盾構(gòu)機選型綜合本區(qū)間隧道工程地質(zhì)、水文、線路、方向控制、地表沉降、工期和環(huán)保要求，類似工程盾構(gòu)選型經(jīng)驗，結(jié)合蘇州以往盾構(gòu)使用情況，根據(jù)《盾構(gòu)法隧道工程施工及驗收規(guī)程》，土壓平衡盾構(gòu)對于淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粘土層對地層的適應(yīng)性，通過盾構(gòu)配備加膨潤土、泡沫及水裝置，可取得良好效果。因此在本區(qū)間隧道工程施工中擬選盾構(gòu)機來源擬將采用兩臺日本株式會社小松制作所生產(chǎn)的TM634PSX加泥式土壓平衡盾構(gòu)機用于本標(biāo)段的施工，全部來源于新購置。盾構(gòu)機供應(yīng)方案和工程適應(yīng)性的描述土層的適應(yīng)性能刀盤結(jié)構(gòu)是針對蘇州長三角淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、粘土地質(zhì)條件設(shè)計的，采用面板式刀盤，開口率為40％。提高開挖效率，使碴土順利從切削面流入土艙內(nèi)。刀盤結(jié)構(gòu)見圖1-1。在維修時刀盤面板對土體有一定的支護作用，便于土壓力平衡。刀盤采用中間支承式結(jié)構(gòu)，設(shè)置有固定攪拌翼和隨刀盤轉(zhuǎn)動的攪拌翼，對土艙中的碴土進(jìn)行強制攪拌，尤其在本工程中有各種地層且相互交錯，對切削下來的碴土需要進(jìn)行攪拌，使碴土具有塑性，并防止土體的滯留和粘附，盾構(gòu)機刀盤設(shè)有中心刀1把，切刀120把，刮刀18把，超挖刀2把，能夠確保施工的進(jìn)度。刀盤、土艙及螺旋輸送機有泡沫、膨潤土及水注入系統(tǒng)，通過刀盤和攪拌翼把注入在開挖面的添加劑與切削下來的碴土在土艙中進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛τ陂_挖不同的地層，可通過控制泡沫、膨潤土或水的注入量，有效調(diào)節(jié)碴土的塑性及粘度、降低透水性及內(nèi)摩擦力，提高土體的流塑性，防止螺旋輸送機噴涌或產(chǎn)生泥餅，同時可減少刀盤功率的消耗。刀盤轉(zhuǎn)速分五檔可調(diào)0~1.3rpm，根據(jù)地層情況自動調(diào)節(jié)速度，且旋轉(zhuǎn)方向可改變。盾構(gòu)機刀盤示意圖埋深的適應(yīng)性能盾構(gòu)機有足夠的承載能力、推進(jìn)力和刀盤扭矩儲備，有足夠的土壓承受能力及土壓調(diào)節(jié)能力，可以滿足本區(qū)間隧道施工的需要。軸式螺旋輸送機，液壓驅(qū)動，出土量易于調(diào)節(jié)，并有良好的土壓減壓效果。主軸承密封可承受3MPA的泥土壓力，主軸承密封有良好的油脂潤滑系統(tǒng)，保證密封系統(tǒng)的可靠。盾尾采用三道鋼絲刷密封，油脂注入潤滑，保證盾尾密封可靠。采用管片同步注漿，保證注漿效果和系統(tǒng)可靠。保持開挖面穩(wěn)定、減少周邊土體擾動、保護環(huán)境安全的性能區(qū)間隧道掘進(jìn)都在土壓平衡狀態(tài)下，土艙壓力可根據(jù)埋深、地質(zhì)、地表沉降情況調(diào)整。土倉裝有土壓傳感器，準(zhǔn)確測定土艙內(nèi)上、中、下部位和螺旋輸送機內(nèi)的土壓力。我公司另配有地面沉降檢測系統(tǒng)，隨時調(diào)整土艙壓力，控制地表沉降。螺旋輸送機采用液壓驅(qū)動，可正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可自動和手動調(diào)節(jié)，可以有效的調(diào)節(jié)出碴量，控制土艙內(nèi)的土壓力。鉸接式盾構(gòu)，盾尾隨盾構(gòu)中體隨動，便于曲線掘進(jìn)。