开敞式TBM施工案例.pdf
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开敞式TBM施工案例.pdf
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国内外盾构法隧道施工实例开敞式TBM293第7章开敞式TBM7.1结构特点结构特点结构特点结构特点本节以西安安康铁路秦岭线隧道使用的德国维尔特公司制造的直径8.8m的TB880E型TBM为例,介绍开敞式TBM的结构原理。
TB880E型开敞式TBM的主要结构见图71。
BB向AA接下图AA图图图图71开敞式开敞式开敞式开敞式TBM1盘形滚刀;2刀盘;3刀盘护盾;4钢拱架安装器;5锚杆钻机;6推进油缸7超前探测钻机;8刀盘驱动;9后支撑;10X型后支撑;11X型前支撑;12刀具吊机13铲斗;14刮刀;15中心刀;16正滚刀;17边刀;18铲斗;19刀盘;20扩孔刀21前外凯机架;22内凯机架;23皮带机;24运输小车;25水泵;26除尘器27皮带桥;28吊机1;29平板车;30操作室;31吊机2;32注浆机;33仰拱吊机国内外盾构法隧道施工实例开敞式TBM294开敞式TBM由TBM主机和TBM后配套系统组成,其主要特点是使用内外凯氏(Kelly)机架。
TBM主机主要由刀盘、刀盘护盾、刀盘主轴承与刀盘驱动器、辅助液压驱动、主轴承密封与润滑、内部凯氏、外部凯氏与支撑靴、推进油缸、后支撑、液压系统、电气系统、操作室、变压器、行走装置等组成。
外凯氏机架上装有X型支撑靴;内凯氏机架的前面安装主轴承与刀盘驱动,后面安装后支撑。
刀盘与刀盘驱动由可浮动的仰拱护盾、可伸缩的顶部护盾、两侧的防尘护盾所包围并支承着。
刀盘驱动安装于前后支撑靴之间,以便在刀盘护盾的后面提供尽量大的空间来安装锚杆钻机和钢拱架安装器。
刀盘是中空的,其上装有盘形滚刀、刮刀和铲斗,将石碴送到置于内凯氏机架中的皮带输送机上。
后配套系统装有主机的供给设备与装运系统,由若干个平台拖车和一个设备桥组成。
在后配套系统上,装有液压动力系统、配电盘、变压器、总断电开关、电缆卷筒、除尘器、通风系统、操作室、皮带输送系统、混凝土喷射系统、注浆系统、供水系统等。
在拖车上还安装有钢拱架安装器、仰拱块吊装机、超前探测钻机、锚杆钻机、风管箱、辅助风机、除尘器、通风冷却系统、通讯系统、数据处理系统、导向系统、瓦斯监测仪、注浆系统、混凝土喷射系统、高压电缆卷筒、应急发电机、空压机、水系统、电视监视系统等辅助设备。
7.2基本配置基本配置基本配置基本配置本节以西安安康铁路秦岭线隧道使用的维尔特公司制造的直径8.8m的TB880E型TBM为例,介绍开敞式TBM的基本配置。
1)刀刀刀刀盘盘盘盘刀盘结构见图72,刀盘为焊接的钢结构件,由两半圆通过螺栓联接成一体,以便于分成两块运输,也便于在隧道内吊运。
刀盘上的滚刀为背装式,刀座为凹式,这种结构的刀盘安装刀具方便,并且刀盘与掌子面的距离保持最小,能有效地防止在断层破碎地质条件下刀盘被卡住。
沿着刀盘圆周安装的刮刀和铲斗将切削石碴从底部输送到顶部,然后沿着碴槽落到输送机的碴斗上。
开敞式铲斗与刮刀向刀盘中心延伸一定距离,使得大量的石碴在落到底部之前进入到刀盘里面,减少了石碴的二次挤压和铲斗与刮刀的额外磨损,刮刀是用螺栓联接的可更换的耐磨刀片。
刀盘支承在主轴承上,用液压膨胀螺栓与轴承的旋转件相连。
刀盘支撑在刚性定位的内凯氏机架与液压预载的仰拱护盾上,在岩层变化时,刀盘不会下落和摆动,从而保持刀盘的轴线位置不变,确保滚刀在各自的切缝中,减少作业时的振动和滚刀的磨损。
刀盘配备有一套喷水系统,用以对掌子面的灰尘进行初步控制,也用以使滚刀冷却。
通过内凯氏机架上的人孔可以进入刀盘的内部,通过刀盘上的人孔可以进入掌子面。
人孔图图图图72刀盘刀盘刀盘刀盘刀盘铲斗中心刀正滚刀刮刀边刀国内外盾构法隧道施工实例开敞式TBM2952)刀盘护盾刀盘护盾刀盘护盾刀盘护盾刀盘护盾见图73。
