盾构知识精讲.ppt

城市轨道工程公司,中铁十一局集团,盾构知识精讲,盾构发展历史 及现状,盾构机的种类,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,泥水盾构与土压盾构的比较,主要内容,土压平衡盾构机施工掘进模式,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,2,盾构发展历史及现状,1、发展历史,1804年英国人L.Torevix着手泰晤士河隧道的准备。 1818年Brurel提出盾构工法，并获得专利。 1823年至1841年第一条盾构隧道泰晤士河隧道修建成功 1896年J.Price设计出接近现代盾构的机械盾构 1948年地铁施工中使用机械盾构（前苏联在列宁格勒）,3,盾构发展历史及现状,2、现状,（1）泥土、土压盾构技术的普及及推广，技术细节的完善、 改进及提高。 （2）特种盾构工法的相继问世。 （3）大口径、大深度、长距离、高速施工、高地下水压等各种施工措施方法的成功应用。,4,盾构发展历史及现状,3、我国的盾构历史,1954年、1957年分别在阜新、北京进行小口径盾构工法的尝试 1963年在上海进行网格式挤压盾构法的试验 1988年延安东路过江隧道建成（网格式盾构） 1994年延安东路过江隧道复线建成（泥水平衡盾构） 上世纪九十年代开始盾构工法在地铁施工领域中得到广泛的应用,5,盾构机的种类,敞口式盾构机 半敞口式盾构机 封闭式盾构机,6,盾构机的种类,传统型 盾构机 敞口式盾构机 半机械型 盾构机 机械型 盾构机 半敞口式盾构机 网格挤压式盾构机 泥水型 盾构机 封闭式盾构机 土压型 盾构机,7,泥水盾构与土压平衡盾构的比较,泥水盾构机压力平衡图,泥水平衡式盾构机是在泥水舱内注满泥浆，在开挖面上形成不透水的泥膜，利用泥浆作为开挖面的支护材料，并通过控制泥浆压力以平衡作用于开挖面的土压力和水压力来保证开挖面的稳定。泥浆的压力控制取决于气压腔内的气体压力。图所示增加了气压腔的泥水平衡式盾构机则可以在设定好泥浆进出口流量后，单独调整气压来实现控制泥浆压力，便于操作。,8,泥水盾构与土压平衡盾构的比较,土压盾构机压力平衡图,土压平衡盾构机是在土舱和螺旋输送机内充满切削下来的碴土，依靠盾构机推进油缸的推力给土舱内的碴土加压，进而使土压作用于开挖面以保持其稳定。土压盾构的支护材料是碴土本身。土压盾构适用于粘土、中软岩到卵石等地层，地下水丰富和压力较高时容易出现喷涌现象，土舱内压力不易控制。,9,泥水盾构与土压平衡盾构的比较,泥水盾构机渣土运输图,刀盘切削下来的土砂在刀盘旋转和搅拌机的作用下与新鲜泥浆均匀混合，并以泥浆形式输送到地面，然后通过泥水分离设备进行分离，形成可运输的碴土和可重新利用的泥浆。分离后的泥浆在经过质量调整后重新输送到开挖面。,10,泥水盾构与土压平衡盾构的比较,土压盾构机渣土运输图,刀盘切削下来的土砂通过螺旋输送机、皮带输送机输送至运输小车内，由运输小车送至吊土井处，通过龙门吊吊至地面的渣土坑内。,11,泥水盾构与土压平衡盾构的比较,泥水平衡盾构机优点,易于保持切面的压力。小面积下沉。 封闭系统。无地下爆发。 泥浆象润滑剂一样作用，只需很小的扭矩，对刀具的磨损很小。 能高效排放开挖土。 泥浆具有浮力，易于曲线段的开挖 。,土压平衡盾构机优点,带状螺旋可排放卵石，且对粘土层同样有效。 应用范围广，包括复合地层和冲积粘土 。 与需要造浆设备和分浆设备的泥浆型盾构机相比，此款盾构机只需要小型造浆设备 。 进行敞口式开挖时，能进行高效开挖，扭矩低，且对刀具和刀盘的磨损很小 。,12,泥水盾构与土压平衡盾构的比较,泥水平衡盾构机缺点,在渗水性很高的地基上，泥浆可能会流失，并导致缺乏有效的泥浆压力 。 要求具有泥浆运输和处理设施 。 如遇粘土层，则需要大型泥浆处理设施 。 由于泥浆排放孔和排放泵的堵塞而引起的刀盘仓压力的改变可使切削面变得很不稳定 设备造价较高、需要施工场地较大。,土压平衡盾构机缺点,在粘结力很小的高孔隙水压力下，很难维持压力，除非刀盘仓和螺旋输送机中填满了土壤和土壤调节剂 。 进行封闭式开挖时，刀盘在充满了弃土的情况下旋转时，在砂砾地层上尤其需要很高的扭矩，这样对刀具和刀盘的磨损就会很大 。 如果土壤调节剂不够，则需要高扭矩，且刀具和刀盘的磨损度很大 。,13,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,土压平衡盾构机由主机及后配套辅助系统构成。 主机包括：盾壳、刀盘、刀盘驱动系统、推进系统、螺旋输送机、管片安装器、盾尾密封装置和人行闸室。 后配套辅助系统包括：出碴系统、碴土改良系统、管片运输系统、隧道导向系统、数据采集和处理系统、同步注浆系统、液压泵站、注脂系统、控制系统、供电系统、压缩空气系统、冷却水系统、通风系统等。