盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)簡介【研究材料】

1、,第二節(jié) 盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)簡介,盾構(gòu)是一個具備多種功能于一體的綜合性隧洞開挖設(shè)備,它集和了盾構(gòu)施工過程中的開挖、出土、支護(hù)、注漿、導(dǎo)向等全部的功能，目前，盾構(gòu)機(jī)已成為地下交通工程及隧道建設(shè)施工的首選設(shè)備被廣泛使用,優(yōu)點, 不受地面交通、河道、航運、季節(jié)、氣候等條件的影響。 能夠經(jīng)濟(jì)合理地保證隧道安全施工。 盾構(gòu)的掘進(jìn)、出土、襯砌、拼裝等可實行自動化、智能化和施工運輸控 制信息化。 掘進(jìn)速度較快，效率較高，施工勞動強(qiáng)度較低。 地面環(huán)境不受盾構(gòu)施工的干擾。,缺點, 盾構(gòu)機(jī)械造價較高。 在飽和含水的松軟地層中施工地表沉陷風(fēng)險大。 隧道曲線半徑過小或埋深較淺時難度較大。 設(shè)備的轉(zhuǎn)移、運輸、安裝及場地布置等較

2、復(fù)雜。,為適應(yīng)各種不同類型土質(zhì)及盾構(gòu)機(jī)工作方式的不同，盾構(gòu)機(jī)可分為三種類型、四種模式：,三種類型： 軟土盾構(gòu)機(jī)； 硬巖盾構(gòu)機(jī)； 混合型盾構(gòu)機(jī)。,四種模式：圖2-1 盾構(gòu)機(jī)總圖 開胸式； 半開胸式（半閉胸式、欠土壓 平衡式）； 閉胸式（土壓平衡式）； 氣壓式。,圖2-1 盾構(gòu)機(jī)總圖,圖2-2 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖,（一）刀盤,刀盤是盾構(gòu)機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度和整體剛度都直接影響到施工掘進(jìn)的速度和成本，并且出了故障維修處理困難。,常見的結(jié)構(gòu)有：平面圓角刀盤、平面斜角刀盤、平面直角刀盤。,盾構(gòu)機(jī)刀盤應(yīng)滿足以下要求： 刀盤應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。 刀盤應(yīng)有較大的開口率。 針對地層的變化，能夠方便地更

3、換硬巖滾刀和軟巖齒刀。 刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的耐磨強(qiáng)度。 刀盤上應(yīng)配置足夠的渣土攪拌裝置。 刀盤上應(yīng)配置足夠的注入口，各口并裝有單向閥。以滿足刀具的冷卻、潤滑和渣土改良。,圖2-3 刀盤,（1）下面是海瑞克公司的刀盤結(jié)構(gòu)和參數(shù)：結(jié)構(gòu)形狀：平面圓角形刀盤。鑄造和焊接混合型。 外形尺寸：F6280mm F6130mm（刀圈外經(jīng)）1410mm總厚（刀盤厚580mm）刀盤質(zhì)量：57000kg開口率：28% 超挖刀行程：50mm 刀盤轉(zhuǎn)0-6.1r/min 最大扭矩：I-4500KN.mm II-1970KN.mm 脫困扭：5300KN.mm 結(jié)構(gòu)：刀盤前端面有8條輻板（開有8個對稱的長條孔），其上配有滾刀

4、（齒刀）座、刮刀座和2根攪拌棒，刀盤與驅(qū)動裝置是用法蘭連接，法蘭與刀盤之間是靠四根粗大的輻條相連。為保證刀盤的抗扭強(qiáng)度和整體剛度，刀盤中心部分、輻條和法蘭是采用整體鑄造，周邊部分和中心部分采用先拴接后焊結(jié)的方式連接。（以前該件需從國外進(jìn)口，現(xiàn)在已國產(chǎn)化）。為保證刀盤在硬巖掘進(jìn)時的耐磨性，刀盤的周邊焊有耐磨條，面板上焊有柵格狀的Hardox耐磨材料。刀盤上裝有4路泡沫管并分8個出口，各口都裝有單向閥。裝有塔形滾刀超挖刀一套，配油管2根,其行程為：50mm。刀盤上可裝雙刃滾刀4把，單刃滾刀31把，正面齒刀64把。邊緣齒刀16把。,（2）刀具的配置： 刀具的結(jié)構(gòu)、材料及其在刀盤上的數(shù)量和位置關(guān)系直接

