土压平衡式盾构机
土压平衡式盾构机
1发展概况和工作原理
土压平衡式盾构机（如图1所示）的开发始于70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。随后，其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平衡系统（Earth-pressure balance system，即EPBS）。
1．切削刀盘2．开挖室3．承压隔板4．压缩空气闸室
5．推进千斤顶6．尾盾密封7．油箱8．带式输送机
9．管片拼装机10．刀盘驱动11．螺旋输送机
图1土压平衡式盾构机
土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层，适用地质范围狭窄。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设备较为困难。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压式盾构机广，掘进性能也优于挤压式盾构机。
根据日本对不同盾构机型的统计资料，从1964年到1974年的10年间，与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4，从1974年到1984年的10年间，这种盾构机型减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果（其中96%是日本的工程），从1980年至1985年的6年间，密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%，特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。
土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室或泥土室。刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入泥土室，与泥土室内的可塑土浆混合或被搅拌混合，盾构千斤顶的推
力通过承压隔板传递到泥土室内的泥土浆上，由泥土浆的压力作用于开挖面，以平衡开挖面处的地下水压和土压。从而保持开挖面的稳定。螺旋输送机从承压隔板的开孔处伸入泥土室进行排土。盾构机的挖掘推进速度和螺旋输送机单位时间的排土量或其旋转速度都会影响泥土室内土浆压力的大小，所以应进行协调控制。
在最初的土压平衡式盾构机中采用体积控制方法来检查开挖面的稳定情况。它将测量的开挖体积与根据掘进速度和开挖洞径计算得到的理论体积值进行比较，对盾构机挖掘推进速度和螺旋输送机的旋转速度参数进行调节控制。对开挖出土料体积的测量方法有传统的称重方法及近些年采用的超声波和激光测量方法。超声波法和激光法要求输送带上的土料表面较光滑，在实际应用中较难保证。仅靠体积控制的方法存在一些缺点，它不提供任何开挖室内实际填充情况和土体压实度的有关信息；体积测量装置复杂而且昂贵，它们的安装位置有时会阻碍输送带对土料的输送；只有在一段时间之后才能做定性分析，无法得到开挖面的实时情况；在同时有土壤改良剂料加入时，无法得出精确体积值。
对开挖室内土压的测量则会提供更多的开挖面稳定控制所需的信息。土压是通过安装在承压隔板上不同位置的土压传感器进行测量的。土压测量装置的原理比泥水式盾构机中支撑液体静压的测量方法要复杂，它的应用和发展已能够根据事先计算的开挖面支撑压力曲线对压力进行精确控制。在隧洞掘进的过程中，通过土压的测量值由调节电路来调整有关控制参数。土压通过改变盾构千斤顶的推进速度或推螺旋输送机的旋转速度而增减。在盾构机的实际运行中，操作员的经验及对盾构机中各重要测量参数的监视非常重要。
2土质改良和应用范围
土压平衡式盾构机用开挖出的土料作为支撑开挖面稳定的介质，对作为支撑介质的土料要求为：具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良。改良的方法通常为：加水，膨润土，粘土，CMC，聚合物和泡沫等，根据土质情况选用。通过这些改良措施，扩大了土压平衡式盾构机的应用范围。
开挖室内土料具有的软稠度和良好的塑性变形，使支撑压力能规则地作用于开挖面，也保证了土料能不断地流送到螺旋输送机，这样就避免了土料在开挖室低压部位的堆集、对刀盘的阻塞以及对开挖室的堵塞，降低了刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，从而更为经济。但土料不能过软，否则不适于带式输送机和料车的输运。
土料由螺旋输送机从有压的开挖室输送到大气压下的隧洞里，从螺旋输送机到带式输送机的转运如没有料闸装置，则土料应具有低的渗透性，低渗透性可以避免液流穿过螺旋输送机。
有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层。根据土层的稠度，有时不需要水或只需要加很少量的水。通过搅拌装置在开挖室内的搅拌，即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。
随着含砂率的增加，加水就显得不够，因为它不能减小内摩擦角。增大的渗透性必须解决好螺旋输
送机的密封问题。细土粒含量的缺乏可以通过加入粘土和膨润土悬浮液来补偿。这样孔隙里的水就可通过膨胀的悬浮液限制，挖出的土料便可变成流动性很好、渗透性降低的可塑土浆了。
对非粘透水性土层可以通过注射泡沫进行改良处理。泡沫被加入挖出的土壤中并成为粒状结构的一部分。粒状结构中的气泡可以降低土浆密度，减小颗粒摩擦。土浆混合物的体积变化率得到降低使其在较宽的形变范围内有最理想的弹性，这样才可能控制开挖面支撑压力。随着开挖室内压力的降低，粒状结构内的气相会膨胀，土体会形变；随着开挖室内压力的增大，土体中孔隙不断变小，这样就可避免切削刀盘的驱动力矩的快速增大。由于化学的和物理的粘着力的作用，使用适当的泡沫混合物，开挖的土料可以变得非常粘着，完全可以用带式输送机进行输送。实际上泡沫的90%都是空气，而空气在几天后就会全部逸出，因此土料可以恢复原来的稠度，在对开挖出土料的储置或进一步利用上这是一个显著的优点，而且不需要复杂昂贵的分离设备。加泡沫技术用于含水土层时还可抵抗较高的地下水压，它的发展可扩大土压平衡式盾构机的应用范围，使它也可用在原先只适于泥水式盾构机的土层中。泡沫混合物在使用后几天之内化学物质就会完全生物分解，基本不存在环境污染的问题。土压平衡盾构机的应用范围如图2所示。在宽限制线（曲线1）上细土粒含量不少于30%，这时针对土层的颗粒分布，应用上没有限制。这主要是指稠度由现有水含量决定的一般不透水地层。