盾構(gòu)中體和盾尾直接有密封條密封，可以承受1.5MPa壓力。刀盤上設(shè)2把超挖刀，作為盾構(gòu)機小曲線半徑地段等需擴大開挖面處施工使用。管片注漿采用同步注漿系統(tǒng)，對盾尾間隙進(jìn)行同步注漿，提高注漿效果，減少由于盾尾間隙引起的隧道周圍地基變位，提高隧道的止水性能和降低了地標(biāo)沉降。另配置有二次注漿設(shè)備，根據(jù)施工需要可進(jìn)行局部加強注漿，確保注漿效果。施工操作的性能刀盤雙向旋轉(zhuǎn)有利于盾構(gòu)自身的滾動控制。工作人員通過人員閘能夠進(jìn)入切削面處理障礙物及更換刀具。螺旋出碴門開度可調(diào)，并配有液壓氣體緊急閥門，在停電時可以自行關(guān)閉，防止噴涌。采用PLC控制，顯示各種掘進(jìn)參數(shù)，人機交互性好，易于操作控制。管片拼裝采用無線控制的操作，操作方便、安全、可靠。推進(jìn)油缸22根和推進(jìn)液壓泵站。推進(jìn)油缸按照在圓周上的區(qū)域分為4組。通過調(diào)整每組油缸的不同推進(jìn)速度來對盾構(gòu)進(jìn)行糾偏和調(diào)向。油缸的后端頂在管片上以提供盾構(gòu)前進(jìn)的反力。推進(jìn)系統(tǒng)油缸的分組如圖1-2所示，其中5，17，22號油缸安裝有位移傳感器，通過油缸的位移傳感器我們可以知道油缸的伸出長度和盾構(gòu)的掘進(jìn)狀態(tài)盾構(gòu)推進(jìn)油缸分區(qū)示意圖技術(shù)先進(jìn)性及經(jīng)濟合理性刀盤驅(qū)動采用8臺電動馬達(dá)帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，有較大的扭矩儲備性能，調(diào)速性能。激光導(dǎo)向、推進(jìn)油缸行程指示能保證盾構(gòu)的姿態(tài)和掘進(jìn)方向的準(zhǔn)確性控制。可自動控制的泡沫及膨潤土系統(tǒng)能夠?qū)Σ晖吝M(jìn)行改良，有利于土艙壓力的穩(wěn)定控制，擴大盾構(gòu)對不同地層的適應(yīng)性。采用同步注漿系統(tǒng)，及時回填管片周圍的空隙能減少地表二次沉降量。整機設(shè)備配置和功能完善，管線路自動延伸功能，配置經(jīng)濟合理。盾構(gòu)具有故障自動顯示功能，可以快速判斷處理設(shè)備故障。盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸、保存，便于對盾構(gòu)掘進(jìn)狀況隨時跟蹤和數(shù)據(jù)分析。其他說明盾構(gòu)施工所需的設(shè)備配置是經(jīng)過優(yōu)化組合，運輸列車、提升設(shè)備、隧道通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等都進(jìn)行了優(yōu)化組合，在實際施工過程中效果良好，施工質(zhì)量、地面沉降控制、施工安全等在國內(nèi)地鐵施工中取得了良好的效果，最高日進(jìn)度20.4m，能夠滿足工期的要求。盾構(gòu)主要尺寸、技術(shù)參數(shù)表1盾構(gòu)機主要尺寸和技術(shù)參數(shù)名稱小松盾構(gòu)機生產(chǎn)廠家日本小松出廠時間新購技術(shù)參數(shù)開挖直徑Ф6340mm整機長度65m主機長度7600mm主機重量220t總裝機功率1050KW最大總推力37730KN刀盤驅(qū)動方式變頻電動驅(qū)動最大刀盤驅(qū)動扭矩4677KN·m刀盤開口率40%推進(jìn)速度0~6cm/min推進(jìn)油缸數(shù)量22st推進(jìn)油缸行程2150mm盾尾間隙25mm盾尾密封數(shù)量3道仿形刀數(shù)量2st仿形刀行程120mm注漿泵數(shù)量2st注漿泵功率30KW注漿口數(shù)量4st砂漿罐容量6m3砂漿攪拌器功率5.5KW出碴能力268m3/h是否帶鉸接是主動鉸接密封形式一道橡膠密封+一道緊急氣囊密封最小轉(zhuǎn)彎半徑300m適用管片規(guī)格Φ6200/5500-1200mm盾構(gòu)機主要功能及技術(shù)性能盾構(gòu)機的主要工作原理土壓平衡工作原理土壓平衡盾構(gòu)的開挖土艙由刀盤、切口環(huán)、隔板及添加劑注入系統(tǒng)組成。