1、石方工程機械盾構(gòu)機【目錄】一、什么是盾構(gòu)機二、盾構(gòu)機的工作原理三、盾構(gòu)機的組成及各組成部分在施工中的作用四、盾構(gòu)機姿態(tài)控制的一般細(xì)則五、不同地質(zhì)環(huán)境中盾構(gòu)機掘進(jìn)姿態(tài)的控制技術(shù)六、盾構(gòu)機的糾偏措施【關(guān)鍵字】 盾構(gòu)施工姿態(tài)控制盾構(gòu)組成盾構(gòu)原理【摘要】 盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機的姿態(tài)控制包括機體滾轉(zhuǎn)控制和前進(jìn)方向的控制, 在掘進(jìn)過程中, 盾構(gòu)機操作人員根據(jù)激光自動導(dǎo)向系統(tǒng)在電腦屏幕上顯示的數(shù)據(jù), 通過合理選擇各分區(qū)千斤頂及刀盤轉(zhuǎn)向等來調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)。盾構(gòu)機姿態(tài)控制操作原則有兩條 :(1) 機體滾角值應(yīng)適宜 , 盾構(gòu)機滾角值太大 , 盾構(gòu)機不能保持正確的姿態(tài) , 影響管片的拼裝質(zhì)量 , 此時 , 可以通

2、過反轉(zhuǎn)刀盤來減少滾角值。 (2) 盾構(gòu)機的前進(jìn)方向水平向右偏 , 則需要提高右側(cè)千斤頂分區(qū)的推力 ; 反之 , 則需要提高左側(cè)千斤頂分區(qū)的推力。如果盾構(gòu)機機頭向下偏 , 則需要提高下部千斤頂分區(qū)的推力; 反之亦然。【 1】【正文】一、什么是盾構(gòu)機盾構(gòu)機全名叫盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機， 是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機械，問世至今已有近百年的歷史， 經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展，成為目前世界最先進(jìn)的地下隧道掘進(jìn)機。其集機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一身， 可在不影響地面狀況的條件下作業(yè)，與傳統(tǒng)施工方式相比大大提高了施工的效率、安全性，降低了成本，因而受到世界各國的青睞，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。在我國

3、，盾構(gòu)機在北京、廣州、上海等 10 多個城市地鐵和穿江越洋隧道施工領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的效用。 但是由于盾構(gòu)制造工藝復(fù)雜， 技術(shù)附加值高，盾構(gòu)制造工藝為德國、法國、日本等少數(shù)國家所壟斷，且價格高昂，在我國盾構(gòu)市場上國外盾構(gòu)機的占有率曾經(jīng)高達(dá)95以上。目前，在國家產(chǎn)業(yè)政策的大力支持下，由我國盾構(gòu)機企業(yè)自主創(chuàng)新的國產(chǎn)盾構(gòu)機已經(jīng)成功打破國外的壟斷地位，并在技術(shù)、質(zhì)量等方面緊緊追趕世界。盡管由于歷史的原因，國產(chǎn)盾構(gòu)機在總體實力上與國外頂尖水平還有不小的差距，但是，在我國巨大隧道市場空間的帶動下，國產(chǎn)盾構(gòu)機的質(zhì)量已經(jīng)越來越好，與世界的差距也會越來越小。我國大約有85的盾構(gòu)掘進(jìn)機依賴進(jìn)口，歐洲和日本等公司的地鐵

4、盾構(gòu)機在中國的盾構(gòu)掘進(jìn)機市場上占主導(dǎo)地位。其中，占據(jù)歐洲大半市場份額的海瑞克、以產(chǎn)量1670 臺居世界首位的三菱重工、以及擁有多個品牌的德國維爾特的表現(xiàn)最為搶眼，光德國的海瑞克就占據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)機市場的70以上。除了外資品牌， 國內(nèi)除隧道股份還有二重、上重、大重、沈重和首鋼等企業(yè)，獨立進(jìn)行盾構(gòu)機的生產(chǎn)或與德國海瑞克、維爾特、美國羅賓斯等外資合資、合作生產(chǎn)。為盡快改變這種被動局面，國家制定出臺了重點扶持振興盾構(gòu)機國產(chǎn)化的相關(guān)政策，盾構(gòu)機國產(chǎn)化終于開始“起跑 ”。隨著國內(nèi)市場需求量的增大，一些外資品牌紛紛進(jìn)入我國，我國的盾構(gòu)機有了少量生產(chǎn)。隨著國內(nèi)盾構(gòu)機投資的不斷增大和國際企業(yè)的進(jìn)入，根據(jù)目前在建產(chǎn)能

