盾构机工作原理具体是什么

盾构机的工作原理 1.盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启 盾构机推动油缸，将盾构机向前推动，随着推动油缸的向前推动，刀盘持 续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，现在开动螺旋输送机将切削下来 的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再 通过竖井运至地面。 2.掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机 中的碴土积累到必然数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻 力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时， 开挖面就可以维持稳固，开挖面对应的地脸部份也不致坍坍或者隆起，这时 只要维持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥 土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就可以顺利进行 。3.管片拼装盾构机掘 进一环的距离后， 拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片 ，使隧道-次 成型。盾构机的组成及各组成部份在施工中的作用盾构机的最大直径为 6.28m， 总长 65m ，其中盾体长 8.5m，后配套设备长 56.5m， 总分量约 406t， 总配置功率 1577kW ，最大掘进扭矩 5300kN?m ，最大推动力为 36400kN， 最陕掘进速度可达 8cm/min。盾构机主要由9 大部份组成 ，他们别离是盾 体 、 刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机 、排土机构 、后配套装置、电气系 统和辅助设备 。 1.盾体盾体主要包括前盾 、 中盾和尾盾三部份，这三部份都 是管状简体， 其外径是 6.25m。前盾和与之焊在一路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，以起到支撑和稳固开挖面的作用 。承压隔板上 在不同高度处安装有五个土压传感器， 能够用来探测泥土仓中不同高度的 土压力。前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧 的周边位置装有 30 个推动油缸，推动油缸杆上安有塑料撑靴 ，撑靴顶推在

后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出能够提供给盾构机向前 的掘进力，这 30 个千斤顶按上下摆布被分成 A 、B 、c 、D 四组，掘进进程 中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，如此盾构机就可以够实现 左转、右转、抬头、垂头或者直行，从而能够使掘进中盾构机的轴线尽可能 拟合隧道设计轴线。中盾的后边是尾盾，尾盾通过 14 个被动跟从的铰接油 缸和中盾相连。这种铰接连接能够使盾构机易于转向。 2.刀盘刀盘是一个带 有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的 开口率约为 28%，刀盘直径 6.28m ，也是盾构机上直径最大的部份，一个带 四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部份，刀盘上可按照被切 削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或者软土刀具，刀盘的外侧还装有一把超 挖刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方 向向外伸出，从而扩大开挖直径，如此易于实现盾构机的转向。 超挖刀油 缸杆的行程为 50mm。刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接， 都能 够从刀盘后面的泥土仓中进行改换 。法兰板的后部安装有一个回转接头， 其作用是向刀盘的面板上输入泡沫或者膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压 油。 3.刀盘驱动刀盘驱动由螺栓坚固地连接在前盾承压隔板上的法兰上， 它 能够使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现 0-6.1rpm 的无级变速。刀盘 驱动主要由 8 组传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴 向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成， 其中一组传动副的变速齿轮箱中带 有制动装置，用于制动刀盘。安装在前盾右边承压隔板上的一台定量螺旋 式液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水 冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油。 4.双室气闸双室气闸装在前盾上， 包 括前室和主室两部份， 当掘进进程中刀具磨损工作人员进入到泥土仓检察 及改换刀具时，要利用双室气闸。在进入泥土仓时，为了避免开挖面的坍 坍 ，要在泥土仓中成立并维持与该地层深度土压力与水压力相适应的气压， 如此工作人员要进出泥土仓时，就存在一个适应泥土仓中压力的问题，通 过调整气闸前室和主室的压力，就可以够使工作人员能够适应常压和开挖

仓压力之间的转变。但要注意，惟独通太高压空气检查和受到相应培训有 资质的人员，才干够通过气闸进出有压力的泥土仓。现以工作人员从常压 的操作环境下进入有压力的泥土仓为例，来讲明双室气闸的作用。工作人 员甲先之前室进入主室，关闭前室和主室之间的隔离门，依照规定程序给 主室加压，直到主室的压力和泥土仓的压力相同时，打开主室和泥土仓之 间的闸阀，使二者之间压力平衡，这时打开主室和泥土仓之间的隔离门， 工作人员甲进入泥土仓。若是这时工作人员乙也需要进入泥土仓工作，乙 就可以够先进入前室，然后关闭前室和常压操作环境之间的隔离门，给前 室加压至和主室及泥土仓中的压力相同，扣开前室和主室之间的闸阀，使 二者之间的压力平衡，打开主室和前室之间的隔离门，工作人员乙进入主 室和泥土仓中。 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。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 架通过摆布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 形式外径 3.2m 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。现以拼装头在正下方位置的情形为例，来讲明拼装机的运动情形 。两 个拼装机行走液压油缸能够使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿 隧道轴线方向挪移；安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通 过驱动滚珠轴承的内齿圈能够使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向摆布旋转 各 200 度； 通过伸缩油缸能够使拼装头上升或者下降； 拼装头在油缸的作用 下又能够实此刻水平方向上的摆动，和在竖直方向上的摆动和抓紧和放松 管片的功能。 如此在拼装管片时，就可以够有六个方向的自由度，从而能 够使管片准确就位。拼装手能够利用有线的或者遥控的控制器操作管片拼装 机，用来拼装管片。 咱们采用的是 1.2m 长的通用管片， 一环管片由六块管 片组成， 它们是三个标准块 、两块临块和一块封顶块 。封顶块能够有十个 不同的位置，代表十种不同类型的管环，通过选择不同类型的管环就可以 够使成型后的隧道轴线与设计的隧道轴线相拟合 。 隧道成型后，管环之间