,14,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,15,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,一、盾壳,盾壳一般是一个用厚不锈钢板焊接成的圆柱筒体，是承受地下水、土压力、盾构千斤顶的推力及各种施工载荷的承力钢结构，同时也保护操作人员安全。盾构机所有系统都安装在盾体内。 盾壳沿长度方向分为前体、中体和后盾三部分。后盾尾端安装有盾尾密封装置。,16,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,一、盾壳,前体、中体和与之焊在一起的承压隔板作为刀盘驱动的支承,压力通过前盾作用到开挖面以稳定开挖面。前体同时也起到平衡由刀盘作用于土层而产生的力。 土仓用于存放切削下来的岩土，并由承压隔板将土仓与盾构机内部隔开。土仓内设有搅拌棒，以便于对注入土仓内的泡沫、膨润土等添加剂进行充分搅拌，对渣土进行改良。在土仓下部，有供螺旋输送机叶片进入的开口，在保养和维修螺旋输送机时，螺旋输送机可从开口退出，开口用卡门密封，以保证盾构机的密封和开挖面的稳定。 承压隔板可承受0.4Mpa的土压，其上装有刀盘主轴承、驱动装置、土压传感器、各种管路及气阀等，承压隔板上还有与人闸相连的仓门。当需要进入土仓进行排障及更换刀具时，应先向土仓加压以稳定开挖面，然后操作人员通过仓门进入土仓再进行工作。,17,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,一、盾壳,中体与后盾的铰接处，铰接面采用精加工，并配以一个可调整的密封装置和紧急密封。 后盾内安装有衬砌系统，并焊成一个整体。它通过铰接油缸与中体相连，允许盾构沿水平和垂直方向有一定的摆动范围。沿铰接油缸圆周方向均布行程传感器，用以监测四个方位油缸的行程，以了解盾构机弯折情况，为管片选型提供依据。铰接油缸在掘进当中处于被动状态，对于盾构机的调向没有影响。 后盾尾部配有线刷式尾部密封圈和尾部密封油喷射系统，为盾构机的注浆系统将预制块后面的空隙注浆填实提供密封空间。同时为隧道的衬砌安装提供了一个安全的工作环境。,18,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,二、刀盘,盾构机的刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分。它是用于开挖岩土、切削土层的主要部件，通过在刀盘上安装不同的刀具，就可分别完成软土和硬岩的开挖，以适应不同地质施工的要求。 刀盘中心有一个旋转液压接头用于向刀盘前注入添加剂及液压管路连接。,19,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,二、刀盘,软土掘进刀盘示意图,20,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,二、刀盘,硬岩掘进刀盘示意图,21,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,二、刀盘,软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的。如图所示,22,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,二、刀盘,盾构机采用滚刀进行破岩，其破岩形式属于滚压破碎岩石。滚压破碎岩石是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其特点是靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。如图所示是滚刀滚压破碎的示意图，轴力Pd使滚刀压入岩石，滚动切向力Pt使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。,23,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,三、刀盘驱动系统,刀盘驱动系统用以驱动刀盘旋转，对土体进行挤压切削。刀盘通过螺栓与三排滚子主轴承连接，并由带减速器的液压马达通过齿轮驱动。它主要由齿轮箱、主轴承、密封支撑、刀盘安装法兰环、密封压紧环、内外密封系统、小齿轮、齿轮马达和轴承等组成。,24,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,三、刀盘驱动系统,25,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,三、刀盘驱动系统,刀盘主轴承是大直径、三轴滚子轴承的组合体，安装在前盾的中部。主轴承由镍铬工具钢加工而成，其设计寿命为10000h。