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Φ6.25m土压平衡盾构机一、概述 Φ6.25m土压平衡盾构机由德国海瑞克（Herrenknecht AG）公司制造，简称EPB（Earth pressure balance）盾构机。主要由盾构主机、后配套系统及后配套辅助设备组成。盾构主机见图9。 Φ6.25m土压平衡盾构机主要适用于含水的微风化岩、中风化岩、强风化岩、全风化岩、泥土、砂土、含砾石和鹅卵石的软土及混合地层，既可以在土压平衡状态下掘进软岩、砂土、泥土；也可以在开敞式状态下掘进、切削较硬的或完整的岩石，并且开敞式和土压平衡两种模式之间能够实现快速转换。具有半开敞式掘进功能，既能稳定正面岩土层又具备开敞式工况下的掘进能力。土压平衡式、半敞开式、敞开式掘进都具有全自动掘进控制模式、半自动掘进控制模式和手动掘进控制模式。该机具有足够的土压平衡调节能力，平衡周围的静水压与土压力，保证开挖面的稳定，配合支护工艺控制地表隆陷值不超过+10/-30mm；此外还包括自动导向系统，能够控制掘进方向，具有灵活的转向纠偏能力，保证掘进方向误差不超过±10 mm。具有数据采集、处理、传输系统、管片衬砌安装机、同步注浆系统、泡沫注入机构、膨润土注入机构、与主机相配套的后配套设备及后配套拖车。盾构机的控制系统可以实现诸如推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机的转速、碴门的开度、同步注浆的速度等关联系统之间的自动控制，并能够自动显示相关数据。导向系统与控制系统相连，该机具有安全联锁功能，故障诊断、显示及报警系统。管片安装机控制采用有线/无线两种控制方式。二、技术参数 1、适用工程条件最小水平曲线半径 300m 最大坡度 35‰ 埋深 9～28m 地质条件含水的风化岩、泥土地面载荷 20 kPa 地下水压 300 kPa 地表沉降一般+10/-30mm，断层±10mm 2、尺寸和重量及掘进速度盾构机总长约60m 盾壳和盾尾总长 7.74m 最大运输尺寸 6.4×6.4×3.1m 最大运输重量 100000 kg 掘进速度微风化岩 2.4 m/h 中风化岩2.7m/h 强风化岩3.0m/h 全风化岩3.6m/h 泥土 4.8m/h 3、管片管片外径 6000 mm 管片内径 5400 mm 管片长度 1500 mm 管片数量 5+楔形块最大管片重量 4500kg 4、盾构盾构型式 EPB 盾构直径 6250mm 前盾长度 4500mm 前盾重量（仅钢结构） 75000 kg 工作压力 300 kPa 土压传感器数量 5个盾尾型式铰接式人舱法兰 ND 1600 双舱开挖舱注浆通道 6个 5、推进油缸油缸数量 30个油缸直径 220/180mm 总推进力 34200 kN 推进油缸行程 2000mm 推进油缸伸出速度 80mm/min 推进油缸回程速度 1600mm/min 6、盾尾盾尾直径 6230mm 盾尾长度 3150mm 盾尾密封 3排钢丝刷盾尾重量 35000 kg 7、盾尾铰接油缸油缸数量 14个油缸直径 180/80mm 油缸行程 150mm 油缸收缩力 7340kN 油缸工作压力 30000 kPa 8、刀盘刀盘类型切割圆盘刀盘直径 6300 mm 开口率 28% 刀具 64把切刀，13把双刃盘形刀，16把刮刀 6把双刃盘形中心刀，1把五环扩孔刀刀盘重量 56,000 kg 9、刀盘驱动驱动类型液压驱动液压马达数量 8个工作压力 22000 kPa 电机功率 3×315 kW=945 kW 最大扭矩 4377 kNm 脱困扭矩 5350 