图2土层颗粒尺寸分布的土压平衡式盾构机适用范围
对稠度I c>1、高粘性和低渗透性的土层一般可以在无支撑压的情况下施工。但如果开挖面需要支撑，土料的稠度应为柔软（I c=0.4-0.75）。根据土层的矿物学结构组成情况，也可以使用水、低粘性悬浮液（膨润土，聚合物）和泡沫。
在限制线以下土层渗透性及内摩擦大大增加，应用所受的限制由渗透系数k和地下水压力决定。在实际应用中，压力最大为200kPa时水的渗透系数不应大于10-5m/s。在曲线2和曲线3之间的部分，土压平衡式盾构机不能在水压下使用。在曲线3以下，渗透性太强，对土层进行改良处理也不会有效。
在对曲线2下面的土层的改良处理中，只能选用高粘性粘土悬浮液（高密度泥浆）和聚合物泡沫。若处理液的比例超过了开挖量的40%-45%，稠度已达到液体值，此时应用泥浆系统取代输送带。
虽然通过土层处理土压平衡式盾构机的应用范围可以扩大到泥水式盾构机应用领域，但不应将非粘性土层归在土压平衡式盾构机的应用范围之内。在细砂含量少的非粘性土层中，使用泥水式盾构机比土压平衡式盾构机有更大的优越性，应首先考虑使用。
土压平衡式盾构机可分为土压式盾构机和泥土加压式盾构机。土压式盾构机是在挤压式盾构机上安装刀盘进行开挖，同时使开挖的土料流动，以便排土，它只适于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软粘土。泥土加压式盾构机装备有注入土壤改良用添加剂料的机构和搅拌机构，它的适用范围较广，可用于冲积粘土、洪积粘土、砂质土、砂、砂砾、卵石等土层。这种盾构机又分成搅拌全部开挖土料的泥土加压式盾构机和搅拌部分开挖土料的泥浆加压盾构机。泥土加压式盾构机的刀盘形状多为轮辐形的，容易进行土压调节，适用于大范围的土质。泥浆式盾构机是在刀盘开挖的土料内注入改良剂料，在土室内搅拌，使开挖土料变成泥浆。
3土压平衡式盾构机的主要部件
土压平衡盾构机的基本装置是切削刀盘及其轴承和驱动装置，开挖室以及螺旋输送机等。
3.1切削刀盘
切削刀盘切割开挖面上的土壤和在开挖室内搅拌使之变成可塑的泥土浆。切削刀盘前面一般布置有添加土壤改良剂料的灌注口，对开挖面上的土壤进行改良处理。切削刀盘盘面有封闭式和敞开式两种。封闭式切削刀盘是用于开挖面不稳定的土层类型，这样可以避免在开挖面有大量的土壤松动。切削刀盘上开口的百分比在保证系统稳定的前提下可以根据实际需要而变化。开口的宽度限制了螺旋输送机中可以输送的最大石块的尺寸。大的石块需在切削刀盘前压碎到与开口缝隙尺寸相配，这样可以避免损坏螺旋输送机。封闭式切削刀盘的一个缺点是在开挖面上支撑压力的分布不均匀。承压隔板上测得的土压值不一定就是真实值，它还和刀盘的位置和转向有关。
敞开式切削刀盘（敞开式星形设计），一般不会发生阻塞，此时开挖面支撑压力分布均匀且送到螺旋输送机上的土料流动稳定。但它的缺点是由于缺乏机械支撑，进入压缩空气下的开挖室的危险较大。此外，长时间运行时，在覆土浅时易造成沉降，稳定性和刀盘的强度降低。若敞开式星形设计有轮缘，则切削刀盘的稳定性会增强。
根据地质情况，刀盘可配铲型刮刀、盘型滚刀等不同刀具。它们都安装于刀盘的后面，以便检查和更换。根据隧洞的走向及盾构机的设计，刀盘还配有超挖刀具。
3.2轴承和驱动部件
在轴承和驱动部件方面，采用了与泥水式盾构机和岩石掘进机相似的系统。在土压平衡式盾构机中，轴承的密封系统和易于拆换非常重要，因为这些部件在磨蚀性强的土层中会受到很大的机械应力，易造成密封区域的严重损坏。
在结构上一般分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方式。中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘
是一种比较简单的设计，在开挖室内不需要什么处理，也没什么障碍物。它的另一个优点是所有密封都可以从盾构机上接触到，因此易于修复。中心轴驱动部件的缺点是盾构中心被切削刀盘部件占满，使螺旋输送机的安装坡度特别小，这必然导致盾构机的加长。
非中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘驱动轴承的直径约为盾构直径的一半。切削刀盘有单独的支架支承。优点是导引稳定、不易阻塞和支承支架能起一定的搅拌作用，并可以从盾构区域接近密封系统。
3.3开挖室
土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室。在这里从开挖面挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑土浆（假如在开挖面的开挖中还没做到这一点的话），以保证在开挖面有稳定的支撑压力。
挖掘工作腔室的设计由螺旋输送机、压缩空气室（如果有的话）和切削刀盘驱动部件的位置决定。开挖室的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，保证土料持续地流到螺旋输送机中。
开挖室的长度决定了与推进速率相关的土料留在室内的时间。开挖室还可根据需要布置一些搅拌机构，对土料进行搅拌。对大直径盾构机，堵塞的危险性较大（尤其在开挖室中部），因为旋转搅拌工具的转速越靠中间越小。当切削刀盘的一般转速为1-2m／min时，搅拌机构对靠近中心的部位不起作用，因此在中心部位应设置可以独立旋转的切削或搅拌装置。
3.4螺旋输送机
在土压平衡式盾构机中螺旋输送机具有以下功能：从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧洞中；在渗水土层中密封有压水；通过控制开挖土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。