將刀盤切削下來的碴土填滿土艙室，在切削刀盤后面裝有使土艙室內(nèi)土砂強制混合的攪拌臂。借助盾構(gòu)推進(jìn)油缸的推力通過隔板進(jìn)行加壓，產(chǎn)生泥土壓，這一壓力通過碴土及刀盤作用于整個作業(yè)面，使作業(yè)面穩(wěn)定，同時用螺旋輸送機排土，螺旋輸送機排土量與盾構(gòu)推進(jìn)量相適應(yīng)，掘進(jìn)過程中始終維持開挖土量與排土量平衡，維持土艙內(nèi)土壓力穩(wěn)定在預(yù)定范圍內(nèi)，其工作原理見圖1-3。土壓平衡工作原理土艙內(nèi)的土壓力通過土壓傳感器進(jìn)行測量，為保證預(yù)定的土壓力可通過控制推進(jìn)力、推進(jìn)速度、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速來控制。當(dāng)土艙內(nèi)的土壓力大于地層土壓力和水壓力時，地表將會隆起；當(dāng)土艙內(nèi)的土壓力小于地層土壓力和水壓力時，地表將會下沉；因此土艙內(nèi)的土壓力應(yīng)與地層土壓力和水壓力平衡。盾構(gòu)尾部的空隙通過注漿系統(tǒng)進(jìn)行同步回填漿液，注漿壓力及數(shù)量應(yīng)與地層水土壓力及空隙量相適應(yīng)，有效控制地表的沉降。碴土改良工作原理土壓平衡盾構(gòu)維持工作面穩(wěn)定的介質(zhì)為碴土，為維持土艙內(nèi)土壓力的穩(wěn)定和碴土的排出，土艙內(nèi)的碴土必須具有：良好的塑性和流動性、良好的粘—軟稠度、低的內(nèi)摩擦力、低的透水性。一般情況下碴土不一定具有這些特性，刀盤扭矩較大，碴土流動困難，在土壓力作用下易壓實固結(jié)，容易產(chǎn)生泥餅或泥團，在透水性土層中，在水的作用下碴土在螺旋輸送機內(nèi)排出無法形成有效的壓力遞減，土艙內(nèi)的土壓力難以穩(wěn)定，因此需要對開挖后的碴土進(jìn)行改良，使其具有上述特性。根據(jù)地層情況，向開挖土艙內(nèi)注入泡沫、粘土或添加劑，進(jìn)行強制攪拌，使碴土具有可塑性和不透水性，螺旋機排土順暢，土艙內(nèi)的壓力容易控制和穩(wěn)定。盾構(gòu)機主要組成盾構(gòu)機的主要包括刀盤，前盾（切口環(huán)和支撐環(huán)）、后盾（支撐環(huán)和盾尾）和后配套5節(jié)拖車，由于隧道內(nèi)空間狹小，大部分輔助設(shè)備和電氣控制均安裝在后配套拖車上，車架為門式結(jié)構(gòu)，中間為通道，頂部安裝皮帶運輸機，兩側(cè)安裝注漿設(shè)備及盾構(gòu)操縱控制室，拖車和盾構(gòu)之間設(shè)備橋裝有管片起吊電動葫蘆，設(shè)備橋的一端連接在盾構(gòu)上，另一端與拖車連接，同時將車架拉向前進(jìn)。刀盤系統(tǒng)：刀盤具有開挖功能，穩(wěn)定功能和攪拌功能；刀盤設(shè)計是根據(jù)本標(biāo)段地質(zhì)設(shè)計，充分考慮到刀盤的結(jié)構(gòu)形式，刀盤支撐方式、刀具的布置等因素進(jìn)行設(shè)計為面板式刀盤。針對蘇州的粉質(zhì)粘土、砂性土地質(zhì)，刀盤上安裝120把切刀。刀盤開口率40%，有利于中心部分碴土的流動并進(jìn)入土倉。刀盤上設(shè)置有八個碴土改良材料注入口，能夠充分保證碴土的改良效果。在通過粘土層地段，根據(jù)需要可以開啟中心部分的四個泡沫注入孔，可以有效的防止中心泥餅的產(chǎn)生。