及连接管路。

泡昧装置产生泡昧，并向甫构机开挖室中注入泡沫，用于开挖土层的改良，作为支暮介质的土在JO入泡妹后，其塑型、潼动牲、I®渗牲和弹性都得至U改进，盾构机拥进驱动功率就可械少，同时也可减少刀具的泡沫剂泵將泡沫剂从泡沫剂ai中泵出，并与水泵泵出的水按盾构司机操作指令的比例視合形成溶液,控制系统是通处安装在水泵出水口处的飯体流量廿測量水泵泵出水的流量，并根据这一澹量控胃泡沫剂泵的输岀量来完成这一視合比例指令的。

混合溶液向前输送至盾体中，彼分配输送到四条管路中，经it濬裁剂量调节陶和液体浦量廿后，只被分别输送到四个泡沫发生器中,在泡沫发生器中与同时被输入的压绸空气混合产生泡沫，压编空气进入泡沫发生器前也要先经垃气体流量廿和空气剂量坍节阴。

泡昧剂溶液和压编空气也是按ftttt司机操作指令的比例混合的，这一指令需通iilft机控制系竦接收疲体流量廿和气休潼量计的信息并控制空气剂量调节陶和溶液剂量调节is来完成。

最后，泡沫沿四条管路通过刀盘旄转接头，再iiiDJ盘上的开口，注入到开挖室中。

在控胃室，操作人员也可以根据需要从四条管路中任意选择，向开挖室加入泡沫。

E.WJH土装置

協羽土装置也是用来改良土质，以利于盾构#1的#1进。

協澗土装置主要土箱、燼润土泵、九个气动燼涸土管路控胃IB及连接管路。

和浆液一样，在竪井，燼涸士被放人燼洞士车中，电瓶车牵引燼润土车至腸澗土箱旁，協润土车将協洞土泵入燼闹土箱中。

需要注入燼涓土时，協祠土彼腸刑土泵沿管路向前泵至盾体内，操作人员可根据需耍，在控胃室的操作控制台上，通ii控制气动腸刑土管路控制IS的开关，将協涓土Ji入到开挖室、泥土仓或鸞废输送机中。