轴承由润滑油加压连续润滑。轴承的滚子能够有效地分摊推进和切割岩石的能力。,26,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,三、刀盘驱动系统,内外径密封系统将开挖土体隔离在外，但是允许加压的润滑油润滑轴承。滚子及滚道的润滑由独立的润滑系统完成。内、外径两套密封系统使齿轮与土仓分开,密封圈由不间断的油脂进行润滑。与密封圈接触的金属表面均经过硬化处理。（自动润滑实现） 内、外径密封系统可根据在土仓内的土压传感器检测到的土压力，通过PLC控制系统自动调节密封压力，以达到良好的密封效果。另外，密封系统还有出现问题自动关机的功能。,27,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,三、刀盘驱动系统,28,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,三、刀盘驱动系统,刀盘采用液压马达通过齿轮驱动，并通过控制系统进行双向调速操作，使刀盘转速在0-6.1rpm之间可调，刀盘的最大扭矩为5300KNm。刀盘的回转扭矩能够由低速/大扭矩到高速/小扭矩变化，操作系统能够允许刀盘在带负载启动的条件下达到峰值扭矩。盾构机在开挖软弱围岩时采用高扭矩、低转速的工况；在切削硬岩时，采用低扭矩、高转速的工况。,29,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,四、推进系统,盾构机推进系统是通过沿支承环周边布置的若干个盾构机千斤顶支撑在已安装好的管片上所产生的反作用而前进的。为了不使千斤顶端部承受管片的集中载荷，造成偏心，支座设计成铰接式，并设置支板均匀地将力传递到管片的环面上。,30,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,四、推进系统,盾构千斤顶被分为若干个扇区，每个扇区由一个电磁比例减压阀控制，以调节扇区千斤顶的工作压力，从而达到纠正或控制盾构推进的方向。 推力油缸系统设有相应压力传感器、行程传感器。通过比例控制，调节推力油缸的速度及工作压力，从而达到纠正或控制盾构推进的方向。,31,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,四、推进系统,推进油缸分区示意图,32,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,五、螺旋输送机,螺旋输送机安装在土仓壁的连接法兰上，它的作用主要是出渣和调解压力，它由安装/连接法兰（焊接在仓壁上）、前段带有耐磨保护、伸缩段、出料管、驱动装置（离合器座、离合器、带有行星齿轮的液压马达）、有轴式螺旋和可以更换的耐磨保护板、卸料口的闸板阀门等部件构成。螺旋输送机可根据需要变速或反转。,33,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,五、螺旋输送机,34,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,五、螺旋输送机,螺旋输送机通过一个密封套装在盾构机的土仓底部。机壳上留有添加剂注入口，可以根据渣土情况注入泡沫、膨润土等添加剂。螺旋输送机出渣口安装有滑动式闸门，该闸门的开度能调节，从而调节螺旋输送机的送料速度，这样在EPB（土压平衡）工作模式下，使土仓保持一定的压力。另外滑动闸门可用于密封防水，并有停电自动关闭功能。,35,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,五、螺旋输送机,螺旋输送机装有土压传感器，用于检测输送机内部的土压力，并反馈给PLC系统或操作人员，以决定对螺旋输送机的转速、出渣闸门的开度大小进行调整，从而很好的控制出土量，达到控制土仓压力的目的，最终保证盾构机的正常掘进。 在土压平衡状态时，泥土具有流塑性，螺旋输送叶片和集料斗缩回，即可将泥土排出；而在非土压平衡状态时，为了便于集料，螺旋输送叶片和集料斗可向前伸，以利于岩渣的排出。磨损后，螺旋输送机螺旋头（约为1.5m）可更换。,36,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,六、管片安装机,管片安装器安装在后盾内，用于单块衬砌管片的就位，为中空的环形结构。螺旋输送机及所有盾构机与后配套台车之间连接的管线等可以从环行结构中穿过。它由悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头等构件组成。,37,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,六、管片安装机,38,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,六、管片安装机,管片安装器以液压为动力，具有六个自由度。