螺旋输送机是一个连续工作的系统，由可旋转的螺旋叶片和静止螺旋叶片外壳组成。螺旋叶片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计成没有中心轴以便在中心输送较大的石块。
螺旋输送机的驱动可以布置在中心（轴）或周向边缘。中心驱动时土料从圆柱体外壳的一扇门送出，而周向边缘驱动时，土料可以从圆柱体外壳的端部送出。
螺旋输送机的圆柱形壳体有一段是可以伸缩的。它伸到开挖室内部, 可以改善土料的供应。由于存在摩擦，在壳体内的土料不能旋转，只能作轴向移动。
螺旋输送机的安装位置较低时更好用，因为土料是利用其自身重量压入螺旋输送机开口中的。当螺旋输送机位于中心时，必须将在开挖室下部的土料向上压送以克服重力作用。若螺旋输送机位于更低的位置，使用压缩空气将开挖室内的土料向低位压送没什么问题，因此压缩空气气室的位置越高越好。
土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 傅德明 上海市土木工程学会 1 土压平衡盾构的结构原理 土压平衡盾构的基本原理 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口 处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1 粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理 就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3 土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1 土压盾构的种类 图1 土压盾构基本形状
土压平衡盾构机技术规格及要求
土压平衡盾构机技术规格及要求 1.土压平衡盾构机（以下简称盾构机）技术要求的说明 1.1盾构机技术要求以南昌轨道交通工程、周边环境及地质条件要求，兼顾满足南昌轨道交通其他线路区间、周边环境及地质条件要求及各项施工条件。 1.2本技术要求为南昌轨道交通3号线盾构区间掘进的盾构机最低技术规格和施工要求。 1.3本技术要求对盾构机部件结构不作具体的规定，但其必须满足本标准对盾构机所需的功能、性能、配置等要求。 1.4本技术要求仅限于主要部件、总成、系统的功能、性能、配置等，未描述部分应自动满足南昌轨道交通3号线工程、周边环境及地质条件。 2.新机技术规格要求 2.1整机 盾构机技术规格必须满足南昌轨道交通3号线工程、周边环境及地质条件要求，兼顾满足南昌轨道交通其他线路区间、周边环境及地质条件要求及各项施工条件。 盾构机的各项安全性能指标必须满足国家及南昌地区相关安全使用和施工规范要求。 盾构机应满足南昌地铁三号线管片规格：外径Φ6000mm，内径Φ5400mm，宽度1200/1500mm，纵向螺栓分度36°。 盾构机最大推进速度应≤80mm/min。 盾构机最小掘进转弯半径应≤250m；适用隧道纵向坡度应≥±45‰。 盾构机最大工作压力应≥0.5Mpa。 盾构机主要部件及总成使用寿命应≥10km或10000小时。 盾构机主要部件应采用世界知名厂商品牌及产品。 盾构机主要结构件材料应采用国内知名厂商品牌及产品。 2.2刀盘 2.2.1基本结构 刀盘支腿数量≥4个，≤6个。 宜采用复合式刀盘，刀盘开口率应≥30%。 复合式刀盘滚刀的安装刀座宜采用单楔块方式。软岩刀具的安装可采用螺栓紧固或销轴安装方式。
海瑞克土压平衡盾构机结构分析
海瑞克土压平衡式盾构机结构分析 [2008-08-07] 关键字：盾构机结构分析 承担修建深圳地铁—期工程第七标段(华强至岗厦区间内径为5.4m的双线隧道)的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。 本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 盾构机的工作原理 1.盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 2.掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN＆#82 26;m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土
海瑞克φ8800mm土压平衡盾构机参数书讲解
TABLE OF CONTENTS TECHNICAL DATA E D I T I O N 09/2010V E R S I O N 001S -591/592 G U A N G D O N G I N T E R C I T Y R A I L W A Y L O T 3I I - 1 D O C U M E N T : 7686-001 II. Technical Data 1. Tunnel boring machine general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 3 1.1Tunnel boring machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 31.2Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 31.3Segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 4 2. Shield general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 5 2.1Steel construction shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.2Tailskin articulation cylinder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.3Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.4Man lock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 62.5Screw conveyor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 6 3. Cutting wheel general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 7 3.1Steel construction cutting wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 7 4. Drive general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 8
