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纲要
随着城市地铁的飞速发展,盾构机作为一种高效掘进机械在地铁建设中获得
广泛的应用,盾构机构越来越碰到人们的重视,认识盾构机构的构造和工作原理
也显得很重要。本文针对ZTE6250式土压平衡盾构机的大要,介绍了土压平衡盾构机的构造,讲解了盾构机的9大组成部分盾体、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的构造以及在施工中的作用。文章还解析了在土压盾构在调试时会出现的一些问题和盾构机的保护保养等。
要点词:盾构机,盾构施工法,土压平衡控制
第一章概括
盾构是一种集开挖、支护、衬砌等多种作业于一体的大型地道施工机械,是用钢板作成圆筒形的构造物,在开挖地道时,作为临时支护,并在筒形构造内安装开挖、运渣、拼装地道衬砌的机械手及动力站等装置,以便安全的作业。它主
要用于柔弱、复杂等地层的铁路地道、公路地道、城市地下铁道、上下水道等地道的施工。
使用盾构机械来建筑:地道的方法称为盾构施工法。其施工程序是:在盾构
前部盾壳下挖土(机械挖土或人工挖土),一面挖土,一面用千斤顶向前顶进盾体,顶至必然长度后(一般为一片衬砌圈宽度),再在盾尾拼装预制好的衬砌块,并以此作为下次顶进的基础,连续挖土顶进。在挖土的同时,将土屑运出盾构。这样不断循环直至修完地道为止。
盾构法施工将掘进设备经过竖井送到地下必然深度后可做长距离水平掘进,拥有机械化施工、地道形状正确、质量高、衬砌经济、对地面建筑物影响可能最
小、对环境无不良影响、保持水位、噪声小,对工作人员较安全等特点,近十余年在国内城市的地下铁路建设中广泛采用,它的优点获得了广泛的认可。
盾构的形式很多,可按盾构的盾构的断面形状、构造及开挖形式进行分类。
按盾构断面形状的不相同,可将盾构分为圆形、拱形、矩形和马蹄形三种;按开挖
方式的不相同,可分为手工挖掘式、半机械化挖掘式,机械化挖掘式三种;按盾构
前部构造的不相同,可分为全部张口形、部分张口形、密封形三种。
现在应用的最多的盾构断面形式是圆形,圆形机械的盾构施工法主要有切削
轮式、气压式、泥水加压式和土压平衡式。因本公司主要生产的是土压平衡式盾
构机,故本文将以公司生产的DZ018土压平衡式盾构机为例对土压平衡式盾构
机做出简单的商议。
第二章土压平衡式盾构机构造原理介绍
土压平衡(EPB)盾构机拥相关闭的土仓,其基本工作过程是经过旋转的刀盘
切削前面的土体,油缸推进刀盘实现掘进,同时使土体从刀盘张口处进入并充满
土仓,在油缸的推力下仓内土体保持必然的压力用来平衡前面的土压力和水压力
经过增加外加剂并搅拌土体使其拥有合适的流动性和不透水性,,在盾构
的尾部进行构造衬砌组装施工,同时对构造与围岩问的缝隙注浆填充,最后实现
设计的线路及其构造尺寸要求。
图2。1土压平衡原理图
2。
液压马达驱动刀盘旋转,同时开启盾构机推进油缸,将盾构机向前推进,随
着推进油缸的向前推进,刀盘连续旋转,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,再经过竖井运至地面。
2。1。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必然数量时,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,开挖面就能保持牢固,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
盾构机掘进一环的距离后,拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片,使地道—次成型.