它是一套带有径向夹持装置的旋转环，包括衬砌块夹持器、衬砌拼装臂，设有安全制动装置、管片拼装防过反转装置及报警装置，通过机构的协同动作把管片安装到准确的位置。操作台位于盾构内螺旋输送机的一侧，通过液压阀的操作能够精密控制衬砌块的动作和定位。一旦液压系统出现故障，衬砌块拼装环的液压回路设计能锁住衬砌块在最后的工作位置。,39,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,七、盾尾密封装置,盾尾密封装置由由三排焊接形成的线刷式密封圈及油脂润滑的密封装置组成，用以防止地层中的泥土、地下水和衬砌外围注浆材料从盾尾间隙漏入盾构中,最大可承受50m的水柱压力。在每道密封之间，均注有高压油脂，作为防高压水措施，并可提高密封效果、减少钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的摩擦，延长密封件的寿命。,40,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,八、人闸,人行闸室提供有进入前端环状空间的通道。当需要进入土仓内排除故障或调换刀具时，先在土仓内充入压缩空气以稳定开挖面，然后作业人员通过人行闸室的加减压过渡进入土仓。,41,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,九、隧道导向系统,隧道导向系统带有自动定位和隧道掘进软件，能给予使用者连续的有关盾构机的空间位置和导向，并将信息传到地面控制室的电脑。它由产业PC电脑、激光经纬仪、图像靶、分析软件及数据通信软件组成。,42,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,九、隧道导向系统,43,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,九、隧道导向系统,隧道导向系统的主要基准由可视激光来提供。激光束来自安装在隧道衬砌区域的激光经纬仪。激光束通过后续设备和盾构机内的清洁的空间到达安装在盾构机前端的靶子上。根据激光的能量、隧道内的空气环境以及其承受折射量的不同，激光的射程在100-200m之间不等。同时根据隧道的曲率，需要定期地将激光迁移到一个新的位置。在测量人员确定初始位置后，后续的激光位置是设备本身予以确定的。,44,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,九、隧道导向系统,当激光束击中光靶，和光靶中心相关的激光束中心被精确测定，激光束击中光靶的水平角被同时确定。在光靶内装有双向测斜传感器，用于监视光靶的前后俯仰和左右偏斜。光靶前面装有一个向后反射的三棱镜，激光参考位置和光靶的距离由经纬仪测得。从而，光靶的绝对位置与盾构机的绝对位置和方向之间的关系可以建立起来。,45,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,九、隧道导向系统,隧道导向系统的主要特点如下： 设计隧道轴线（DTA）的计算，水平和竖直设计隧道轴线 用3维全球定位计算和显示盾构机的位置 相对于设计隧道轴线的盾构机的水平和垂直偏差的数字和图像显示 相对于设计隧道轴线的盾构机的水平和垂直倾向的数字和图像显示 链接和开挖隧道长度的显示 最优纠偏曲线的显示 相对于纠偏曲线的盾构机机位置的显示 所有手动输入或自动录入信息的记录，并带有当时时间的标记 对话框显示激光站位置的改变，包括新的激光站位置的3维测量和计算 调整适应纠偏曲线的环片顺序的计算 每个环片的管片安装顺序的计算 PC的全部操作,46,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十、数据采集与处理系统,盾构机设有独特的数据采集和处理系统，用于处理和记录各种掘进参数。关键部位均可通过传感器测试，测试数据自动传递给计算机，由数据处理系统进行分析加工，控制开挖进程，不但可以手动操作，而且完全可以依据用户要求实现自动掘进。,47,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十、数据采集与处理系统,48,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十、数据采集与处理系统,它用PLC（可编程控制器）来控制机器，并从传感器读取信息，PLC的所有信息均可由程序显示和输出。DLC（数据记录系统系统）有一个设在盾构机机内的终端(LCD显示)和一台在地面办公室内的台式PC机。这两部分用一根电缆和外部调制解调器连接。盾构机机内的终端会及时显示数据，而办公室内的电脑也会及时显示数据并将信息记录在硬盘上。