5、和計劃投資情況，預(yù)計2010年我國盾構(gòu)機的產(chǎn)量為 50 臺左右。盾構(gòu)機是裝備制造業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品，也是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的隧道掘進(jìn)超大型專用設(shè)備。在中國日益重視開發(fā)利用地下空間的今天，具有十分廣闊的市場前景。2010-2015 年期間，中國規(guī)劃建設(shè)的城市快速軌道交通項目總長度達(dá)1700公里，5000 多億元投資將聚集在這一領(lǐng)域。南水北調(diào)、 西氣東輸?shù)戎卮蠊こ陶诖罅恳攵軜?gòu)機，盾構(gòu)機施工和制造正在成為一個巨大的市場。至 2010年，全國大約需要 500 臺左右的盾構(gòu)機。按照國際市場每臺盾構(gòu)機400-600 萬美元的價格計算，這一領(lǐng)域的潛在市場高達(dá)150 億 -225億元。因此，加速發(fā)展我國隧道掘進(jìn)

6、機的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化勢在必行。目前，中鐵隧道集團(tuán)與上海隧道股份是國家863 隧道掘進(jìn)機產(chǎn)業(yè)化基地，在隧道掘進(jìn)機產(chǎn)業(yè)化和自主開發(fā)方面已經(jīng)走在國內(nèi)前列。國產(chǎn)土壓盾構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，為我國掘進(jìn)機制造業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)，提升了企業(yè)與國家的核心技術(shù)競爭力。 【2】二、盾構(gòu)機的工作原理1盾構(gòu)機的掘進(jìn)液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟盾構(gòu)機推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)機向前推進(jìn)，隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上，后由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運至地面。2掘進(jìn)中控制排土量與排土速度當(dāng)泥土倉和螺旋輸送機中的碴土

7、積累到一定數(shù)量時，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉的阻力增大，當(dāng)泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對應(yīng)的地面部分也不致坍坍或隆起，這時只要保持從螺旋輸送機和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時，開挖工作就能順利進(jìn)行。3.管片拼裝盾構(gòu)機掘進(jìn)一環(huán)的距離后，拼裝機操作手操作拼裝機拼裝單層襯砌管片，使隧道 次成型。【 3】三、盾構(gòu)機的組成及各組成部分在施工中的作用盾構(gòu)機的最大直徑為 6.28m，總長 65m，其中盾體長 8.5m，后配套設(shè)備長 56.5m，總重量約 406t，總配置功率 1577kW ，最大掘進(jìn)扭矩 5300k

8、N?m ，最大推進(jìn)力為 36400kN ，最陜掘進(jìn)速度可達(dá) 8cm min。盾構(gòu)機主要由 9 大部分組成，他們分別是盾體、 刀盤驅(qū)動、 雙室氣閘、 管片拼裝機、 排土機構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備。1.盾體盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，這三部分都是管狀簡體，其外徑是6 25m。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅(qū)動，同時使泥土倉與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上，以起到支撐和穩(wěn)定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器，可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接，中盾內(nèi)側(cè)的周邊位置裝有3