2。2盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用
,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5300kN/m,最大推进力为36400kN,最快掘进速度可达8cm/min。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。
图2。2土压平衡盾构机构造
2。2。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,,同时使泥土仓与后边的工作空间相隔断,推力油缸的压力可经过承压隔板作用到开挖面上,以起到支撑和牢固开挖面的作用。承压隔板上在不相同高度处安装有五个土压传感器,,中盾和前盾经过法兰以螺栓连接,中盾内侧的周边地址装有30个推进油缸,推进油缸杆上安有塑料撑靴,撑靴顶推在后边已安装好的管片上,经过控制油缸杆向后伸出能够供给给
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、仰头、低头或直行,从而能够使掘进中盾构机的轴线尽量拟合地道设计轴线。中盾的后边是尾盾,尾盾经过14个被动随从的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接能够使盾构机易于转向。
2。2。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,刀盘的张口率约为28%,,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,刀盘上可依照被切削
土质的软硬而选择安装硬岩***或软土***,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,。刀盘上安装的全部种类的***都由螺栓连接,都能够从刀盘后边的泥土仓中进行更换。法兰板的后部安装有一个辗转接头,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,它能够使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现0—,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。
双室气闸装在前盾上,包括前室和主室两部分,当掘进过程中***磨损工作人员进入到泥土仓检察及更换***时,要使用双室气闸。在进入泥土仓时,为了防范开挖面的坍坍,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,经过调整气闸前室和主室的压力,就可以使工作人员能够适应常压和开挖仓压力之间的变化。但要注意,只有经过高压空气检查和碰到相应培训有资质的人员,
才能够经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断门,依照规定程序给主室加压,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断门,工作人员甲进入泥土仓。若是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,尔后关闭前室和常压操作环境之间的隔断门,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断门,工作人员乙进入主室和泥土仓中。
2。
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,拼装机的支撑架经过左右各两个滚轮布置在拼装机大梁上的行走槽中,,内圈经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地址的情况为例,来说明拼装机的运动情况。两个拼装机行走液压油缸能够使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿地道轴线方向搬动;安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达,经过驱动滚珠轴承的内齿圈能够使旋转架和拼装头沿地道圆周方向左右旋转
各200度;经过伸缩油缸能够使拼装头上升或下降;拼装头在油缸的作用下又能够实现在水平方向上的摇动,和在竖直方向上的摇动以及抓紧和放松管片的功
能。这样在拼装管片晌,就可以有六个方向的自由度,从而能够使管片正确就位。
拼装手能够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。,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。封顶块能够有十个不相同的地址,代表十种不相同种类的管环,经过选择不相同种类的管环就可以使成型后的地道轴线与设计的地道轴线相拟合。
地道成型后,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。
2。2。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,前者关闭能够使泥土仓和螺旋输送机间隔,后者能够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储藏的能量自动关闭,以防范开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。
2。
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。
1)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。
(2)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地道掘进激光导向系统电
脑及螺旋输送机后部出土口监察器。
(3)二号台车及其上的设备
二号台车上有包括液压油箱在内的液压泵站、膨润土箱、膨润土泵、、推进油缸、铰接油缸、
管片拼装机、管片运输小车、螺旋输送机、,,以防范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辗转接头中。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
工作地域及帮助阻拦赃物进入被密封地域内部的作用,关于螺旋输送机齿轮箱还有别的一个作用,就是润滑齿轮箱的球面轴承。
(4)三号台车及其上的设备
三号台车上装有两台打气泵、一个1立方米贮气罐、一组配电柜及一台二次
风机。打气泵可供给8Bar的压缩空气并将压缩空气储藏在贮气罐中,压缩空气
能够用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵平和动污水泵,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、水混杂形成改良土壤的
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
四节台车地址处的新鲜空气,连续向前泵送至盾体周边,以给盾构机供给优异的
通风.