當(dāng)通過軟硬交錯的地層時，可以根據(jù)地層的實際情況配合碴土改良系統(tǒng)，調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)速和扭矩參數(shù)。刀盤有2把超挖刀為液壓油缸驅(qū)動，以圓的16分之1（22.5。）為設(shè)定單位，在0~359。超挖范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。滿足小半徑轉(zhuǎn)彎的挖土需求。刀盤的密封潤滑有拖車上的電動注脂泵經(jīng)由管路分配閥強行集中自動注入，保護了刀盤的密封，使刀盤有效的，安全，正常的掘進(jìn)。主驅(qū)動系統(tǒng)盾構(gòu)刀盤主驅(qū)動用8臺變頻減速電動機驅(qū)動，各變頻減速電動機輸出軸安裝有小齒輪，小齒輪與主軸承上的內(nèi)齒圈嚙合，通過變頻減速電動機輸出扭矩帶動主軸承旋轉(zhuǎn)從而帶動刀盤的回轉(zhuǎn)。拼裝系統(tǒng)管片安裝系統(tǒng)由管片拼裝機、管片輸送機構(gòu)組成。管片拼裝機：為環(huán)形結(jié)構(gòu)，由盾構(gòu)支撐環(huán)加強圈上二根橫梁支承。拼裝機可在橫梁上移動，拼裝機回轉(zhuǎn)由兩臺齒輪液壓馬達(dá)和小齒輪驅(qū)動，拼裝機平移，伸縮由液壓油缸操縱，操作通過無線和有線的吊式造作盒按鈕開關(guān)進(jìn)行。如圖1-4管片安裝機結(jié)構(gòu)：管片安裝機結(jié)構(gòu)圖盾尾密封：為防止地層中的泥水或管片外圍的漿液通過盾尾與管片間的間隙漏入盾構(gòu)內(nèi)，盾構(gòu)尾部設(shè)有三道鋼絲刷密封，在兩道鋼絲刷密封間，有12道油脂管路向盾尾密封注入專用密封油脂，以提高密封效果及可靠性，并起到減少鋼絲刷密封件與管片混凝土表面摩擦的作用，見圖1-5。盾尾密封示意圖出土系統(tǒng)出土系統(tǒng)由螺旋輸送機，皮帶輸送機組成。螺旋輸送機：軸式螺旋輸送機，由一臺液壓馬達(dá)驅(qū)動，前端裝在盾構(gòu)土倉的底部，通過密封隔板向中心傾斜安裝。在前端裝有維修閘，螺旋機殼體內(nèi)前端堆焊硬質(zhì)合金，作為螺桿前端的支承面，所有螺旋葉片邊緣也都堆焊硬質(zhì)耐磨合金增加耐磨性。在螺旋輸送機出土口設(shè)有液壓油缸控制的閘門和棄土導(dǎo)槽，做到連續(xù)向外輸送土碴，螺旋輸送機轉(zhuǎn)速可調(diào)，控制排土量保證土倉壓力。在螺旋輸送機殼體上裝有泡沫及膨潤土管路，減少出碴阻力延長使用壽命。在螺旋輸送機上安裝有二個土壓傳感器測量壓力變化情況，便于控制土倉壓力。皮帶輸送機裝在后配套拖車上，把碴土從螺旋輸送機出口運到后配套拖車的尾部裝車。通過出碴列車，工作井提升設(shè)備把渣運到地面。螺旋輸送機結(jié)構(gòu)見圖3-11。螺旋輸送機結(jié)構(gòu)示意圖為了保證土倉內(nèi)的土壓穩(wěn)定控制，使碴土有效的從皮帶上輸走，渣土改良設(shè)備起到了至關(guān)作用。有水泵和泡沫泵注入刀盤土倉內(nèi)，主要泡沫、泥漿注入設(shè)備組成見圖1-7。泡沫及膨潤土系統(tǒng)示意圖注漿系統(tǒng)盾構(gòu)機配備有兩臺液壓驅(qū)動的德國施維英生產(chǎn)的SCHWING注漿泵，以滿足注“厚漿”的要求，它將漿液泵入相應(yīng)的注漿點，通過盾尾的注漿管道將漿液注入到開挖直徑和管片外徑之間的間隙。注漿壓力可以通調(diào)節(jié)注漿泵工作頻率而在可調(diào)范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，并通過注漿同步監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測其壓力變化。單個注漿點的注入量和注漿壓力信息可以在主控室看到。在數(shù)據(jù)采集和顯示程序的幫助下，隨時可以儲存和檢索砂漿注入的操作數(shù)據(jù)。