海瑞克土压平衡式盾构机分析
海瑞克土压平衡式盾构机分析 盾构机的工作原理 1．盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 2．掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 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，推力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30个推进油缸，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
土压平衡盾构机工作原理.
土压平衡盾构机流体输送控制系统工作原理 何於琏 (中铁隧道股份公司河南新乡 453000 摘 要流体输送系统用于盾构机的润滑、密封、填充以及碴土改良 , 是盾构机中的重要系统。本文介绍了流体输送系统的组成 , 并简明叙述了衬砌背后注浆控制系统、碴土改良控制系统、主轴承油脂密封润滑控制系统、盾尾密封油脂注入控制系统的工作原理。关键词流体输送 非传动介质控制系统原理 W orki n g Pri n c i ple of Control Syste m of Flui d Conveyi n g Syste m s of EPB Shi eld Machi n es HE Yu 2lian (China R ail w ay Tunnel S tock Co . , L td . , X ingxiang 453000, Henan, China Abstract:Fluid conveying syste m, which is app lied in the lubricati on, sealing, backfilling and conditi oning of EP B shield machines, is one of the i m portant syste m s of EP B shield This compositi on of the fluid conveying syste m and the working p rinci p les of contr ol syste of ment lining, gr ound conditi oning syste m, main bearing grease sealing and grease injecti on syste m. Key words:fluid conveying; non 2transit; p le
试谈土压平衡盾构机的工作原理
土压平衡盾构机的工作原理 一、盾构机的工作原理： 1、盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过盾构井口垂直运至地面。 2、掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3、管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，通过管片拼装机通缝或错缝拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
二、盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的刀盘直径为6.28m，总长80余m，其中盾体长8.5m，后配套设备长72m，总重量约480t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩 5300kN?m，最大推进力为36400kN，最快掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是刀盘、盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 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，其外径是分别为6250mm、6240mm和6230mm。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仓压力值。前盾的后部是中盾，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，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后部已安装好的管片上，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。推进油缸按照安装布置被分成A、B、C、D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拟合隧道设计轴线。中盾的后部是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接方式使盾构机易于转向。
土压平衡式盾构机的组成及工作原理