kNm 刀盘转速 0～6.1 rpm 主轴承外径 2600 mm 重量 32000 kg 10、人舱人舱长度 2000mm 直径 1600mm 工作压力 300 kPa 测试压力 450 kPa 人员 3人重量 4000 kg 空压机 10m3/min×2，55 kW×2 11、管片安装机类型无中心环形管片安装机撑紧系统机械式自由度 6 转动 ±200° 管片长度 1500 mm 伸缩 1000mm 移动 2000mm 安装头转动 ±2.5° 安装头倾斜范围 ±2.5° 安装头旋转范围 ±2° 纵向横移力 50 kN 扭矩 150 kNm 起吊能力 120 kN 配备功率 55kW 重量 22000 kg 每环管片安装时间 ≤30 min 12、螺旋输送机直径 900 mm 电机功率 315kW 最大扭矩 225 kNm 转速 0～22.4 rpm 输送能力 300 m3/h 最大粒径 300 mm 伸缩量 1000 mm 重量 30000 kg 13、皮带输送机皮带宽度 800 mm 皮带厚度 11 mm 长度约45m 速度 2.5m/s 最大能力 750 t/h 电机功率 30 kW 14、导向系统导向系统型号 VMT SLS-T APD 激光有效距离 200m 激光经纬仪型号 Leica TCA1103/ATR/GUS64 15、后配套系统及后配套设备拖车 5节门架式拖车注浆泵 KSP12型，2台注浆能力 2×12 m3/h 泡沫注入系统 7条注入管线，供刀盘、螺旋机膨润土注入系统 9条注入管线，供刀盘、盾壳、螺旋机膨润土注射泵能力 30 m3/h 通风管 DN600 通风机 ESN-110型，带2个SDS6型消声器通讯电话 4部变压器 2000 kVA 液压油箱容量 3000L 16、电力系统初级电压 10 kV（+10～ –15%）二级电压 380V 变压器 2000 kVA 频率 50 Hz 控制电压 24V/230V 照明 230V 电磁阀控制电压 24V 防护系统（电机） IP55 功率因素 0.9，带功率因素补偿 17、配备功率驱动 945 kW，带软起动推进 75 kW，带软起动管片安装机 55 kW，带软起动油过滤 18.5 kW＋4 kW 吊机 6 kW 螺旋输送机 315 kW，带软起动注浆泵 30 kW ，带软起动皮带输送机 30 kW，带软起动润滑 4 kW 油冷却器 8 kW 螺旋闸门 22 kW，带软起动空压机 110kW，带软起动二次通风 11 kW 泡沫注入系统 7.5 kW 水泵 7.5 kW 补油泵 75 kW 砂浆泵 11 kW 砂浆搅拌机 7.5 kW 膨润土注入系统 30 kW 18、使用寿命设计标准刀盘及盾壳 10 km 主轴承 10000h 主轴承密封 5000h 减速齿轮 10000h 油泵/马达/油缸 10000h 管片安装机 10000h 螺旋输送机 10000h 皮带输送机 10000h 齿轮 10000h 管片模具 1200环三、主要结构简介 1、盾壳盾壳承受土压、水和动载荷，是一个带有机加工密封面和轴承座的焊接结构件。盾壳由前盾、中盾和盾尾三部分组成。前盾和中盾带有焊接压力壁，是刀盘驱动的基座，并产生压力以支撑隧道掌子面。前盾和中盾承担刀盘接触产生的压力。30个推进油缸以中部法兰形式联接在盾体尾部，活塞杆的端部装有靴板。推进油缸的顶推作用在管片上。它们可以单个控制或者按数量和压力分成6组，推进和控制隧道开挖作业。盾尾是一个整块焊接结构件，它通过铰接油缸与中盾相连。盾尾安装三排钢丝密封刷，隧道管片外径被3排钢丝刷密封起来。尾盾密封油脂系统有自动和手动两种启动方式。 