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盾構機工作原理

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  盾構機的工作原理
  1.盾構機的掘進
  液壓馬達驅動刀盤旋轉,同時開啓盾構機推進油缸,將盾構機向前推進,隨著推進油缸的向前推進,刀盤持續旋轉,被切削下來的碴土充滿泥土倉,此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上,後由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中,再通過豎井運至地面。
  2.掘進中控制排土量與排土速度
  當泥土倉和螺旋輸送機中的碴土積累到一定數量時,開挖面被切下的渣土經刀槽進入泥土倉的阻力增大,當泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時,開挖面就能保持穩定,開挖面對應的地面部分也不致坍坍或隆起,這時只要保持從螺旋輸送機和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時,開挖工作就能順利進行。
  3.管片拼裝
  盾構機掘進一環的距離後,拼裝機操作手操作拼裝機拼裝單層襯砌管片,使隧道—次成型。
  盾構機的組成及各組成部分在施工中的作用
  盾構機的最大直徑爲6.28m,總長65m,其中盾體長8.5m,後配套設備長56.5m,總重量約406t,總配置功率1577kW,最大掘進扭矩5300kN?m,最大推進力爲36400kN,最陝掘進速度可達8cm/min。盾構機主要由9大部分組成,他們分別是盾體、刀盤驅動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構、後配套裝置、電氣系統和輔助設備。
  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體,其外徑是6.25m。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅動,同時使泥土倉與後面的工作空間相隔離,推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上,以起到支撐和穩定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器,可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的後邊是中盾,中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接,中盾內側的周邊位置裝有30個推進油缸,推進油缸杆上安有塑料撐靴,撐靴頂推在後面已安裝好的管片上,通過控制油缸杆向後伸出可以提供給盾構機向前的掘進力,這30個千斤頂按上下左右被分成A、B、c、D四組,掘進過程中,在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力,這樣盾構機就可以實現左轉、右轉、擡頭、低頭或直行,從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。中盾的後邊是尾盾,尾盾通過14個被動跟隨的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構機易于轉向。
  2.刀盤
  刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體,位于盾構機的最前部,用于切削土體,刀盤的開口率約爲28%,刀盤直徑6.28m,也是盾構機上直徑最大的部分,一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅動部分,刀盤上可根據被切削土質的軟硬而選擇安裝硬岩刀具或軟土刀具,刀盤的外側還裝有一把超挖刀,盾構機在轉向掘進時,可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出,從而擴大開挖直徑,這樣易于實現盾構機的轉向。超挖刀油缸杆的行程爲50mm。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接,都可以從刀盤後面的泥土倉中進行更換。法蘭板的後部安裝有一個回轉接頭,其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。
  3.刀盤驅動