及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强 度的螺栓连接。 6.排土机构盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输 送机。螺旋输送机由斜盘式变量轴向柱塞马达驱动，皮带输送机由机电驱 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，土箱装 满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将士箱吊至地面，并倒人碴 土坑中。螺旋输送机有先后两个闸门，前者关闭能够使泥土仓和螺旋输送 机隔间，后者能够在住手掘进或者维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情形 下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，以避免开挖仓中的水及渣 土在压力作用下进入盾构机。 7.后配套设备后配套设备主要由以下几部份组 成： 管片运输设备、 四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操 作室、 电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水 设备及通风设备等。 A.管片运输设备管片运输设备包括管片输送小车 、输 送管片的电动葫芦及其连接桥轨道。管片由龙门吊从地面下至竖井的管片 车上，由电瓶车牵引管片车至第一节台车前的电动葫芦-方，由电动葫芦吊 起管片向前输送到管片小车上，由管制、 车再向前输送， 供给管片拼装机 利用。 B.一号台车及其上的设备一号台车上装有盾构机的操作室及注浆设 备。盾构机操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、 盾构机PLC 自动控 制系统、 VMT 隧道掘进激光导向系统电脑及螺旋输送机后部出土口监视器。 C.二号台车及其上的设备二号台车上有包括液压油箱在内的液压泵站、膨 润土箱、膨润土泵、 盾尾密封油脂泵及润滑油脂泵 。液压油箱及液压泵站 为刀盘驱动、推动油缸、铰接油缸、 管片拼装机 、管片运输小车 、螺旋输 送机、注浆泵等液压设备提供压力油 。泵站上装有液压油过滤及冷却回路， 液压油冷却器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾构机掘进时将盾尾密封油脂 由 12 条管路压送到三排盾尾密封刷与管片之间形成的两个腔室中，以避免 注射到管片暗地里的浆液进入盾体内 。润滑油脂泵将油脂泵送到盾体中的小 油脂桶中，盾构机掘进时， 4kw 机电驱动的小油脂泵将油脂泵送到主驱动

齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头中。这些油脂起到两个作用， 一个作用是被注入到上述三个组件中唇形密封件之间的空间起到润滑唇形 密封件工作区域及帮忙阻挠赃物进入被密封区域内部的作用，对于螺旋输 送机齿轮箱还有此外一个作用，就是润滑齿轮箱的球面轴承。 D.三号台车 及其上的设备三号台车上装有两台打气泵、一个 1 立方米贮气罐、一组配 电柜及一台二次风机。打气泵可提供 8Bar 的紧缩空气并将紧缩空气贮存在 贮气罐中，紧缩空气能够用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵温和动污水泵， 用宋给人闸、开挖室加压，用来操作膨润土、盾尾油脂的气动开关，用来 与泡沫剂、水混合形成改良土壤的泡沫，用来8 嘞气动工具等。二次风机 由 11kW 的机电驱动，将由中间井输送至第四节台车位置处的新鲜空气， 继续向前泵送至盾体周围， 以给盾构机提供良好的通风。 E. 四号台车及其 上的设备四号台车上装有变压器、电缆卷筒、水管卷筒、风管盒 。铺设在 隧道中的两条内径为 100mm 的水管作为盾构机的进、回水管，将竖井地面 的蓄水池与水管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱 动盾构机用水在蓄水池和盾构机之间循环 。通常情形下，进人盾构机水管 卷筒水管的水压控制在 5Bar 摆布 。正常掘进时，进人盾构机水循环系统的 水有以下的用途： 对掖压油、 主驱动齿轮油、空压机、配电柜中的电器部 件及刀盘驱动副变速箱具有冷却功能， 为泡沫剂的合成提供用水，提供给 盾构机及隧道清洁用水。 蓄水池中的水用冷却塔进行循环冷却。风管盒中 装有折叠式的风管，风管与竖井地面上的风肌连接， 向隧道中的盾构机里 提供新鲜空气。 新鲜空气通过风管被送至第四节台车的位置 。8.电气设备盾 构机电气设备包括电缆卷筒 、主供电电缆 、变压器、配电柜、动力电缆 、 控制电缆 、控制系统、操作控制台、 现场控制台、螺旋输送机后部出土口 监视器、机电、 插座 、照明、接地等。电器系统最小保护品级为 IP5.5 。主 供电电缆安装在电缆卷筒上， 10kV 的高压电由地面通太高压电缆沿隧道输 送到与之连接的主供电电缆上，接着通过变压器转变成 400v， 50Hz 的低压 电进人配电柜， 再通过供电电缆和控制电缆供盾构机利用。 西门子 S7-PLC

