盾构机结构.doc

上海吉原公司 培训讲稿
盾构机技术讲座

一. 盾构机结构（EPB总体结构图）
盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能，目前，盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。其优点如下:
1. 不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。
2. 能够经济合理地保证隧道安全施工。
3. 盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输控制信息化。
4. 掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。
5. 地面环境不受盾构施工的干扰。
其缺点为：
1. 盾构机械造价较高。
2. 在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。
3. 隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。
4. 设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。
盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。
为适应各种不同类型土质及盾构机工作方式的不同，盾构机可分为三种类型、四种模式：
三种类型：
（1） 软土盾构机；
（2） 硬岩盾构机；
（3） 混合型盾构机。
四种模式：
（4） 开胸式；
（5） 半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）；
（6） 闭胸式（土压平衡式）；
（7） 气压式。
软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。
硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。
混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。
气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。

模式 型

软土盾构机
硬岩盾构机
混合盾构机
土压平衡
泥水加压
开胸式
★

★
★
半开胸式
★

★
★
闭胸式
★
★
★
★

以下以海瑞克公司在广州地铁使用的典型土压平衡式盾构机为

例：

盾构机总图
总体外形尺寸：F6280X75000mm
总质量：520t
装机总功率：1744.6KW
最大掘进速度：80mm/min
第一节：主机结构（盾体及刀盘结构）
断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为：S335J2G3。主要由已下部分构成：
刀盘、主轴承、前体、中体、推进油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机。
主机外形尺寸：7565mm（L）ＸF6250（前体）ＸF6240（中体）ＸF6230（盾尾）
质量：刀盘57t 前体92t 中31.4t 盾尾26t 主轴承6.64t 人舱4t 管片安装机18.6t
总质量约：236T。（不含各系统设备质量）
功能:实现对岩土的开挖、推进、一级出渣、管片安装。

盾构机主机结构图

(一) 刀盘

硬岩盘口部分
开挖直径6280mm

刀盘是盾构机的核心部件，其结构形软岩刀盘
式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难。不同的地质情况和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。
盾构机刀盘应满足以下要求：
（1） 刀盘应有足够的强度和刚度。
（2） 刀盘应有较大的开口率。
（3） 针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。
（4） 刀盘结构应有足够的耐磨强度。
（5） 刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。
（6） 刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀。以满足刀具的冷却、润滑和渣土改良。
1. 下面是海瑞克公司的刀盘结构和参数：结构形状：平面圆角形刀盘。铸造和焊接混合型。
外形尺寸：F6280mm F6130mm（刀圈外经）Ｘ1410mm总厚（刀盘厚580mm）
刀盘质量：57000kg
开口率：28%
超挖刀行程：50mm
刀盘转速：0-6.1r/min 最大扭矩：I-4500KN.mm II-1970KN.mm 脱困扭矩：5300KN.mm
结构：刀盘前端面有8条辐板（开有8个对称的长条孔），其上配有滚刀（齿刀）座、刮刀座和2根搅拌棒，刀盘与驱动装置是用法兰连接，法兰与刀盘之间是靠四根粗大的辐条相连。为保证刀盘的抗扭强度和整体刚度，刀盘中心部分、辐条和法兰是采用整体铸造，周边部分和中心部分采用先拴接后焊结的方式连接。（以前该件需从国外进口，现在已国产化）。为保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性，刀盘的周边焊有耐磨条，面板上焊有栅格状的Hardox耐磨材料。刀盘上装有4路泡沫管并分8个出口，各口都装有单向阀。装有塔形滚刀超挖刀一套，配油管2根,其行程为：50mm。刀盘上可装双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，正面齿刀64把。边缘齿刀16把。
2. 刀具的配置：
刀具的结构、材料及其在刀盘上的数量和位置关系直接影响到掘进速度和使用寿命。不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的。
（1） 刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。

单刃滚刀结构图

双刃滚刀结构图

刀具形式

双刃中心刀
用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀
数量：4
单刃滚刀
用于硬岩掘进
刀刃距刀盘面175mm，掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动，可换装齿刀。
数量：31
中心齿刀
用于软土掘进，替换滚刀，更换后可以增加刀盘中心部分的开口率。
数量：4

窄齿刀
用于软土掘进。其结构形式有利于碴土流动进入土仓
数量：19
切刀
软土刀具，图示斜面结构利于软土切削中的导渣作用。
同时可用做硬岩掘进中的刮渣。
数量：64
弧形刮刀
刀盘弧形周边软土刀具，斜面结构，利于碴土流动。
同时在硬岩掘进下可用作刮渣
数量：16

仿形刀
用于局部扩大隧道断面
数量：1

（2） 刀具的破岩机理：
分软岩切削机理和硬岩破岩机理。软岩切削机理是刀具对土层的挤压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削效果。
软土刀具切削机理示意图

硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采用滚刀的滚动对岩石挤压产生的剪切力和（冲击力）碾碎岩石的机械破岩方法。要实现连续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀滚动的水平推力。正压力是来自于盾构的推进力，水平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。所以滚刀破岩要想达到满意效果，必须满足两个条件：
① 工作面的岩层要有一定强度；
② 滚刀的启动扭矩要小。
因为以下因素很难满足以上条件：
① 地质因素；
② 滚刀的制造质量及工艺；
③ 滚刀质量一致性；
④ 开挖模式问题。

滚刀滚压破岩示意图
1、断裂体 2、碎断体 3、密实承载体

（3） 刀具配置的差异性
刀具配置的差异性表现在滚刀和刮刀的配置数量和高等级组合高度差等方面。
配置差异表
制造商
参数
海瑞克公司
维尔特公司
三菱公司
滚刀启动扭矩/mm
20-50
50-80
30-50
滚刀直径/in
17
17
13或17
滚刀磨损量限制/mm
20（刀圈厚70）
30（刀圈厚80）
20
边缘滚刀高度/mm
高出盾壳15-20
高出盾壳15-20
高出盾壳15-20
中心滚刀高度/mm/把数
175/8
110/10
110/8
正面滚刀高度/mm/把数
175/30
110/25
110/30
切刀高度/mm/把数
140/（32X2）
70（37X2）
70/（30X2）
刮刀高度/mm/把数
140/16
---
70/42
刀盘先行刮刀
无，滚动与刮刀互换
无，滚动与刮刀互换
90, 滚动与刮刀互换

刀具的高度差及组合高度差对开挖的影响：
① 刀具高对防结泥饼有利。
② 刀具的高度差大有利于破岩。
（4） 滚刀与滚刀之间的刀间距。
滚刀的刀间距也是影响破岩能力的关键因素。刀间距过大会在两刀之间出现破岩的盲区而形成“岩脊”。刀间距过小会将岩体碾成小碎块，降低破岩功效。目前，刀盘边缘部分的刀间距一般都小于90mm,正面刀具的刀间距一般在100mm,有的在115-120

刀间距示意图

(二) 前体
前体又叫切口环，是开挖土仓和挡土部分，位于盾构的最前端，结构为圆筒形，前端设有刃口，以减少对底层的扰动。在圆筒垂直于轴线、约在其中段处焊有压力隔板，隔板上焊有安装主驱动、螺旋输送机及人员舱的法兰支座和四个搅拌棒，还设有螺旋机闸门机构及气压舱（根据需要），此外，隔板上还开有安装5个土压传感器、通气通水等的孔口。不同开挖形式的盾构机前体结构也不相同。
举例参数：F6250mm（直径）X1700mm（长度）X60mm（板厚）X57t（质量）

前体结构示意图
1. 主驱动装置
主驱动装置由主轴承、八个液压驱动马达、八个减速器及主轴承密封组成，轴承外圈通过连接法兰用螺丝与前体固定，内（齿）圈用螺丝和刀盘连接，借助液压动力带动液压马达、减速器、轴承内齿圈直接驱动刀盘旋转。主轴承设置有三道唇形外密封和两道唇形内密封，外密封前两道采用永久性失脂润滑来阻止土仓内的渣土和泥浆渗入，后一道密封是防止主轴承内的润滑油渗漏。内密封前一道阻止盾体内大气尘土的侵入，后一道防止主轴承内润滑油的外渗。
举例参数：最大扭矩：I-4500KN.m II-1970KN.m 脱困扭矩：5300KN.m
输出转速：0-6.1r/min 主轴承外径：F2600mm 质量：6.64t 寿命：10000h

