土壓平衡式盾構(gòu)

1、土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)分析土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)分析承擔(dān)修建深圳地鐵—期工程第七標(biāo)段(華強(qiáng)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(diǎn)，購(gòu)進(jìn)了兩臺(tái)德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的世界上最先進(jìn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。這兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)都由西門子公司的S7PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，配備了機(jī)電一體化的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步注漿設(shè)備、泡沫設(shè)備、膨潤(rùn)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(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

2、。本文將就盾構(gòu)機(jī)的工作原理、盾構(gòu)機(jī)的組成、及各組成部分的功能結(jié)合實(shí)際施工情況做一簡(jiǎn)要闡述。盾構(gòu)機(jī)的工作原理1.盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來(lái)的碴土充滿泥土倉(cāng)，此時(shí)開動(dòng)螺旋輸送機(jī)將切削下來(lái)的渣土排送到皮帶輸送機(jī)上，后由皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至渣土車的土箱中，再通過(guò)豎井運(yùn)至地面。2.掘進(jìn)中控制排土量與排土速度當(dāng)泥土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)中的碴土積累到一定數(shù)量時(shí)，開

3、挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉(cāng)的阻力增大，當(dāng)泥土倉(cāng)的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時(shí)，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對(duì)應(yīng)的地面部分也不致坍坍或隆起，這時(shí)只要保持從螺旋輸送機(jī)和泥土倉(cāng)中輸送出去的渣土量與切削下來(lái)的流人泥土倉(cāng)中的渣土量相平衡時(shí)，開挖工作就能順利進(jìn)行。3.管片拼裝盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)的距離后，拼裝機(jī)操作手操作拼裝機(jī)拼裝單層襯砌管片，使隧道—次成型。盾構(gòu)機(jī)的組成及各組成部分在施工中的作用盾構(gòu)機(jī)的最大直徑為6.28m，總長(zhǎng)65

4、m，其中盾體長(zhǎng)8.5m，后配套設(shè)備長(zhǎng)56.5m，總重量約406t，總配置功率1577kW，最大掘進(jìn)扭矩5300kN?m，最大推進(jìn)力為36400kN，最陜掘進(jìn)速度可達(dá)8cm／min。盾構(gòu)機(jī)主要由9大部分組成，他們分別是盾體、刀盤驅(qū)動(dòng)、雙室氣閘、管片拼裝機(jī)、排土機(jī)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(jiǎn)體，其外徑是6.25m。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來(lái)支撐刀盤驅(qū)動(dòng)，同時(shí)使泥土倉(cāng)

5、與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過(guò)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(gè)土壓傳感器，可以用來(lái)探測(cè)泥土倉(cāng)中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過(guò)法蘭以螺栓連接，中盾內(nèi)側(cè)的周邊位置裝有30個(gè)推進(jìn)油缸，推進(jìn)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(guò)控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構(gòu)機(jī)向前的掘進(jìn)力，這30個(gè)千斤頂按上下左右被分成A、B、c、D四組，掘進(jìn)過(guò)程中，在

6、操作室中可單獨(dú)控制每一組油缸的壓力，這樣盾構(gòu)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)的軸線盡量擬合隧道設(shè)計(jì)軸線。中盾的后邊是尾盾，尾盾通過(guò)14個(gè)被動(dòng)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(jī)易于轉(zhuǎn)向。2.刀盤刀盤是一個(gè)帶有多個(gè)進(jìn)料槽的切削盤體，位于盾構(gòu)機(jī)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(jī)上直徑最大的部分，一個(gè)帶四根支撐條幅的法蘭板用來(lái)連接刀盤和刀盤驅(qū)動(dòng)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(jī)在轉(zhuǎn)向掘進(jìn)時(shí)，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(kuò)大開挖直徑，這樣易于實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)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(cāng)中進(jìn)行更換。法蘭板的后部安裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤(rùn)土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。3.刀盤驅(qū)動(dòng)刀盤驅(qū)動(dòng)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(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)06.1rpm的無(wú)級(jí)變速。刀盤驅(qū)動(dòng)主要由8組傳動(dòng)副和主齒輪箱組成，每組傳動(dòng)副由一個(gè)斜軸式變量軸向柱塞馬達(dá)和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動(dòng)副的變速齒輪箱中帶有制動(dòng)裝置，用于制動(dòng)刀盤。安裝在前盾右側(cè)承壓隔板上的一臺(tái)定量螺旋式液壓泵驅(qū)動(dòng)主齒輪箱中的齒輪油，用來(lái)潤(rùn)滑主齒輪箱，該油路中一個(gè)水冷式的齒輪油冷卻器用來(lái)冷卻齒輪油。盾尾密封油脂泵在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)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(gè)腔室中，以防止注射到管片背后的漿液進(jìn)入盾體內(nèi)。潤(rùn)滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，4kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小油脂泵將油脂泵送到主驅(qū)動(dòng)齒輪箱、螺旋輸送機(jī)齒輪箱及刀盤回轉(zhuǎn)接頭中。這些油脂起到兩個(gè)作用，一個(gè)作用是被注入到上述三個(gè)組件中唇形密封件之間的空間起到潤(rùn)滑唇形密封件工作區(qū)域及幫助阻止贓物進(jìn)入被密封區(qū)域內(nèi)部的作用，對(duì)于螺旋輸送機(jī)齒輪箱還有另外一個(gè)作用，就是潤(rùn)滑齒輪箱的球面軸承。D.三號(hào)臺(tái)

