土压平衡盾构机械结构及功能介绍

复合式刀盘
刀具的分类及工作原理
• 目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具， 二是滚动类刀具。 • 1、切削类刀具
• 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削 刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有 边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。
撕裂刀
Leabharlann Baidu
先行刀
• 先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置， 因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与 切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前 先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良 好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一 般设计为切刀的一半，切削效率较高。采用先行 刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀 的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。 在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地 层，先行刀的使用效果十分明显。
主驱动
主轴承
驱动箱
主驱动润滑
主轴承密封系统通过油脂注入向迷宫方向挤出， 防止砂土进入密封系统。 密封系统由3道TBMS密封构成。密封保护通过3 种注射方式实现： 腔室1：使用气动泵与齿轮马达分配器在各点平 均注入HBW 油脂。 腔室2：用气动泵从6个点向外密封，4个点向内 密封注入EP2油脂。 腔室3：在主轴承滚道、小齿轮与小轴承内注满 320号齿轮油。
滚动刀具
• 滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。 根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚 刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。见图 根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚 刀。 目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀，盘形滚刀又有单刃、双刃 和多刃。
仿行刀
房屋开裂
防洪堤坍塌
地表下沉
南京某地铁到达过程造成的隧道塌方
皮带输送机
• 参照CAD总装图进行理解 • 主要结构和功能（16号为例）
• • • • • 拉线开关4处 跑偏检测装置2处 清理装置4处 打滑检测装置1处 分流装置1处
四、管片拼装系统
• 管片拼装机 • 管片吊机 • 管片输送小车
7 8 9 10
好 小 小 好
差 小 小 好
好 大 大 差
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变频方式：在产业界普遍采用，其安全性、效率、可靠性都好。 离合器方式：其安全性、效率、可靠性好。但适应土质变化的可靠性差，并且起动、反转，速度控 制差。 液压方式：其安全性、效率、可靠性差。 变频方式①： 变频电机+减速机+驱动刀盘； 离合器方式②：电机+离合器（磁粉）+减速机+驱动刀盘； 液压方式③： 液压马达+减速机+驱动刀盘。
刀盘主要结构
1、主驱动连接法兰（连接主驱动） 2、扭腿（传递扭矩及轴向力） 3、外圈梁（加强结构强度） 4、刀梁（安装刀具） 5、搅拌棒（渣土改良） 6、渣土改良注入口（渣土改良、回转接头）
中心回转接头
刀盘泡沫注入口结构
刀盘的主要分类
按结构形式分，一般分为两类：辐条 式刀盘和面板式刀盘。 按功能分，一般分为两类：软土刀盘 和复合式刀盘。
复合式刀盘
• 隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程地质、 水文地质等)中进行,按其变化程度可分为均一地层和复合 地层。均一地层可分为两种:单纯的软土地层和单纯的硬 岩地层。上海、天津、北京地铁隧道的施工当中遇到的可 归为均一地层,但严格的均一地层现实中是不存在的。复 合地层的组合方式是非常复杂多样的,但总的来说可分为 三大类:一类是在掘进断面上不同地层的组合;一类是在掘 进轴线方向上地层的不同组合;另一类是上述两者兼而有 之。在广州、南京、深圳的地铁修建中都遇到了大量的复 合地层的困扰,严重影响了施工效率,增加了施工成本。为 了应对不同的地层条件,发明了复合盾构技术。复合盾构 技术是根据掘进面不同的地层条件,盾构机采用不同的掘 进模式,例如土压平衡模式、气压平衡模式及非土压平衡 模式等。在复合式地层,也要求刀盘采用混合式设计,即在 同一个刀盘上同时布置2种或2种以上的类型的刀具,切刀 和滚刀并存。