主驱动结构图

(三) 中体
中体结构示意图

中体又叫支承环是盾构的主体结构，承受作用于盾构上的全部载荷。是一个强度和刚性都很好的圆形结构，地层力、所有千斤顶的反作用力、刀盘正面阻力、盾尾铰接拉力及管片拼装时的施工载荷均由中体来承受。中体内圈周边布置有盾构千斤顶和铰接油缸，中间有管片拼装机和部分液压设备、动力设备、螺旋输送机支承及操作控制台。有的还有行人加、减压舱。中体盾壳上焊有带球阀的超前钻预留孔，也可用于注膨润土等材料。
举例参数：F6240mm（直径）X2580mm（长度）X40mm（板厚）X31.4t（质量）
1. 人员舱
人员舱是在需要压缩空气以平衡盾构围岩的水土压力，以保持作业面的稳定作业时使用。实现操作人员在气压状态下检查、更换刀具及排除工作面异物等工作。人员舱分普通（主）舱和紧急舱，它们由密封的压力门隔开。普通舱和盾构前体上的中间舱之间用法兰连接，而中间舱直接焊接在压力隔板上。通过隔板上的压力门就可以进入土仓。
普通舱和紧急舱横向连接，舱内舱外都装有
时钟、温度计、压力计、电话、记录仪、加 人员舱结构示意图
压阀、减压阀、溢流排气阀即水路、照明系统。紧急舱的作用是在压缩空气工作时和出现紧急情况时的出入。
进入人员舱的工作人员必须经过身体检查及专业培训，并取得劳动部门的相关资质，在进行加压和减压作业时要严格遵循加压、减压规程，一般参照美国海军潜水规程。
推进油缸分区示意图
举例参数：结构 双舱型、1800mm（长）X2550mm（宽）X1600mm （高）；
工作压力：0.3Mpa
实验压力：0.45Mpa
容纳人数：普通舱3人、紧急舱2人。
2. 推进油缸
盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力。推进机构包括30个推进油缸和推进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的区域分为四组，每组7~8个油缸。通过调整每组油缸的不同推力来对盾构进行纠偏和调向。油缸后端的球铰支座顶在管片上以提供盾构前进的反力，球铰支座可使支座与管片之间的接触面密贴，以保护管片不被损坏。
推进系统油缸的分组如图4-7-4所示，其中红色位置的油缸安装有位移传感器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。

举例参数
油缸数量：30（单、双缸各10组）；
油缸尺寸：F220mmXF180mmX2000mm；
工作压力：30Mpa
最大工作压力：35Mpa
总推力；34210KN；
最大推力：39890KN
最大伸出速度：80mm/min（空载）
最大缩回速度：1400mm/min
3. 铰接油缸
为了使盾构在掘进时能够灵活的进行姿态调整及小曲线半径掘进时能够顺利通过，必须减少盾构的长径比。它是通过铰接油缸把盾构的中体和盾尾相连接来实现的。铰接系统包括十四个铰接油缸和预紧式铰接密封。铰接油缸一般处于保持位置，盾尾在主机的拖动下被动前进。当盾构转弯时，油缸也应处于保持位置，盾尾可以根据调向的需要自动调整位置。
举例参数
油缸数量：14
]油缸尺寸：F180mmXF80mmX150mm
工作压力：30Mpa
牵引力：7340KN
(四) 盾尾及盾尾密封
盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，通过交接油缸与中体相连，并装有预紧式铰接密封。铰接密封和盾尾密封装置都是为防止水、土及压注材料从盾尾进入盾构内。为减小土层与管片之间的空隙，从而减少注浆量及对地层的扰动，盾尾做成一圆筒形薄壳体，但又要能同时承受土压和纠偏、转弯时所产生的外力。盾位的长度必须根据管片的宽度和形状及盾尾密封的结构和道数来决定。另外在盾尾壳体上合理的布置了8根盾尾油脂
注入管和4根同步注浆管。 盾尾结构示意图
盾尾密封示意图
由于施工中纠偏的频率较高，盾尾密封要求弹性好，耐磨、防撕裂，能充分适应盾尾与管片间的空隙，盾尾结构示意图一般采用效果较好钢丝刷加钢片压板结构。钢丝刷中充满油脂，既有弹性又有塑性。盾尾密封的道数要根据隧道埋深、水位高低来定，一般为2-3道。
举例参数：F6230mm（外径）X3285mm（长度）X40mm（板厚）X26t（质量）密封抗压：0.5MPa