是控制系统的关键部件，控制系统用于控制盾构机掘进、拼装时的各主要 功能。例如盾构机要掘进时，盾构机司机按下操作控制台上的掘进按钮， 一个电信号就被传到 PLC 控制系统，控制系统第一分析推动的条件是不是 具有(如推动油缸液压油泵是不是打开，润滑脂系统是不是工作正常等， .若 是推动的条件不具有，就不能推动，若是条件具有，控制系统就会使推动 按钮指示灯变亮，同时控制系统也会给推动油缸控制阀的电磁阀供电，电 磁阀通电打开推动油缸控制阀，盾构机开始向前推动。 PLC 安装于控制室， 在配电柜里装有远程接口， PLC 系统也与操作控制台的控制电脑及 VMT 公 司的 SLS-T 隧道激光导向系统电脑相连。盾构机操作室内的操作控制台和 盾构机某些可挪移装置隔壁的现场控制台(如管片拼装机、管片吊车、管片 输送小车等)用来操作盾构机， 实现各类功能。操作控制台上有控制系统电 脑显示器 、 实现各类功能的按钮、 调整压力和速度的旋钮、 显示压力或者油 缸伸长长度的显示模块及各类钥匙开关等。 螺旋输送机后部出土口监视器 用来监视螺旋输送机的出土情形。机电为所有液压油泵、 皮带机、 泡沫剂 泵、 合成泡沫用水水泵、 膨润土泵等提供动力 。 当机电的功率在 30kW 以 下时， 采用直接起动的方式， 当机电的功率大于 30kW 时， 为了降低起动 电流，采用星形-三角形起动的方式 。9.辅助设备辅助设备包括数据采集系 统、 S1S-T 隧道激光导向系统、 注浆装置、 泡沫装置、 膨润土装置。 A.数据 采集系统数据采集系统的硬件是一台有必然配置要求的运算机和能使该运 算机与隧道中掘进的盾构机维持联络的调制解调器 、转换器及电话线等原 件。 该运算性能够放置在地面的监控室中 ，并始终与隧道中掘进的盾构机 自动控制系统的 PLC 维持联络，如此数据采集系统就可以够和盾构机自动 控制系统的 PLC 具有相同的各类关于盾构机当前状态的信息 。数据采集系 统按掘进、管片拼装、 住手掘进三个不同运行状态段来记录 、处置、 存储、 显示和评判盾构机运行中的所有关键监控参数。通过数据采集系统， 地面 工作人员就可以够在地面监控室中实时监控盾构机各系统的运行状况 。数 据采集系统还能够完成以下任务： 用来查找盾构机以前掘进的档案信息，

