海瑞克盾构选型.docx

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海瑞克盾构选型

1.1盾构机选型

综合本区间隧道工程地质、水文、线路、方向控制、地表沉降、工期和环保要求，类似工程盾构选型经验，结合苏州以往盾构使用情况，根据《盾构法隧道工程施工及验收规程》，土压平衡盾构对于淤泥质粘土、粉质粉土、砂质粉土、粘土层对地层的适应性，通过盾构配备加膨润土、泡沫及水装置，可取得良好效果。

因此在本区间隧道工程施工中拟选

1.2盾构机来源

拟将采用两台日本株式会社小松制作所生产的TM634PSX加泥式土压平衡盾构机用于本标段的施工，全部来源于新购置。

1.3盾构机供应方案和工程适应性的描述

1.3.1土层的适应性能

（1）刀盘结构是针对苏州长三角淤泥质粘土、粉质粘土、砂质粉土、粘土地质条件设计的，采用面板式刀盘，开口率为40％。

提高开挖效率，使碴土顺利从切削面流入土舱内。

刀盘结构见图1-1。

在维修时刀盘面板对土体有一定的支护作用，便于土压力平衡。

（2）刀盘采用中间支承式结构，设置有固定搅拌翼和随刀盘转动的搅拌翼，对土舱中的碴土进行强制搅拌，尤其在本工程中有各种地层且相互交错，对切削下来的碴土需要进行搅拌，使碴土具有塑性，并防止土体的滞留和粘附，盾构机刀盘设有中心刀1把，切刀120把，刮刀18把，超挖刀2把，能够确保施工的进度。

（3）刀盘、土舱及螺旋输送机有泡沫、膨润土及水注入系统，通过刀盘和搅拌翼把注入在开挖面的添加剂与切削下来的碴土在土舱中进行充分搅拌。

对于开挖不同的地层，可通过控制泡沫、膨润土或水的注入量，有效调节碴土的塑性及粘度、降低透水性及内摩擦力，提高土体的流塑性，防止螺旋输送机喷涌或产生泥饼，同时可减少刀盘功率的消耗。

（4）刀盘转速分五档可调0~1.3rpm，根据地层情况自动调节速度，且旋转方向可改变。

图1-1盾构机刀盘示意图

1.3.2埋深的适应性能

（1）盾构机有足够的承载能力、推进力和刀盘扭矩储备，有足够的土压承受能力及土压调节能力，可以满足本区间隧道施工的需要。

（2）轴式螺旋输送机，液压驱动，出土量易于调节，并有良好的土压减压效果。

（3）主轴承密封可承受3MPA的泥土压力，主轴承密封有良好的油脂润滑系统，保证密封系统的可靠。

（4）盾尾采用三道钢丝刷密封，油脂注入润滑，保证盾尾密封可靠。

（5）采用管片同步注浆，保证注浆效果和系统可靠。

1.3.3保持开挖面稳定、减少周边土体扰动、保护环境安全的性能

（1）区间隧道掘进都在土压平衡状态下，土舱压力可根据埋深、地质、地表沉降情况调整。

（2）土仓装有土压传感器，准确测定土舱内上、中、下部位和螺旋输送机内的土压力。

（3）我公司另配有地面沉降检测系统，随时调整土舱压力，控制地表沉降。

（4）螺旋输送机采用液压驱动，可正反转，转速可自动和手动调节，可以有效的调节出碴量，控制土舱内的土压力。

（5）铰接式盾构，盾尾随盾构中体随动，便于曲线掘进。

盾构中体和盾尾直接有密封条密封，可以承受1.5MPa压力。

（6）刀盘上设2把超挖刀，作为盾构机小曲线半径地段等需扩大开挖面处施工使用。

（7）管片注浆采用同步注浆系统，对盾尾间隙进行同步注浆，提高注浆效果，减少由于盾尾间隙引起的隧道周围地基变位，提高隧道的止水性能和降低了地标沉降。

（8）另配置有二次注浆设备，根据施工需要可进行局部加强注浆，确保注浆效果。

1.3.4施工操作的性能

（1）刀盘双向旋转有利于盾构自身的滚动控制。

（2）工作人员通过人员闸能够进入切削面处理障碍物及更换刀具。

（3）螺旋出碴门开度可调，并配有液压气体紧急阀门，在停电时可以自行关闭，防止喷涌。

（4）采用PLC控制，显示各种掘进参数，人机交互性好，易于操作控制。

（5）管片拼装采用无线控制的操作，操作方便、安全、可靠。

（6）推进油缸22根和推进液压泵站。

推进油缸按照在圆周上的区域分为4组。

通过调整每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向。

油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。

推进系统油缸的分组如图1-2所示，其中5，17，22号油缸安装有位移传感器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态