  刀盤驅動由螺栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上,它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現0-6.1rpm的無級變速。刀盤驅動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成,每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和水冷式變速齒輪箱組成,其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置,用于制動刀盤。安裝在前盾右側承壓隔板上的一台定量螺旋式液壓泵驅動主齒輪箱中的齒輪油,用來潤滑主齒輪箱,該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。
  4.雙室氣閘
  雙室氣閘裝在前盾上,包括前室和主室兩部分,當掘進過程中刀具磨損工作人員進入到泥土倉檢察及更換刀具時,要使用雙室氣閘。在進入泥土倉時,爲了避免開挖面的坍坍,要在泥土倉中建立並保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應的氣壓,這樣工作人員要進出泥土倉時,就存在一個適應泥土倉中壓力的問題,通過調整氣閘前室和主室的壓力,就可以使工作人員可以適應常壓和開挖倉壓力之間的變化。但要注意,只有通過高壓空氣檢查和受到相應培訓有資質的人員,才可以通過氣閘進出有壓力的泥土倉。現以工作人員從常壓的操作環境下進入有壓力的泥土倉爲例,來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進入主室,關閉前室和主室之間的隔離門,按照規定程序給主室加壓,直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時,打開主室和泥土倉之間的閘閥,使兩者之間壓力平衡,這時打開主室和泥土倉之間的隔離門,工作人員甲進入泥土倉。如果這時工作人員乙也需要進入泥土倉工作,乙就可以先進入前室,然後關閉前室和常壓操作環境之間的隔離門,給前室加壓至和主室及泥土倉中的壓力相同,扣開前室和主室之間的閘閥,使兩者之間的壓力平衡,打開主室和前室之間的隔離門,工作人員乙進入主室和泥土倉中。5.管片拼裝機
  管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的後支撐架上,拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中,一個內圈爲齒圈形式外徑3.2m的滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連,內圈通過法蘭與旋轉架相連,拼裝頭與旋轉支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫粱相連接。現以拼裝頭在正下方位置的情況爲例,來說明拼裝機的運動情況。兩個拼裝機行走液壓油缸可以使支撐架、旋轉架、拼裝頭在拼裝機大梁上沿隧道軸線方向移動;安裝在支撐架上的兩個斜盤式軸向柱塞旋轉馬達,通過驅動滾珠軸承的內齒圈可以使旋轉架和拼裝頭沿隧道圓周方向左右旋轉各200度;通過伸縮油缸可以使拼裝頭上升或下降;拼裝頭在油缸的作用下又可以實現在水平方向上的擺動,和在豎直方向上的擺動以及抓緊和放松管片的功能。這樣在拼裝管片時,就可以有六個方向的自由度,從而可以使管片准確就位。拼裝手可以使用有線的或遙控的控制器操作管片拼裝機,用來拼裝管片。我們采用的是1.2m長的通用管片,一環管片由六塊管片組成,它們是三個標准塊、兩塊臨塊和一塊封頂塊。封頂塊可以有十個不同的位置,代表十種不同類型的管環,通過選擇不同類型的管環就可以使成型後的隧道軸線與設計的隧道軸線相擬合。隧道成型後,管環之間及管環的管片之間都裝有密封,用以防水。管片之間及管環之間都由高強度的螺栓連接。
  6.排土機構
  盾構機的排土機構主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由斜盤式變量軸向柱塞馬達驅動,皮帶輸送機由電機驅動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸到皮帶輸送機上,皮帶輸送機再將碴土向後運輸至第四節台車的尾部,落入等候的碴土車的土箱中,土箱裝滿後,由電瓶車牽引沿軌道運至豎井,龍門吊將士箱吊至地面,並倒人碴土坑中。螺旋輸送機有前後兩個閘門,前者關閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷,後者可以在停止掘進或維修時關閉,在整個盾構機斷電緊急情況下,此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關閉,以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構機。
  7.後配套設備
  後配套設備主要由以下幾部分組成:管片運輸設備、四節後配套台車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環水設備及通風設備等。
  A.管片運輸設備
  管片運輸設備包括管片運送小車、運送管片的電動葫蘆及其連接橋軌道。管片由龍門吊從地面下至豎井的管片車上,由電瓶車牽引管片車至第一節台車前的電動葫蘆—方,由電動葫蘆吊起管片向前運送到管片小車上,由管制、車再向前運送,供給管片拼裝機使用。B.一號台車及其上的設備
