土壓平衡式盾構(gòu)

1、土壓平衡式盾構(gòu)機分析土壓平衡式盾構(gòu)機分析承擔修建深圳地鐵—期工程第七標段(華強至崗廈區(qū)間內(nèi)徑為5.4m的雙線隧道)的施工任務(wù)的中鐵十六局，根據(jù)施工地段地層自立條件差，地下水較豐富的特點，購進了兩臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的世界上最先進的土壓平衡式盾構(gòu)機。這兩臺盾構(gòu)機都由西門子公司的S7PLC自動控制系統(tǒng)控制，配備了機電一體化的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、同步注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤土設(shè)備及SLST隧道激光導(dǎo)向設(shè)備，并可在地面監(jiān)控室對盾構(gòu)機的掘進進行實時監(jiān)控

2、。本文將就盾構(gòu)機的工作原理、盾構(gòu)機的組成、及各組成部分的功能結(jié)合實際施工情況做一簡要闡述。盾構(gòu)機的工作原理1.盾構(gòu)機的掘進液壓馬達驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟盾構(gòu)機推進油缸，將盾構(gòu)機向前推進，隨著推進油缸的向前推進，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積累到一定數(shù)量時，開

3、挖面被切下的渣土經(jīng)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(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行。3.管片拼裝盾構(gòu)機掘進一環(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。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65

4、m，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，最大掘進扭矩5300kN?m，最大推進力為36400kN，最陜掘進速度可達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

5、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30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(gòu)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

6、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的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅(qū)動部分，刀盤

7、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

8、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)06.1rpm的無級變速。刀盤驅(qū)動主要由8組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(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。盾尾密封油脂泵在盾構(gòu)機掘進時將盾尾密封油脂由12條管路

9、壓送到三排盾尾密封刷與管片之間形成的兩個腔室中，以防止注射到管片背后的漿液進入盾體內(nèi)。潤滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中，盾構(gòu)機掘進時，4kw電機驅(qū)動的小油脂泵將油脂泵送到主驅(qū)動齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱及刀盤回轉(zhuǎn)接頭中。這些油脂起到兩個作用，一個作用是被注入到上述三個組件中唇形密封件之間的空間起到潤滑唇形密封件工作區(qū)域及幫助阻止贓物進入被密封區(qū)域內(nèi)部的作用，對于螺旋輸送機齒輪箱還有另外一個作用，就是潤滑齒輪箱的球面軸承。D.三號臺

10、車及其上的設(shè)備三號臺車上裝有兩臺打氣泵、一個1立方米貯氣罐、一組配電柜及一臺二次風(fēng)機。打氣泵可提供8Bar的壓縮空氣并將壓縮空氣貯存在貯氣罐中，壓縮空氣可以用來驅(qū)動盾尾油脂泵、密封油脂泵和氣動污水泵，用宋給人閘、開挖室加壓，用來操作膨潤土、盾尾油脂的氣動開關(guān)，用來與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫，用來8嘞氣動工具等。二次風(fēng)機由11kW的電機驅(qū)動，將由中間井輸送至第四節(jié)臺車位置處的新鮮空氣，繼續(xù)向前泵送至盾體附近，以給盾構(gòu)機提供良好的通

11、風(fēng)。E.四號臺車及其上的設(shè)備四號臺車上裝有變壓器、電纜卷筒、水管卷筒、風(fēng)管盒。鋪設(shè)在隧道中的兩條內(nèi)徑為100mm的水管作為盾構(gòu)機的進、回水管，將豎井地面的蓄水池與水管卷筒上的水管連接起來，與蓄水池連接的一臺高壓水泵驅(qū)動盾構(gòu)機用水在蓄水池和盾構(gòu)機之間循環(huán)。通常情況下，進人盾構(gòu)機水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。正常掘進時，進人盾構(gòu)機水循環(huán)系統(tǒng)的水有以下的用途：對掖壓油、主驅(qū)動齒輪油、空壓機、配電柜中的電器部件及刀盤驅(qū)動副變速箱具有冷卻