2、刀盘图10：φ6.25m盾构机刀盘刀盘是一个带有进料口的切割式圆盘，见图10，其开口率约为28%。带有4辐条的厚壁法兰板用来作为联接法兰连接主驱动和切割式圆盘的连接基础。有4个通碴通道通到中心、刀盘的周围是4个进料口，最大宽度280mm。保证了通过刀盘的石碴可以通过螺旋输送机，螺旋输送机能通过的最大砾石直径为300mm。刀盘前部的中心部分，装有一个旋转接头。切刀安装在进碴口的左右两边，刀具覆盖了整个碴口的长度。外边缘装备有背装式刮刀。刀盘配有一个行程为50mm液压式可延伸超挖刀。超挖刀用于曲径开挖。刀盘上安装有刮刀，也可以装上双刃盘形刀。刀盘的后部装有两个拌合臂。 3、刀盘驱动刀盘驱动为全液压式，液压动力装置由三台315 kW电机驱动三台变量柱塞泵，安装在后配套上。3台油泵驱动8个液压马达。刀盘转速可以在0～6.1 rpm之间变化。刀盘驱动主要由以下部件组成：主轴承、密封支撑、环形法兰、密封接触环、内外密封系统、带轴承的小齿轮，带液压马达的齿轮箱。刀盘驱动液压系统是一个带有可控流量的闭式回路。它可以不同的速度在两个转动方向上操作。主轴承是一个三维滚柱轴承，内啮合大齿圈是主轴承的一部分。带有不间断齿轮油添加和水冷却的8个液压马达驱动三级变速箱。驱动大齿圈的小齿轮装在滚子轴承上，可以消除重压下啮合几何结构偏移。小齿轮与变速箱相连，变速箱与液压马达相连。小齿轮或轴承腔由内外密封系统将工作面舱隔开。一个三道密封系统均有不间断的油脂润滑。这个三道密封都是耐用的网状加强型唇密封。油脂均匀地供给除了第三道唇密封由相邻的小齿轮箱里的油进行润滑。第二道和第三道唇封间有一个向后的开口以进行漏油检查。加固的连结环用来作为唇封的接触表面。 4、人舱双室人舱位于刀盘的脊部区。人员通过压力壁中的门进入工作面仓，人员可以从两个方向通过，而且相互独立地通过这两个分离的单室人员舱和出入门。可呼吸空气由后配套拖车上的空压机经过过滤后供给。 5、螺旋输送机螺旋输送机由伸缩筒、出碴筒、液压马达、螺旋轴、出碴闸门组成。螺旋输送机的最大弃碴粒径为300mm。在机器维修保养时，由滑动式出碴闸门将出碴筒关闭。滑动式闸门由液压油缸操纵，还有一个紧急功能是，如果断电，闸门可以自动关闭。在通常情况下，螺旋输送机的前端达到土舱内。螺旋输送机也可从土舱内缩回。 6、皮带输送机皮带输送机将碴土从螺旋输送机出碴口运到碴车里。它由皮带、驱动装置和卸碴站组成，适合曲线行走。橡胶皮带配有一个横向导板。 7、管片安装机管片安装机安装在尾盾后部，用来安装衬砌管片。管片安装机由行走横梁、框架、旋转架、带机械抓取系统的安装头等组成。操作员通过移动操作盒操纵管片安装机。 8、后配套系统后配套系统由后配套拖车及安装在拖车上的辅助设备组成，由盾构机牵引。拖车系统主要包括管片起重机（桥吊）、管片输送机、5节拖车。一号拖车装有主驱动液压动力站（带3000L液压油箱）、管片起重机、油脂泵站、控制室、皮带输送机。二号拖车装有用于推进油缸、管片安装机、螺旋输送机和辅助设备驱动的液压动力站；冷却和过滤站、注浆设备、吊机滑道、皮带输送机。三号拖车装有泡沫站、膨润土设备、吊机滑道、皮带输送机。四号拖车装有主配电箱、辅助配电箱、变压器、中压配电装置、吊机滑道、皮带输送机。五号拖车装有高压电缆卷筒、水管卷筒。 9、泡沫系统本系统用于泡沫的生产和控制，由泡沫箱、泡沫发生器、液体控制装置、气体控制装置、测量仪器、控制PC机、注入泵等组成。在泡沫发生器中，气体和液体进行机械混合产生泡沫。根据掘进速度和支撑压力参数等，向刀盘、开挖舱、螺旋输送机注入泡沫。 10、注浆系统隧道管片与围岩间的环形空隙通过四根注浆管连续注浆填满，为适应不同注入量，整个设备根据压力控制注入量。