第一章  盾构机选型

在当今地铁施工中，盾构机以其开挖速度快、对土体扰动小、易于控制地面变形（沉降和隆起）、成洞质量高、施工安全等优点被大量采用。合理的选择盾构机类型，对保证施工质量，保护地面与地下建筑物安全和加快施工进度，是至关重要的。

第一节  盾构机比选定型

几种典型盾构工法比较及盾构在不同地质条件下沉降量对比见表6-1-1、表6-1-2。

通过上述两表中几种盾构机的对比，及对国内外与南京地铁工程地质与水文地质相近的盾构法的地铁工程的调查，综合分析评估，并广泛请教国内外盾构施工领域资深专家。同时，积极响应业主对盾构机型的建议，我们决定选用加泥式土压平衡盾构机。

加泥式土压平衡盾构机所适应的地质条件及南京地铁实际的地质条件重要项目见表6-1-3。

地质条件项目表                    表6-1-3

对比

针对南京地铁特殊地段的地质情况，我们将在机器上增加专用设备，如超前注浆系统、向密封舱内注入特殊的塑流化添加剂（将各种土质改良成土压平衡式盾构机工作所需的塑流体）等手段，增强盾构机对各种特殊地质段的适应性，确保施工质量。

第二节  盾构机制造商简介及设备突出特点

为更好地满足业主需要，高质量完成南京地铁工程，根据对地质资料及世界著名盾构机生产厂家的调查研究，我们拟选购海瑞克（HERRENKNECHT）公司生产的加泥式土压平衡盾构机。

海瑞克公司是世界上最优秀的隧道开挖机械的专业制造商之一，1995年通过了DIN、ISO9001质量认证。该公司从1978年投产至今已成功地向世界各地提供了直径由0.3m—14.2m各种型号的盾构机一千多台，直径14.2m徳国汉堡第4座易北河公路隧道即为该公司盾构机的杰作，为当今世界之最。该公司在世界各地设有12个子公司，11个代理站，1998年年销售总额387.19百万马克，并以每年26%的速度递增。短短二十年的时间即取得如此辉煌的业绩足可见其雄厚实力及在该行业的显赫地位。

海瑞克加泥式土压平衡盾构机是集机械、电子、液压于一体的高技术含量的大型成套施工设备。其液压系统采用德国力士乐（REXROTH）公司产品，电器系统装备德国西门子（SIMENS）公司产品，注浆设备选择普茨迈斯特（PUZEMASTER）公司产品，钻机选用阿特拉斯（ATLAS）等。整机配置均为世界名优品牌。该盾构机功能先进，性能可靠，设计合理，适应性强，其突出特点如下：

一、以泥土压力稳定开挖面

泥状土充满密封舱和螺旋输送机后，在盾构推进力的作用力下可使切削土对开挖面形成被动土压力，与开挖面上的水、土压力相平衡，自护其开挖面，以使开挖面保持稳定。

二、可改善切削土的性能

在砂土或砂砾地层中，土体的塑流性差，开挖面有地下水渗入时还会引起崩塌。盾构机有向切削土加注添加剂如聚合泡沫或泥土等润滑材料并进行搅拌的功能，改善弃土及其它液状物的抗水能力和研磨土的抗磨损能力，可使其成为塑流性好和不透水的泥状土。

三、泥土压的监测和控制系统

在密封舱内装有土压计，可随时监测切削土压力，并自动排土量，使之与切削土量保持平衡，有效控制地表沉降与隆起。

四、先进的电控系统

（一）、盾构机主控制室配有计算机(PC)控制系统，该系统与洞外项目经理办公室的计算机系统相连，设备各系统的运行状态通过相应传感器采集的信号送入计算机内部处理并贮存，同时在控制室监示器和洞外办计算机监示器上显示。操作员和洞外项目经理办公室值班员均可适时准确掌握当前的全部状态，为正确指挥施工，正确操作设备提供准确依据。

（二）、盾构机的计算机系统可通过公共电话线连接因特网，实现网上查询与对话，一但设备某处或某系统出现故障时，可通过计算机监示器迅速查出具体原因，也可通过网上寻求厂商的远程维修服务，为快速修复设备确保正常施工提供有利保障。

