盾构机操作与保养维修修订版.docx

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盾构机操作与保养维修修订版

第1章结构与功能

1.1总述

盾构机是集多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构机施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部功能。

不同形式的盾构机其主机结构特点及配套设施也是不同的，对盾构机来说，盾构机施工的过程也就是这些功能合理运用的过程。

复合式盾构机在结构上包括刀盘、盾体、主驱动、人舱、管片拼装机、螺旋输送机、管片小车、皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、激光导向系统及通风、供水、供电系统等。

下面根据这些部件或系统在盾构机施工中的不同功能特点来进行说明。

1.2刀盘

1.2.1概述

刀盘是盾构机的主要工作部件，由刀盘钢结构、刀具、回转接头等组成，其主要作用是切削掌子面并对碴土进行搅拌。

刀盘上安装有适用该标段地质的一整套刀具，对隧道进行全断面开挖，并可实现正反两向旋转出碴。

所有可拆式刀具均可从刀盘背部进行更换，刀盘主体结构的设计正常使用寿命大于10km。

1.2.2刀盘结构

刀盘整体结构由Q345C高强度钢板焊接组成。

刀盘进碴口采用锥形设计，有利于碴土顺畅地流入土舱，避免碴土堆积。

刀盘背部配置有搅拌棒，可对碴土进行搅拌，增强碴土的流动性。

刀盘面板配置有泡沫注入口，可通过内部预埋的泡沫管路注入碴土改良剂对掌子面及土舱碴土进行改良。

刀盘正面及外缘、刀体、进碴口及边缘过渡区设置耐磨保护措施，可有效防止刀具磨损，同时可在刀盘上布置磨损检测装置。

刀盘背部布置回转接头，是碴土改良剂、液压油及电气线路进入刀盘前部的通道。

1.2.3刀具

不同的刀盘结构形式配置不同的刀具可适应不同的工程地质条件，每种刀具的结构特点如下：

·滚刀

滚刀包括中心滚刀、正滚刀和边缘滚刀（含偏心滚刀）。

滚刀由刀毂、刀刃、轴承、密封及附属部件组成。

17”滚刀可承受的最大载荷为250kN，启动扭矩25N.m。

滚刀主要应用于复合式刀盘，适用于硬岩及复合地层。

·齿刀

齿刀可对碴土进行剥离破碎，改善碴土的流动性。

齿刀设计特点如下：

刀刃采用两端大合金与中间三排合金的组合设计。

齿刀主要应用于复合式刀盘，适用于软土、砂卵石层及复合地层。

齿刀可与滚刀互换，可根据具体的地质情况，将全部或部分齿刀更换为滚刀。

·鱼尾中心刀

鱼尾中心刀安装在刀盘中心位置。

刀刃采用大尺寸的耐磨硬质合金，可延长刀具使用寿命。

鱼尾中心刀可改善土体切削和搅拌的效果。

·贝壳刀

贝壳刀焊接在刀盘面板上，可对碴土进行剥离破碎，改善碴土的流动性。

贝壳刀设计特点如下：

刀刃采用两端大合金与中间三排合金的组合设计。

贝壳刀为辐条式刀盘的主要切削刀具，有时也应用在复合刀盘的面板上。

·切刀

切刀刀刃采用大尺寸的耐磨硬质合金设计可延长刀具使用寿命。

刀头设计为带5度尖角结构形式，有效提高了切刀切削剥离碴土的能力。

切刀的开挖强度高达25MPa。

·边缘刮刀

刀盘边缘安装边缘刮刀。

边缘刮刀的主要作用是清理外围开挖的碴土，防止刀盘外缘的直接磨损，保证开挖直径的精度。

边缘刮刀设计特点如下：

刀刃采用三排大尺寸的耐磨硬质合金，具有很强的抗冲击性能和耐磨性能，可延长刀具使用寿命。

采用双排螺栓紧固使刀具受力更加均匀。

刀体后部和前部的堆焊耐磨层可以防止刀体受到碴土的冲刷磨损。

·保径刀

