1、石方工程機械盾構機【目錄】一、什么是盾構機二、盾構機的工作原理三、盾構機的組成及各組成部分在施工中的作用四、盾構機姿態控制的一般細則五、不同地質環境中盾構機掘進姿態的控制技術六、盾構機的糾偏措施【關鍵字】 盾構施工姿態控制盾構組成盾構原理【摘要】 盾構隧道施工中盾構機的姿態控制包括機體滾轉控制和前進方向的控制, 在掘進過程中, 盾構機操作人員根據激光自動導向系統在電腦屏幕上顯示的數據, 通過合理選擇各分區千斤頂及刀盤轉向等來調整盾構機的姿態。盾構機姿態控制操作原則有兩條 :(1) 機體滾角值應適宜 , 盾構機滾角值太大 , 盾構機不能保持正確的姿態 , 影響管片的拼裝質量 , 此時 , 可以通

2、過反轉刀盤來減少滾角值。 (2) 盾構機的前進方向水平向右偏 , 則需要提高右側千斤頂分區的推力 ; 反之 , 則需要提高左側千斤頂分區的推力。如果盾構機機頭向下偏 , 則需要提高下部千斤頂分區的推力; 反之亦然。【 1】【正文】一、什么是盾構機盾構機全名叫盾構隧道掘進機， 是一種隧道掘進的專用工程機械，問世至今已有近百年的歷史， 經過不斷改進和發展，成為目前世界最先進的地下隧道掘進機。其集機、電、液、傳感、信息技術于一身， 可在不影響地面狀況的條件下作業，與傳統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域發揮著巨大的效用。 但是由于盾構制造工藝復雜， 技術附加值高，盾構制造工藝為德國、法國、日本等少數國家所壟斷，且價格高昂，在我國盾構市場上國外盾構機的占有率曾經高達95以上。目前，在國家產業政策的大力支持下，由我國盾構機企業自主創新的國產盾構機已經成功打破國外的壟斷地位，并在技術、質量等方面緊緊追趕世界。盡管由于歷史的原因，國產盾構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，國產盾構機的質量已經越來越好，與世界的差距也會越來越小。我國大約有85的盾構掘進機依賴進口，歐洲和日本等公司的地鐵

4、盾構機在中國的盾構掘進機市場上占主導地位。其中，占據歐洲大半市場份額的海瑞克、以產量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最為搶眼，光德國的海瑞克就占據國內盾構機市場的70以上。除了外資品牌， 國內除隧道股份還有二重、上重、大重、沈重和首鋼等企業，獨立進行盾構機的生產或與德國海瑞克、維爾特、美國羅賓斯等外資合資、合作生產。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機國產化的相關政策，盾構機國產化終于開始“起跑 ”。隨著國內市場需求量的增大，一些外資品牌紛紛進入我國，我國的盾構機有了少量生產。隨著國內盾構機投資的不斷增大和國際企業的進入，根據目前在建產能

5、和計劃投資情況，預計2010年我國盾構機的產量為 50 臺左右。盾構機是裝備制造業的標志性產品，也是當今世界上最先進的隧道掘進超大型專用設備。在中國日益重視開發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，中國規劃建設的城市快速軌道交通項目總長度達1700公里，5000 多億元投資將聚集在這一領域。南水北調、 西氣東輸等重大工程正在大量引入盾構機，盾構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 臺左右的盾構機。按照國際市場每臺盾構機400-600 萬美元的價格計算，這一領域的潛在市場高達150 億 -225億元。因此，加速發展我國隧道掘進

6、機的研發及產業化勢在必行。目前，中鐵隧道集團與上海隧道股份是國家863 隧道掘進機產業化基地，在隧道掘進機產業化和自主開發方面已經走在國內前列。國產土壓盾構的關鍵技術指標已經達到國際先進水平，為我國掘進機制造業打下了堅實的基礎，提升了企業與國家的核心技術競爭力。 【2】二、盾構機的工作原理1盾構機的掘進液壓馬達驅動刀盤旋轉，同時開啟盾構機推進油缸，將盾構機向前推進，隨著推進油缸的向前推進，刀盤持續旋轉，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掘進中控制排土量與排土速度當泥土倉和螺旋輸送機中的碴土

7、積累到一定數量時，開挖面被切下的渣土經刀槽進入泥土倉的阻力增大，當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，開挖面就能保持穩定，開挖面對應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行。3.管片拼裝盾構機掘進一環的距離后，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、盾構機的組成及各組成部分在施工中的作用盾構機的最大直徑為 6.28m，總長 65m，其中盾體長 8.5m，后配套設備長 56.5m，總重量約 406t，總配置功率 1577kW ，最大掘進扭矩 5300k

8、N?m ，最大推進力為 36400kN ，最陜掘進速度可達 8cm min。盾構機主要由 9 大部分組成，他們分別是盾體、 刀盤驅動、 雙室氣閘、 管片拼裝機、 排土機構、后配套裝置、電氣系統和輔助設備。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，中盾內側的周邊位置裝有3

9、0 個推進油缸，推進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機向前的掘進力，這30 個千斤頂按上下左右被分成A 、B、c、D 四組，掘進過程中，在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力，這樣盾構機就可以實現左轉、右轉、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。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機易于轉向。2.刀盤刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，位于盾構機的最前部，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動部分，刀盤上可根據被切削土質的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具，刀盤的外側還裝有一把超挖刀，盾構機在轉向掘進時，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，這樣易于實現盾構機的轉向。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行更換。 法蘭板的后部安裝有一個回轉接頭，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.刀盤驅動刀盤驅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 0-61rpm 的無級變速。刀盤驅動主要由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。安裝在前盾右側承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅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，當掘進過程中刀具磨損工作人員進入到泥土倉檢察及更換刀具時，要使用雙室氣閘。在進入泥土倉時，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的氣壓，這樣工作人員要進出泥土倉時，就存在一個適應泥土倉中壓力的問題，通過調整氣閘前室和主室的壓力，就