  一號台車上裝有盾構機的操作室及注漿設備。盾構機操作室中有盾構機操作控制台、控制電腦、盾構機PLC自動控制系統、VMT隧道掘進激光導向系統電腦及螺旋輸送機後部出土口監視器。
  C.二號台車及其上的設備
  二號台車上有包含液壓油箱在內的液壓泵站、膨潤土箱、膨潤土泵、盾尾密封油脂泵及潤滑油脂泵。液壓油箱及液壓泵站爲刀盤驅動、推進油缸、鉸接油缸、管片拼裝機、管片運輸小車、螺旋輸送機、注漿泵等液壓設備提供壓力油。泵站上裝有液壓油過濾及冷卻回路,液壓油冷卻器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾構機掘進時將盾尾密封油脂由12條管路壓送到三排盾尾密封刷與管片之間形成的兩個腔室中,以防止注射到管片背後的漿液進入盾體內。潤滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中,盾構機掘進時,4kw電機驅動的小油脂泵將油脂泵送到主驅動齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱及刀盤回轉接頭中。這些油脂起到兩個作用,一個作用是被注入到上述三個組件中唇形密封件之間的空間起到潤滑唇形密封件工作區域及幫助阻止贓物進入被密封區域內部的作用,對于螺旋輸送機齒輪箱還有另外一個作用,就是潤滑齒輪箱的球面軸承。
  D.三號台車及其上的設備
  三號台車上裝有兩台打氣泵、一個1立方米貯氣罐、一組配電櫃及一台二次風機。打氣泵可提供8Bar的壓縮空氣並將壓縮空氣貯存在貯氣罐中,壓縮空氣可以用來驅動盾尾油脂泵、密封油脂泵和氣動汙水泵,用宋給人閘、開挖室加壓,用來操作膨潤土、盾尾油脂的氣動開關,用來與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫,用來8嘞氣動工具等。二次風機由11kW的電機驅動,將由中間井輸送至第四節台車位置處的新鮮空氣,繼續向前泵送至盾體附近,以給盾構機提供良好的通風。
  E.四號台車及其上的設備
  四號台車上裝有變壓器、電纜卷筒、水管卷筒、風管盒。鋪設在隧道中的兩條內徑爲100mm的水管作爲盾構機的進、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,與蓄水池連接的一台高壓水泵驅動盾構機用水在蓄水池和盾構機之間循環。通常情況下,進人盾構機水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。正常掘進時,進人盾構機水循環系統的水有以下的用途:對掖壓油、主驅動齒輪油、空壓機、配電櫃中的電器部件及刀盤驅動副變速箱具有冷卻功能,爲泡沫劑的合成提供用水,提供給盾構機及隧道清潔用水。蓄水池中的水用冷卻塔進行循環冷卻。風管盒中裝有折疊式的風管,風管與豎井地面上的風肌連接,向隧道中的盾構機裏提供新鮮空氣。新鮮空氣通過風管被送至第四節台車的位置。
  8.電氣設備
  盾構機電氣設備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電櫃、動力電纜、控制電纜、控制系統、操作控制台、現場控制台、螺旋輸送機後部出土口監視器、電機、插座、照明、接地等。電器系統最小保護等級爲IP5.5。主供電電纜安裝在電纜卷筒上,10kV的高壓電由地面通過高壓電纜沿隧道輸送到與之連接的主供電電纜上,接著通過變壓器轉變成400v,50Hz的低壓電進人配電櫃,再通過供電電纜和控制電纜供盾構機使用。西門子S7-PLC是控制系統的關鍵部件,控制系統用于控制盾構機掘進、拼裝時的各主要功能。例如盾構機要掘進時,盾構機司機按下操作控制台上的掘進按鈕,一個電信號就被傳到PLC控制系統,控制系統首先分析推進的條件是否具備(如推進油缸液壓油泵是否打開,潤滑脂系統是否工作正常等,.如果推進的條件不具備,就不能推進,如果條件具備,控制系統就會使推進按鈕指示燈變亮,同時控制系統也會給推進油缸控制閥的電磁閥供電,電磁閥通電打開推進油缸控制閥,盾構機開始向前推進。PLC安裝于控制室,在配電櫃裏裝有遠程接口,PLC系統也與操作控制台的控制電腦及VMT公司的SLS-T隧道激光導向系統電腦相連。盾構機操作室內的操作控制台和盾構機某些可移動裝置旁邊的現場控制台(如管片拼裝機、管片吊車、管片運送小車等)用來操作盾構機,實現各種功能。操作控制台上有控制系統電腦顯示器、實現各種功能的按鈕、調整壓力和速度的旋鈕、顯示壓力或油缸伸長長度的顯示模塊及各種鑰匙開關等。螺旋輸送機後部出土口監視器用來監視螺旋輸送機的出土情況。
  電機爲所有液壓油泵、皮帶機、泡沫劑泵、合成泡沫用水水泵、膨潤土泵等提供動力。當電機的功率在30kW以下時,采用直接起動的方式,當電機的功率大于30kW時,爲了降低起動電流,采用星形—三角形起動的方式。
  9.輔助設備
  輔助設備包括數據采集系統、S1S-T隧道激光導向系統、注漿裝置、泡沫裝置、膨潤土裝置。
  A.數據采集系統