土压平衡式盾构机的组成及工作原理 随着科学技术日新月异的发展，新事物不断涌现，盾构机的出现虽然有一定时间，但是，盾构机集成了很多现代科技。大型PLC,各种性能优良的液压泵，各种先进的控制理念都体现在了盾构机上。我们要去学习和了解它，从而去创新和改造它。 现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。 盾构机挖掘主要靠刀盘切削来完成，不同地质刀盘通常配备有不同数量的切刀或滚刀。为了确保切刀的耐久性，要选择与土质相适应的切刀形状。刀刃材料通常是以钨碳化合物为主烧结超硬合金。切刀要合理排列以达到能切削整个掌子面的目的。地层为岩石或地层中存在大块卵石情况下，安装滚刀是必不可少的，盾构机掘进时刀盘旋转的同时启动推进千斤顶将刀盘压紧岩层，刀盘上的滚刀一边滚动一边破岩，刀盘旋转推力使得滚刀不断滚动前进，从而对整个掌子面的岩石开挖。刀盘上有仿形刀装置，此装置为液压缸驱动，由切削刀，液压油缸构成，在必要时（如纠偏，转弯）进行盾体外周超挖或余掘。主驱动系统有两个变量柱塞泵（分别有两个315KW电机，电机分别由两个软启动器驱动），8个液压马达（用来驱动刀盘），补油泵（75KW电机驱动），控制泵，恒功率阀块，HBV油脂系统，轴承润滑系统，冷却水系 统组成。 1.启动控制泵，缓慢调节控制泵的切断阀（顺时针增大压力），泵输出压力逐步升高，控制泵的安全压力设定为8.0Mpa。2. 启
动补油泵，再缓慢调节溢流阀，溢流阀压力升至 2.0Mpa。 锁紧补油泵旁路溢流阀和换油流量调节溢流阀锁紧螺母； 3. 启动冷却水泵（主驱动有8 个液压马达，每个液压马达带一个减速器，用来冷却减速器，）。4.启动润滑油脂系统，HBV系统，齿轮油系统）4.硬件上强制给PLC—个启动信号（不需要启主驱泵）。选择刀盘旋转方向（即主泵上三位四通换向阀得电情况两个泵需一致），观察两个主泵斜盘变化，变化正常后再按正常程序启动主泵。 5. 调节主驱动恒功率控制模块比例溢流阀（该比例溢流阀是一个型号为VT3000力士乐放大板，放大板使能端接了一个中间继电器常开触点，刀盘启动条件满足完全满足时，这个PLC有相应的Q点输出，中间继电器常开触点闭合，放大板正常工作，通过电位计（0-10v 直流电压）来控制放大板的输出从而控制斜盘斜率，控制泵的排量。 螺旋输送机作用是出渣和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，将渣土输送到输送机后腹部，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，推进速度一定时，通过调节出土闸门开启度和螺旋机转速变化来实现对土仓内土仓压力的调节，保证隧道开挖面的稳定性。螺旋输送机排土口有两个由液压缸控制的出土闸门，通过它控制螺旋输送机排土量，开启油缸上安装有行程传感器，根据掘进速度在操作盘上任意控制闸门开启度，随时调节排土量实现土塞效应，形成良好的排土 止水效果，土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力作用。螺旋轴采用驱动端固定，一端浮动支撑形式，取土端外壳焊接耐磨合金条，螺
2.土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 上海市土木工程学会 1土压平衡盾构的结构原理 1.1土压平衡盾构的基本原理 图1土压盾构基本形状 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图6.1所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1土压盾构的种类
直径614m复合式土压平衡盾构电气系统设计研究
【提要】：结合工程实践，研究复合式盾构电气系统，从供配电、盾构控制、检测仪器、数据采集等方面分析系统特点。 【关键词】：复合式盾构电气监控特点 Abstract: Incorporating engineering practices, this paper studies electrical system from analyses of system characteristics of power supply and distribution, shield control, testing instrumentation, data acquisition on Compound Shield EPBM. Keywords:Compound Shield, shield, electrical monitoring features. 1 概述 φ6.14m复合式土压平衡盾构(简称复合式盾构)是隧道股份为广州市地铁总公司建造地铁2号线新研制开发的。盾构需穿越软土、硬土(岩土)及复合土等多种土层，并穿越珠江，掘进距离约1.7km。原用于1号线施工的进口泥水平衡盾构已不能满足施工需要；而另一台进口土压平衡盾构，在1号线施工结束时已损坏，为适应2号线的施工，必须对该泥水平衡盾构作彻底的改造。 复合式盾构既要适用于软土土层的施工工况，又要适应硬土、复合土(软、硬土混合)土层的掘进工况。它采用全断面切削布置的滚刀和割刀组合的互交型刀盘来开挖岩土，当工作面岩土稳定时，可以在土压不平衡状态下进行掘进；当遇软土和复杂地层时，则在土压平衡状态下进行掘进，以确保工程安全和质量。复合式盾构在软土层施工，其平衡机理是与一般土压平衡盾构一致的，均使充满切削土的密封舱土压保持在设定值上，求得盾构开挖面的稳定；而显著不同的是复合式盾构具有更大的切削岩土能力和更复杂的控制功能，因而刀盘的动力要大大增加，并具有多种控制模式。然而泥水平衡盾构的掘进机理是与土压平衡盾构完全不同的，它是靠泥水动态平衡来达到开挖面的稳定，以泥水输送和泥水处理来排土；其构造和设备配置也完全不同，以盾构的设备配置为例，土压平衡盾构要增加螺旋机、皮带机及其它辅助设备，故将泥水平衡盾构改制成土压平衡盾构是有一定难度的，要改制成复合式土压平衡盾构就更难。 2 原泥水平衡盾构概况 在广州现场勘查到盾构已解体成刀盘、切口环、支承环、拼装机、整圆器等部件(散件)堆放在露天仓库。盾构一共有7节台车，控制室设在1号台车，动力设备分布在2号～6号台车，低压配电柜安装在7号台车。盾构本体主要电气设备有：控制台、高压柜、低压柜、电容器柜、仪表柜；电动机14台；传感器14只(套)；遥控装置1套；电磁阀80余只；1套PLC(主机A3NCPU，输入/输出模块30块)；现场的按钮盒、限位若干(遗失和损坏较多)。 独立的泥水输送系统由日本大平洋公司设计制作，在盾构中有切换阀、EV阀、排泥泵、控制柜(箱)、泥泵流量计和密度计等。PLC自成系统，有1个主站和4个从站，主站和从站靠ME信号传送器进行通信。 3 计研究的难点 （1）开发复合式盾构需从研究盾构工作机理出发，在深入研究控制模式和施工管理方式后，再进行电气系统的设计研究。 （2）改制旧泥水盾构，设计时缺乏原盾构完整的技术资料。在缺少所需的系统原理图、传感器、仪表、PLC等技术资料的情况下，必需对原进口电气设备作深入的消化和研究，掌握基本的技术性能和参数，为改制设计提供必需的资料。