盾构机数据可以从办公室内的电脑中打印出来或拷贝到软盘上。安装在地面上的个人电脑可用来显示和存储盾构机数据信息。另外还有含接口软件的笔记本电脑，可方便的用于PLC系统故障诊断。,49,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十、数据采集与处理系统,数据采集和处理系统将从以下位置或盾构机系统中监视和记录信息： 刀盘转速 主驱动马达液压压力 刀盘扭矩 主驱动马达电流绘制 刀盘方向 液压油温和油位 转向铰接油缸活塞行程长度 全部盾构机电流绘制 土渣料门控制开启 主承轴润滑油流量和压力 抗滚转油缸活塞行程长度 密封系统润滑油流量和压力 推进油缸活塞行程长度 推进油缸延伸速度 盾构机链接 推进油缸压力 链测长度 推进中心 喷浆压力 皮带驱动马达液压压力 喷浆流量 土层调节系统输出 导向系统输出 螺旋传送器转速 螺旋传送器扭矩 瓦斯监测 螺旋传送器内压力 气闸温度 螺旋传送器切断器门的开启 气闸压力,50,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十一、同步注浆系统,由于盾构机所安装的管片与周围围岩有空隙，如不及时将其充填，就会引起地表沉陷，严重的更会危及建筑物的安全。同步注浆系统通过注浆管道连续注浆来充填环状空隙，以避免前述问题。,51,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十一、同步注浆系统,52,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十一、同步注浆系统,同步注浆系统主要由2个带控制阀的活塞泵、同步注浆管组成。活塞泵和砂浆罐安装在后配套的拖车上，砂浆由施工用的砂浆车通过输送泵送至砂浆罐。同步注浆管安装在盾尾壳板内，避免了磨损；沿圆周配置4个注浆点，每点有两个管子，其中一个备用。注浆管处的壳板可以拆卸，以便于清洗注浆管。 同步注浆流量可通过电磁流量阀设定，并可被连续监视。系统还在每个注浆口备有2个可调整的限值开关。,53,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十一、同步注浆系统,在盾构推进过程中，通过盾尾上的注浆管，砂浆将被连续自动地注入管片与隧道之间的环缝中。该系统通过PLC系统与盾构推进装置相互锁定，这样就保证盾构推进时环缝中的压力。 砂浆流动速度是无极调速的，这样就可以调整它来满足盾构推进的速度。注浆操作通过预先设定的压力进行控制，这样就保证了： 避免过高的压力损坏盾尾密封或管片 系统每个部位都有足够的压力来平衡预计的波动地面压力和地下水压力，这样就避免了地面沉降。 系统使用砂浆泵 (Schwing 类型 KSP)，每个带有2个出口，出口直接连接到盾尾注入点上。 该设备由电液动力单元驱动。砂浆被泵入的速度通过控制液压油流量进行控制。 浆液注入出口处都安装有1个压力传感器。每个活塞都安装有1个计数器，这样泵的冲程就可以受到监控。通过控制室内的8个电位计可以改变活塞的速度（注浆量）。这样，就可以改变每根管中的砂浆量，使其与盾构机的推进速度相协调。每个注入点的压力传感器的信号用来控制注浆过程。注浆最高和最低压力可以在控制室内进行调整。,54,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十一、同步注浆系统,注浆量和注浆压力的控制 壁后注浆的注入量受浆液向土体中的渗透、泄露损失（浆液流到注入区域之外）、小曲率半径施工、超挖、壁后注浆所用浆液的种类等多种因素的影响。虽然这些因素的影响程度目前尚在探索，但控制注入量多少的基本原则是不变的，就是要保证有足够的浆液能很好的填充管片与地层之间的空隙。 一般每环浆液注入率为130 180%，施工中如果发现注入量持续增多时，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时，可以考虑是注入浆液的配比、注入时期、盾构推进速度过快或出现故障所致，必须认真检查采取相应的措施。 注入压力要考虑不同地层的多种情况，注入压力一般是24bar，考虑在砂质或砂卵石地层中浆液的扩散，所以注入压力要比在粘土中的注入压力小一些。 在壁后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，应采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。 可以单独控制，也可以在搅拌站控制室进行联动控制。,55,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十一、同步注浆系统,浆液制备 为配合盾土压平衡盾构机掘进施工，配备浆液搅拌及泵送系统。 