五、先进的隧道测量系统

盾构机配置SLS—T全方位激光导向系统，可实现准确的全方位连续监测和显示，测量误差仅±1mm，能充分确保开挖隧道的精确度。 

六、后配套行走系统的创新设计

后配套走行轮为多排胶轮，直接在管片上行走，省去了铺设钢轨的麻烦，有利于加快施工进度，同时降低了造价。

七、超前地质预报系统

刀盘上特殊装备有超声波探测系统，可提前测出刀盘正前方的地质情况，为盾构施工提供可靠依据。

八、超前钻探注浆系统

盾构机上装有超前钻机，钻孔深度可达20m，护盾壳体上有12个预留孔，钻杆是以10°夹角（与盾壳母线）穿过预留孔呈伞状钻向刀盘前方，既可超前预报地质又可实施超前注浆。

通过超前注浆钻机，可将配制好的浆液注入到刀盘前方周边地层，用以提高土体强度，使开挖面保持稳定，同时避免在开挖面上产生涌水和流沙现象，有效控制地表沉降。

九、注浆管道结构形式新颖

采用在盾尾内壁开沟槽安装密封盖板形成管道的形式，此设计的优点在于一旦管道堵塞可拆除盖板进行疏通，方便、可靠。

第二章  盾构机工作原理

加泥式土压平衡盾构机的工作原理是依靠密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力（P）（它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构油缸的推力）和盾构机前方地层的静止土压力与地下水压力（F）相平衡的方法。盾构机掘进时，刀具切下的泥土在密封舱内混合并积聚，以平衡的土压对开挖面土体提供连续的支撑，然后在受控状态下由螺旋输送机排出，如图6-2-1所示：

 图6盾构工作原理示意图

从图中可以看出：螺旋输送机排土量大时，密封舱内土压力就减小，当F＞P时，开挖面可能塌方而引起地面沉降；相反，排土量小时，P值就加大，一旦F＜Pmax，地面将会隆起。因此，要控制土压平衡式盾构机在推进过程中开挖面的稳定，可以用以下方法来实现。其一是控制螺旋输送机排土量（调节其转速和出料口闸门开口大小）；其二是通过调节盾构机推进速度和螺旋输送机转速，直接控制密封舱内的土压力P，使其接近F=P的最佳状态，一般情况下不使开挖面产生影响的土压力P的波动范围是：

主动土压力+地下水压力＜P＜被动土压力+地下水压力

当土体不能自稳时，是靠向开挖面加注膨润土或泡沫剂，借助搅拌翼在密封舱内将其与切削土混合，使之成为塑流性较好和不透水的泥状土，以利于排土和保持开挖面稳定。密封舱内的土体压力、盾构推进力、螺旋输送机的转速、出料闸门开口的大小，均由PLC程序（程序逻辑控制器）进行自动控制。

第三章  盾构机功能描述

一、概述

盾构机由主机和后配套两部分组成，机器总长55m，主机长约5.7m，后配套长约49.3m，开挖直径6.39m，整机总重约385T。主机部分由刀盘系统、推进系统、输送系统、管片拼装系统和盾构附件组成；可完成盾构推进、土体输出、管片安装、同步注浆、超前勘探注浆等作业。后配套部分由后配套车和布置在车架上的控制系统、电气系统和附属设备组成；主要作用是操纵控制、提供掘进动力、管片输送、注浆料供应、土体转载、轨道铺设、各种管线延伸等。

二、盾构机作业步骤

（一）、掘进准备

1、根据激光导向系统数据准确调向。

2、出土运输车辆就位后，转运管片及注浆料。

3、随时掌握各种管线卷筒储备情况，不足时及时延伸。

（二）、正常掘进

1、启动皮带输送机、刀盘驱动液压马达，然后开启推进系统和螺旋输送机，正常掘进。

2、需要时，针对不同地质分别向刀盘和螺旋输送机内加膨润土浆或泡沫剂。

3、同步注浆系统配合掘进正常进行。

4、完成1.2m掘进停机，出土运输车开至始发井卸土，另一辆运输车进入。

（三）、拼装管片

1、推进油缸分组收缩，让出空间，逐块拼装管片。

2、将真圆保持器撑在刚拼好的管片环上。

3、收缩拖拉油缸，将后配套前移一个行程，一个循环结束，准备下一循环的开始。

第一节  主机   

一、刀盘系统

（一）、刀盘

1、刀盘为全断面平面型、开式刀盘，刀盘正面和侧缘均经耐磨涂层处理。刀盘转速在0-1.36rpm 时，扭矩为4694KNm，在0-2.29rpm时，扭矩为2787KNm。前者为脱困时使用，后者为正常时使用，刀盘可以正反方向旋转，工作效率相等。

2、刀盘的开口率在40%，最大开口尺寸为230mm，能够控制砾石尺寸在230mm以下通过刀盘，满足在螺旋输送机内畅通无阻的输送。

3、刀盘预留盘式滚刀与撕裂刀可互换的安装位置，以应付隧道掘进中可能遇到的大粒径石块，提高刀盘对不同地质情况的适应性。撕裂刀、盘形滚刀由耐磨的高强度钢材经热处理渗碳而成，适用于开挖岩土和风化层。