最小和最大注浆压力可以预先选择，以保证盾尾密封不会损坏，或避免在管片上有过度的压力及减小对围岩扰动。注浆系统使用两台KSP12型全液压双缸活塞注浆泵，每个泵有两个出口，共提供4个出口与尾盾注浆孔直接相连。泵送注浆量可以调整注浆系统可用手动或自动方式操作。在手动方式中，可以单独地选择四个注浆点的每一个，并通过控制板的开关启动该系统。在自动操作时，注浆泵活塞通过操作控制板上的分压器进行调整。 11、膨润土设备膨润土在现场拌合输送到4000升的储存罐中（至少供一个掘进循环）。通过1个30m3/h注入泵，经6个定向阀将膨润土泵送到开挖仓中的5个注浆点和螺旋输送机进口的1个注入点。从控制室控制膨润土设备。 12、管片模具共有6套管片模具，其中4套标准模具、1套左转弯型模具、1套右转弯型模具。每套管片模具有6块：3个标准块，2个倒楔形块，1个封顶块。模具由焊接的金属板和机械加工的模具元件构成。每块模具有1块底模，2块机械式侧壁，2块机械式前壁，1个周边接头关/开装置及4个夹紧装置，高精度的锥形中心调整器、前、侧壁及底模密封，2个带拉簧关闭装置的模具盖、包括前、侧密封，打开侧壁以检查模具和振捣器的观察孔，4 个用以起吊和运输模具悬挂点。每环重约 17吨。在底模下的横梁上，装有4个风动振捣器（封顶块只需有一个振动器）。 13、数据采集系统 1) 硬件（工业用计算机）处理器：主板Intel-奔腾处理器500MHz，时钟脉冲频率64MB RAM 总线： AT-PCI-母线磁道： ISA-和PCI-磁道，辅助的序列界面卡占用一个磁道大容量存储器：硬盘驱动20G字节网络：标准电源供应（200-250W）界面：2×串行RS232（UART16550），1×平行电子，键盘，VGA显卡显示器：标准-VGA或超级-VGA，最小640X480像数，最小256色。调制解调器：Modem(V.34带BZT认证)通过公共和内部电话网络进行远程维修和数据传递。调制解调器 RS232/V.24 an COM3 oder COM4 程序逻辑控制器电话电话电话远程PC机 PC主机图11：Φ6.25m土压平衡盾构机硬件连接原理图 PC机测量数据采集系统常常与SPC隧道机械连在一起，因此，在机械的工作情况方面，它和SPC的数据资料是一样的。而且，通过RS232/V.24与终端辅助站永远保持联接。除了数据储存以外，远程维修和遥控软件使从PC机上监测或掌握机器的进度有了可能。例如，在办公室，通过工地现场的内部电话网络。遥控就是从一地的PC机控制另一地的PC机。准备进入测量数据采集系统PC机的计算机为远程PC机，被进入的PC机如测量数据采集系统PC机称为主机。作为远程PC机的用户，就可以对主机上的信息进行采集，主机显示器上的图片也可在远程PC机显示，而不必要主机用户出现。当然，进入的权力可以限制到个别人或几个人，他们会受到口令的保护，它规定了进入权。 2) 程序说明测量数据采集任务可归纳为：“记录，处理，存储，显示和评估由盾构机产生的所有数据。”所有测量数据按预先设定频率连续记录和显示。然而，其仅能按固定次数进行记录。对于每个测量点，数据存储时间段可单独选择。显示盾构机操作方式的三个时间段为掘进、管片安装、停机。 3) 测量数据的采集和存储整个或部分隧道施工工作，通过记录的测量数据，对机器或机器上执行的整个工作过程的测量数据进行记录。程序逻辑控制器 PC机图12：SPC和PC之间的通讯联系一旦联系中或数据传输出现故障，测量数据采集显示屏上会显示详细故障信息，使用者就可以删除故障，仅仅有极小部分测量数据丢失。