土压平衡式盾构机原理
本文主要介绍的是海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机的工作原理，组成部分及各组成部分在施工中的应用。 0引言 我单位承担修建深圳地铁—期工程第七标段华强至岗厦区间内径为5．4m的双线隧道的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 1 盾构机的工作原理 1．1盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 1．2掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 1．3管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 2 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6．28m，总长65m，其中盾体长8．5m，后配套设备长56．5m，总重量约406t，总配置功率1 577kW，最大掘进扭矩5 300kN·m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 2.1盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 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，推力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
土压平衡盾构机选型
土压平衡盾构机选型 1选型程序 由于施工与工程本身的各种条件密切相关，盾构法施工较之一般的隧道施工技术具有更大
2选型依据 2.1工程、水文地质条件 1）工程地质 需要着重考虑下述施工地层特性的影响： 隧道埋深及上覆地层的软硬程度； 掘进地层的软硬程度及软硬不均情况的分布； 岩石抗压强度； 岩石完整性系数； 岩石变形模量大小； 不良地质与特殊地质的有无； 2）水文地质 岩土的富水性及渗透性大小； 地下水类型及赋存与补给方式； 地下水力联系好坏； 2.2掘进长度及过程 除掘进总长度以外，有无调头、过站施工。 2.3管片尺寸、拼装 盾构隧道管片外径、内径，管片厚度，管片宽度，分块数，管片的拼装方式。 2.4线路平面条件 平曲线半径、直线段曲线段长比率。 2.5线路纵断面条件，隧道埋深 竖向转弯半径，最大坡度，最小坡度，竖曲线个数。隧道平均埋深，最小埋深等。 2.6掘进速度要求 2.7掘进方向误差要求 一般不超过±50mm。 2.8地表沉降量要求 一般情况下须控制在+10mm/-30mm范围内； 2.9盾构机寿命 分主要部件寿命及主轴承寿命要求。 2.10周围环境 1）地面建筑物
建筑物分布密度； 建筑物平面与盾构隧道相位置关系； 建筑物层高、结构类型、完好程度、重要程度、规模大小； 建筑物基础类型、桩基与盾构隧道的相对位置关系。 2）地下管线 地下管线平面分布、埋深、类型、抵御变形能力、重要程度、盾构隧道相对位置关系有关。 2．11盾构机价格 除价格因素外，盾构机制造商的业绩、信誉、实力、售后服务水平、允许的制造周期等因素。 3盾构机可靠性设计 由于盾构推进的不可逆转性；在推进过程中基本不存在大范围深层次维修的空间及时间；再加上单段掘进距离较长，因此一旦推进开始，除了少量可快速处理的问题允许出现以外，一般不应也不能出现较大的机电故障及缺陷问题，这既是施工进度方面的需要，也牵涉了很大的质量、安全问题。因此盾构机的可靠性设计显得十分重要。一般在选型时以下几个方面需要予以重点考虑: 1>．盾构机设计参数是否按照掘进区间的工程条件确定。 2>．主轴承寿命大小设计。 3>．螺旋输送机的耐磨性及密封性设计。 4>．刀盘扭矩大小的设计。 5>．刀盘开口率及耐磨性设计；刀具类型、数量、刀间距；刀体材料及抗压性能；换刀方式。 6>．土仓内碴土改良系统的设计（数量、分布及防堵塞设计）。 7>．铰接设计方式，可否满足曲线施工、方向修正时的要求。 8>．设计平均掘进速度能否满足要求。 9>．控制系统是否具有自动及手动控制模式，能控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机转速等参数。数据采集处理传输系统的及时有效性，是否具有故障自动诊断系统。 10>．盾构机掘进方向控制能力及自动纠偏能力牵涉的导向系统设计。 11>．管片背侧注浆方式的设计。
土压平衡式盾构机
土压平衡式盾构机 1发展概况和工作原理 土压平衡式盾构机（如图1所示）的开发始于70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。随后，其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平衡系统（Earth-pressure balance system，即EPBS）。 1．切削刀盘2．开挖室3．承压隔板4．压缩空气闸室 5．推进千斤顶6．尾盾密封7．油箱8．带式输送机 9．管片拼装机10．刀盘驱动11．螺旋输送机 图1土压平衡式盾构机 土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层，适用地质范围狭窄。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设备较为困难。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压式盾构机广，掘进性能也优于挤压式盾构机。 