9、0 個推進(jìn)油缸，推進(jìn)油缸桿上安有塑料撐靴，撐靴頂推在后面已安裝好的管片上，通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構(gòu)機向前的掘進(jìn)力，這30 個千斤頂按上下左右被分成A 、B、c、D 四組，掘進(jìn)過程中，在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力，這樣盾構(gòu)機就可以實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進(jìn)中盾構(gòu)機的軸線盡量擬合隧道設(shè)計軸線。中盾的后邊是尾盾，尾盾通過14 個被動跟隨的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構(gòu)機易于轉(zhuǎn)向。2.刀盤刀盤是一個帶有多個進(jìn)料槽的切削盤體，位于盾構(gòu)機的最前部，用于切削土體，刀盤的開口率約為 28，刀盤直徑 6 28m，也是盾構(gòu)機上直徑最大的部分，一個帶四根支撐條幅

10、的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅(qū)動部分，刀盤上可根據(jù)被切削土質(zhì)的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具，刀盤的外側(cè)還裝有一把超挖刀，盾構(gòu)機在轉(zhuǎn)向掘進(jìn)時，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴大開挖直徑，這樣易于實現(xiàn)盾構(gòu)機的轉(zhuǎn)向。超挖刀油缸桿的行程為 50mm。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉中進(jìn)行更換。 法蘭板的后部安裝有一個回轉(zhuǎn)接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。3.刀盤驅(qū)動刀盤驅(qū)動由螺栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上，它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現(xiàn) 0-61rpm 的無級變速。刀盤驅(qū)動主要由8 組

11、傳動副和主齒輪箱組成，每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達(dá)和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置，用于制動刀盤。安裝在前盾右側(cè)承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅(qū)動主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。4.雙室氣閘 雙室氣閘裝在前盾上，包括前室和主室兩部分，當(dāng)掘進(jìn)過程中刀具磨損工作人員進(jìn)入到泥土倉檢察及更換刀具時，要使用雙室氣閘。在進(jìn)入泥土倉時，為了避免開挖面的坍坍，要在泥土倉中建立并保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應(yīng)的氣壓，這樣工作人員要進(jìn)出泥土倉時，就存在一個適應(yīng)泥土倉中壓力的問題，通過調(diào)整氣閘前室和主室的壓力，就

12、可以使工作人員可以適應(yīng)常壓和開挖倉壓力之間的變化。但要注意，只有通過高壓空氣檢查和受到相應(yīng)培訓(xùn)有資質(zhì)的人員，才可以通過氣閘進(jìn)出有壓力的泥土倉。現(xiàn)以工作人員從常壓的操作環(huán)境下進(jìn)入有壓力的泥土倉為例，來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進(jìn)入主室，關(guān)閉前室和主室之間的隔離門，按照規(guī)定程序給主室加壓，直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時，打開主室和泥土倉之間的閘閥，使兩者之間壓力平衡，這時打開主室和泥土倉之間的隔離門，工作人員甲進(jìn)入泥土倉。如果這時工作人員乙也需要進(jìn)入泥土倉工作，乙就可以先進(jìn)入前室，然后關(guān)閉前室和常壓操作環(huán)境之間的隔離門，給前室加壓至和主室及泥土倉中的壓力相同，扣開前室和主室之間的閘

13、閥，使兩者之間的壓力平衡，打開主室和前室之間的隔離門，工作人員乙進(jìn)入主室和泥土倉中。5.管片拼裝機管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上，拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中，一個內(nèi)圈為齒圈形式外徑32m的滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連，內(nèi)圈通過法蘭與旋轉(zhuǎn)架相連，拼裝頭與旋轉(zhuǎn)支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫粱相連接。現(xiàn)以拼裝頭在正下方位置的情況為例，來說明拼裝機的運動情況。兩個拼裝機行走液壓油缸可以使支撐架、旋轉(zhuǎn)架、拼裝頭在拼裝機大梁上沿隧道軸線方向移動；安裝在支撐架上的兩個斜盤式軸向柱塞旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，通過驅(qū)動滾珠軸