12、功能，為泡沫劑的合成提供用水，提供給盾構(gòu)機及隧道清潔用水。蓄水池中的水用冷卻塔進行循環(huán)冷卻。風(fēng)管盒中裝有折疊式的風(fēng)管，風(fēng)管與豎井地面上的風(fēng)肌連接，向隧道中的盾構(gòu)機里提供新鮮空氣。新鮮空氣通過風(fēng)管被送至第四節(jié)臺車的位置。8.電氣設(shè)備盾構(gòu)機電氣設(shè)備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電柜、動力電纜、控制電纜、控制系統(tǒng)、操作控制臺、現(xiàn)場控制臺、螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器、電機、插座、照明、接地等。電器系統(tǒng)最小保護等級為IP5.5。主供電電纜安

13、裝在電纜卷筒上，10kV的高壓電由地面通過高壓電纜沿隧道輸送到與之連接的主供電電纜上，接著通過變壓器轉(zhuǎn)變成400v，50Hz的低壓電進人配電柜，再通過供電電纜和控制電纜供盾構(gòu)機使用。西門子S7PLC是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，控制系統(tǒng)用于控制盾構(gòu)機掘進、拼裝時的各主要功能。例如盾構(gòu)機要掘進時，盾構(gòu)機司機按下操作控制臺上的掘進按鈕，一個電信號就被傳到PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)首先分析推進的條件是否具備(如推進油缸液壓油泵是否打開，潤滑脂系統(tǒng)是否工

14、作正常等，.如果推進的條件不具備，就不能推進，如果條件具備，控制系統(tǒng)就會使推進按鈕指示燈變亮，同時控制系統(tǒng)也會給推進油缸控制閥的電磁閥供電，電磁閥通電打開推進油缸控制閥，盾構(gòu)機開始向前推進。PLC安裝于控制室，在配電柜里裝有遠程接口，PLC系統(tǒng)也與操作控制臺的控制電腦及VMT公司的SLST隧道激光導(dǎo)向系統(tǒng)電腦相連。盾構(gòu)機操作室內(nèi)的操作控制臺和盾構(gòu)機某些可移動裝置旁邊的現(xiàn)場控制臺(如管片拼裝機、管片吊車、管片運送小車等)用來操作盾構(gòu)機，實

15、現(xiàn)各種功能。操作控制臺上有控制系統(tǒng)電腦顯示器、實現(xiàn)各種功能的按鈕、調(diào)整壓力和速度的旋鈕、顯示壓力或油缸伸長長度的顯示模塊及各種鑰匙開關(guān)等。螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器用來監(jiān)視螺旋輸送機的出土情況。電機為所有液壓油泵、皮帶機、泡沫劑泵、合成泡沫用水水泵、膨潤土泵等提供動力。當電機的功率在30kW以下時，采用直接起動的方式，當電機的功率大于30kW時，為了降低起動電流，采用星形—三角形起動的方式。9.輔助設(shè)備輔助設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、S1ST

16、隧道激光導(dǎo)向系統(tǒng)、注漿裝置、泡沫裝置、膨潤土裝置。A.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件是一臺有一定配置要求的計算機和能使該計算機與隧道中掘進的盾構(gòu)機保持聯(lián)絡(luò)的調(diào)制解調(diào)器、轉(zhuǎn)換器及電話線等原件。該計算機可以放置在地面的監(jiān)控室中，并始終與隧道中掘進的盾構(gòu)機自動控制系統(tǒng)的PLC保持聯(lián)絡(luò)，這樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就可以和盾構(gòu)機自動控制系統(tǒng)的PLC具有相同的各種關(guān)于盾構(gòu)機當前狀態(tài)的信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按掘進、管片拼裝、停止掘進三個不同運行狀態(tài)段來記錄、處理、