根据日本对不同盾构机型的统计资料，从1964年到1974年的10年间，与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4，从1974年到1984年的10年间，这种盾构机型减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果（其中96%是日本的工程），从1980年至1985年的6年间，密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%，特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。 土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室或泥土室。刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入泥土室，与泥土室内的可塑土浆混合或被搅拌混合，盾构千斤顶的推
一般土压平衡盾构机工作原理
一般土压平衡盾构机工作原理 ? 1.4 土压平衡盾构 ?土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开 挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。 ?土压平衡工作原理 ?刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底 部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。 ? ?通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土 压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。 ? ? 1.4.1 土压平衡盾构机组成 ?土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装
机、推进油缸、同步注浆系统和辅助装置等组成。 ?适用：软土、软岩（含水/不含水）地层的隧道开挖与衬砌 ?Φ4.33m加泥式土压平衡盾构 ? 1.4.2土压平衡盾构（EPB）工作原理 ?土压平衡盾构的工作原理 ?通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土 压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。 ?EPB工作原理图 ?EPB ? 1.4.3 土压平衡盾构特点 ?土压平衡盾构的特点： ?主要通过控制盾构开挖速度和螺旋输送机转速，达到控制土压的目的 ?整体结构 ? 1.5 盾构机的构造 ?土压平衡盾构机构成： ? 1.盾壳、盾构推进千斤顶、盾尾密封、铰接装置、人员舱 ? 2.刀盘和刀盘驱动支承机构 ? 3.螺旋输送机 ? 4.管片拼装机 ? 5.后配套设备。 ? 盾壳是一个用厚钢板焊接而成的圆筒，是盾构受力支撑的主体结构。
复合式土压平衡盾构机常见故障分析及处理办法
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/ab10429242.html, 复合式土压平衡盾构机常见故障分析及处理办法 作者：张海涛 来源：《城市建设理论研究》2012年第33期 【摘要】盾构机在隧道施工中运用广泛，其安全、高效、经济、环保的优点非常显著，因此，盾构机在隧道施工中的扮演着非常重要的角色。本文主要研究了复合式土压平衡盾构机常见的故障，并提出了相应的解决办法。 【关键词】复合式土压平衡盾构机；常见故障；分析 中图分类号：U226.8+1 文献标识码：A 文章编号： 引言 随着我国城市地铁建设的快速发展，盾构工法凭借其对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等优势，成为目前城市地铁区间建设和隧道施工的主要施工工法。复合式盾构机得到了非常广泛的运用，然而，在复合式盾构机得施工使用过程中，常常会出现各种故障，严重影响了盾构机的使用效率，拖慢工程的施工进度，甚至在一定程度上影响了施工质量。因此，对复合式盾构机常见故障进行分析及处理的现实意义重大。 复合式盾构机的工作原理如下：通过旋转的刀盘切削前方的土层，油缸推进刀盘实现掘进，同时使土体从刀盘开口处进入并充满土仓，在油缸的推力下仓内土体保持一定的压力用来平衡前方的土压力和水压力，通过添加外加剂并搅拌土体使其具有适宜的流动性和不透水性，然后在基本保持土压平衡的条件下，从螺旋输送机排除土体。成洞后由管片拼装机拼管片来支撑洞体，同时对盾尾与洞体的缝隙注浆填充，最后实现设计的线路和其结构尺寸要求。 一、复合式土压平衡盾构机常见故障分析 盾构施工中往往遇到各种复杂的地层，变化性比较大。由于地质条件的复杂性．决定了盾构机刀盘的配置及刀具的选用将非常关键．刀具的配置和选用直接影响到刀具使用的寿命，盾构机刀具配置、维修和管理是盾构施工设备管理的重要内容。在复合式土压平衡盾构机的施工使用过程中，作为盾构机主要部件的刀盘最容易出现各种故障，以下详细分析： 1.1刀盘常见故障及原因分析 盾构机的刀盘根据地层的差异，分为三类：软岩刀盘、硬岩刀盘和复合刀盘。软岩刀盘适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，硬岩刀盘适用于硬岩地层，复