（二）、刀具

1、刀盘上安装有128把镶钨硬质合金的铲齿型刀，8把矩形磨刀，一把锥型中心刀，一把铲齿型扩孔刀，以满足对土体的切削。

2、刀盘侧边还安装有一把可伸缩50mm的扩孔刀，以满足转弯半径800m的需要。

3、刀具使用寿命为2km。

（三）、刀盘驱动

1、刀盘安装在驱动组件上，驱动组件由主轴承、密封支承、密封装置以及8组驱动系组成。每组驱动系统由液压马达、减速机、小齿轮组成。液压马达连接减速机、小齿轮，再通过大齿轮驱动刀盘可正反方向以0-1.36rpm 、0-2.29rpm两种转速转动,输出最大扭矩为4694KN.m。刀盘的掘进位置可随时通过线性传感器显示。

2、主轴承足以承受由于开挖支撑面产生的各类切削载荷，以及刀盘和作用在刀盘上土体的重量。

3、主轴承的滚子和滚道由一的压力油系统提供润滑，该润滑油系统配有的滤油器、配及油泵。通过润滑油泵不断地喷油至轴承中，所有小的磨损颗粒将被冲下并留在滤油器中，驱动齿轮由同样的压力油系统提供润滑。

4、主轴承润滑系统的油温由一监控装置调节，超温报警并自动停止刀盘转动。

5、主轴承回转部分设置三道密封环，密封环间用3bar压力润滑脂自动加入进行润滑并防止水和土体的浸入，如果润滑系统出现故障，监控装置将使刀盘停止转动。

6、主轴承使用寿命为15000小时。

（四）、抗偏摆

刀盘可进行正向或反向旋转，反向旋转刀盘是为了纠正护盾在正向旋转时产生的偏摆。装在护盾上的偏摆传感器是为了保证掘进过程中盾构机不会偏摆超过极限位置，如果达到预定的偏摆极限，可通过改变刀盘的转向和推进油缸的推力大小、方向来达到纠偏。

二、推进系统

（一）、推进油缸

主机向前移动，由分布于盾壳圆周上的40个推进油缸完成。每2个油缸连接一块靴板顶住管片端面产生反力使盾构机前移。为便于隧道的掘进、导向、纠偏和管片安装，这40个油缸又分成5个组，可进行整体或单独控制的操作。

（二）、靴板

推进油缸顶在“靴板”上以使顶进力平均分配到隧道管片上。每两个推进油缸使用一个“靴板”，该“靴板”可自由地根据管片边缘进行对正。每组油缸可以操作以便提供方向控制或方便安装管片，该“靴板”在紧固管片连接螺栓时，向管片提供压力，并协助进行封顶管片的定位。

三、输送系统

（一）、螺旋输送机下部通过一个位于土仓底部的密封套筒固定，上部通过可滑动伸缩的外套筒固定在支撑架上，实现出土口与皮带输送机接土口位置相对固定。

（二）、螺旋输送机出土口安装了一个可以根据旋转速度调节开口的泄料闸门，筒内6组螺旋叶片安装在中心轴上，可正反方向旋转，速度0-17rpm，可自动和手动控制。对于EPB工况，操作员可以控制出土量以控制土仓的压力。螺旋输送机出土排放至皮带输送机上。

（三）、螺旋输送机设有检修钳式闸门和伸缩装置，当螺旋输送机从密封舱内缩回时，钳式闸门自动关闭密封，以便检修。

（四）、为保证在盾构机发生断电或出现故障时，卸料闸门依旧能关上、密封良好，该机设有断电自动关门和手动应急关门装置。

四、管片安装系统

（一）、管片安装机

1、管片安装机由一个带管片夹的旋转环组成，安装于盾尾内，纵向移动距离1.4m，环向可绕轴旋转±200度。

2、管片拼装机由便携式遥控器来操作，速度可调，它可控制管片的升降、回转、前后移动等动作，如液压失压，拼装机的液压回路可使管片机在其最后一个位置锁定。

3、管片拼装机设有故障刹车系统、防超载设施和警报器，保证安装工作可靠、安全。

（二）、管片吊运机

管片吊运机由一根梁及总成组成。管片吊运机按照次序从管片车上吊起管片运至管片拼装机处。

（三）、真圆保持器

真圆保持器用以支撑刚拼好的管片环，保证管片环在自重和土压力作用下不产生变形。

五、盾构附件

（一）、盾壳

盾壳是一个用于承受围岩压力，并随盾构推进而前移的圆筒形金属壳，它由主盾和盾尾两部分组成，相互之间由16个液压油缸铰接而成，主盾和盾尾之间可以做相对转动（转动角度±2°之间），用于改善盾构机的转弯性能。