程序逻辑控制器 PC机图13：SPC和PC之间的联系受到干扰，出现的故障信息程序不仅仅记录实际的测量值（所谓的即时数据），也记录SPC的以下故障信息：电动机保护开关辅助联接、驱动马达温度监测、水冷却系统温度监测、液压油系统温度监测、滤芯污染、油位高、变压器温度监测。故障信息收到后将以普通文本显示，并在监视器上指出当前路径。 4) 数据显示所有记录下来的测量值都以曲线图形式显示在测量数据采集PC机监视器上。单个监视器内容按功能分组为：刀盘、盾构/注浆、材料运输、温度、后配套操作、测量值概述1-n、故障信息、信息。用户可以在这八个监视页之间进行转换，并接收操作室里显示测量值的拷贝。例如，指示器、数字显示器和曲线图显示的信号。相关操作得到了形象化的显示。输入元件为键盘、滑动调节器、旋转按纽，或者启动区。 14、SLS-T隧道导向系统盾构司机需要主机轴线相对于隧道设计线路（DTA）是如何定位和取向的连续不断的信息。在掘进速度为每分钟几厘米情况下，为使主机尽可能与设计隧道线路（DTA）相接近，司机必须立即得到关于其控制行为产生结果的反馈。SLS-T APD隧道导向系统与自动定位和隧道掘进软件一起向用户连续不断地提供关于TBM立体方位和走向的最新信息。因此，通过适当的转向控制，可将TBM控制在隧道线路（DTA）允许公差范围内。 SLS-T系统的主要基准点是由一个从激光经纬仪发射出的激光束提供，激光经纬仪安装在隧道较稳定区域洞壁或衬砌上，激光束发射距离为200米。 SLS-T自动定位系统主要由莱卡 TCA1101/ART/GUS64型激光经纬仪、黄色盒、电缆卷筒、ELS靶、工业用计算机、隧道掘进软件、调制解调器、控制盒、程序逻辑控制器、尾盾间隙自动测量[SLuM]控制元件等组成。四、盾构机的保养 1、液压油的选择当选择、补充液压油时，操作者须注意：所有产品应出自同一生产厂家，且应一直用相同品牌的油脂。如混用不同油脂会引起其物理性质的改变而使盾构机设备受损。如果液压油在不密封的条件下保存，注意桶壁和桶盖不能产生凝结水。防止水气从顶盖处漏进桶内。如油桶密封完好，将桶水平放置在通风状态良好的防水油布下。注意控制油桶周围的环境温度和湿度，尽量保持在供应商要求的范围内。 2、盾构用油脂用于油脂泵上的油脂，需先向其供应商咨询其是否可以用于泵送。所选用油脂应能用30MPa的压力的泵送而不会影响其性能。用途生产商牌号备注主密封 CONDAT HBW 可生物降解油盾尾密封 CONDAT WR 90（密封刷首次用）非生物降解油 WR 89（供注入用）主驱动齿轮装置 ARAL DEGOL BG 320 非生物降解油海瑞克公司推荐用： OMALA OIL 320 BP ENERGOL GR－XP 320 EDA FALCON CLP 320 ESSO SPARTAN EP 320 MOBIL MOBILGEAR 632 SHELL OMALA OIL 320 TEXACO MEROPA 320 传动系行星齿轮 ARAL DEGOL BG 320 非生物降解油海瑞克公司推荐用： OMALA OIL 320 BP ENERGOL GR－XP 320 MOBIL MOBIL GEAR 632 SHELL OMALA OIL 320 3、磨合保养（新机首次工作50小时后进行）系统名称保养内容备注液压系统滤清器更换滤清器刀盘驱动行星齿轮更换润滑油使用SHELL OMALA OIL 320 4、例行保养系统名称保养内容螺杆空压机开机前检测旋转传感器和油位，开机后检测泄漏和空压机温度。检查热交换器液位和储气罐。人舱条形记录器操作测试，确保有足够的纸，确保打印头工作正常。电话、压力计操作测试，必要时更换有缺陷的器具。加热元件清洁加热装置，操作测试。密封门检查、清洁，密封损坏时更换。盾尾清除盾尾底部注浆的残余物及其它异物。