主驱动
液压驱动典型结构（以中铁2号为例）
主要组成：
1）液压马达/8台 2) 减速机/8台 3）小齿轮及其两端的调心滚子轴承/8套 4）主轴承/1个 5）驱动箱及其它环类零件/1套 6）主轴承外密封/3道 7）主轴承内密封/2道
驱动参数
1）驱动形式：液压驱动 2）速度：0～3.34rpm，连续可调 3）最大扭矩：5060KN· m 4）脱困扭矩：6030KN· m 5）最大速度下的扭矩： 1350KN· m/3.34rpm 6）驱动功率：630KW
有轴
无轴
驱动装置
• 螺旋输送机按结构分，一般有周边驱动和 中心驱动两种结构形式。
中心驱动式
周边驱动式
中心驱动，结构紧凑，便于相邻部件的布 置。
周边驱动，出闸口在后部，提高出渣位 置，易喷涌防止渣土从皮带机倒流。渣 土通过无轴区时利用自身重力堆积、密 实，形成土塞，使渣土具有一定连续性 ，并能起到一定止水作用。
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方式组 成
三、出渣系统
1、螺旋输送机 2、皮带输送机
螺旋输送机
螺旋输送机的主要功能
螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分，其主要 构造由圆筒状机壳和中心螺旋杆组成，工作时螺旋杆旋转， 而泥土充满机壳内，沿螺旋杆轴线平移输送。 螺旋输送机的主要功能有： （1）从盾构泥土密封舱内将开挖下的泥土排出盾构； （2）泥土通过螺旋杆输送压缩形成密封土塞，阻止泥土 中的水流出，保持泥土密封舱土压稳定； （3）可通过改变螺旋输送机转速，调节排土量，即调节 泥土密封舱的土压，使其与开挖面水、土压保持平衡。
管片吊机
• 概述
管片吊机的功能是从管片车上将管片吊 运到管片运输小车上。管片吊机的轨道为 双梁布置，从1号拖车到设备桥的前方。吊 机包括两个电动葫芦和驱动装置。 管片吊机设置一个行走档，快速/慢速 两个提升挡。
图１-1 土压平衡原理示意图
二、主驱动系统
1、刀盘 2、主驱动
刀 盘
概述
• 1、重要性 • 刀盘是盾构机的关键部件之一，刀盘及刀具的选择是否合适直接影响 盾构掘进机的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。 • 2、个性化 • 盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩 及硬岩等。刀盘刀具不可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进 行个性化设计。 • 3、多样化 • 随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵，为了节省空间，越来越 多的异形盾构出现，刀盘也随之变得各式各样。
管片拼装机
一、概述
管片拼装机是管片拼装系统的一个重要组成 部分，管片拼装系统有管片车、管片吊机、管片 输送器、管片拼装机、整圆器组成； 管片拼装机安装在盾尾部分，是一种可以安全 迅速地把管片组装成所定形式的机械 ，它可以实 现多个自由度的动作。
二、功能要求
•管片安装机能完成锁紧、升降、平移、回 转、仰俯、横摇和偏转七种动作。 •管片安装机有足够的回转力矩和平移力回 转机构应具备常闭制动功能。 •在设计中要考虑对污染、泄漏、噪声的控 制措施。
中国中铁
土压平衡盾构机
机械结构及功能介绍
中铁隧道装备制造有限公司
目 录
一、土压平衡盾构机介绍（结合总装图） 二、主驱动系统 三、出渣系统 四、管片拼装系统 五、设备桥拖车 六、人员仓
一、土压平衡盾构机介绍
• 土压平衡就是在盾构开挖时， 利用土仓内的土压或加注辅助 材料产生的压力来平衡开挖面 的土压及地下水压力，以避免 掌子面坍塌或地层失水过多而 引起地表下沉的一种盾构掘进 模式。如图１-1所示，在盾构 开挖时土仓内的压力P2和掌子 面上的压力P1相平衡，其中P2 包括土仓内碴土的压力和注入 材料的压力，这种掘进模式即 为土压平衡模式，P1等于土柱 压力和水柱压力的总和。
出土量的控制
出土量的控制是影响开挖面稳定和周边地基 的重要因素，稍有不慎就会造成地面沉降等严重 后果，所以必须充分注意管理。 1）出土量的控制通过调整闸门的开度来调整； 2）出土量的控制靠推进速度及螺旋输送机内的螺 旋转速来调整； 3）出土量的控制要密切配合刀盘的切削速度，使 之尽量相等，土舱内既充满泥土，又不致于过于 饱满。