14、承的內(nèi)齒圈可以使旋轉(zhuǎn)架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉(zhuǎn)各200 度；通過伸縮油缸可以使拼裝頭上升或下降；拼裝頭在油缸的作用下又可以實現(xiàn)在水平方向上的擺動，和在豎直方向上的擺動以及抓緊和放松管片的功能。這樣在拼裝管片時，就可以有六個方向的自由度，從而可以使管片準(zhǔn)確就位。拼裝手可以使用有線的或遙控的控制器操作管片拼裝機，用來拼裝管片。我們采用的是12m 長的通用管片，一環(huán)管片由六塊管片組成，它們是三個標(biāo)準(zhǔn)塊、兩塊臨塊和一塊封頂塊。封頂塊可以有十個不同的位置，代表十種不同類型的管環(huán)，通過選擇不同類型的管環(huán)就可以使成型后的隧道軸線與設(shè)計的隧道軸線相擬合。隧道成型后，管環(huán)之間及管環(huán)的管片之間都裝有密封，用

15、以防水。管片之間及管環(huán)之間都由高強度的螺栓連接。6.排土機構(gòu) 盾構(gòu)機的排土機構(gòu)主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由斜盤式變量軸向柱塞馬達(dá)驅(qū)動，皮帶輸送機由電機驅(qū)動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸?shù)狡л斔蜋C上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節(jié)臺車的尾部，落入等候的碴土車的土箱中，土箱裝滿后，由電瓶車牽引沿軌道運至豎井，龍門吊將士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。螺旋輸送機有前后兩個閘門，前者關(guān)閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷，后者可以在停止掘進(jìn)或維修時關(guān)閉，在整個盾構(gòu)機斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關(guān)閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進(jìn)入盾構(gòu)機。7.后配套設(shè)備后配套設(shè)

16、備主要由以下幾部分組成：管片運輸設(shè)備、四節(jié)后配套臺車及其上面安裝的盾構(gòu)機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤土設(shè)備、循環(huán)水設(shè)備及通風(fēng)設(shè)備等 。【4】四、盾構(gòu)機姿態(tài)控制的一般細(xì)則盾構(gòu)隧道施工中盾構(gòu)機的姿態(tài)控制包括機體滾轉(zhuǎn)控制和前進(jìn)方向的控制, 在掘進(jìn)過程中 , 盾構(gòu)機操作人員根據(jù)激光自動導(dǎo)向系統(tǒng)在電腦屏幕上顯示的數(shù)據(jù), 通過合理選擇各分區(qū)千斤頂及刀盤轉(zhuǎn)向等來調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)。盾構(gòu)機姿態(tài)控制操作原則有兩條:(1)機體滾角值應(yīng)適宜, 盾構(gòu)機滾角值太大 , 盾構(gòu)機不能保持正確的姿態(tài) , 影響管片的拼裝質(zhì)量 , 此時 , 可以通過反轉(zhuǎn)刀盤來減少滾角值。 (2) 盾構(gòu)機的前進(jìn)方向

17、水平向右偏 , 則需要提高右側(cè)千斤頂分區(qū)的推力 ; 反之 , 則需要提高左側(cè)千斤頂分區(qū)的推力。如果盾構(gòu)機機頭向下偏 , 則需要提高下部千斤頂分區(qū)的推力 ; 反之亦然。一般情況下 , 盾構(gòu)機的方向糾偏應(yīng)控制在± 20mm 以內(nèi) , 在緩和曲線及圓曲線段 , 盾構(gòu)機的方向糾偏應(yīng)控制在± 30mm以內(nèi)。盡量保持盾構(gòu)機軸線與隧道設(shè)計軸線平行 , 否則 , 可能會因為姿態(tài)不好而造成盾尾間隙過小和管片錯臺裂縫。當(dāng)開挖面土體較均勻時 , 盾構(gòu)機姿態(tài)控制比較容易 , 一般情況下方向偏角控制在± 5mm?m以內(nèi)。當(dāng)開挖面內(nèi)的地層左、右軟硬不均而且又是處在曲線段時 , 盾構(gòu)機姿態(tài)控制