通过与打印机相连打印各环的掘进报告，修改隧道中盾构机的 PLC 的程序 等等。 B. 隧道掘进激光导向系统德国 VMT 公司的 SLS-T 隧道掘进激光导向 系统主要作用有以下几点：①能够在隧道激光导向系统用电脑显示屏上随 时以图形的形式显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，如此在 盾构机掘进时，操作者就可以够依此来调整盾构机掘进的姿态，使盾构机 的轴线接近隧道的设计轴线，如此盾构机轴线和隧道设计轴线之间的误差 就可以够始终维持在一个很小的数值范围内。②推动一环结束后，隧道掘 进激光导向系统从盾构机 PLC 自动控制系统取得推动油缸和铰接油缸的油 缸杆伸长量的数值，并依此计算出上一环管片的管环平面，再综合考虑被 手工输入隧道掘进激光导向系统电脑的盾尾间隙等因素，计算并选择这 -环 适合拼装的管片类型 。③能够提供完整的各环掘进姿态及其他相关资料的 档案资料 。④能够通过标准的隧道设计几何元素计算出隧道的理论轴线。 ⑤能够通过调制解调器和电话线和地面的一台电脑相连，如此在地面就可 以够实时监控盾构机的掘进姿态。隧道掘进激光导向系统主要部件有激光 经纬仪、带有棱镜的激光靶、黄盒子、 控制盒和隧道掘进激光导向系统用 电脑。激光经纬仪暂时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘 进，激光经纬仪也要不断地向前挪移， 这被称为移站。激光靶则被固定在 中盾的双室气闸上。激光经纬仪发射出激光束照射在激光靶上，激光靶能 够判定激光的入射角及折射角 ，此外激光靶内还有测倾仪，用来测量盾构 机的转动和倾斜角度，再按照激光经纬仪与激光靶之间的距离及各相关点 的坐标等数据，隧道掘进激光导向系统就可以够计算出当前盾构机轴线的 准确位置。控制盒用来组织隧道掘进激光导向系统电脑与激光经纬仪和激 光靶之间的联络，并向黄盒子和激光靶供电。 黄盒子用来向激光经纬仪供 电并传输数据。隧道掘进激光导向系统电脑则是将该系统取得的所有数据 进行综合、 计算和评估 。所得结果能够被以图形或者数字的形式显示在显示 屏上。 C.注浆装置注浆装置主要包括两个注浆泵、浆液箱及管线。在竖井， 浆液被放入浆液车中，电瓶车牵引浆液车至盾构机浆液箱旁， 浆液车将浆

液泵入浆液箱中。两个注浆泵各有两个出口，如此总共有四个出口，四个 出口直接连至盾尾上圆周方向扩散的四个注浆管上，盾构机掘进时，山注 浆泵泵出的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环隙中，浆液凝固后就 可以够起到稳固管片和地层的作用。为了适应开挖速度的快慢，注浆装置 可按照压力来控制注浆量的大小，可预先选择最小至最大的注浆压力，如 此能够达到两个目的，一是盾尾密封不会被损坏，管片不会受过大的压力， 二是对周围土层的扰动最小。注浆方式有两种：人工方式和自动方式。人 工方式能够任选四根注浆管中的一根，由操作人员在现场操作台上操作按 钮启动注浆系统； 自动方式则是在注浆现场操作台上预先设定好的，盾构 机掘进即启动注浆系统。D.泡沫装置泡沫系统主要包括泡沫剂罐、泡沫剂 泵、水泵 、 四个溶液计量调节阀、 四个空气剂量调节阀个液体流量计、 四 个气体流量计、泡沫发生器及连接管路 。泡沫装置产生泡沫 ，并向盾构机 开挖室中注入泡沫，用于开挖土层的改良，作为支撑介质的土在加入泡沫 后， 其塑型、流动性、防渗性和弹性都得至 U 改良，盾构机掘进驱动功率 就可减少，同时也可减少刀具的磨损。 泡沫剂泵将泡沫剂从泡沫剂罐中泵 出， 并与水泵泵出的水按盾构司机操作指令的比例混合形成溶液，控制系 统是通过安装在水泵出水口处的液体流量计测量水泵泵出水的流量， 并按 照这一流量控制泡沫剂泵的输出量来完成这一混合比例指令的。 混合溶液 向前输送至盾体中，被分派输送到四条管路中， 通过溶液剂量调节阀和液 体流量计后， 又被别离输送到四个泡沫发生器中，在泡沫发生器中与同时 被输入的紧缩空气混合产生泡沫 ，紧缩空气进入泡沫发生器前也要先通过 气体流量计和空气剂量调节阀 。泡沫剂溶液和紧缩空气也是按盾构机司机 操作指令的比例混合的， 这一指令需通过盾构机控制系统接收液体流量计 温和体流量计的信息并控制空气剂量调节阀和溶液剂量调节阀来完成。最 后， 泡沫沿四条管路通过刀盘旋转接头，再通过刀盘上的开口，注入到开 挖室中。在控制室，操作人员也能够按照需要从四条管路中任意选择，向 开挖室加入泡沫 。E.膨润土装置膨润土装置也是用来改良土质，以利于盾

构机的掘进。膨润土装置主要包括膨润土箱、膨润土泵、九个气动膨润土 管路控制阀及连接管路。和浆液一样，在竖井，膨润土被放人膨润土车中， 电瓶车牵引膨润土车至膨润土箱旁，膨润土车将膨润土泵入膨润土箱中。 需要注入膨润土时，膨润土被膨润土泵沿管路向前泵至盾体内，操作人员 可按照需要，在控制室的操作控制台上，通过控制气动膨润土管路控制阀 的开关，将膨润土加入到开挖室、泥土仓或者螺旋输送机中。

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