5、影響到掘 進(jìn)速度和使用壽命。不同的地層條件對刀具的結(jié)構(gòu)和配置是不相同的。, 刀具種類,圖2-4 單刃滾刀結(jié)構(gòu)圖,圖2-5 雙刃滾刀結(jié)構(gòu)圖,雙刃中心刀,單刃滾刀,中心齒刀,窄齒刀,切刀,弧形刮刀,仿形刀, 刀具的破巖機(jī)理：,分軟巖切削機(jī)理和硬巖破巖機(jī)理。軟巖切削機(jī)理是刀具對土層的擠壓所產(chǎn)生的剪切力來破壞土層而達(dá)到切削效果。,圖2-6 軟土刀具切削機(jī)理示意圖,滾刀破巖要想達(dá)到滿意效果，必須滿足兩個條件： a.工作面的巖層要有一定強(qiáng)度； b.滾刀的啟動扭矩要小。 因為以下因素很難滿足以上條件： a.地質(zhì)因素； b.滾刀的制造質(zhì)量及工藝；,c.滾刀質(zhì)量一致性； d.開挖模式問題。, 刀具配置的差異性,

6、刀具配置的差異性表現(xiàn)在滾刀和刮刀的配置數(shù)量和高等級組合高度差等方面。 刀具的高度差及組合高度差對開挖的影響： a.刀具高對防結(jié)泥餅有利。b.刀具的高度差大有利于破巖。,表2-2 配置差異表, 滾刀與滾刀之間的刀間距,圖2-8 刀間距示意圖,滾刀的刀間距也是影響破巖能力的關(guān)鍵因素。刀間距過大會在兩刀之間出現(xiàn)破巖的盲區(qū)而形成“巖脊”。刀間距過小會將巖體碾成小碎塊，降低破巖功效。,刀盤邊緣部分的刀間距 一般都小于90mm, 正面刀具的刀間距一般在100mm, 有的在115-120mm。,（二）前體,前體又叫切口環(huán)，是開挖土倉和擋土部分，位于盾構(gòu)的最前端，結(jié)構(gòu)為圓筒形，前端設(shè)有刃口，以減少對底層的擾動

7、,圖2-9 前體結(jié)構(gòu)示意圖,在圓筒垂直于軸線、約在其中段處焊有壓力隔板，隔板上焊有安裝主驅(qū)動、螺旋輸送機(jī)及人員艙的法蘭支座和四個攪拌棒，還設(shè)有螺旋機(jī)閘門機(jī)構(gòu)及氣壓艙（根據(jù)需要），此外，隔板上還開有安裝5個土壓傳感器、通氣通水等的孔口。不同開挖形式的盾構(gòu)機(jī)前體結(jié)構(gòu)也不相同。,舉例參數(shù)：F6250mm（直徑）X1700mm（長度）X60mm（板厚）X57t（質(zhì)量）,（1）主驅(qū)動裝置,主驅(qū)動裝置由主軸承、八個液壓驅(qū)動馬達(dá)、八個減速器及主軸承密封組成，軸承外圈通過連接法蘭用螺絲與前體固定，內(nèi)（齒）圈用螺絲和刀盤連接，借助液壓動力帶動液壓馬達(dá)、減速器、軸承內(nèi)齒圈直接驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。,舉例參數(shù)：最大扭矩：I

8、-4500KN.m II-1970KN.m 脫困扭矩：5300KN.m 輸出轉(zhuǎn)速：0-6.1r/min 主軸承外徑：F2600mm 質(zhì)量：6.64t 壽命：10000h,圖2-10 主驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖,（三）中體,圖2-11 中體結(jié)構(gòu)示意圖,中體又叫支承環(huán)是盾構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，承受作用于盾構(gòu)上的全部載荷。是一個強(qiáng)度和剛性都很好的圓形結(jié)構(gòu)，地層力、所有千斤頂?shù)姆醋饔昧Α⒌侗P正面阻力、盾尾鉸接拉力及管片拼裝時的施工載荷均由中體來承受。中體內(nèi)圈周邊布置有盾構(gòu)千斤頂和鉸接油缸，中間有管片拼裝機(jī)和部分液壓設(shè)備、動力設(shè)備、螺旋輸送機(jī)支承及操作控制臺。,?,?,?,?,舉例參數(shù)：F6240mm（直徑）X2580mm（

