盾构机构造及工作原理简介分析

盾构机构造及工作原理简介第二部分

四、盾构机的主控系统及工作原理

下图是天地重工生产的土压平衡盾构机示意图，通过这台土压平衡盾构来简单介绍盾构机的构造及工作原理。

盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，同时还能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵，这个钢质组件被称为盾构。而盾构的主要组成部分即为盾体。

1. 盾体

盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状筒体。前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推进油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有推进油缸。中盾的后边是尾盾，

尾盾末端装有密封用的盾前盾 中盾 后盾

尾刷。

2. 刀盘和刀盘驱动

刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘通过安装在前盾承压隔板上的法兰上的刀盘电机来驱动。它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现无级变速。刀盘电机的变速齿轮箱内需设置制动装置，用于制动刀盘。电机的防护等级需大于IP55。

为了适用于不同的土质条件，刀盘上安装了多种类型和功能的刀具，所有刀具都由螺栓连接，可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。

刀盘(中交天和14.93米泥水气压平衡复合式盾构机)

铲刀：铲刀可以双向进行开挖，主要用于保证开挖直径的稳定不变。

铲刀

切削刀：切削刀主要用于切削软土、泥砂地层。其中刀口与刀盘旋转方向水平的称为切刀，刀口与刀盘旋转方向垂直的称为削刀

切削刀

滚刀与推出式滚刀：滚刀用于砂卵石、硬岩地层，它可以将大块的岩石打碎，分成小块。而推出式滚刀可替代外部已磨损的滚刀，从而减少复合地层的带压换刀，延长掘进距离，加快施工进度，缩短工期。同推出式滚刀一样，切削刀同样有推出式的。

推出式滚刀

仿形刀与超挖刀：仿形刀是一种通过油缸进行伸缩操作的特殊刀具，其伸缩量在主控室内事先加以设置控制。当盾构机因为隧道路线设计或由于地质状况需要转向时，仿行刀的超挖功能可以帮助盾构机转向。盾构具有仿形超挖功能是目前盾构中较为先进的一种，其仿形超挖方位、超挖量可根据不同的施工要求而调整。

仿形刀

3.人行闸

人行闸装在前盾上，包括前室和主室两部分，当掘进过程中刀具磨损工作人员进入到泥土仓检察或更换刀具时，需要通过人行闸。

如果地面具备地层加固条件或事先已经进行了地层加固处理，开挖面的稳定

有保障，则可在常压下进行刀具检查和更换作业。盾构在选定地点停机后，将土仓里的土排出一部分，直至土仓内土体高度低于土舱隔板上的密封门，此时作业人员可以通过气闸打开通往土仓的密封门在不带压的情况下进入土仓，从而进行刀具检查和更换。而如果没有注浆加固条件，开挖面又不是可以自稳的地层，则需要用压缩空气来维持开挖面的稳定。作业人员需在土仓内带压作业。做这项工作必须由经过培训的专业人员进行。现以工作人员从常压的操作环境下进入有压力的泥土仓为例，来说明人行闸的作用。

工作人员甲先从前室进入主室，关闭前室和主室之间的隔离门，按照规定程序给主室加压，直到主室的压力和泥土仓的压力相同时，打开主室和泥土仓之间的闸阀，使两者之间压力平衡，这时打开主室和泥土仓之间的隔离门，工作人员甲进入泥土仓。

人行闸

4.推进油缸

推进油缸又称作掘进千斤顶，安装在中盾内侧的周边位置，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这些千斤顶按上下左右被分成四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量符合隧道设计轴线。

推进油缸

5.排土系统

土压平衡盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将士箱吊至地面，并倒人碴土坑中。螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后者可以在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。

螺旋输送机

土仓内较大的岩石会由螺旋输送机入口前的破碎机将其破碎成小块，如岩石的尺寸超过可以通过螺旋输送机的最大粒径，且破碎机无法处理，可以将螺旋输送机缩回，并关闭前闸门。然后可以从开挖舱人工搬除岩石。(破碎机往往对质地较软的物体没有办法，如木头等。)

泥水平衡盾构同样存在排土系统，其排土设备是由排泥管路系统构成的。6.管片拼装机

管片拼装机安装在盾尾区域，用来安装衬砌管片。它的运动构件使其在拼装管片时，可以有六个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。在管片安装模式下，为达到最理想的衬砌效果，对每个推进油缸可以单独控制。所有方向运动可靠，采用比例液压控制的管片拼装机可以快速地达到毫米级的安装精度。管片拼装机同时还用来安装供盾构机台车行走的羊拱铁轨道。

每当盾构机掘进完一环后后，一部分推进千斤顶回缩，为第一片管片留出足够的空间。其余推进千斤顶和已经装好的管片仍保持接触，以防止盾构机由于土压而后退。管片拼装机抓起管片并将其放在应放的位置，在此位置它可以和上一管片用螺栓连接起来。在管片拼装机夹头放开管片之前，一定要保证已回缩的推进油缸再次顶紧管片，以防止管片意外移动。其余管片的安装方法与此相同，而最后一块管片称为封顶块，一般为楔形，从管片前方插入已拼好的管片中，形成完整的管片环。每个管片都有编号，需安装预先制定好的顺序才可以将管片环拼装成功。相邻管片环的封顶块不会位于管片环的相同位置，防止封顶块意外滑出。而盾构机的正常工作流程也就是在这样掘进、拼环、再掘进、再拼环的循环中不断进行着。

管片拼装机