1、土压平衡式盾构机分析 承担修建深圳地铁 期工程第七标段 (华强至岗厦区间内径为 5.4m的双线隧道 )的施工任务的中铁十六局，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的 S7-PLC 自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及 SLS-T 隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。 本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况 做一简要阐述。 盾构机的工作原理 1.盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开
2、启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削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，再通过竖井运至地面。 2.掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽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水的水压力相平衡时 ，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，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的
3、距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道 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，后配套设备长 56.5m，总重量约 406t，总配置功率 1577kW，最大掘进扭矩 5300kNm，最大推进力 为 36400kN，最陕掘进速度可达 8cm min。盾构机主要由 9 大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是 6.25m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动
4、，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测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螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有 30 个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这 30个千斤顶按上下左右被分成 A、 B、 c、 D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设
5、计轴线。 中盾的后边是尾盾，尾盾通过 14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰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削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为 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板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土刀具，刀盘的外侧还装有一把超挖刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。超挖刀油缸杆的行程为 50mm。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以
6、从刀 盘后面的泥土仓中进行更换。 法兰板的后部安装有一个回转接头，其作用是向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。 3.刀盘驱动 刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现 0-6.1rpm的无级变速。刀盘驱动主要由 8 组传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成，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。 安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主齿轮 箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油。 4.双室气闸 双室气闸装
7、在前盾上，包括前室和主室两部分，当掘进过程中刀具磨损工作人员进入到泥土仓检察及更换刀具时，要使用双室气闸。 在进入泥土仓时，为了避免开挖面的坍坍，要在泥土仓中建立并保持与该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问题，通过调整气闸前室和主室的压力，就可以使工作人员可以适应常压和开挖仓压力之间的变化。但要注意，只有通过高压空气检查 和受到相应培训有资质的人员，才可以通过气闸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泥土仓为例，来说明双室气闸的作用。工作人员甲先从前室进入主室，关闭前室和主室之间的隔离门，按照规定程序给主室加
8、压，直到主室的压力和泥土仓的压力相同时，打开主室和泥土仓之间的闸阀，使两者之间压力平衡，这时打开主室和泥土仓之间的隔离门，工作人员甲进入泥土仓。如果这时工作人员乙也需要进入泥土仓工作，乙就可以先进入前室，然后关闭前室和常压操作环境之间的隔离门，给前室加压至和主室及泥土仓中的压力相同，扣开 前室和主室之间的闸阀，使两者之间的压力平衡，打开主室和前室之间的隔离门，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、旋转架和拼装头组成。 拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两个滚轮安放在拼装机大梁上的行走槽中，一个内圈为齿圈形式外径 3.2m的