搅拌系统由砂料储料、计量及上料装置，3种各自独立的干粉料的储料、计量及上料装置，水和一种液体添加剂的储料、计量及上料装置，还有搅拌机和控制室等组成。该系统的最大优点是采用了连续式计量装置，可以实现连续生产；控制系统采用了可靠性较高的PLC控制系统，可以实现自动、手动两种功能，并具有自动采集、存储、打印数据的功能。此外，在两种采用散装罐车加料的储料罐上安装了除尘装置，具有较好的环保性能。 泵送系统由动力包、搅拌罐和柱塞泵等组成，该系统采用的是液压驱动，具有体积小、可靠性高的优点。,56,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十二、管片运输系统,57,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十二、管片运输系统,管片运输系统由管片吊机与管片运输小车组成。 管片吊机位于一号拖车与盾构主机之间，用做将管片逐一从管片运输车吊到管片拼装部位进行拼装。它的桥架长20m，起吊能力为5吨，起吊与运输均采用液压比例控制，并有声音/图像报警系统，以防止超载及误动作。 管片输送小车位于管片安装器梁的下部。管片输送小车可存储三片管片，通过传动将管片传递至管片安装器的下方。,58,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十三、泡沫注入系统,不论是开式还是土压平衡式工作状态,如果土渣不具备所要求的流动性和塑性,就可以采用化学泡沫或添加剂来改善土层特性。采用化学泡沫或添加剂可以使：渣土流动性得以提高、渣土粘性降低、渣土透水性降低、减少土仓内土渣堵塞和粘结并能使土压平衡稳定性得以提高。另外，它还可进一步降低刀盘扭矩、降低螺旋输送器扭矩、降低功率消耗、减少刀盘及螺旋输送器磨损。,59,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十三、泡沫注入系统,60,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十三、泡沫注入系统,盾构机土压平衡掘进模式时的泡沫调节原理是基于气液两态的机械混合。 水和发泡剂的混合是在后配套区间完成的。发泡剂装在可更换的罐中，发泡剂通过定量泵供给，水从工业用水管路获得，二者混合后再通过流量控制装置供给到相关管路。 泡沫是在泡沫发生器内用空气对液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂量是通过SPC 操作单元和流量计来计量的。是否进行调整主要是根据掘进速度、支持压力和所给的配方来决定。泡沫发生系统有三种操作模式：手动、半自动和全自动。 通过控制可控制球阀，盾构机操作手通过操作控制台元件向有关注入点将泡沫注入到刀盘前端、土仓和螺旋输送机内。,61,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十四、电力系统,盾构机的电气系统主要包括高压变压器、高压配电柜、低压配点柜、操作台、电动机、电缆线及照明系统，提供盾构机施工中的动力、照明以及应急所需的电源，并通过操作台对盾构机进行操作。,62,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十四、电力系统,高压变压器为低高度、矿山类变电器，以适应隧道内的净空及安全要求。它设计为初级电压10KV和次级电压400V，以满足工程需要。电压抽头位于初级电压一侧，以补偿供电电缆过长造成的电压损失。变压器初级端三角形接线，次级段Y形接线，中心接地。H级绝缘，适用最高温度150度。初级线圈和次级线圈之间的相位圈静电采用接地防护。考虑到安全因素，变压器初级端用熔断刀闸保护，次级端用断路器。此外，还安装了电压、温度及接地保护模块。,63,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十四、电力系统,电动机的制动器、启动器、控制操作按钮及指示灯、按钮操作站均配重型防护外罩，以确保电动机的操作安全。电动机还带有过载保护，并可以用设置开关调整。 盾构机所用的电缆为柔性电缆，含重型防护外皮。氯丁橡胶或人工合成复合物防止油脂侵蚀。电缆为JEC许可用于地下工程环境的电缆。 盾构机内部采用足够多的、具有防水功能的日光灯进行照明，照明电压为单相110V。另外，紧急照明备件可保证盾构机内部连续照明1小时。,64,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十四、电力系统,操作台安装在操作控制室内，包括所有盾构机及其它设备的远程控制和安全操作的按钮，以及必要的阀、压力表、仪表、监测装置、通讯设备及显示屏，以便于一个人方便、有效地操作盾构机。