保径刀焊在刀盘外围部分，作用是保护刀盘的外缘，降低对刀盘外缘的直接磨损。

刀刃采用双排耐磨合金设计，可延长刀具使用寿命。

·超挖刀

超挖刀装在刀盘外缘，用于增加开挖直径，根据需要可增设仿形功能。

1.3盾体

1.3.1前盾

前盾又称切口环或前体。

前盾的隔板为各种安装设备提供接口，同时将前盾分为土舱与隔板后部。

前盾隔板与刀盘体之间形成密闭的土舱可通过控制土舱的压力来保持开挖面的稳定。

前盾前部的设计特点如下：

·壳体设计

壳体主要采用倒锥形设计，可以有效防止结泥饼造成的卡盾现象，同时利于转弯。

在软土地质情况下可采用其它结构形式。

·搅拌棒

隔板上焊接有被动搅拌棒，被动搅拌棒相对于刀盘上的两根主动搅拌棒对土舱内碴土进行搅拌。

被动搅拌棒内分别设置有添加剂注入系统和泡沫膨润土通道。

通过该通道注入添加剂可有效改善碴土的流塑性。

·前盾隔板安装的主要设备：

·防涌门

隔板上设置了一道防涌门机构，在富水地层检修刀盘时，螺旋机回缩，防涌门关闭，可有效防止喷涌。

·径向润滑孔

沿圆周方向布置，注入膨润土等以减小盾壳与土层的磨擦，或临时止水。

·人舱与前舱门

人舱与前盾上的过渡舱室法兰连接；过渡舱室内部隔板上部设有人孔和一扇前舱门。

工作人员通过前舱门进入开挖舱进行检查、维修等工作。

·水气电气接盒

当维修人员进入土舱检查维修等工作时，水气接盒给土压舱内提供切割部件所需的氧气和乙炔以及人员应急呼吸的新鲜空气；电气接盒给土压舱内提供低压照明电源和焊接电源。

·其它

隔板上开有不同规格大小的连接孔，为盾构机液压和电气设备的安装提供接口。

其中一部分孔作为预留，施工过程中可根据需要选择使用。

1.3.2中盾

中盾又称支承环或中体。

中盾与前盾采用高强度螺栓连接。

中盾与盾尾之间采用被动铰接形式连接。

中盾的设计特点如下：

·径向润滑孔

沿圆周方向布置，注入膨润土等以减小盾壳与土层的磨擦，或临时止水。

·H架

支撑管片拼装机。

·盾体内行走梯

其中左右平台和连接桥方便设备维护、检修。

左右平台上安装推进油缸、铰接油缸控制阀组以及主轴承润滑油脂存储桶等设备。

·超前注浆

沿中盾壳体圆周分布有超前注浆管预留口（如图所示），用以超前加固地层。

锚杆钻机可通过事先设计的接口安装在管片拼装机抓举头上，从而方便快捷地实现超前

注浆。

图超前注浆管示意图

·推进系统

推进系统油缸的分组通常如下图所示分区，顶部（A组）、右部（B组）、底部（C组）、左部（D组）。

其中每组油缸都单独安装有位移传感器。

在推进时，推进油缸伸出，撑靴作用到管片上提供盾构机前进的反力。

油缸的压力可以独立调节，推进速度由一个流量控制阀调节。

通过调整每组油缸的推进压力和速度可实现盾构机纠偏和调向。

通过位移传感器施工人员在控制室内可以实时监控每组油缸的行程和压力。

推进油缸活塞杆前端与撑靴通过球轴承和碟形弹簧连接，撑靴可以在侧向力的作用下自由转动（约≤4）。

撑靴表面和油缸垫板能保证推力均匀缓和地作用在管片上，防止管片损坏。

●为位移传感器油缸

图推进油缸分组控制示意图

·铰接系统

盾构机铰接形式为被动铰接的盾体，在中盾与盾尾连接处设置有铰接油缸。

盾构机需要转弯时，通过每组推进油缸的行程差来调节中盾与盾尾之间的夹角，此时铰接油缸进出油相互连通，行程可自行调整，从而实现转弯；盾构机直线掘进时，进出油口锁紧。

当铰接油缸行程超限时（行程≤10mm或者≥140mm）可手动调节球阀，给铰接油缸供油，防止油缸损坏。

1.3.3盾尾

中盾和盾尾之间用铰接油缸连接，连接处设计有铰接密封（通常为橡胶密封和紧急气囊密封），铰接密封的压紧量可调，从而保证隧道内泥水、砂等不进入盾构机主机内（如图所示）。

