土压平衡盾构机 [土压平衡盾构机主体部分介绍]

　　摘要：首先介绍了土压平衡盾构机的工作原理，继而从盾构机的主体部分分别描述了各个部件的结构和作用，对读者了解盾构机的主体部分有指导意义。 　　关键词：土压平衡；盾构机
　　Abstract：The operating principle of earth balance machine is introduced, and then, the component and function of tunnel boring machine are also described in this paper. The analysis results have certain instructive significance to engineering practice.
　　Key words：earth balance; tunnel boring machine
　　中图分类号:TU713 文献标识码：A
　　1 工作基本过程
　　土压平衡盾构机具有封闭的土仓，其基本工作过程是通过旋转的刀盘切削前方的土层，油缸推进刀盘实现掘进，同时使土体从刀盘开口处进入并充满土仓，在油缸的推力下仓内土体保持一定的压力用来平衡前方的土压力和水压力，通过添加外加剂并搅拌土体使其具有适宜的流动性和不透水性，然后在基本保持土压平衡的条件下从螺旋输送机排出土体。成洞后由管片拼装机拼管片来支撑洞体，同时对盾尾与洞体的缝隙注浆填充，最后实现设计的线路及其结构尺寸要求。
　　2 主体的基本构成
　　土压平衡盾构机主要由主体和后配套系统组成。主体结构由切削刀盘、盾体、螺旋输送机、管片拼装机、人孔仓等部分构成；后配套系统包括测量、同步注浆、泡沫泥浆注入、液压、盾构机控制系统以及压缩空气等。本文所讨论的是盾构机主体部分，后备套系统不在讨论范围之内。
　　3 盾体
　　盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分。盾体如图１所示。前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力，土压传感器根据不同的土层决定其数量。前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以高强度螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有多个推进油缸，推进油缸按上下左右被分成几组，每一组中有一个测量程的油缸，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力并可以知道每一组油缸的行程。中盾的后边是尾盾，尾盾通过若干被动跟随的铰接油缸和中盾相连。铰接可以分为主动铰接和被动铰接，一般在中国的机器中多采用被动铰接。
　　图１
　　4 刀盘
　　刀盘主要有面板式和辐条式两种，其结构如图2和图3所示，面板式对前方土体有一定的支撑作用，防止大块土塌方并且通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，中途换刀方便。但开口率小的面板刀盘在粘土层容易产生土粘在板上产生泥饼的问题，进土效率较低。在粘土层常选辐条式或开口率大的面板式，辐条式刀盘将刀具沿径向布置在4～6根辐条上，开口率较大，切削下来的土料很容易进人土仓，在搅拌中也不易粘到辐条背面。在卵石层中施工时这种刀盘形式有利减少摩擦但由于刀盘的刚度降低，增加了沉降的风险，但中途换刀安全性能较差，有时候还需要加固土体，费用较高。
　　盾构机所采用的刀盘支撑方式主要有三种:中心支撑，中间支撑和周边支撑。在中国使用的大部分刀盘支撑多为中间支撑，处理大块石、卵石比较方便，空间位置比中心支撑要大，但是由于其中心区域的流动性较差，当切削的土层黏性较强时，随着土层长期积累于中心区域，容易形成泥饼，因此在工作过程中需要加入土壤改良剂去消除不利因素。
　　图２
　　图3
　　5 管片拼装机
　　管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成，其外形图如图4所示。拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两个滚轮安放在拼装机大梁上的行走槽中，一个内圈为齿圈形式的滚珠轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横粱相连接。 拼装机上一般由两个定量马达，一组行走油缸，一组上下油缸组成。在拼装机的抓头上有三条油缸分别控制抓头的左右、上下及前后倾斜，这样就满足了在管片拼装时的六个自由度。拼装机可以满足管片拼装的毫米级位置控制要求。
　　图4
　　6 螺旋输送机
　　螺旋输送机其外形图如5所示。螺旋输送机由轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由电机驱动。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾部，落入等候的碴土车的土箱中，螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后者可以在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量紧急自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。
　　7 总结
　　以上介绍了在工程上使用最为普遍的土压平衡盾构机主体结构。盾构机性能的好坏以及能否顺利的完成隧道掘进，主体结构起着决定性的作用，了解这几部分有助于我们在采购和维护盾构机时有一定的指导意义。
　　参考文献
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　　[4]海瑞克技术说明书.海瑞克
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