盾构机的基本知识

一、盾构机基本知识
1.1盾构机的基本概念
盾构(英文为Shield)词的含义在土木工程领域中为遮盖物、保护物。

这里把外形与隧道横截面相同,但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护掘削机的外壳。

该外壳及壳内各种作业机械、作业空间的组合体称为盾构机。

盾构是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具。

1.2盾构机起源
1818年英国工程师布鲁涅尔发明了盾构施工方法，并取得了专利。

用于泰晤士河隧道施工。

其后英美法相继进行的盾构的研究和应用。

二十世纪初日本引进盾构，盾构在日本迅速发展和应用与创新。

现在盾构主要生产国有日、德、美、英、法、加拿大等国家。

1.3盾构的施工过程及原理
(1) 建造坚井( 盾构出发竖井和接收竖井)。

(2) 把盾构主机和配件分批吊入始发竖井中,并在预定迸发掘进位置上组装成整机,随后调试其性能使之达到设计要求。

(3) 盾构从竖井或基坑墙壁上的开口(洞门) ( 可人工开口,也可由盾构刀盘直接掘削)处始发,沿隧道的设计轴线掘进。

(4) 盾构掘进到达预定终点的竖井时,盾构进入该竖井,掘进结束。

随后检修盾构或解体盾构运出。

盾构机的掘进是靠盾构前部的旋转掘削刀盘掘削土体(这里把刀盘掘削的地层面称为掘削面),掘削土体过程中必须始终维持掘削面的稳定〔即保证掘削面上的土体不出现明塌。

为满足这个要求必须保证刀盘后面土舱内土体对地层的反作用压力(称为被动土压) ≥地层的土压(称为主动土压 )〕;靠舱内的出土器械( 螺旋输送机或者吸泥泵)出土;靠中部的推进千斤顶推进
盾构前进;由后部的拼装机拼装成环(也称隧道衬砌 );随后再由尾部的背后注浆系统、向衬砌与地层问品的缝隙中注入填充浆液,以便防止隧道和地面的下沉。

1.泥土压必须可以对抗掘削上地层的土压和水压
2.必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量
3.对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土(混入添
加材的掘削土)的塑流性和抗渗性提高到满足掘削面稳定要求的水
准。

(如果挡土结构在土压力的作用下，其本身不发生变形和任何位移（移动或转动），土体处于弹性平衡状态，则这时作用在挡土结构上的土压力称为静止土压力。

挡土结构在土压力作用下向离开土体的方向位移，随着这种位移的增大，作用在挡土结构上的土压力将从静止土压力逐渐减小。

当土体达到主动极限平衡状态时，作用在挡土结构上的土压力称为主动土压力。

挡土结构在荷载作用下向土体方向位移，使土体达到被动极限平衡状态时的土压力称为被动土压力。

)
1.4盾构机的分类
不同的地层盾构
1.硬岩盾构
2.软岩盾构
3.软土盾构
4.复合式盾构(硬岩软土盾构) 横截面形式分类：
1.圆形
2.椭圆形
3.马路蹄形
4.双圆形
5.三圆形
6.矩形不同敞开程度分类
1.全部敞开式：能直接看到全部掘削面掘削状况的形式
2.部分敞开式(网格式):看到部分掘削面掘削状况的形式
3.封闭式：掘削面与内舱有隔板，无法盾到掘削面状况，只能靠传感器。

1.5土压平衡盾构掘进机适应的地层
土压平衡盾构掘进机可在砂砾、砂、粉砂、粘土等压密程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用。

我们的盾构机主要适用的地层为：粉砂、粘土、粉土、粉沙、粘质砂土等地层。

1.6盾构法隧道的优点
1、在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。

2、盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度快，施工劳动强度低。

3、地面人文自然景观受到良好的保护 , 周围环境不受盾构施工干扰；在松
软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。

1.7盾构法隧道的缺点
1、盾构机造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松软地层中施工,地表沉陷风险较大。

2、需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调复杂。

3、建造短于750m的隧道经济性差。

4、对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大。

1.8制造材料
盾构在地下穿越,要承受水平荷载、竖向荷载和水压力,如果地面有构筑物,还要承受这些附加荷载；盾构推进时,还要克服正面阻力,所以,盾构整体要求具有足够的强度和刚度。