三、可靠性要求
• 确保回转架转角不超限 • 超压保护 • 确保回转架停车制动可靠 • 管片扣紧状态检测采用压力和位置双重检 测 • 两个回转马达均带制动器 • 管片机设无线遥控装置
管片拼装机的型式
• 从使用动力来分，目前有液压式、电气驱 动等，从安装位置来分，可分为安装在盾 构内的环式、中空轴式等形式。
1、环式
• 在支承环后部或在盾构液压缸压力垫附近 的盾尾设置支承滚轴，在滚轴上安装中空 形的圆环，其中设有可自由伸缩的臂。采 用这种形式时，可得到较大的作业空间， 便于布置出土设备。
2、中心轴式
通过法兰把移动梁连接在支撑环米字 粱上，移动环合旋转环通过滚轮轴承安装 在移动梁上。中心空间小，但轴向移动距 离很大。
先行刀
鱼尾刀
• 在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改 善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一 把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其 一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小 圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设 计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置， 保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥 形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径 向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中 心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大 提高盾构整体掘进效果。
电驱与液驱的比较
No 1 2 3 4 5 6 项目 驱动部 尺寸 后续设 备 效率 (%) 起动电 流 起动力 矩 起动冲 击 转速控 制、微 调 噪音 隧道内 温度 维护保 养 综合评 价 变频方式① 中 少 0.95 小 中 小 离合器方 式② 大 少 0.9 小 中 大 液压方式 ③ 小 大 0.65 小 小 小 备 注 如以③外形尺寸为1，则①1.5~2，②2~2.5。 ③需要液压泵、大油箱、冷却装置等，所以后续设备大。 由于①，②采用电机驱动，故效率高。 ①利用变频起动电流小，②因为切断离合器起动，电流小， ③由于无负荷起动电流小。 ①起动力矩可以达到额定力矩的120%，③约低20%。 ①利用变频，③控制液压泵排量，可以低转速、缓慢起动。 ②由于离合器离、合，所以冲击大。 ①利用变频，③控制液压泵排量，可以控制转速、微调。 ②由于采用离合器，所以一般只要二种速度。 ③由于液压系统，所以噪音大 ③由于液压系统，功率损耗大，所以温度大。 ①、②几乎不要，③液压系统维护保养复杂，要求高。
变频驱动典型结构（以中铁16号为例）
主要组成：
1）变频电机/6台 2) 减速机/6台 3）小齿轮/6个 4）主轴承/1个 5）驱动箱及其它环类零件/1套 6）主轴承外唇形密封/4道，外MY型密封/3道 7）主轴承内唇形密封/3道，内MY型密封/3道
驱动参数
1）驱动形式：变频电机驱动 2）速度：0～3rpm，连续可调 3）最大扭矩：5500KN· m 4）脱困扭矩：6900KN· m 5）驱动功率：660KW
开口率的定义
• 开口率是指开口面积占整个刀盘面积的 百分比。一般在20%～65%不等，开口率 对土压平衡盾构有着重要意义，开口是否 合适直接影响到压力控制。
辐条式刀盘
面板式刀盘
软土刀盘
• 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具， 如切刀、边刮刀、中心刀等。以中铁6号盾 构为例，装有1 把鱼尾形中心刀，100把切 刀，16 把周边刮刀、66把先行刀及1把超 挖刀。
主要结构组成
1、螺旋叶片 2、外壳 3、排土闸门 4、驱动装置 5、伸缩装置 6、观察窗
双闸门控制
单闸门控制
螺旋输送机的型式
螺旋输送机的型式大致区分为有轴和无轴两 种型式。 1） 对于中间有轴的螺旋输送机，能通过的最大 粒径较小，例如内径φ 800的螺旋机通过粒径在 φ 300左右。 2） 在含有卵砾石的地层中，为了尽量增加螺旋 输送机通过土能力，常采用无轴螺旋输送机。但 是在透水性好的土质条件下，需认真研究止水性 等压力保持能力，并且无轴的螺旋输送机被堵塞 时，由于只有螺旋叶片的结构较为软弱，它不能 通过反转来实现脱困，否则螺旋输送机在套管内 会立刻被扭坏。