18、比較困難。此時 , 可降低掘進(jìn)速度 , 合理調(diào)節(jié)各分區(qū)的千斤頂推力 , 有必要時可考慮在硬巖區(qū)使用超挖刀 ( 備有超挖刀的盾構(gòu)機 ) 進(jìn)行超挖。當(dāng)盾構(gòu)機遇到上軟下硬土層時 , 為防止盾構(gòu)機“抬頭” , 要保持下俯姿態(tài) ; 反之 , 則要保持上仰姿態(tài)。掘進(jìn)時要注意上下兩端和左右兩側(cè)的千斤頂行程差不能相差太大 , 一般控制在± 20mm 以內(nèi)。在曲線段掘進(jìn)時 , 一般情況下根據(jù)曲線半徑的不同讓盾構(gòu)機向曲線內(nèi)側(cè)偏移一定量, 偏移量一般取10 30mm。在盾構(gòu)機姿態(tài)控制中 , 推進(jìn)油缸的行程控制是重點。對于 1.5m 寬的管片 , 原則上行程控制在 17001800mm之間 , 行程差控制在

19、 0 40mm 內(nèi) , 行程過大 , 則盾尾刷容易露出, 管片脫離盾尾較多 , 變形較大 ; 行程差過大 , 易使盾體與管片之間的夾角增大 , 易造成管片的破損、錯臺。五、不同地質(zhì)環(huán)境中盾構(gòu)機掘進(jìn)姿態(tài)的控制技術(shù)1. 淤泥質(zhì)土層中盾構(gòu)機掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機在軟弱土層中掘進(jìn)時 , 由于地層自穩(wěn)性能極差 , 為控制盾構(gòu)機水平和垂直偏差在允許范圍內(nèi) , 避免盾構(gòu)機蛇形量過大造成對地層的過量擾動 , 宜將盾構(gòu)機掘進(jìn)速度控制在 3040mm?m in 之間 ,刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1. 5r?m in 左右。在該段地層中掘進(jìn)時 , 四組千斤頂推力應(yīng)較為均衡 , 避免掘進(jìn)過程中千斤頂行程差過大, 否則 , 可能會

20、造成推力軸線與管片中心軸線不在同一直線上。在掘進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)實際情況加注一定量的添加劑,以保持出土順暢 , 盡量保持盾構(gòu)機的連續(xù)掘進(jìn) , 同時 , 要嚴(yán)格控制同步注漿量 , 以保證管背間隙被有效填充。 2. 砂層中盾構(gòu)機掘進(jìn)姿態(tài)的控制盾構(gòu)機在全斷面富水砂層中掘進(jìn) , 由于含水砂層的自穩(wěn)性極差 , 含水量大 , 極易出現(xiàn)盾構(gòu)機“磕頭”現(xiàn)象 , 同時 , 在含水砂層中盾構(gòu)機也易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。為避免盾構(gòu)機在含水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象 , 在推進(jìn)過程中盾構(gòu)機應(yīng)保持向上抬頭的趨勢 , 如果發(fā)現(xiàn)有“磕頭”趨勢, 應(yīng)立即調(diào)節(jié)上下部壓力 , 維持盾構(gòu)機向上的趨勢。為避免盾構(gòu)機在含水砂層中掘進(jìn)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象 , 在盾構(gòu)機掘進(jìn)時應(yīng)減小刀盤轉(zhuǎn)速 , 減小對周圍砂層的擾動。若隧道埋深小于 2?3 倍的盾構(gòu)機硐體直徑 , 應(yīng)對含水砂層進(jìn)行地質(zhì)改良、地面堆載等措施。 3. 巖層層面起伏大的地層中盾構(gòu)機掘進(jìn)姿態(tài)的控制巖層層面起伏大會導(dǎo)致隧道開挖面內(nèi)的巖層出現(xiàn)軟硬不均。盾構(gòu)機在這種地層中掘進(jìn), 其盾構(gòu)機的姿態(tài)控制難度大,易產(chǎn)生盾構(gòu)機垂直方向上的過量蛇行, 造成管片錯臺及開裂。以上軟下硬地層為例, 在這類地質(zhì)條件下掘進(jìn), 盾構(gòu)機刀盤受力不均 , 掘進(jìn)速度不均衡 , 這