12、可以使工作人員可以適應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培訓有資質的人員，才可以通過氣閘進出有壓力的泥土倉?，F以工作人員從常壓的操作環境下進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入主室，關閉前室和主室之間的隔離門，按照規定程序給主室加壓，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，工作人員甲進入泥土倉。如果這時工作人員乙也需要進入泥土倉工作，乙就可以先進入前室，然后關閉前室和常壓操作環境之間的隔離門，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，內圈通過法蘭與旋轉架相連，拼裝頭與旋轉支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫粱相連接?，F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馬達，通過驅動滾珠軸

14、承的內齒圈可以使旋轉架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉各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，一環管片由六塊管片組成，它們是三個標準塊、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，通過選擇不同類型的管環就可以使成型后的隧道軸線與設計的隧道軸線相擬合。隧道成型后，管環之間及管環的管片之間都裝有密封，用

15、以防水。管片之間及管環之間都由高強度的螺栓連接。6.排土機構 盾構機的排土機構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驅動，皮帶輸送機由電機驅動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸到皮帶輸送機上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節臺車的尾部，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，前者關閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷，后者可以在停止掘進或維修時關閉，在整個盾構機斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構機。7.后配套設備后配套設

16、備主要由以下幾部分組成：管片運輸設備、四節后配套臺車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環水設備及通風設備等 ?！?】四、盾構機姿態控制的一般細則盾構隧道施工中盾構機的姿態控制包括機體滾轉控制和前進方向的控制, 在掘進過程中 , 盾構機操作人員根據激光自動導向系統在電腦屏幕上顯示的數據, 通過合理選擇各分區千斤頂及刀盤轉向等來調整盾構機的姿態。盾構機姿態控制操作原則有兩條:(1)機體滾角值應適宜, 盾構機滾角值太大 , 盾構機不能保持正確的姿態 , 影響管片的拼裝質量 , 此時 , 可以通過反轉刀盤來減少滾角值。 (2) 盾構機的前進方向

17、水平向右偏 , 則需要提高右側千斤頂分區的推力 ; 反之 , 則需要提高左側千斤頂分區的推力。如果盾構機機頭向下偏 , 則需要提高下部千斤頂分區的推力 ; 反之亦然。一般情況下 , 盾構機的方向糾偏應控制在± 20mm 以內 , 在緩和曲線及圓曲線段 , 盾構機的方向糾偏應控制在± 30mm以內。盡量保持盾構機軸線與隧道設計軸線平行 , 否則 , 可能會因為姿態不好而造成盾尾間隙過小和管片錯臺裂縫。當開挖面土體較均勻時 , 盾構機姿態控制比較容易 , 一般情況下方向偏角控制在± 5mm?m以內。當開挖面內的地層左、右軟硬不均而且又是處在曲線段時 , 盾構機姿態控制

18、比較困難。此時 , 可降低掘進速度 , 合理調節各分區的千斤頂推力 , 有必要時可考慮在硬巖區使用超挖刀 ( 備有超挖刀的盾構機 ) 進行超挖。當盾構機遇到上軟下硬土層時 , 為防止盾構機“抬頭” , 要保持下俯姿態 ; 反之 , 則要保持上仰姿態。掘進時要注意上下兩端和左右兩側的千斤頂行程差不能相差太大 , 一般控制在± 20mm 以內。在曲線段掘進時 , 一般情況下根據曲線半徑的不同讓盾構機向曲線內側偏移一定量, 偏移量一般取10 30mm。在盾構機姿態控制中 , 推進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 , 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、不同地質環境中盾構機掘進姿態的控制技術1. 淤泥質土層中盾構機掘進姿態的控制盾構機在軟弱土層中掘進時 , 由于地層自穩性能極差 , 為控制盾構機水平和垂直偏差在允許范圍內 , 避免盾構機蛇形量過大造成對地層的過量擾動 , 宜將盾構機掘進速度控制在 3040mm?m in 之間 ,刀盤轉速控制在 1. 5r?m in 左右。在該段地層中掘進時 , 四組千斤頂推力應較為均衡 , 避免掘進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。在掘進過程中應根據實際情況加注一定量的添加劑,以保持出土順暢 , 盡量保持盾構機的連續掘進 , 同時 , 要嚴格控制同步注漿量 , 以保證管背間隙被有效填充。 2. 砂層中盾構機掘進姿態的控制盾構機在全斷面富水砂層中掘進 , 由于含水砂層的自穩性極差 , 含水量大 , 極易出現盾構機“磕頭”現象 , 同時 , 在含水砂層中盾構機也易出現上浮現象。為避免盾構機在含水砂層中掘進出現“磕頭”現象 , 在推進過程中盾構機應保持向上抬頭的趨勢 , 如果發現有“磕頭”趨勢, 應立即調節上下部壓力 , 維持盾構機向上的趨勢。為避免盾構機在含水砂層中掘進出現上浮現象 , 在盾構機掘進時應減小刀盤轉速 , 減小對周圍砂層的擾動。若隧道埋深小于 2?3 倍的盾構機硐體直徑 , 應對含水砂層進行地質改良、地面堆載等措施。 3. 巖層層面起伏大的地層中盾構機掘進姿態的控制巖層層面起伏大會導致隧道開挖面內的巖層出現軟硬不均。盾構機在這種地層中掘進, 其盾構機的姿態控制難度大,易產生盾構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, 在這類地質條件下掘進, 盾構機刀盤受力不均 , 掘進速度不均衡 , 這