10、車及其上的設(shè)備三號(hào)臺(tái)車上裝有兩臺(tái)打氣泵、一個(gè)1立方米貯氣罐、一組配電柜及一臺(tái)二次風(fēng)機(jī)。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(lái)驅(qū)動(dòng)盾尾油脂泵、密封油脂泵和氣動(dòng)污水泵，用宋給人閘、開挖室加壓，用來(lái)操作膨潤(rùn)土、盾尾油脂的氣動(dòng)開關(guān)，用來(lái)與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫，用來(lái)8嘞氣動(dòng)工具等。二次風(fēng)機(jī)由11kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將由中間井輸送至第四節(jié)臺(tái)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(jī)提供良好的通

11、風(fēng)。E.四號(hào)臺(tái)車及其上的設(shè)備四號(hào)臺(tái)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(jī)的進(jìn)、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(lái)，與蓄水池連接的一臺(tái)高壓水泵驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)用水在蓄水池和盾構(gòu)機(jī)之間循環(huán)。通常情況下，進(jìn)人盾構(gòu)機(jī)水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。正常掘進(jìn)時(shí)，進(jìn)人盾構(gòu)機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)的水有以下的用途：對(duì)掖壓油、主驅(qū)動(dòng)齒輪油、空壓機(jī)、配電柜中的電器部件及刀盤驅(qū)動(dòng)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(jī)及隧道清潔用水。蓄水池中的水用冷卻塔進(jìn)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(jī)里提供新鮮空氣。新鮮空氣通過(guò)風(fēng)管被送至第四節(jié)臺(tái)車的位置。8.電氣設(shè)備盾構(gòu)機(jī)電氣設(shè)備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電柜、動(dòng)力電纜、控制電纜、控制系統(tǒng)、操作控制臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)、螺旋輸送機(jī)后部出土口監(jiān)視器、電機(jī)、插座、照明、接地等。電器系統(tǒng)最小保護(hù)等級(jí)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(guò)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(guò)變壓器轉(zhuǎn)變成400v，50Hz的低壓電進(jìn)人配電柜，再通過(guò)供電電纜和控制電纜供盾構(gòu)機(jī)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(jī)掘進(jìn)、拼裝時(shí)的各主要功能。例如盾構(gòu)機(jī)要掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)司機(jī)按下操作控制臺(tái)上的掘進(jìn)按鈕，一個(gè)電信號(hào)就被傳到PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)首先分析推進(jìn)的條件是否具備(如推進(jìn)油缸液壓油泵是否打開，潤(rùn)滑脂系統(tǒng)是否工

14、作正常等，.如果推進(jìn)的條件不具備，就不能推進(jìn)，如果條件具備，控制系統(tǒng)就會(huì)使推進(jìn)按鈕指示燈變亮，同時(shí)控制系統(tǒng)也會(huì)給推進(jìn)油缸控制閥的電磁閥供電，電磁閥通電打開推進(jìn)油缸控制閥，盾構(gòu)機(jī)開始向前推進(jìn)。PLC安裝于控制室，在配電柜里裝有遠(yuǎn)程接口，PLC系統(tǒng)也與操作控制臺(tái)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(jī)操作室內(nèi)的操作控制臺(tái)和盾構(gòu)機(jī)某些可移動(dòng)裝置旁邊的現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)(如管片拼裝機(jī)、管片吊車、管片運(yùn)送小車等)用來(lái)操作盾構(gòu)機(jī)，實(shí)

15、現(xiàn)各種功能。操作控制臺(tái)上有控制系統(tǒng)電腦顯示器、實(shí)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(zhǎng)長(zhǎng)度的顯示模塊及各種鑰匙開關(guān)等。螺旋輸送機(jī)后部出土口監(jiān)視器用來(lái)監(jiān)視螺旋輸送機(jī)的出土情況。電機(jī)為所有液壓油泵、皮帶機(jī)、泡沫劑泵、合成泡沫用水水泵、膨潤(rùn)土泵等提供動(dòng)力。當(dāng)電機(jī)的功率在30kW以下時(shí)，采用直接起動(dòng)的方式，當(dāng)電機(jī)的功率大于30kW時(shí)，為了降低起動(dòng)電流，采用星形—三角形起動(dòng)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(rùn)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(tái)有一定配置要求的計(jì)算機(jī)和能使該計(jì)算機(jī)與隧道中掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)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(jì)算機(jī)可以放置在地面的監(jiān)控室中，并始終與隧道中掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)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(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的PLC具有相同的各種關(guān)于盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按掘進(jìn)、管片拼裝、停止掘進(jìn)三個(gè)不同運(yùn)行狀態(tài)段來(lái)記錄、處理、