盾构主要用钢板成型制成。

大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难, 可制成分体式,到现场进行就位拼装,部件的
连接一般采用定位销定位、高强度螺栓连接, 最后焊接成型的方法。

二、盾构机各个组成部分的构造及工作原理
在讲本节之前我先介绍一下盾构机的整体情况。

2.1盾体
盾体的钢结构设计是按照工作压力为3 bar时，土压、水压、牵引负荷和推进时的工作负荷来考虑的。

所有必要的连接都是为了盾构机的操作来综合考虑的。

盾体是由刀盘、前盾、中盾和盾尾通过螺栓连接组成的。

盾体钢体的材质是S355J2G3。

DIN （DEUTSCHE Industrial Norm ）是德国工业标准的代号
该牌号表示是按强度等级表示钢铁牌号，S表示钢，抗拉强度为355MPa，J2G3—质量等级(冲击功和供货状态),
J2G3及K2G3牌号产品的供货状态应为正火状态或正火轧制状态，其余由制造厂选择（对钢板产品）。

盾体由三个主要部分组成•前盾•中盾•盾尾
总重117580kg，长度7085(最长)。

2．1．1 前盾
前盾的外型像一个圆筒,在其内部安装有用于支撑刀盘主驱动装置和螺旋输送机的钢结构。

螺旋输送机的安放位置是向上并与水平轴线有一个角度，一直延伸到盾尾，直到皮带运输机。

前盾耐压隔板的前面部分呈圆锥形，由里面向上直到盾体耐压隔板,这样设计是为了避免土体的粘着和有利于土体流向底部区域.
耐压舱壁把前盾的主工作区域与土仓分开。

在主工作区域耐压隔板的上部区域一个舱门,可以容许维修工作人员通过进入到土仓,用于检查维修。

此外耐压隔板上有几个开口,分别用于控制土的调节水平、连接，以及在维修情况下用于操作的供给线路的连接盒。

通过设置在土仓耐压隔板上的四个搅拌臂的孔口，水、泡沫和其它添加剂被输送到土仓里面。

土仓耐压隔板上的搅拌臂的结构与布置有利于土仓里的土体搅拌和用于改善土体的添加剂的注入分配。

借助于设置在前盾,由液压控制的关门装置(螺旋输送机前闸门),螺旋输送机的前闸门可以在螺旋输送机的螺杆缩回之后关闭,用于保养与维修。

1）总体尺寸、结构、重量
外径φ6390mm，长度2045mm，钢板厚度60mm，总重49540kg。

2)各孔的作用：5个土压传感器，4个泡沫管，4泄水管(3个φ100，1个φ200)。

3)细部图的解释。

前盾、中盾有定位销。

4)M36的扭矩要求为3100KN。

2．1．2 中盾
前盾和中盾是通过高强度螺栓联接和焊接而连接在一起的。

用于掘进的推进油缸和作为盾尾附加装置的盾体铰接油缸安装在中盾的区域里。

1)总体尺寸结构：外径φ6380mm，长度2795mm，钢板厚度40mm，总重40840kg。

2)中盾上布置有环状梁和支柱，支柱上联接有悬挂桁架主要用于安装管片拼装机，环状梁用于支撑和安装推进油缸和铰接油缸。

3)推进油缸A、B、C、D四组，共32个，4、8、12、16油缸带有行程传感器。

油缸均匀布置。

4)细部图的解释。

5)M20的扭矩要求为360KN。

6)联接处的充气密封
7)三道密封
2．1．3 盾尾
盾尾的外型像一个圆筒，它通过14个铰接油缸与中盾连接起来。

在盾尾的保护下，管片的拼装借助于管片拼装机来实现。

在盾尾的末端有三排钢丝密封刷用于密封盾尾和成环管片之间的间隙。

在盾尾中集成的注浆管路把环形间隙用浆液充满。

为了防止周围地层的土砂、地下水及背后注浆的窜入，设置有盾尾密封装置。

本盾构机设置有三道盾尾密封刷。

1)总体尺寸结构：外径φ6370mm，长度3540mm，钢板厚度40mm，总重27200kg。

2)铰接油缸14个，2、6、9、12号油缸带有行程传感器。

3)1、2、3、4路注脂管，分别给前、后腔注脂。

4)1、2、3、4路注浆管，进行背后注浆。

5)盾尾密封刷三道，焊接在盾尾处。

注意前后密封刷不同。

6)扭矩要求。