(5)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。铺设在地道中的两条内径为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。平常情况下,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拥有冷却功能,为
泡沫剂的合成供给用水,供给给盾构机及地道干净用水。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
地道中的盾构机里供给新鲜空气。新鲜空气经过风管被送至第四节台车的地址。
2。2。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、操作控制台、现场控制台、螺旋输送机后部出土口监察器、
电机、插座、照明、接地等。。主供电电缆安装在电缆卷筒上,10kV的高压电由地面经过高压电缆沿地道输送到与之连接的
主供电电缆上,接着经过变压器转变成400v,50Hz的低压电进人配电柜,再经过供电电缆和控制电缆供盾构机使用。西门子S7—PLC是控制系统的要点部件,控制系统用于控制盾构机掘进、拼装时的各主要功能。比方盾构机要掘进时,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,
控制系统第一解析推进的条件可否具备(如推进油缸液压油泵可否打开,润滑脂
系统可否工作正常等,.若是推进的条件不具备,就不能够推进,若是条件具备,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地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
构机某些可搬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。螺旋输送机后部出土口监察器用来监察螺旋输送机的出土情况。
电机为全部液压油泵、皮带机、泡沫剂泵、合成泡沫用水水泵、膨润土泵等供给动力。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。
2。2。9辅助设备
辅助设备包括数据采集系统、S1S—T地道激光导向系统、注浆装置、泡沫
装置、膨润土装置。
(1)数据采集系统
数据采集系统的硬件是一台有必然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系的调制解调器、变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,并向来与地道中掘进的盾构机自动控制系统的PLC保持联系,这样数据采集系统就可以和盾构机自动控制系统的PLC拥有相同的
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、停止掘进三个不相同运转状态段来记录、办理、储藏、显示和评判盾构机运转中的全部要点监
,地面工作人员就可以在地面监控室中实时监控
:用来查找盾构机
从前掘进的档案信息,经过与打印机相连打印各环的掘进报告,更正地道中盾构
机的PLC的程序等等。
(2)地道掘进激光导向系统
德国VMT公司的SLS—T地道掘进激光导向系统主要作用有以下几点:①能够在地道激光导向系统用电脑显示屏上随时以图形的形式显示盾构机轴线相
关于地道设计轴线的正确地址,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,使盾构机的轴线凑近地道的设计轴线,这样盾构机轴线和隧
道设计轴线之间的偏差就可以向来保持在一个很小的数值范围内.②推进一环结束后,地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地道掘进激光导向系统电脑的盾尾缝隙等因素,计算并选择这—环合适拼装的管片种类.③能够供给完满的各环掘进姿态及其他相关资料的档案资
料。④能够经过标准的地道设计几何元素计算出地道的理论轴线。⑤能够经过调制解调器和电话线和地面的一台电脑相连,这样在地面就可以实时监控盾构机的掘进姿态。地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、控制盒和地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搬动,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,激光靶能够判断激光的入射角及折射角,别的激光靶内还有测倾仪,用来测量盾构机的转动和倾斜角度,再依照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,地道掘进激光导向系统就可以计算出当前盾构机轴线的准
确地址。控制盒用来组织地道掘进激光导向系统电脑与激光经纬仪和激光靶之间
的联系,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。
地道掘进激光导向系统电脑则是将该系统获得的全部数据进行综合、计算和评
估。所得结果能够被以图形或数字的形式显示在显示屏上。
(3)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,这样总合有四个出口,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地道管片与
土层之间的环隙中,
挖速度的快慢,注浆装置可依照压力来控制注浆量的大小,可起初选择最小至最
大的注浆压力,这样能够达到两个目的,一是盾尾密封不会被破坏,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。人工方式能够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起初设定好的,盾构机掘进即启动注浆系统。
(4)泡沫装置
泡沫系统主要包括泡沫剂罐、泡沫剂泵、水泵、四个溶液计量调治阀、四个
空气剂量调治阀个液体流量计、四个气体流量计、泡沫发生器及连接收路。
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、流动性、防渗性和弹性都得至U改良,
盾构机掘进驱动功率即可减少,同时也可减少***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率混杂形成溶液,
控制系统是经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,并依照这一流量控制泡沫剂泵的输出量来完成这一混杂比率指令的。混杂溶液向前输送至盾体中,被分配输送到四条管路中,经过溶液剂量调治阀和液体流量计后,
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杂产生泡沫,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治
,这一指令需经过盾构机控制系统接收液体流量计平和体流量计的信息并控制空气剂量调
,泡沫沿四条管路经过刀盘旋转接头,再经过