（二）、气闸室

气闸室设置在盾构密封舱的背后上部，气闸室为双室，右室用于正常情况下的通道；左室用于紧急情况下的通道。气闸室内的允许工作压力3bar。工作人员可通过这两个气闸室进入盾构密封舱内，对密封舱内刀盘上的零部件、刀具等进行保养维修或更换。    

（三）、尾封

护盾尾端有三排钢丝密封刷与管片径向和轴向紧密贴合，最后面的密封刷与一块从盾构机尾端向外径延伸的刮板相匹配，可防止浆液流进护盾和隧道内。如果尾刷有磨损或损坏可进行更换，它们是一部分一部分组合起来，所以更换十分方便，尾刷的润滑油脂是由后配套系统上的尾封黄油泵通过尾端的管道注入，其注入压力为7bar，注油速度和注油量可预定自动注入，必要时也可进行人工操作。

（四）、超前钻机

在管片安装器上上安装有超前钻机，可绕轴旋转±200°，以便对刀盘前方周围土体进行20m距离超前加固注浆。

（五）、超声波探测

刀盘前面设有2个超声波探测头，可对前方10-20m区域的大石块或异物进行超前探测和预报，以便提前采取措施进行处理。

第二节  后配套

一、后配套车

后配套全长49.3m，由5辆车串接组成，盾构机与后配套之间通过桁梁联接，每辆车底部装有4对车轮，每对车轮由聚亚氨脂材料封面，直接走行在安装好的管片上，既减少了铺设后配套车走行轨，又可避免损伤管片。车架与车轮用球铰联接以适应后配套偏摆和曲线运行。为后配套车在管片上行走时发生左右偏摆，在管片下部纵向两边装有止偏限位轮，通过后配套车两侧的限位梁弹性接触而达到抗偏摆的目的。

盾构掘进机附属设备均安装在后配套车上，见表6-3-1。

后配套主要设备配置               表6-3-1

（一）、主机操作台安装在一封闭的隔音操作室内，此室位于第一辆后配套车右侧，室内可容纳2人。各种主要控制通过主操作室完成。

（二）、主控制室配置有一个WDAS数据采集系统，系统配备两台电脑，分别供洞内盾构机主操作室操作人员与洞外办公室管理人员联系使用，两台电脑通过通讯电缆连接。所有操作数据通过软件系统送到两台电脑显示屏，并自动记录操作数据。WDAS系统可记录：即时数据和储存过去的数据，并打印出或储存在内存中保存。

数据采集包括：

——刀盘的转速、方向、扭矩和油压；

——推进油缸的速度、位置、轴线和油压；

——螺旋输送机的转速、扭矩、内压和闸门开启；

——皮带输送机驱动马达油压；

——主要液压马达油压；

——油温和容量；

——主轴承润滑系统和压力；

——密封润滑系统和压力；

——土压监测；

——出土量监测；

——气体监测；

——EPB总电力曲线；

——导向系统输出数据；

——注浆压力比例；

——注浆系统输出；

——气闸室温度压力；

——机械的状态。

三、电气系统

（一）、主变压器

主变压器安装于后配套的后部。主变压器一次侧电压10KV，二次侧电压380V、220V，装备容量1250kVA。一次侧由熔刀开关保护，二次侧负载采用断路器保护。系统配有漏电和保护设施。

（二）、高压电缆卷筒

电缆卷筒包括一个电缆盘、高压接线环、驱动系统及水平卷绕装置。电缆按单层方式缠绕使电流容量无需减低。水平卷绕装置使电缆均匀地绕于电缆盘上。

（三）、电气设计

盾构机装机总功率750kW，基本设计中已包括了三相配电与控制设备及所有的盾构机所需的灯具。静止盾壳内的马达启动器及断路器装设于防爆箱体内。马达控制按钮、指示灯、操作台也装设于该箱内。

（四）、断路器及马达启动器

静止盾壳内的马达启动器、短路器装设于防爆箱体内。电机配有过载保护并可通过开关设定。

四、配套设备

（一）、泥浆泵

在后配套中，设有泥浆泵，当刀盘前面的土体自稳性差，水渗漏大时，可向土体内注入泥浆或膨润土浆液，防止土体渗漏，增强土体承载能力，改善土体物理力学指标，满足施工要求。