盾尾油脂系统控制阀操作测试。盾尾油脂泵使用测压计检查油脂泵，正确时显示器来回摆动。空气滤清装置排水、清洁过滤器，必要时更换滤芯。刀盘拆卸工具检查磨损和撕裂，必要时更换。旋转接头密封检查是否有液体泄漏，有泄漏时立即停止前进。刀盘驱动温度传感器清理传感器上的污染物或沉积物。主轴承检查油位、检查泄漏腔是否有液体，检查油脂分配泵。驱动密封检查润滑嘴、润滑内密封、清除内密封区的脏物和液体。螺旋输送机检查驱动密封是否有液体泄漏。管片安装机检查并清洁拼装机轨道，检查警示灯和警示喇叭注浆泵检查液压、水电供应、润滑抽吸装置和压力阀油缸；检查流量、油位和水仓和污染情况、油脂搅拌器轴承。液压油箱检查油位。膨润土泵检查油脂填充盒和密封垫紧度，必要时调整或更换。液压管路测试气密性，检查软管的磨损。风管箱清洁风管和软管，检查钢丝绳卡。电动机和油泵检查轴承的声音、温度和密封，更换损坏的部件。 5、每周保养系统名称保养内容刀盘旋转接头用润滑脂枪给轴承注油刀盘驱动主轴承检测油的污染程度、含水量刀盘驱动行星齿轮噪声检查、油位检查盾壳推进油缸润滑关节轴承盾壳空压站自动保压调节装置激活待机状态的压缩空气调节器螺旋输送机变速器检查油位螺旋输送机轴承、后门、伸缩导向润滑管片安装机润滑脂嘴用润滑脂枪注油管片吊机检查紧固程度，轴承上油。检查电缆。管片输送车轴承和滑动表面上油后配套系统螺杆空压机检查油位、泄漏和温度，检查冷凝水污染。注浆泵检查固定装置、测试轴向净空和转动轴密封液压油缸润滑球头轴承液压油箱油位开关操作测试液压油过滤器检查泄漏、检查污染指示器及压力开关皮带输送机检查直线排水、各滚子的转动、刮板磨损。 6、每月保养系统名称保养内容备注压力舱门通过润滑脂嘴润滑铰链多用途润滑脂： NLGI Class 2 人舱通过润滑脂嘴润滑门上铰链刀盘驱动行星齿轮检查螺栓的紧固程度刀盘驱动马达检查冷却水流速、散热情况螺旋输送机的螺旋管用超声探测仪检查壁厚气体保护Samson维护装置检查并清洁污物管片安装机轴承检查轴承的紧固螺栓应急灯电池检测充电值和电量内燃空压机润滑控制杆、接头，检查紧固情况螺杆空压机检查皮带、换油、更换机油过滤器注浆压力表及传感器检查工作情况、测量范围风管吊车/泡沫箱吊车润滑卷扬机钢缆、链条、轴承门架式拖车的轮子润滑调节螺栓和轮轴 NLGI Class 2 液压蓄能器检查氮气压力、必要时添加皮带输送机检查变速器油位，皮带张力；润滑轴承 7、每季保养系统名称保养内容备注刀盘驱动主轴承抽取油样，测试油的污染程度和含水量刀盘驱动行星齿轮抽取油样，检测油的质量，必要时更换 OMAIL OIL 320 后配套吊装装置检查链条及悬挂卸扣的变形和磨损多线油脂泵更换齿轮油 OMAIL OIL 320 液压油箱抽取油样，测试油的污染程度和含水量后配套空压机更换空滤器、油滤器，检测溢流阀，紧固电气接头。膨润土泵润滑轴承 8、每半年保养系统名称保养内容备注刀盘驱动主轴承更换齿轮油 OMAIL OIL 320 刀盘驱动行星齿轮更换齿轮油 OMAIL OIL 320 液压系统马达用电动机润滑轴承液压油滤清器更换滤芯皮带输送机检查并清洁工作部件后配套空压机溢流阀用压缩空气清洁溢流阀电缆卷筒检查变速器油位、链条张力并润滑吊车检查电气开关和电气设备 9、每年度保养系统名称保养内容备注注浆泵进行安全检查，检查主轴密封后配套空压机更换空滤器，检查分离器，换油电缆卷筒润滑卷筒主轴承，更换变速箱齿轮油变压器检查接头的紧固，用干燥压缩空气清洁灰尘。皮带输送机更换齿轮油 OMAIL OIL 320 吊车进行操作安全检查

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