图1-1盾构推进油缸分区示意图

1.3.5技术先进性及经济合理性

（1）刀盘驱动采用8台电动马达带动刀盘旋转，有较大的扭矩储备性能，调速性能。

（2）激光导向、推进油缸行程指示能保证盾构的姿态和掘进方向的准确性控制。

（3）可自动控制的泡沫及膨润土系统能够对碴土进行改良，有利于土舱压力的稳定控制，扩大盾构对不同地层的适应性。

（4）采用同步注浆系统，及时回填管片周围的空隙能减少地表二次沉降量。

（5）整机设备配置和功能完善，管线路自动延伸功能，配置经济合理。

（6）盾构具有故障自动显示功能，可以快速判断处理设备故障。

（7）盾构数据采集处理系统能够将掘进参数远程传输、保存，便于对盾构掘进状况随时跟踪和数据分析。

1.3.6其他说明

盾构施工所需的设备配置是经过优化组合，运输列车、提升设备、隧道通风系统、供电系统、供水系统等都进行了优化组合，在实际施工过程中效果良好，施工质量、地面沉降控制、施工安全等在国内地铁施工中取得了良好的效果，最高日进度20.4m，能够满足工期的要求。

1.4盾构主要尺寸、技术参数

表1盾构机主要尺寸和技术参数

名称

小松盾构机

生产厂家

日本小松

出厂时间

新购

技术参数

开挖直径

Ф6340mm

整机长度

65m

主机长度

7600mm

主机重量

220t

总装机功率

1050KW

最大总推力

37730KN

刀盘驱动方式

变频电动驱动

最大刀盘驱动扭矩

4677KN·m

刀盘开口率

40%

推进速度

0~6cm/min

推进油缸数量

22st

推进油缸行程

2150mm

盾尾间隙

25mm

盾尾密封数量

3道

仿形刀数量

2st

仿形刀行程

120mm

注浆泵数量

2st

注浆泵功率

30KW

注浆口数量

4st

砂浆罐容量

6m3

砂浆搅拌器

功率

5.5KW

出碴能力

268m3/h

是否带铰接

是

主动铰接密封形式

一道橡胶密封+一道紧急气囊密封

最小转弯半径

300m

适用管片规格

Φ6200/5500-1200mm

1.5盾构机主要功能及技术性能

1.5.1盾构机的主要工作原理

1.5.1.1土压平衡工作原理

（1）土压平衡盾构的开挖土舱由刀盘、切口环、隔板及添加剂注入系统组成。

将刀盘切削下来的碴土填满土舱室，在切削刀盘后面装有使土舱室内土砂强制混合的搅拌臂。

借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面，使作业面稳定，同时用螺旋输送机排土，螺旋输送机排土量与盾构推进量相适应，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡，维持土舱内土压力稳定在预定范围内，其工作原理见图1-3。

图1-1土压平衡工作原理

（2）土舱内的土压力通过土压传感器进行测量，为保证预定的土压力可通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制。

（3）当土舱内的土压力大于地层土压力和水压力时，地表将会隆起；当土舱内的土压力小于地层土压力和水压力时，地表将会下沉；因此土舱内的土压力应与地层土压力和水压力平衡。

（4）盾构尾部的空隙通过注浆系统进行同步回填浆液，注浆压力及数量应与地层水土压力及空隙量相适应，有效控制地表的沉降。

1.5.1.2碴土改良工作原理

土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴土，为维持土舱内土压力的稳定和碴土的排出，土舱内的碴土必须具有：

良好的塑性和流动性、良好的粘—软稠度、低的内摩擦力、低的透水性。

一般情况下碴土不一定具有这些特性，刀盘扭矩较大，碴土流动困难，在土压力作用下易压实固结，容易产生泥饼或泥团，在透水性土层中，在水的作用下碴土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳定，因此需要对开挖后的碴土进行改良，使其具有上述特性。

根据地层情况，向开挖土舱内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使碴土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土舱内的压力容易控制和稳定。

1.5.2盾构机主要组成

盾构机的主要包括刀盘，前盾（切口环和支撑环）、后盾（支撑环和盾尾）和后配套5节拖车，由于隧道内空间狭小，大部分辅助设备和电气控制均安装在后配套拖车上，车架为门式结构，中间为通道，顶部安装皮带运输机，两侧安装注浆设备及盾构操纵控制室，拖车和盾构之间设备桥装有管片起吊电动葫芦，设备桥的一端连接在盾构上，另一端与拖车连接，同时将车架拉向前进。