  數據采集系統的硬件是一台有一定配置要求的計算機和能使該計算機與隧道中掘進的盾構機保持聯絡的調制解調器、轉換器及電話線等原件。該計算機可以放置在地面的監控室中,並始終與隧道中掘進的盾構機自動控制系統的PLC保持聯絡,這樣數據采集系統就可以和盾構機自動控制系統的PLC具有相同的各種關于盾構機當前狀態的信息。數據采集系統按掘進、管片拼裝、停止掘進三個不同運行狀態段來記錄、處理、存儲、顯示和評判盾構機運行中的所有關鍵監控參數。通過數據采集系統,地面工作人員就可以在地面監控室中實時監控盾構機各系統的運行狀況。數據采集系統還可以完成以下任務:用來查找盾構機以前掘進的檔案信息,通過與打印機相連打印各環的掘進報告,修改隧道中盾構機的PLC的程序等等。
  B.隧道掘進激光導向系統
  德國VMT公司的SLS-T隧道掘進激光導向系統主要作用有以下幾點:①可以在隧道激光導向系統用電腦顯示屏上隨時以圖形的形式顯示盾構機軸線相對于隧道設計軸線的准確位置,這樣在盾構機掘進時,操作者就可以依此來調整盾構機掘進的姿態,使盾構機的軸線接近隧道的設計軸線,這樣盾構機軸線和隧道設計軸線之間的偏差就可以始終保持在一個很小的數值範圍內。②推進一環結束後,隧道掘進激光導向系統從盾構機PLC自動控制系統獲得推進油缸和鉸接油缸的油缸杆伸長量的數值,並依此計算出上一環管片的管環平面,再綜合考慮被手工輸入隧道掘進激光導向系統電腦的盾尾間隙等因素,計算並選擇這—環適合拼裝的管片類型。③可以提供完整的各環掘進姿態及其他相關資料的檔案資料。④可以通過標准的隧道設計幾何元素計算出隧道的理論軸線。⑤可以通過調制解調器和電話線和地面的一台電腦相連,這樣在地面就可以實時監控盾構機的掘進姿態。隧道掘進激光導向系統主要部件有激光經緯儀、帶有棱鏡的激光靶、黃盒子、控制盒和隧道掘進激光導向系統用電腦。激光經緯儀臨時固定在安裝好的管片上,隨著盾構機的不斷向前掘進,激光經緯儀也要不斷地向前移動,這被稱爲移站。激光靶則被固定在中盾的雙室氣閘上。激光經緯儀發射出激光束照射在激光靶上,激光靶可以判定激光的入射角及折射角,另外激光靶內還有測傾儀,用來測量盾構機的滾動和傾斜角度,再根據激光經緯儀與激光靶之間的距離及各相關點的坐標等數據,隧道掘進激光導向系統就可以計算出當前盾構機軸線的准確位置。控制盒用來組織隧道掘進激光導向系統電腦與激光經緯儀和激光靶之間的聯絡,並向黃盒子和激光靶供電。黃盒子用來向激光經緯儀供電並傳輸數據。隧道掘進激光導向系統電腦則是將該系統獲得的所有數據進行綜合、計算和評估。所得結果可以被以圖形或數字的形式顯示在顯示屏上。
  C.注漿裝置
  注漿裝置主要包括兩個注漿泵、漿液箱及管線。在豎井,漿液被放入漿液車中,電瓶車牽引漿液車至盾構機漿液箱旁,漿液車將漿液泵入漿液箱中。兩個注漿泵各有兩個出口,這樣總共有四個出口,四個出口直接連至盾尾上圓周方向分布的四個注漿管上,盾構機掘進時,山注漿泵泵出的漿液被同步注入隧道管片與土層之間的環隙中,漿液凝固後就可以起到穩定管片和地層的作用。爲了適應開挖速度的快慢,注漿裝置可根據壓力來控制注漿量的大小,可預先選擇最小至最大的注漿壓力,這樣可以達到兩個目的,一是盾尾密封不會被損壞,管片不會受過大的壓力,二是對周圍土層的擾動最小。注漿方式有兩種:人工方式和自動方式。人工方式可以任選四根注漿管中的一根,由操作人員在現場操作台上操作按鈕啓動注漿系統;自動方式則是在注漿現場操作台上預先設定好的,盾構機掘進即啓動注漿系統。
  D.泡沫裝置
  泡沫系統主要包括泡沫劑罐、泡沫劑泵、水泵、四個溶液計量調節閥、四個空氣劑量調節閥個液體流量計、四個氣體流量計、泡沫發生器及連接管路。泡沫裝置産生泡沫,並向盾構機開挖室中注入泡沫,用于開挖土層的改良,作爲支撐介質的土在加入泡沫後,其塑型、流動性、防滲性和彈性都得至U改進,盾構機掘進驅動功率就可減少,同時也可減少刀具的磨損。泡沫劑泵將泡沫劑從泡沫劑罐中泵出,並與水泵泵出的水按盾構司機操作指令的比例混合形成溶液,控制系統是通過安裝在水泵出水口處的液體流量計測量水泵泵出水的流量,並根據這一流量控制泡沫劑泵的輸出量來完成這一混合比例指令的。混合溶液向前輸送至盾體中,被分配輸送到四條管路中,經過溶液劑量調節閥和液體流量計後,又被分別輸送到四個泡沫發生器中,在泡沫發生器中與同時被輸入的壓縮空氣混合産生泡沫,壓縮空氣進入泡沫發生器前也要先經過氣體流量計和空氣劑量調節閥。泡沫劑溶液和壓縮空氣也是按盾構機司機操作指令的比例混合的,這一指令需通過盾構機控制系統接收液體流量計和氣體流量計的信息並控制空氣劑量調節閥和溶液劑量調節閥來完成。最後,泡沫沿四條管路通過刀盤旋轉接頭,再通過刀盤上的開口,注入到開挖室中。在控制室,操作人員也可以根據需要從四條管路中任意選擇,向開挖室加入泡沫。
  E.膨潤土裝置
  膨潤土裝置也是用來改良土質,以利于盾構機的掘進。膨潤土裝置主要包括膨潤土箱、膨潤土泵、九個氣動膨潤土管路控制閥及連接管路。和漿液一樣,在豎井,膨潤土被放人膨潤土車中,電瓶車牽引膨潤土車至膨潤土箱旁,膨潤土車將膨潤土泵入膨潤土箱中。需要注入膨潤土時,膨潤土被膨潤土泵沿管路向前泵至盾體內,操作人員可根據需要,在控制室的操作控制台上,通過控制氣動膨潤土管路控制閥的開關,將膨潤土加入到開挖室、泥土倉或螺旋輸送機中。

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