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置 随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。 控制原理 土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。 土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。 主要参数 抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。 过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。 比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。 积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E, 也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。积分时间越小，调控效果越好。 微分时间：根据偏差变化率de/dt 的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，可以克服因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。 参数设定 参数设置分为两步，第一步是在设备组装完毕，无负荷的状态下进行的一次调试，第二步是在掘进开始，土层稳定后，根据土层状况和操作习惯进行的微调。 1、无负荷调试 （1）比例系数P，首先不执行 I和D，I调至数值上限，D设定为 0,这样系统只执行比例动作P，变动土压目标值，制造约0.01 － 0.03Mpa 的系统偏差,接下来逐渐增大 P 值，使螺旋机转速逐渐增大，当 P 值上升到一定值时，螺旋机的旋转速度会出现大幅度地反复升降，即系统形成振荡，我们把出现振荡时P 值的 85% － 90% 设定为系统的比例系数。
土压平衡盾构标准
土压平衡盾构机标准◇前言 ◇ 1. 范围 ◇ 2. 规范性引用文件 ◇ 3. 术语和定义 ◇ 4. 符号 ◇ 5. 总则 ◇ 6. 盾构主机 ◇7. 液压系统 ◇8. 附属系统 ◇9. 盾构电气系统 ◇10. 技术要求 ◇11. 试验方法 ◇12. 检验规则 ◇13. 标志、标签、使用说明书 ◇14. 包装运输贮存 ◇附录A（资料性附录）刀盘扭矩计算法 ◇附录B （资料性附录）盾构装备推力阻力计算法 ◇附录C （资料性附录）液压元件的选择
我国从六十年代开始用盾构法开挖隧道，先后制造了各种类型的盾构，取得了用盾构法开挖隧道的经验，盾构的制造技术也不断提高，生产的盾构广泛用于地下工程，为我国的城市建设做出了重大贡献。然而到目前为止，我国还没有盾构的国家标准。为了促进技术进步、提高产品质量、扩大对外开放、加快与国际惯例接轨，根据多年来制造盾构的经验，特制定了本标准。 本标准由建设部标准定额研究所提出 本标准由建设部给水排水产品标准化技术委员会归口。 本标准主要起草单位：上海隧道工程股份有限公司
本标准规定了土压平衡盾构掘进机（以下简称盾构）设计应遵守的基本原则和计算方法，并规定了盾构制造和验收的技术要求、试验方法、检验规则及包装、标志、储运。 本标准适用于在软土、粘土、砂土中运用的5.5m～7.0m土压平衡盾构。
规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB150-1998 钢制压力容器 GB699—1999 优质碳素结构钢 GB755—2000 旋转电机定额和性能 GB3098.1—2000 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱 GB4028-1993 外壳防护等级（IP代码） GB4205-2003 人机界面（MMI）—操作规则 GB7947-1997 导体的颜色或数字标识 GB14048.2-2001 低压开关设备和控制设备低压断路器 GB50017-2003 钢结构设计规范 GB50052－95 供配电系统设计规范 GB50054－95 低压配电设计规范 GB50055－93 通用用电设备配电设计规范 GB50062－92 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 GB50150-1991 电气装置安装工程电气设备交接试验标准 GB50168-1992 电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范 GB50169-1992 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范 GB50170-1992 电气装置安装工程旋转电机施工及验收规范 GB50171-1992 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范 GB/T985—1988 气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 GB/T986—1988 埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸 GB/T987-1991 带式输送机基本参数与尺寸 GB/T1184—1996 形状和位置公差未注公差值 GB/T1231—1991 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件 GB/T1801-1999 极限与配合公差带和配合的选择 GB/T2900.18-1992 电工术语低压电器 GB/T3633—1995 钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件 GB/T3766—2001 液压系统通用技术条件 GB/T4942.2—1993 低压电器外壳防护等级 GB/T7935—1987 液压元件通用技术条件 GB/T10595-1989 带式输送机技术条件 GB/T13869—1992 用电安全导则 GB/T14048.1-2000 低压开关设备和控制设备总则 GB/T15622-1995 液压缸试验方法 GB/T17468-1998 电力变压器选用导则 GB/T18268-2000 测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求 GB/T18858.1-2002 低压开关设备和控制设备控制器—设备接口（CDI）第1部分：总则GB/T18858.2-2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口（CDI）第2部分：执行器