1.5.3刀盘系统：

刀盘具有开挖功能，稳定功能和搅拌功能；刀盘设计是根据本标段地质设计，充分考虑到刀盘的结构形式，刀盘支撑方式、刀具的布置等因素进行设计为面板式刀盘。

针对苏州的粉质粘土、砂性土地质，刀盘上安装120把切刀。

刀盘开口率40%，有利于中心部分碴土的流动并进入土仓。

刀盘上设置有八个碴土改良材料注入口，能够充分保证碴土的改良效果。

在通过粘土层地段，根据需要可以开启中心部分的四个泡沫注入孔，可以有效的防止中心泥饼的产生。

当通过软硬交错的地层时，可以根据地层的实际情况配合碴土改良系统，调整刀盘的转速和扭矩参数。

刀盘有2把超挖刀为液压油缸驱动，以圆的16分之1（22.5。

）为设定单位，在0~359。

超挖范围内进行设定。

满足小半径转弯的挖土需求。

刀盘的密封润滑有拖车上的电动注脂泵经由管路分配阀强行集中自动注入，保护了刀盘的密封，使刀盘有效的，安全，正常的掘进。

1.5.4主驱动系统

盾构刀盘主驱动用8台变频减速电动机驱动，各变频减速电动机输出轴安装有小齿轮，小齿轮与主轴承上的内齿圈啮合，通过变频减速电动机输出扭矩带动主轴承旋转从而带动刀盘的回转。

1.5.5拼装系统

管片安装系统由管片拼装机、管片输送机构组成。

管片拼装机：

为环形结构，由盾构支撑环加强圈上二根横梁支承。

拼装机可在横梁上移动，拼装机回转由两台齿轮液压马达和小齿轮驱动，拼装机平移，伸缩由液压油缸操纵，操作通过无线和有线的吊式造作盒按钮开关进行。

如图1-4管片安装机结构：

图1-1管片安装机结构图

1.5.6盾尾密封：

为防止地层中的泥水或管片外围的浆液通过盾尾与管片间的间隙漏入盾构内，盾构尾部设有三道钢丝刷密封，在两道钢丝刷密封间，有12道油脂管路向盾尾密封注入专用密封油脂，以提高密封效果及可靠性，并起到减少钢丝刷密封件与管片混凝土表面摩擦的作用，见图1-5。

图1-1盾尾密封示意图

1.5.7出土系统

出土系统由螺旋输送机，皮带输送机组成。

螺旋输送机：

轴式螺旋输送机，由一台液压马达驱动，前端装在盾构土仓的底部，通过密封隔板向中心倾斜安装。

在前端装有维修闸，螺旋机壳体内前端堆焊硬质合金，作为螺杆前端的支承面，所有螺旋叶片边缘也都堆焊硬质耐磨合金增加耐磨性。

在螺旋输送机出土口设有液压油缸控制的闸门和弃土导槽，做到连续向外输送土碴，螺旋输送机转速可调，控制排土量保证土仓压力。

在螺旋输送机壳体上装有泡沫及膨润土管路，减少出碴阻力延长使用寿命。

在螺旋输送机上安装有二个土压传感器测量压力变化情况，便于控制土仓压力。

皮带输送机装在后配套拖车上，把碴土从螺旋输送机出口运到后配套拖车的尾部装车。

通过出碴列车，工作井提升设备把渣运到地面。

螺旋输送机结构见图3-11。

图1-1螺旋输送机结构示意图

为了保证土仓内的土压稳定控制，使碴土有效的从皮带上输走，渣土改良设备起到了至关作用。

有水泵和泡沫泵注入刀盘土仓内，主要泡沫、泥浆注入设备组成见图1-7。

泡沫及膨润土系统示意图

1.5.8注浆系统

盾构机配备有两台液压驱动的德国施维英生产的SCHWING注浆泵，以满足注“厚浆”的要求，它将浆液泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将浆液注入到开挖直径和管片外径之间的间隙。

注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。

单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。

在数据采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据。

盾构机采用同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。

1.5.9超前注浆系统

在前盾壳上半圆上有六个钻孔供超前钻机钻孔及超前注浆用，如图2-5-13所示。

根据地质情况和需要，可在管片安装机头部安装超前钻机，对盾构前方进行钻孔和注浆作业，加固地层，注浆设备还可用于管片二次补充注浆。

超前注浆系统示意图

1.5.10超前探测、注入管

考虑有断裂带等复杂的地质层，要能在正面进行超前探测，并且，为了防止万一需要在掘进过程中更换刀具，砂层开挖面的不稳定性就需要在换刀时对换刀处的地层进行加固，使开挖面不会坍塌，因此，在盾构主机土舱壁部、主机前壳外周前端装有超前探测，可以通过注入管对开挖面土体进行加固及探测。