9、滚珠轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横粱相连接。 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 情况。两个拼装机行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道轴线方向移动；安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通过驱动滚珠轴承的内齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各 200 度；通过伸缩油缸可以使拼装头上升或下降；拼装头在油缸的作用下又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和放松管片的功能。这样在拼装管片时，就可以有六个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。 拼装手可
10、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。我们采用的是 1.2m长的通 用管片，一环管片由六块管片组成，它们是三个标准块、两块临块和一块封顶块。封顶块可以有十个不同的位置，代表十种不同类型的管环，通过选择不同类型的管环就可以使成型后的隧道轴线与设计的隧道轴线相拟合。隧道成型后，管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。 6.排土机构 盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四 节台车的尾部，落
11、入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。 螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后者可以在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。 7.后配套设备 后配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、四节后配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、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨 润土设备、循环水设备及通风设备等。 A.管片运输设备 管片运输设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
12、龙门吊从地面下至竖井的管片车上，由电瓶车牵引管片车至第一节台车前的电动葫芦 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 一号台车上装有盾构机的操作室及注浆设备。 盾构机操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、盾构机 PLC 自动控制系统、 VMT 隧道掘进激光导向系统电脑及螺 旋输送机后部出土口监视器。 C.二号台车及其上的设备 二号台车上有包含液压油箱在内的液压泵站、膨润土箱、膨润土泵、盾尾密封油脂泵及润滑油脂泵。液压油箱及液压泵站为刀盘驱动、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机、管片运输小车、螺旋输送机、注浆泵等液压设备提供压力
13、油。泵站上装有液压油过滤及冷却回路，液压油冷却器是水冷式。 盾尾密封油脂泵在盾构机掘进时将盾尾密封油脂由 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，以防止注射到管片背后的浆液进入盾体内。 润滑油脂泵将油脂泵送到 盾体中的小油脂桶中，盾构机掘进时， 4kw 电机驱动的小油脂泵将油脂泵送到主驱动齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头中。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间起到润滑唇形密封件工作区域及帮助阻止赃物进入被密封区域内部的作用，对于螺旋输送机齿轮箱还有另外一个作用，就是润滑齿轮箱的球面轴承。 D.三号台车及其上的设备 三号台车上装有两台
14、打气泵、一个 1立方米贮气罐、一组配电柜及一台二次风机。 打气泵可提供 8Bar的压缩空气并将压缩空气贮存在贮气罐中，压缩空 气可以用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵和气动污水泵，用宋给人闸、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嘞气动工具等。 二次风机由 11kW 的电机驱动，将由中间井输送至第四节台车位置处的新鲜空气，继续向前泵送至盾体附近，以给盾构机提供良好的通风。 E.四号台车及其上的设备 四号台车上装有变压器、电缆卷筒、水管卷筒、风管盒。 铺设在隧道中的两条内径为 100mm的水管作为盾构机的进、回水管，将竖井地面的蓄水池与水管卷
15、筒上的水管连接 起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱动盾构机用水在蓄水池和盾构机之间循环。通常情况下，进人盾构机水管卷筒水管的水压控制在 5Bar左右。正常掘进时，进人盾构机水循环系统的水有以下的用途：对掖压油、主驱动齿轮油、空压机、配电柜中的电器部件及刀盘驱动副变速箱具有冷却功能，为泡沫剂的合成提供用水，提供给盾构机及隧道清洁用水。蓄水池中的水用冷却塔进行循环冷却。 风管盒中装有折叠式的风管，风管与竖井地面上的风肌连接，向隧道中的盾构机里提供新鲜空气。新鲜空气通过风管被送至第四节台车的位置。 8.电气设备 盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压器、配电柜、动力电缆、控制电缆、控制系统、操
16、作控制台、现场控制台、螺旋输送机后部出土口监视器、电机、插座、照明、接地等。电器系统最小保护等级为 IP5.5。 主供电电缆安装在电缆卷筒上， 10kV 的高压电由地面通过高压电缆沿隧道输送到与之连接的主供电电缆上，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 是控制系统的关键部件，控制系统用于控制盾构机掘进、拼装时的各主要功能。例如 盾构机要掘进时，盾构机司机按下操作控制台上的掘进按钮，一个电信号就被传到 PLC 控制系统，控制系统首先分析推进的条件是否具备 (如推进油缸液压油泵是否打开，润滑脂系统是否工作正常等，