刀盘护盾由液压预载的抑拱护盾和三个可伸缩的拱形护盾组成。
刀盘护盾从刮刀至隔板遮盖着刀盘,提供钢拱架安装时的安全防护,防止大块岩石堵塞刀盘。
并在掘进时或掘进终了换步时,支撑住掘进机的前部。
三个可伸缩的拱形护盾均可用螺栓安装格栅式护盾,在护盾托住顶部时,可安装锚杆。
护盾通过油缸联接带动隔板,护盾随刀盘浮动。
护盾上的预载油缸承受刀盘及驱动装置的重量,保持护盾与隧道仰拱相接触,并将石碴向前推动进行清理。
3)主轴承与刀盘驱动主轴承与刀盘驱动主轴承与刀盘驱动主轴承与刀盘驱动主轴承是一个双轴向、径向式三维滚柱轴承,轴向预加荷载,内圈旋转。
主轴承的组成见图74。
刀盘驱动见图75。
轴承内圈上的内齿圈是轴承的组成部分,刀盘用液压膨胀螺栓与内齿圈相联接。
刀盘由8套相同的刀盘驱动装置共同经由内齿圈驱动。
驱动小齿轮由两个轴承支承,小齿轮的传动轴2通过齿形联轴节3与水冷式双级行星减速器8相联,然后通过摩擦式离合器6与驱动电机7相连。
正常作业时,刀盘由双速水冷电机7驱动,电动机装于两外凯氏机架之间,双速可逆式电机允许刀盘在不稳定的软弱围岩地质条件下半速驱动,在不利的条件下为了刀盘脱困允许电机反转。
微动时由液压马达4驱动,用以使刀盘旋转到换刀位置以便更换滚刀或进行维修保养作业。
承受径向力的滚柱轴承承受轴向力的主滚柱轴承图图图图74主轴承组成示意图主轴承组成示意图主轴承组成示意图主轴承组成示意图132图图图图73开敞式开敞式开敞式开敞式TBM刀盘护盾示意图刀盘护盾示意图刀盘护盾示意图刀盘护盾示意图1顶部护盾2侧护盾3临时支承12345678图图图图75TBM刀盘驱动示意图刀盘驱动示意图刀盘驱动示意图刀盘驱动示意图1内齿圈2传动轴3齿形联轴节4液压马达5齿形联轴节6摩擦式离合器7双速水冷驱动电动机8双级水冷行星减速器国内外盾构法隧道施工实例开敞式TBM2964)主轴承密封与润滑主轴承密封与润滑主轴承密封与润滑主轴承密封与润滑主轴承密封由3个唇式密封构成,此密封又用迷宫式密封保护。
迷宫式密封由自动润滑脂系统进行清洗净化,见图76。
主轴承齿圈和驱动小齿轮为强制式机械润滑。
装备有润滑泵、滤清器、电子监测系统。
润滑脂润滑系统、机油润滑系统与刀盘驱动系统相互联锁,当润滑系统失效时,刀盘自动停止转动。
行星减速器注入部分润滑油、为飞溅式润滑。
5)内凯氏机架内凯氏机架内凯氏机架内凯氏机架内凯氏机架见图77,内凯氏机架是一个箱型截面焊接结构,其上有淬火硬化的滑道、以供外凯氏机架的轴承座在其上滑行。
前后外凯氏机架由推进油缸使之滑动。
内凯氏机架为刀盘导向,将掘进机作业时的推进力和力矩传递给外凯氏机架。
内凯氏机架联接刀盘轴承、驱动装置与后支撑,内凯氏的尾部与后支撑相联,内凯氏的前部联接着主轴承座。
内凯氏机架前端设有一人孔,可由此通道进入刀盘,内凯氏机架内有足够的空间,用以安置皮带机。
6)外凯氏机架与支撑靴外凯氏机架与支撑靴外凯氏机架与支撑靴外凯氏机架与支撑靴见图78,外凯氏机架连同支撑靴一起沿内凯氏机架纵向滑动,支撑靴由32个液压油缸操纵,支撑靴分为两组,每组由8个支撑靴组成,在外凯氏机架上“X”形分布,前后外凯氏机架上各有一组支撑靴。
16个支撑靴将外凯氏机架牢牢地固定在掘进后的隧道内壁上,以承受刀盘扭矩和掘进机推进的反力。
前后支撑靴能够独立移动以适应不同的钢拱架间距。
图图图图76主轴承密封主轴承密封主轴承密封主轴承密封视图A视图BAB图图图图77开敞式开敞式开敞式开敞式TBM内凯氏机架内凯氏机架内凯氏机架内凯氏机架前外凯机架与支撑靴前外凯机架与支撑靴前外凯机架与支撑靴前外凯机架与支撑靴后外凯机架与支撑靴后外凯机架与支撑靴后外凯机架与支撑靴后外凯机架与支撑靴内凯氏机架外凯氏机架支撑靴推进油缸工作平台钢拱架运输系统超前钻机图图图图78外凯氏机架与支撑靴外凯氏机架与支撑靴外凯氏机架与支撑靴外凯氏机架与支撑靴国内外盾构法隧道施工实例开敞式TBM2977)推进油缸推进油缸推进油缸推进油缸作用在刀盘上的推进力,经由内凯氏机架、外凯氏机架传到围岩。