（二）、泡沫发生器

在后配套车中设有泡沫发生器和配料设备，根据工程需要，配料参数确定后，有电控系统自动配制，并通过管道输送到刀盘前的土体中，通过刀盘的搅拌，以改善不稳定土体的渗透性、粘性和流动性。降低螺旋输送机的粘结及堵塞，减少刀盘等机械功率的消耗和磨损。

（三）、皮带输送机

后配套车上部装有1#、2#皮带输送机，两机串联，各长26m，以适应在隧道曲线上正常运行。从螺旋输送器输出的土体由装有称重仪的皮带输送机运到皮带输送机机尾处的车斗内，通过牵引机车的缓慢移动将一辆辆车斗装满直到一个掘进循环完毕，再由牵引机车牵引到起始竖井处由地面上的行吊吊至地面，进行卸土。

（四）、注浆泵

注浆泵安装在后配套2号车中，便于安装管片时，给管片背隙进行同步注浆，防渗和加固。另外，刀盘前上方土体不稳时，超前钻孔后，可进行超前加固注浆，注浆的作用不同，注浆压力不同，可通过调整注浆泵来完成。

（五）、管片库

管片库设在主机与后配套之间的隧道仰拱上，它是一个滑动平板，长度约7.5米。管片通过起吊行车吊运过来放在其上，作为过渡贮存之用，每次能贮存一环管片。管片前移时，可通过滑动平板上的2个液压油缸带动环形链条拖引而至，每拖引一次将一片管片送到管片安装器提取位置。

（六）、管片吊运装置

     管片吊运桁架安装在拖拉桥上，2个3吨电动葫芦组成的行车，将沿隧道轴向前后移动，把管片从运输车上吊运至管片库滑动平台，旋转90°。根据管片安装需要，滑动平台把管片不断送到管片安装器位置。

（七）、安全防护系统

——装有一个瓦斯监测系统；

——配有电瓶应急灯；

——所有动力电源线均为五芯防火电缆；

——所有紧急停车和安全电路均为双作用自测型；

——皮带输送机上安装有可视、可闻警报器；

——所有电机起动都有单独保护，并在关闭位置上有闭锁装置；

——所有液压设备均有防燃性能；

——盾构机和后配套系统设备噪音最大1m内不超过85分贝。  

（八）、其它

后配套车的地板上铺设轨距为700mm的轨道，管片车、材料车、出土车均在上面行走，接力风机和风管安装在后配套车上部，各种、水管、电缆线等均布置在车的两侧。

第5号车地板是活动的，可通过液压缸侧向翻起，在此区域铺设钢轨。

第四章  盾构机主要尺寸和关键参数计算

第一节  盾构机主要尺寸和技术参数

土压平衡盾构机的主要尺寸和技术参数见表6-4-1。

    土压平衡盾构掘进机的主要尺寸和技术参数表 表6-4-1

一、盾构机液压油缸总推力

总推力P=KcF=Kc(F1+ F2+ F3+ F4)(KN)

式中：

Kc—安全系数，取1.5。

F1—盾构机与地层之间的摩擦力  (KN)

F2—刀盘正面的侧向压力  (KN)

F3—刀盘正面的地下水压力  (KN)

F4—盾尾内部与管片衬砌之间的摩阻力  (KN)

根据计算总推力P：

P=1.5(15053.688+1433.73+544.876+2.7)=25552(KN)

海瑞克公司盾构机油缸总推力35600(KN)＞25552(KN)，满足施工要求。

二、盾构机刀盘扭矩计算

刀盘最大扭矩：

T=T1+ T2+ T3+ T4+ T5+ T6+ T7+ T8+ T9（kNm）

式中：

T1—刀具切削土体所需的扭矩（kNm） 

T2—由于刀盘自重所产生的抗旋转的扭矩（kNm）

T3—刀盘正面推力所产生的抵抗旋转的扭矩（kNm）

T4—刀盘密封装置抵抗旋转的扭矩（kNm）

T5—刀盘正面的摩擦扭矩（kNm）

T6—刀盘周边的摩擦扭矩（kNm）

T7—刀盘背面的摩擦扭矩（kNm）

T8—刀盘开口处切削碴土所需的扭矩（kNm）

T9—刀盘在密封舱内搅拌碴土所需的扭矩（kNm）

根据计算刀盘最大扭矩:

T=0.374+178.92+1136.39+9.68+1228.9+202.3+983.1+0.4+0.07=3740kNm

海瑞克公司盾构机刀盘最大扭矩4694 kNm＞3740 kNm，满足工程需要。

第五章  有关图纸

有关图纸见附图3、附图4、附图5。下载本文