超前注浆、勘探装置可有效的稳定开挖面，在盾构机前壳体上设置了10个2寸的固定超前注浆、勘探口，在土仓胸板上设置了8个2寸可摆动的超前注浆、勘探口，可对开挖面进行土体加固和勘探。

超前加固示意图

1.5.11运输系统

运输系统采用大容量出碴运输列车和大吨位门吊，提高运输效率。

运输包括盾构每循环推进所需材料、注浆材料、管片、碴土等运输。

（1）水平运输采用2列编组列车，由1辆25T变频交直流机车、4节12m3翻转式碴车、1节6m3砂浆车、2节管片车组成如图1-10所示。

列车编组示意图

（2）垂直运输通过工作井32T/16T门吊提升设备把碴土运到地面，放管片下隧道。

门式吊机形式见图3-15。

图1-1门吊形式示意图

1.5.12供电系统

供电系统由地面箱变供电，经高压电缆、变压器、低压电气柜等组成，经过变压为380v、220v等各个等级电压，供应给盾构机的各个设备，具有漏电保护、过电流、短路等功能，在隧道内保证供电的安全可靠。

1.5.13PDV数据采集系统

PDV数据采集系统可采集、处理、储存、显示、评估与盾构机有关的数据。

所有测量数据都通过被时钟脉冲控制的测量传感器连续的采集和显示。

所有必须记录的测量值都以图形的形式显示在PDV的监测器上。

屏幕上的每个内容均按功能分组如下：

（1）掘进

（2）螺旋输送机/（泥水管线）/泡沫

（3）油脂/注浆

（4）温度

（5）其它

（6）错误信息

操作员可在这些屏幕页之间切换并从中获取需要的数据。

通过PDV数据采集系统收集到的信息，可以实现对盾构机状态的实时信息化管理。

通过互联网、电话拔号网以及PDV的计算机可以将当前的盾构机掘进状态数据传送至业主、监理、设计及施工等相关部门，为整个工程的信息化管理提供重要信息来源。

PDV数据采集系统工作示意图如图2-5-15所示。

盾构数据采集系统及盾构机状态信息化示意图

1.6盾构机保养

为使盾构机的性能得以充分发挥及防止事故、故障于未然，必须进行日常和定期对盾构机的维护和保养，认真做好“清洁、检查、紧固、润滑、调整”十字方针。

检查项目根据各种机械的特性及现场情况，在盾构机组期间完成盾构机各系统设备的《操作和维修保养规程》，必须依检查项目切实进行，不应有所遗漏。

1.6.1日常检查、整备

（1）各部螺母松驰检查、紧固。

（2）异常音、发热检查；（3）工作油、润滑油、润滑脂、水、空气异常泄漏检查；（4）确认检查各部给油、脂情况，进行补充；

（5）工作油箱的油面检查；（6）确认电源电压是否正常；（7）确认操作盘的按钮、指示灯、计器类的动作是否正常；（8）盾构机主机与拖车间软管、电缆（线）检查；（9）检查安全阀的压力；（10）液压系统过滤器检查、更换及回路内通气孔检查。

1.6.2定期检查、整备

1.6.2.1一个月检查、整备

（1）检查油箱排气孔；

（2）电动机类精密检查（轴承给油。

测定绝缘阻抗、滴水检查等）；（3）检查控制盘和配线器具（接点清耗情况、绝缘阻抗测定、配线管及导管的损伤等）。

1.6.2.2六个月检查、整备

工作油、润滑油定期检查（2回／年，由工作油厂家进行的检查）。

1.6.2.3长期运转后停机时的检查、整备

（1）各种装置的无负荷运转（隔10~15日）；

（2）油箱液面标尺检查；（3）滑动面露出部分给油；

1.6.3维修保养规程

1.6.3.1盾构机操作和维修保养规程

（1）刀盘及刀具检查操作规程；

（2）人仓作业规程；（3）盾构机操作和维修保养规程；（4）管片安装机操作和维修保养规程；（5）背注浆操作和维修保养规程；（6）空压机操作和维修保养规程；（7）脂润滑系统操作和维修保养规程；（8）泡沫注入系统操作和维修保养规程；（9）膨润土注入系统操作和维修保养规程；（10）电气及控制系统操作和维修保养规程；