(五) 螺旋输送机

螺旋输送机结构示意图
螺旋输送机叶片

螺旋输送机驱动

螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要部件。其作用是：
（1） 是掘进渣土排出的唯一通道；
（2） 掘进时通过螺旋机内形成的土塞建立密封前方土仓内的压力，有效地抵御地下水。螺旋输送机既要出土效率高，又要在喷涌时起到土塞作用，所以在螺旋器的结构分：有心轴式和无心轴式，为达到土塞目的，在螺旋带上设一段空段或反向螺旋带。螺旋带的支撑采用单侧轴承悬臂支承法，前端依靠渣土的悬浮力支承和平衡。在螺旋器壳体内和螺旋带的前端均焊有耐磨合金条或耐磨合金粒，以保证其使用寿命。螺旋输送机还设置了前、后端两个闸门，以控制其出土速度和建立、维持密封土仓内的土压平衡。为使前端闸门能够自由关闭，采用了螺旋带可前后伸缩，行程为：1000mm。螺旋机壳体上还设有4个注入孔，可注水、泡沫和膨润土以减少出土阻力。有的在排渣口设置渣土与泥水分离装置或容积是排放装置，尽量使泥水不掉下污染隧道。
螺旋输送机由液压马达减速装置驱动，驱动装置与螺旋输送机采用球形铰接，以适应螺旋轴的自由摆动。为防止渣土的侵入，其输出端采用了与主轴承外密封相同的结构，并自动注脂。螺旋机转速范围可以在0~22rpm内无级调速，控制出土量很方便。调节螺旋输送机的出土速度是控制土仓压力的重要方法之一。
举例参数：形式：一端悬浮中心轴式、外径：F900mm、导程：600mm、驱动功率：315KW、最大扭矩：215kN.m、转速：0-22.4r/min(无级调速)、最大出土能力：300m3/h、最大通过块度：300mm、闸门耐压：0.3MPa（液压式）、
(六) 管片安装机构
管片安装机结构示意图
管片安装机由：大梁、支承架、旋转架及拼装头组成。大梁以悬臂梁的形式安装在盾构中体的支承架上，支承架通过行走轮可纵向移动，旋转架通过大齿圈绕支承架回转，旋转架上装有两个提升油缸用以实现对拼装头的提升和横向摆动，拼装头与铰接的方式安装在旋转架的提升架上，安装头上装有两个油缸，用以控制安装头的水平和纵向两个方向上的摆动。其结构如图所示。管片安装机的控制方式有遥控和线控两种，均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协调动作把管片安装到准确的位置。
管片安装机由单独的液压系统提供动力，管片安装机通过液压马达和液压缸实现对管片前后、上下移动、旋转、俯仰等六个自由度的调整，且各动作的快慢可调，从而使管片拼装灵活，就位准确。
举例参数：自由度：6、旋转架旋转角度：±200°（旋转速度可调）、回转力矩：150kN.m举升行程X质量X速度：1000mmX12tX(0-80mm/s)、纵向移动行程X推力X速度：2000mmX5tX(0-80mm/s)、安装头水平摆动X纵向垂直摆动X横向垂直摆动：±2.5°X±2.5°X±2.0°、驱动功率：55KW、质量：18.6t
(七) 皮带输送机
皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车里。皮带机由皮带机支架、前随动轮、后主动轮、上下托轮、皮带、皮带张紧装置、皮带刮泥装置、和带减速器的驱动电机等组成。安装布置在后配套连接桥和拖车的上面。为安全起见，其上设有3处急停开关。
举例参数：驱动形式：电机、皮带机长度：45m、皮带宽度：800mm、皮带运行速度：2.5m/s、最大输送能力：750m3/h、电机功率：30KW、
(八) 拖车
盾构的拖车属门架结构，用以安放液压泵站、注浆泵、砂浆罐及电气设备等。拖车行走在钢轨上，拖车之间用拉杆相连。每节拖车上的安装设备如下表：
拖车号
主要安装设备
连接桥
皮带机随动轮及接渣支架装置、管片吊机、
1
控制室、注浆泵、砂浆罐、小配电柜、泡沫发生装置
2
主驱动系统泵站、膨润土罐及膨润土泵
3
主配电柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站
4
两台空压机、风包、主变压器、电缆卷筒
5
内然空压机、水管卷筒、通风机、皮带机出料装置
皮带机从五节拖车的上面通过，在5号拖车的位置处卸碴。绝大部分的液压管、水管、泡沫管及油脂管从拖车内通过到盾构主机。
在拖车的一侧铺设有人员通过的通道。拖车和主机之间通过一个连接桥连接，拖车在盾构机主机的拖动下前行。
(九) 液压系统
统及盾构的液压系统包括主驱动、推进系统（包括铰接系统）、螺旋输送机、管片安装机及辅助液压系统。
主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站，安装在二号拖车上。主驱动系统和螺旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统，这样可以保证液压系统的高效率及系统的清洁。推进系统和管片安装机泵站安装在盾壳内。
盾构的液压系统元器件全部采用国际知名品牌的产品，泵和马达绝大部分采用力士乐的产品，阀主要采用力士乐、哈威等国际知名公司的产品。合理的设计系可靠的元器件质量，充分保证了液压系统的可靠性。
(十) 注脂系统
注脂系统包括三大部分：主轴承密封系统，盾尾密封系统和主机润滑系统。三部分都以压缩空气为动力源，靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位。
主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量（次／分），并可以从外面检查密封系统是否正常。盾尾密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制，对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控。
当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号，并锁定操作系统，直到重新换上油脂。这样可以充分保证油脂系统的正常工作。
(十一) 碴土改良系统
盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者共用一套输送管路，在1号拖车处相接。
泡沫及膨润土系统示意图
(十二) 泡沫系统
盾构机配有一套泡沫发生系统，用于对碴土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成，
其工作原理如图所示。
(十三) 膨润土系统
盾构机还准备加装一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。
根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。膨润土只应用在一些特殊的工程下。
(十四) 注浆系统
盾构机采用同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。
盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，它将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据。

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