盾尾设计特点如下：

1-橡胶密封2-紧急密封3-铰接油缸

图中盾与盾尾铰接结构示意图

·同步注浆管路

盾尾壳体内设置有内置的同步注浆管道。

同步注浆管道总数一般为半用半备用。

每路注浆管有单独的砂浆传感器，且在盾尾壳体处均设计有两个清洗口，意外堵塞可以用高压水进行清洗。

·盾尾油脂管路

油脂管数量为多路设置，每路有单独的压力传感器。

·盾尾密封刷

盾尾与管片接触的地方安装密封钢丝刷，并在密封刷与管片外径形成的腔内注入密封油脂，防止隧道内水或砂浆进入盾壳内。

·止浆板

止浆板

盾尾尾部设置有一道止浆板，阻止砂浆流到盾体内。

图盾尾结构单边示意图

1.4主驱动系统

1.4.1概述

主驱动系统的作用是提供刀盘正反方向掘削动力的同时承受刀盘掘削土体的轴向支撑反力。

1.4.2驱动系统

主驱动系统结构主要包括变速箱、主轴承、变频电机（液压马达）、减速机、小齿轮、内外唇形密封、法兰等。

其中，主轴承采用整体内齿圈式大直径三排圆柱滚子轴承，具有良好的轴向推力、反推力，径向力及倾覆力矩的承载能力；小齿轮与主轴承内齿圈啮合，改善了主轴承承载能力，主轴承使用寿命大约10KM。

变频电机驱动的组成:

变频器为单轴传动形式，一台变频器驱动一台电机，变频器之间采用现场总线通信，所有变频器同步运行。

变频器由变频柜内的分PLC控制。

所有变频器要求速度同步，转矩均衡。

一台变频器故障后，能够从系统中隔离，剩余变频器正常运行，并能够驱动额定负载。

液压马达驱动组成：

刀盘驱动主要由九组传动副和主齿轮箱,主油箱、三台主驱动油泵、补油泵、先导油泵、主驱动控制阀组、驱动马达两级转速及马达解除制动阀组、蓄能器、及若干滤清器、吸油滤网的连接管路。

三台各由315KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵和九个斜轴式变量柱塞马达构成闭式回路，液压泵提供压力油驱动压马达旋转，液压马达旋转就可以驱动刀盘旋转切削土体，通过控制泵的正反转就可以间接控制刀盘的正反转。

55KW电机驱动的定量螺旋式液压泵做为补油泵先通过补油泵滤芯后为闭式回路中补油。

5.5KW电机驱动的斜盘式变量轴向柱塞泵作为刀盘驱动液压回路的先导油泵先通过先导油滤芯后再向阀块供先导油。

1.4.4密封系统

主驱动有两套密封系统：

外密封系统对开挖舱方向进行密封，内密封系统对盾体内部常压进行密封。

外密封通过自动持续注脂方式防止开挖舱的砂石、污水等进入变速箱。

内密封系统主要由两道唇形密封组成，防止盾体内部固体微细颗粒等进入变速箱。

唇形密封采用橡胶材料——弹性好，磨损小。

内外密封环进行表面淬火处理，可通过螺栓调整密封环，改变密封唇口与密封环的相对接触位置，有效提高密封效果。

1.4.5润滑系统

变速箱齿轮油采用循环冷却方式对小齿轮、小轴承进行润滑。

主轴承径向滚道、主推力滚道、反推力滚道也由变速箱齿轮油强制循环润滑。

油脂通过变速箱体、主轴承、环件中径向分布的注脂孔连续注入内、外唇形密封空腔及与相对旋转支承轴表面。

油脂既润滑唇形密封唇口同时也阻止土舱杂物与唇形密封接触。

外密封通过集中润滑系统自动注入油脂。

内密封腔定期手动注入油脂。

1.4.6电机过载保护（电机驱动盾构机）

电机扭矩通过液压扭矩限制器传递给减速机。

扭矩限制器通过剪切销轴实现过载保护，避免损坏电机。

扭矩限制器的使用详见供应商资料《VOITH限矩安全联轴器》。

1.4.7安全设置

减速机油温超过80℃，报警并自动停机；变频电机温度超过90℃，报警；

变频电机温度超过110℃，报警并自动停机；变速箱油温高于55℃，报警；

变速箱油温高于65℃，报警并自动停机；

变速箱齿轮油液位高于最高液位，报警；

变速箱齿轮油液位低于最低液位，自动停机；电机脱困时间超过3s，自动停机。

1.5管片拼装与运输系统

1.5.1管片拼装机

概述

·管片拼装机固定在盾尾区域，用于安装衬砌管片。

管片拼装机主要由托梁、回转架、移动架、举重钳和提升油缸等组成。

由单独的液压系统提供动力，通过对液压马达和液压油缸等执行机构动作的比例控制，可实现拼装管片的纵向移动、径向移动、横向移动、回转、横摇和俯仰动作，使得管片能