外凯氏机架是两个独立的总成,各有其独立的推进油缸。
前后外凯分别设4个推进油缸,后外凯氏机架的推进油缸将力传到内凯氏机架,前外凯氏机架则将推进力直接传到刀盘驱动装置的壳体上。
掘进循环结束时,内凯氏的后支撑伸出支撑到隧道底部上,外凯氏的支撑靴缩回,推进油缸推动外凯氏向前移动,为下一循环的掘进准备。
8)后支撑后支撑后支撑后支撑后支撑(图79)装在内凯氏机架上,位于后外凯氏机架的后面,后支撑通过液压油缸控制伸缩,还可用液压油缸作横向调整。
后支撑缩回时,内凯氏机架的位置能够在水平和垂直方向上调整,以调整TBM的隧道中线。
9)设备桥设备桥设备桥设备桥设备桥直接铰接于TBM主机的后面,支承在平台拖车上,它向上搭桥以加大下面的作业空间,以便安装仰拱块和铺设钢轨。
设备桥内装有皮带机系统和通风系统、仰拱块吊机、材料提升系统。
10)后配套拖车后配套拖车后配套拖车后配套拖车后配套拖车在钢轨上拖行。
在门架式拖车上,装有TBM液压动力系统、配电盘、变压器、总断电开关、电缆卷筒、除尘器、通风系统、操纵台、皮带输送系统、混凝土喷射系统、注浆系统、供水系统及其它辅助设备。
11)导向系统导向系统导向系统导向系统导向系统由装在TBM上的两个激光靶和装在隧道洞壁上的激光器组成,激光靶装于刀盘护盾背后,由1台工业电视监视器进行监视,监视器将TBM相对于激光束的位置传送到操作室的显示器上。
当机械换步时,操作人员根据这些信息对TBM的支撑系统进行调整。
12)数据处理系统数据处理系统数据处理系统数据处理系统数据处理系统监视和记录以下数据:
日期与时间、掘进长度、推进速度、每1循环的行程长度与持续时间、驱动电机的电流、驱动电机的接合次数、推进油缸压力、支撑油缸压力。
上述数据可用来监测与存储并在任何时候都能打印进行检索。
随着TBM的推进被记录存储的数据可制成不同的表格或制成柱状图、饼状图。
发生故障时,警告灯会提醒操作人员从不同的屏幕上查找故障种类与原因。
13)除尘系统除尘系统除尘系统除尘系统除尘系统装于后配套拖车的前端,吸尘管与内凯及刀盘护盾相连,在刀盘与掌子面之间形成负压,使得TBM前约40%的新鲜空气进入刀盘与掌子面之间,防止含有粉尘的空气逸入隧道。
除尘器的轴流风机吸入的含尘空气穿过一有若干喷水嘴的空间,湿尘吹向除尘器的集水叶片后、灰尘高度分离,流向装有循环水泵的集尘箱沉淀。
14)锚杆钻机锚杆钻机锚杆钻机锚杆钻机在刀盘护盾后面的内凯氏机架旁边及后支撑靴后面的内凯氏机架旁边安装有锚杆钻机。
锚杆钻机在机器掘进时能进行锚杆的安装。
图图图图79后支撑后支撑后支撑后支撑国内外盾构法隧道施工实例开敞式TBM29815)超前探测钻机超前探测钻机超前探测钻机超前探测钻机超前探测钻机用在TBM前面打探测孔,打探测孔时,TBM必须停止掘进。
超前钻机装于外凯氏机架上、前后支撑靴之间,钻孔时,移动至TBM护盾的外边、以微小的仰角在TBM前方钻孔。
锥形引导能适应整个刀盘护盾导向和稳定钻杆。
超前钻机的动力由锚杆钻机的动力站之一提供。
16)钢拱架安装器钢拱架安装器钢拱架安装器钢拱架安装器钢拱架安装器可在TBM掘进过程中进行作业,在刀盘后面进行钢拱架的预组装和安装。
钢拱架安装器由以下部分组成:
在刀盘护盾后面的预组装槽、液压驱动的牵引链、在内凯上纵向移动的平台、钢拱架提升与伸展用的液压油缸。
钢拱架安装器由装在刀盘护盾后面的控制台直接操作,由TBM的液压系统提供动力。
17)仰拱块吊机仰拱块吊机仰拱块吊机仰拱块吊机仰拱块吊机沿皮带桥下的双轨移动,它吊起仰拱块运向安装位置。
仰拱块吊机可以沿水平、垂直方向移动。
移动方式是链传动。
18)注浆系统注浆系统注浆系统注浆系统注浆系统装于TBM后配套上,注浆系统把拌合砂浆用于仰拱块的灌浆、混凝土粘接、岩石的压力注浆及断层的稳
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