9、長度）X40mm（板厚）X31.4t（質(zhì)量）,（1）人員艙,人員艙是在需要壓縮空氣以平衡盾構(gòu)圍巖的水土壓力，以保持作業(yè)面的穩(wěn)定作業(yè)時使用。,圖2-12 人員艙結(jié)構(gòu)示意,舉例參數(shù)：結(jié)構(gòu) 雙艙型、 1800mm（長）X2550mm（寬）X1600mm（高）； 工作壓力：0.3Mpa 實驗壓力：0.45Mpa 容納人數(shù)：普通艙3人、緊急艙2人,。,圖2-13 推進(jìn)油缸分區(qū),圖2-14 推進(jìn)系統(tǒng)油缸分組圖,（2）推進(jìn)油缸,盾構(gòu)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)提供盾構(gòu)向前推進(jìn)的動力。推進(jìn)機(jī)構(gòu)包括30個推進(jìn)油缸和推進(jìn)液壓泵站。推進(jìn)油缸按照在圓周上的區(qū)域分為四組，每組78個油缸。,（3）鉸接油缸,為了使盾構(gòu)在掘進(jìn)時能夠靈活的進(jìn)行

10、姿態(tài)調(diào)整及小曲線半徑掘進(jìn)時能夠順利通過，必須減少盾構(gòu)的長徑比。它是通過鉸接油缸把盾構(gòu)的中體和盾尾相連接來實現(xiàn)的。鉸接系統(tǒng)包括十四個鉸接油缸和預(yù)緊式鉸接密封。鉸接油缸一般處于保持位置，盾尾在主機(jī)的拖動下被動前進(jìn)。當(dāng)盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時，油缸也應(yīng)處于保持位置，盾尾可以根據(jù)調(diào)向的需要自動調(diào)整位置。,舉例參數(shù) 油缸數(shù)量：14 油缸尺寸：F180mmXF80mmX150mm 工作壓力：30Mpa 牽引力：7340KN,（四）盾尾及盾尾密封,圖2-16 盾尾密封示意圖,圖2-15 盾尾結(jié)構(gòu)示意圖,盾尾主要用于掩護(hù)隧道管片拼裝工作及盾體尾部的密封，通過交接油缸與中體相連，并裝有預(yù)緊式鉸接密封。鉸接密封和盾尾密封裝置都

11、是為防止水、土及壓注材料從盾尾進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)。為減小土層與管片之間的空隙，從而減少注漿量及對地層的擾動，盾尾做成一圓筒形薄殼體，但又要能同時承受土壓和糾偏、轉(zhuǎn)彎時所產(chǎn)生的外力。盾位的長度必須根據(jù)管片的寬度和形狀及盾尾密封的結(jié)構(gòu)和道數(shù)來決定。,由于施工中糾偏的頻率較高，盾尾密封要求彈性好，耐磨、防撕裂，能充分適應(yīng)盾尾與管片間的空隙，盾尾結(jié)構(gòu)示意圖一般采用效果較好鋼絲刷加鋼片壓板結(jié)構(gòu)。鋼絲刷中充滿油脂，既有彈性又有塑性。,（五）螺旋輸送機(jī),圖2-18 螺旋輸送機(jī)葉片,圖2-17 螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,螺旋輸送機(jī)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的重要部件。其作用是： 掘進(jìn)渣土排出的唯一通道； 掘進(jìn)時通過螺旋機(jī)內(nèi)形成的土

12、塞建立密封前方土倉內(nèi)的壓力，有效地抵御地下水。,螺旋輸送機(jī)由液壓馬達(dá)減速裝置驅(qū)動，驅(qū)動裝置與螺旋輸送機(jī)采用球形鉸接，以適應(yīng)螺旋軸的自由擺動。為防止渣土的侵入，其輸出端采用了與主軸承外密封相同的結(jié)構(gòu)，并自動注脂。螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速范圍可以在022rpm內(nèi)無級調(diào)速，控制出土量很方便。調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的出土速度是控制土倉壓力的重要方法之一。,圖2-19 螺旋輸送機(jī)驅(qū)動,舉例參數(shù)：形式：一端懸浮中心軸式、外徑：F900mm、導(dǎo)程：600mm、驅(qū)動功率：315KW、最大扭矩：215kN.m、轉(zhuǎn)速：0-22.4r/min（無級調(diào)速）、最大出土能力：300m3/h、最大通過塊度：300mm、閘門耐壓：0.3MPa（液