另外，盾构机的运动部件，如管片安装器、桥吊等，都装有当地操作台，其上装有紧急停止按钮、必要的操作开关，方便就地操作。,65,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十五、液压系统,盾构机的液压系统用于整个设备的掘进、开挖材料的运输和衬砌管片的拼装。液压系统包含有油泵、电动机、滤清器、冷却器、油箱、加上全套监测装置，由钢管与软管将相应的工作装置相连。,66,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十五、液压系统,液压系统提供有易识别的监测系统。元件与功能均得到监测，仪器和警告灯指示出可能的不正常情况。使操作人员迅速找出液压系统的故障，尤其是液压动力的故障。 液压阀上的所有测点均装有光电二极管与压力脉冲消除器。二极管使得检查阀芯功能很方便，找故障很方便。而压力脉冲消除器则保护了控制系统中的电磁线圈供电线路。,67,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十六、压力调节系统,压力调节系统用于将已开挖空间以及人闸内的气压维持在固定值，最大压力为0.4Mpa。系统包括空压机、调压器、风动操作阀、风力传输装置、压力感应器、手动阀。,68,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十六、压力调节系统,根据安装在土仓内的压力传感器反馈的土压力，系统可通过比较土压力与设定的参考压力的大小来开起或关闭供气阀来调节气压，当土仓内压力超过设定值时，可通过溢气阀排出。,69,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十七、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，气动油脂泵均安装在后续拖车上,70,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十七、注脂系统,71,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十八、通风系统,为了得到足够的新鲜空气，在盾构机的后配套最后一节拖车上安装有通风机，并用风管一直延伸到隧道外，能力为600立方米/分钟，并用一台Ø 381 mm的双速风扇用以改善其条件；为了减少隧道内噪音，保证良好的施工条件，还配有消音器。隧道内新风的提供和掘进工作区灰尘的去除依靠系统的风机和风管来保证。,72,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,十九、冷却水系统,TBM 具有一个封闭的回路用以冷却TBM 上的电气及液压元件。,73,土压平衡式盾构机各部分的功能描述,齿轮箱,供水:Q=40M3/h P=3bar Tmax= 30,热交换器,蓄 水 罐,过 滤 器,水泵,液压油箱,空压机冷却,废水,回水,十九、水冷却系统,74,土压平衡盾构机施工掘进模式,根据工程的地质情况，土压平衡盾构机可以依据不同的地质条件，选择不同的掘进模式。主要掘进模式有： 土压平衡式掘进模式 敞开式掘进模式 气压平衡式掘进模式,75,土压平衡盾构机施工掘进模式,一、土压平衡工况掘进,当盾构机通过不稳定岩层时，工作面有可能出现坍塌，进而引起地表下沉。这就需要采取措施，防止工作面出现坍塌。另外，当隧道内有较大的涌水时，也需要对涌水采取适当的工程措施进行控制。这时，就需要采用盾构机的土压平衡模式进行施工。,76,土压平衡盾构机施工掘进模式,一、土压平衡工况掘进,77,土压平衡盾构机施工掘进模式,一、土压平衡工况掘进,盾构机采用土压平衡模式工作时，是将刀具切削下来的土充满腔室，利用这种泥土压与作业面的土压和水压相平衡，以维持工作面的稳定。当盾构机继续向前掘进时，土仓内的压力会增加，这时就需要通过螺旋输送机排土降低土仓内的压力才能继续维持平衡状态。螺旋输送机的排土量过大或过小都会导致新的不平衡。因此，土压平衡是通过调整掘进速度和排土量，使二者达到动态平衡来实现的。,78,土压平衡盾构机施工掘进模式,一、土压平衡工况掘进,土压平衡及地面沉降控制原理： 开挖过程中对土压舱内压力进行控制，同时注浆系统在盾尾进行连续注浆，若未注浆推进连锁系统将停止盾构掘进，出碴量与盾构掘进连锁控制防止超挖。盾构的出碴调节系统调节出碴使土压平衡盾构可以在任何地质条件下作业，并且与推进系统连锁控制。如果土碴调节系统停止工作，盾构则停止掘进。由于有以上连锁控制系统，使得在管片拼装作业与停止时也能够准确控制土舱室内压力，并且根据开挖情况自动调节推进油缸的伸缩，使盾构可以在特别敏感地带连续开挖，保证土压舱内土碴处于非静止状态。采用注浆则将对盾构周围的空间进行填充，以维持整个设备区段内压力平衡。