盾構(gòu)機采用同步注漿系統(tǒng)，這樣可以使管片后面的間隙及時得到充填，有效的保證隧道的施工質(zhì)量及防止地面下沉。超前注漿系統(tǒng)超前鉆機注漿孔在前盾殼上半圓上有六個鉆孔供超前鉆機鉆孔及超前注漿用，如圖2-5-13所示。根據(jù)地質(zhì)情況和需要，可在管片安裝機頭部安裝超前鉆機，對盾構(gòu)前方進(jìn)行鉆孔和注漿作業(yè)，加固地層，注漿設(shè)備還可用于管片二次補充注漿。超前鉆機注漿孔超前鉆機注漿孔超前鉆機注漿孔超前注漿系統(tǒng)示意圖超前探測、注入管考慮有斷裂帶等復(fù)雜的地質(zhì)層，要能在正面進(jìn)行超前探測，并且，為了防止萬一需要在掘進(jìn)過程中更換刀具，砂層開挖面的不穩(wěn)定性就需要在換刀時對換刀處的地層進(jìn)行加固，使開挖面不會坍塌，因此，在盾構(gòu)主機土艙壁部、主機前殼外周前端裝有超前探測，可以通過注入管對開挖面土體進(jìn)行加固及探測。超前注漿、勘探裝置可有效的穩(wěn)定開挖面，在盾構(gòu)機前殼體上設(shè)置了10個2寸的固定超前注漿、勘探口，在土倉胸板上設(shè)置了8個2寸可擺動的超前注漿、勘探口，可對開挖面進(jìn)行土體加固和勘探。超前加固示意圖運輸系統(tǒng)運輸系統(tǒng)采用大容量出碴運輸列車和大噸位門吊，提高運輸效率。運輸包括盾構(gòu)每循環(huán)推進(jìn)所需材料、注漿材料、管片、碴土等運輸。水平運輸采用2列編組列車，由1輛25T變頻交直流機車、4節(jié)12m3翻轉(zhuǎn)式碴車、1節(jié)6m3砂漿車、2節(jié)管片車組成如圖1-10所示。列車編組示意圖垂直運輸通過工作井32T/16T門吊提升設(shè)備把碴土運到地面，放管片下隧道。門式吊機形式見圖3-15。門吊形式示意圖供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)由地面箱變供電，經(jīng)高壓電纜、變壓器、低壓電氣柜等組成，經(jīng)過變壓為380v、220v等各個等級電壓，供應(yīng)給盾構(gòu)機的各個設(shè)備，具有漏電保護、過電流、短路等功能，在隧道內(nèi)保證供電的安全可靠。PDV數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PDV數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集、處理、儲存、顯示、評估與盾構(gòu)機有關(guān)的數(shù)據(jù)。所有測量數(shù)據(jù)都通過被時鐘脈沖控制的測量傳感器連續(xù)的采集和顯示。所有必須記錄的測量值都以圖形的形式顯示在PDV的監(jiān)測器上。屏幕上的每個內(nèi)容均按功能分組如下：（1）掘進(jìn)（2）螺旋輸送機/（泥水管線）/泡沫（3）油脂/注漿（4）溫度（5）其它（6）錯誤信息操作員可在這些屏幕頁之間切換并從中獲取需要的數(shù)據(jù)。通過PDV數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的信息，可以實現(xiàn)對盾構(gòu)機狀態(tài)的實時信息化管理。通過互聯(lián)網(wǎng)、電話拔號網(wǎng)以及PDV的計算機可以將當(dāng)前的盾構(gòu)機掘進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計及施工等相關(guān)部門，為整個工程的信息化管理提供重要信息來源。PDV數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作示意圖如圖2-5-15所示。盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及盾構(gòu)機狀態(tài)信息化示意圖盾構(gòu)機保養(yǎng)為使盾構(gòu)機的性能得以充分