13、壓式）。,（六）管片安裝機(jī)構(gòu),管片安裝機(jī)由：大梁、支承架、旋轉(zhuǎn)架及拼裝頭組成。大梁以懸臂梁的形式安裝在盾構(gòu)中體的支承架上，支承架通過行走輪可縱向移動，旋轉(zhuǎn)架通過大齒圈繞支承架回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)架上裝有兩個提升油缸用以實現(xiàn)對拼裝頭的提升和橫向擺動，拼裝頭與鉸接的方式安裝在旋轉(zhuǎn)架的提升架上，安裝頭上裝有兩個油缸，用以控制安裝頭的水平和縱向兩個方向上的擺動。其結(jié)構(gòu)如圖所示。,圖2-20 管片安裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,（七）皮帶輸送機(jī),皮帶機(jī)用于將螺旋輸送機(jī)輸出的碴土傳送到盾構(gòu)后配套的碴車?yán)?。皮帶機(jī)由皮帶機(jī)支架、前隨動輪、后主動輪、上下托輪、皮帶、皮帶張緊裝置、皮帶刮泥裝置、和帶減速器的驅(qū)動電機(jī)等組成。安裝布置在后配

14、套連接橋和拖車的上面。為安全起見，其上設(shè)有3處急停開關(guān)。 舉例參數(shù)：驅(qū)動形式：電機(jī)、皮帶機(jī)長度：45m、皮帶寬度：800mm、皮帶運行速度：2.5m/s、最大輸送能力：750m3/h、電機(jī)功率：30KW。,（八）拖車,盾構(gòu)的拖車屬門架結(jié)構(gòu)，用以安放液壓泵站、注漿泵、砂漿罐及電氣設(shè)備等。拖車行走在鋼軌上，拖車之間用拉桿相連。每節(jié)拖車上的安裝設(shè)備如下表：,（九）液壓系統(tǒng),統(tǒng)及盾構(gòu)的液壓系統(tǒng)包括主驅(qū)動、推進(jìn)系統(tǒng)（包括鉸接系統(tǒng)）、螺旋輸送機(jī)、管片安裝機(jī)及輔助液壓系統(tǒng)。 主驅(qū)動系統(tǒng)和螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)共用一個泵站，安裝在二號拖車上。主驅(qū)動系統(tǒng)和螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)各自為一個獨立的閉式循環(huán)系統(tǒng)，這樣可以保證

15、液壓系統(tǒng)的高效率及系統(tǒng)的清潔。推進(jìn)系統(tǒng)和管片安裝機(jī)泵站安裝在盾殼內(nèi)。,（十）注脂系統(tǒng),注脂系統(tǒng)包括三大部分：主軸承密封系統(tǒng)，盾尾密封系統(tǒng)和主機(jī)潤滑系統(tǒng)。三部分都以壓縮空氣為動力源，靠油脂泵油缸的往復(fù)運動將油脂輸送到各個部位。 主軸承密封可以通過控制系統(tǒng)設(shè)定油脂的注入量（次分），并可以從外面檢查密封系統(tǒng)是否正常。盾尾密封可以通過PLC系統(tǒng)按照壓力模式或行程模式進(jìn)行自動控制和手動控制，對盾尾密封的注脂次數(shù)及注脂壓力均可以在控制面板上進(jìn)行監(jiān)控。 當(dāng)油脂泵站的油脂用完后油脂控制系統(tǒng)可以向操作室發(fā)出指示信號，并鎖定操作系統(tǒng)，直到重新?lián)Q上油脂。這樣可以充分保證油脂系統(tǒng)的正常工作。,（十一）碴土改良系統(tǒng),盾構(gòu)機(jī)配有兩套碴土改良系統(tǒng)：泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)。兩者共用一套輸送管路，在1號拖車處相接。,（十二）泡沫系統(tǒng) 盾構(gòu)機(jī)配有一套泡沫發(fā)生系統(tǒng)，用于對碴 土進(jìn)行改良。泡沫系統(tǒng)主要由泡沫泵、 高壓水泵、電磁流量閥、泡沫發(fā)生器、 壓力傳感器、管路組成，其工作原理 如圖所示,（十三）膨潤土系統(tǒng),盾構(gòu)機(jī)還準(zhǔn)備加裝一套膨潤土注入系統(tǒng)。在確定不使用泡沫劑的情況下，關(guān)閉泡沫輸送管道，同時將膨潤土輸送管道打開，通過輸送泵將膨潤土壓入刀盤、碴倉和螺旋輸送機(jī)內(nèi)，達(dá)到改良碴土地目的。 根據(jù)實際需要，可以把膨潤土箱內(nèi)裝入泥漿注入土倉