另外，沿盾构设备配有多个土压传感器检测土压压力，形成闭环沉降监测系统，可以从地表监测点（通过位移及倾斜传感器等）将所测信息连续反馈到盾构土压控制系统。 盾构可以在围岩地质条件较差时控制出碴螺旋输送器，并且可以在地下水丰富或围岩极差的地质条件下施工,能很好地控制地表沉降。,79,土压平衡盾构机施工掘进模式,80,土压平衡盾构机施工掘进模式,二、敞开式工况掘进,对自稳性强的土层，盾构机在掘进过程中，土仓内可以不建立土压。当隧道掌子面不需要连续的平衡压力支撑时，盾构工作在开式模式下，掌子面由刀盘本身支撑，调节由掌子面进入刀盘内腔的堆积土碴，土碴在内腔堆积，但并不充满内腔形成土压，因为土碴由螺旋输送器不断带走。内腔的土压值为零。,81,土压平衡盾构机施工掘进模式,二、敞开式工况掘进,82,土压平衡盾构机施工掘进模式,二、敞开式工况掘进,开式工况作业时应注意： A岩体对盾构机外壳的摩擦力矩减小，易造成掘进过程中盾构机发生扭转，掘进中可利用盾构机上的撑靴撑紧岩壁。 B中风化岩、微风化岩土层抗压强度较高，对刀具的磨损大。掘进中随时注意刀具的磨损情况，及时更换刀具，避免对刀盘的损伤。,83,土压平衡盾构机施工掘进模式,84,土压平衡盾构机施工掘进模式,三、气压平衡式工况掘进,盾构机可在气压平衡模式下运行，也可称作半敞开模式。在这种情况中，开挖室中渣土高度保持正好在螺旋输送机入口上方，以维持开挖室里空气压力的密闭性。,85,土压平衡盾构机施工掘进模式,三、气压平衡式工况掘进,86,土压平衡盾构机施工掘进模式,四、不同掘进模式的比较,87,土压平衡盾构机施工掘进模式,三、气压平衡式工况掘进,盾构机可在气压平衡模式下运行，也可称作半敞开模式。在这种情况中，开挖室中渣土高度保持正好在螺旋输送机入口上方，以维持开挖室里空气压力的密闭性。,88,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,盾构隧道专用设备：电瓶车6台、渣土车20节、管片平板车6节、砂浆车4节。 管片制造及运输专用设备：管片钢模具6套、自落混凝土搅拌机一台、恒温恒湿设备1套。 其他加固处理设备：注浆泵7台、灰浆搅拌机8台、地质钻机2台、旋喷机2台、砼搅拌机2台、冲击钻机2台、专用钻机4台。 土方设备：挖掘机6台、轮胎装载机1台、推土机1台、自卸车8台。 起重设备：龙门吊15吨1台、45吨2台、 150吨、250吨履带吊、45吨汽车吊各1台。 其他设备：万能材料试验机4套、土工常规试验设备1套、全站仪2套,89,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,电瓶车,电瓶机车从结构上车可分为五大部分 司机室 车架 机械传动系统 制动系统 电气系统,90,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,电瓶车司机室,机车前端设有司机室，司机室正、侧面均有了望窗，内部有司控器、电控柜、操纵台、空气制动手柄及手制动轮。,91,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,电瓶车车架,车架是机车的承载体，采用钢板及型钢组焊结构，前后均设有联结器体，车架内装有牵引电机两台、空气制动管系、基础制动装置。车架与走行部连接采用四组人字橡胶弹簧，在垂直与纵向设置刚性止挡,92,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,电瓶车机械传动系统,减速箱：为全封闭圆柱圆锥两级减速。动力通过万向连轴节由电机传给圆柱小齿轮，经一级减速，由圆柱大齿轮传递给低速级小弧齿锥齿轮，经二级减速，由大弧齿锥齿轮传递给轮对驱动车轮转动。所有齿轮均齿面均采用硬齿面。 万向联轴节：为可伸缩型十字轴式万向连轴节，工作扭矩为800N.m，最高速度为2500r/m，伸缩量为50mm。 走行部：为无转向架的二轮对走行部，包括牵引减震装置、轮对组、轴箱等组成。,93,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,电瓶车制动系统,电制动：机车常规制动为电制动，逆旋司控器手轮即可进入电制动。 空气制动：仅为紧急制动使用。 基础制动：为单侧闸瓦制动。 手制动：为防止机车溜车设置的手刹装置。,94,土压平衡式盾构施工其他的机械设备,电瓶车电气系统,变频器：是机车控制的中心部件，主要采用大功率元件IGBT将电网输入的直流电转换为频率、电压可调的三相交流电来控制两台牵引电机，其调速平滑、无级、宽广。 牵引电机：采用交流鼠笼式感应电机，交流牵引电机具有自然防空转特性，瞬时耐压及过电流特性，启动时可在较长时间内发挥很大的力矩，使机车具有良好的加速、牵引特性，另外电机防护等级IP55，可适应大灰尘量、任意方向喷水的环境使用。 电控系统：由直流断路器、空压机的控制系统等组成。 操作系统：由司控器及操作按钮、开关组成。,