17、.如果推进的条件不具备，就不能推进，如果条件具备，控制系统就会使推进按钮指示灯变亮，同时控制系统也会给推进油缸控制阀的电磁阀供电，电磁阀通电打开推进油缸控制阀，盾构机开始向前推进。 PLC 安装于控制室，在配电柜里装有远程接口， PLC 系统也与操作控制台的控制电脑及 VMT 公司的 SLS-T 隧道激光导向系统电脑相连。 盾构机操作室内的 操作控制台和盾构机某些可移动装置旁边的现场控制台 (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。操作控制台上有控制系统电脑显示器、实现各种功能的按钮、调整压力和速度的旋钮、显示压力或油缸伸长长度的显示模块及各种钥匙开关等。 螺旋
18、输送机后部出土口监视器用来监视螺旋输送机的出土情况。 电机为所有液压油泵、皮带机、泡沫剂泵、合成泡沫用水水泵、膨润土泵等提供动力。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 30kW 时，为了降低起动电流，采用星形 三角形起 动的方式。 9.辅助设备 辅助设备包括数据采集系统、 S1S-T 隧道激光导向系统、注浆装置、泡沫装置、膨润土装置。 A.数据采集系统 数据采集系统的硬件是一台有一定配置要求的计算机和能使该计算机与隧道中掘进的盾构机保持联络的调制解调器、转换器及电话线等原件。该计算机可以放置在地面的监控室中，并始终与隧道中掘进的盾构机自动控制系统的 PLC保持
19、联络，这样数据采集系统就可以和盾构机自动控制系统的 PLC 具有相同的各种关于盾构机当前状态的信息。数据采集系统按掘进、管片拼装、停止掘进三个不 同运行状态段来记录、处理、存储、显示和评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。数据采集系统还可以完成以下任务：用来查找盾构机以前掘进的档案信息，通过与打印机相连打印各环的掘进报告，修改隧道中盾构机的 PLC 的程序等等。 B.隧道掘进激光导向系统 德国 VMT 公司的 SLS-T隧道掘进激光导向系统主要作用有以下几点： 可以在隧道激光导向系统用电脑显示屏上随时以图形的形式
20、显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的 准确位置，这样在盾构机掘进时，操作者就可以依此来调整盾构机掘进的姿态，使盾构机的轴线接近隧道的设计轴线，这样盾构机轴线和隧道设计轴线之间的偏差就可以始终保持在一个很小的数值范围内。 推进一环结束后，隧道掘进激光导向系统从盾构机 PLC自动控制系统获得推进油缸和铰接油缸的油缸杆伸长量的数值，并依此计算出上一环管片的管环平面，再综合考虑被手工输入隧道掘进激光导向系统电脑的盾尾间隙等因素，计算并选择这 环适合拼装的管片类型。 可以提供完整的各环掘进姿态及其他相关资料的档案资料。 可以通 过标准的隧道设计几何元素计算出隧道的理论轴线。 可以通过调制解调器和电话线和地
21、面的一台电脑相连，这样在地面就可以实时监控盾构机的掘进姿态。 隧道掘进激光导向系统主要部件有激光经纬仪、带有棱镜的激光靶、黄盒子、控制盒和隧道掘进激光导向系统用电脑。 激光经纬仪临时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘进，激光经纬仪也要不断地向前移动，这被称为移站。激光靶则被固定在中盾的双室气闸上。激光经纬仪发射出激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，另外激光靶内还有测倾仪，用 来测量盾构机的滚动和倾斜角度，再根据激光经纬仪与激光靶之间的距离及各相关点的坐标等数据，隧道掘进激光导向系统就可以计算出当前盾构机轴线的准确位置。 控制盒用来组织隧道掘进激光导向系统电脑与激
22、光经纬仪和激光靶之间的联络，并向黄盒子和激光靶供电。黄盒子用来向激光经纬仪供电并传输数据。隧道掘进激光导向系统电脑则是将该系统获得的所有数据进行综合、计算和评估。所得结果可以被以图形或数字的形式显示在显示屏上。 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，浆液被放入浆 液车中，电瓶车牵引浆液车至盾构机浆液箱旁，浆液车将浆液泵入浆液箱中。两个注浆泵各有两个出口，这样总共有四个出口，四个出口直接连至盾尾上圆周方向分布的四个注浆管上，盾构机掘进时，山注浆泵泵出的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环隙中，浆液凝固后就可以起到稳定管片和地层的作用。 为了适应开挖速度的快慢，注浆装置
23、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，这样可以达到两个目的，一是盾尾密封不会被损坏，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：人工方式和自动方式。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；自动方式则是在注浆现场操作台上预先设定好的，盾构机掘进即启动注浆系统。 D.泡沫装置 泡沫系统主要包括泡沫剂罐、泡沫剂泵、水泵、四个溶液计量调节阀、四个空气剂量调节阀个液体流量计、四个气体流量计、泡沫发生器及连接管路。 泡沫装置产生泡沫，并向盾构机开挖室中注入泡沫，用于开挖土层的改良，作为支撑介质的土在加入泡沫后，其塑型、
24、流动性、防渗性和弹性都得至 U改进，盾构机掘进驱动功率就可减少，同时也可减少刀具的磨损。 泡沫剂泵将泡沫剂从泡沫剂罐中泵出，并与水泵泵出的水按盾构司机操作指令的比例混合形成溶液，控制系统是通过安装在水泵出水口处的液体流量计测量水泵泵出水的流量，并根据这一流量控制泡沫剂泵的输出量来完成这一混合比例指令的。混合溶液向前输送至盾体中，被分配输送到四条管路中，经过溶液剂量调节阀和液体流量计后，又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缩空气混合产生泡沫，压缩空气进入泡沫发生器前也要先经过气体流量计和空气剂量调节阀。泡沫剂溶液和压缩空气也是按盾构机司机操作指令的比例混合的， 这一指令
25、需通过盾构机控制系统接收液体流量计和气体流量计的信息并控制空气剂量调节阀和溶液剂量调节阀来完成。最后，泡沫沿四条管路通过刀盘旋转接头，再通过刀盘上的开口，注入到开挖室中。在控制室，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.膨润土装置 膨润土装置也是用来改良土质，以利于盾构机的掘进。膨润土装置主要包括膨润土箱、膨润土泵、九个气动膨润土管路控制阀及连接管路。 和浆液一样，在竖井，膨润土被放人膨润土车中，电瓶车牵引膨润土车至膨润土箱旁，膨润土车将膨润土泵入 膨润土箱中。 需要注入膨润土时，膨润土被膨润土泵沿管路向前泵至盾体内，操作人员可根据需要，在控制室的操作控制台上，通过控制气动膨润土管路控制阀的开关，将膨润土加入到开挖室、泥土仓或螺旋输送机中。
