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1、 图2.2.31 正面切削刀 图2.2.32 周边刮刀 图2.2.3-3 中心切削刀 图2.2.3-4 先行刀刀具超硬刀片材质采用类似JISM3916（日本标准）规定的矿山工具用超硬刀片，考虑到本工程在砂层和软弱的土质中使用，参照许多同类土质的施工实例，本工程采用耐冲击性及耐磨性优越的材质。2）、刀具布置及其作用在刀盘上配置了安装了66把先行刀及12把周边先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切削刀（80mm高）高30mm，切削时，先对开挖面进行切削，以减轻对主切削刀及面板的磨损。主切削刀配置78把，周边刮刀12把，刀具的布置一般是将刀盘分成内、中、外3部分，其主切削刀配置见下图2.2.35，
2、内部1条掘削轨迹上配置1把切削刀，中间部1条掘削轨迹上配置2把切削刀及外周部1条掘削轨迹配置3把切削刀，最外周掘削轨迹布置宽为140mm的刮刀6把。图2.2.35 切削刀切削轨迹图66把先行刀配置见下图2.2.36，内部1条掘削轨迹上配置1把先行刀、中间部1条掘削轨迹上配置1.5把先行刀外周部1条掘削轨迹配置2把先行刀，最外周1条掘削轨迹配置3把先行刀，另外在最外周配置了12把周边先行刀，通过这样的配置可以大大减轻刀具及面板的磨损，并且能有效的保证开挖直径。图2.2.36 先行刀切削轨迹图根据公司的实绩，1条轨迹配置n把切削刀的场合，与1条轨迹配置1把切削刀相比，摩擦系数K为n-0.333倍。
3、例如，n=3的场合，摩擦系数K= n-0.333=0.69倍，刀具寿命为1/0.69=1.45倍。3）、主切削刀、刮刀的更换切削刀、刮刀的安装采用辐条二侧螺栓连接设计，方便作业人员在刀盘背后（土仓内）进行刀具的拆装工作，无需暴露在没有支撑的开挖面上，充分保证换刀人员的安全。与在刀盘正面安装的形式相比，背装式的设计也为刀具的更换提供了较大的作业空间，使刀具的更换速度得以明显的提高。从土仓内向刀盘方向看，刀具的安装形式见图2.2.3-7。刀具更换必须是在开挖面能自立的条件下进行，如果换刀所处的地层无法自立，就需要对土体进行加固，使换刀处土体能自立。刀具的更换时间可参考切削刀盘累计转数表的显示值，求
4、出掘削距离，以及通过掘进过程中推力、扭矩增大，推进速度极低，开挖声音异常等现象来判定，但，由于地层的复杂性，很难准确地从上述原因中判定刀具的磨损状况。图2.2.37切削刀、刮刀安装形式2.2.4切削刀盘驱动装置 1）、刀盘驱动形式采用变频电机驱动方式变频驱动具有一般液压驱动及电动机变极驱动所不能比的优点，见表2.2.41刀盘3种驱动方式比较。驱动装置由固定部分、回转部分、三排园柱滚子轴承和密封部分、变频减速电动机等构成，固定部分用螺栓栓接在盾构机切口环壳体上。刀盘驱动装置是由 字型断面的钢板焊接构造而组成，内部安装高精度、大负荷的三排园柱滚子轴承和二种型式的密封圈。由8台55kW变频减速电机和
5、小齿轮构成，通过三排园柱滚子轴承内齿，带动三排园柱滚子轴承从而驱动切削刀盘。刀盘可顺时针及逆时针回转。三排园柱滚子轴承受切削刀盘的轴向力、径向负荷和力矩，且支撑、驱动切削刀盘的旋转。驱动装置构造如图2.2.41所示。图2.2.41 刀盘驱动装置构造刀盘采用变频电动机驱动具有良好的对应地质的转速与扭矩输出曲线，刀盘转速在0.30.8rpm时具有恒扭矩输出，0.81.3rpm时具有恒功率输出，额定扭矩（100%）时为5151kN-m 525tf-m（=20.2），扭矩在120%时，为6181kN-m630tf-m（=24.2）（见图2.2.42 刀盘扭矩与转速输出图）。因此，能满足各种地质条件对扭
6、矩和转速的要求。切削刀盘支承是盾构机的主要组成部分，被栓接在盾构机壳体上。切削刀盘支承由具有油封的主轴承室和9个切削刀盘驱动电动机组成。刀盘采用变频驱动方式，驱动特性见下图。转速0.31.1rpm额定扭矩5733KNm图2.2.42刀盘驱动扭矩转速输出特性图刀盘驱动装置是盾构机的最关键部件，特别是刀盘密封、大轴承的可靠性、安全性、寿命是至关重要的。公司积近40年制造2000多台各类盾构机的经验，完全能设计制造出满足本工程需要的盾构机。为了防止土砂、水进入驱动装置内，在旋转部与固定部中间设置3道密封装置，机械式迷宫密封、一道唇型密封（四唇型）、三道MY型密封组成，规格见表2.2.41、密封圈形式
7、见图2.2.43、图2.2.44所示。根据公司的工程实绩，对应本工程，密封具有足够的寿命。由于密封采用丁晴橡胶和聚胺脂橡胶，为了防止在高温下（70以上）发生物理变形，内外密封处各设置了1个温度传感器，当温度超过规定值时就报警甚至停机。表2.2.41 密封规格项目规格形式MY型 唇型（4唇口）材质丁晴橡胶聚胺脂橡胶数量内周（刀盘与胸板）3道1道外周（刀盘与壳体）3道1道耐压力1MPa 图2.2.43唇型密封 图2.2.44 MY型密封刀盘驱动部(包括密封、大轴承、小齿轮、减速机变频电动机组)作为一个整体组装调试后再用螺栓固接在盾构机壳体上，这样更能保证刀盘密封与传动的可靠性与安全性，并且转场、拆
8、卸、安装方便。见图2.2.45。图2.2.45刀盘驱动装置密封部的磨损主要是密封配合面钢板上的磨损，根据公司的实验结果，在密封圈直径2000mm、水压1.08Mpa、转速5rpm，MY型密封配合面的磨损，在运走距离500km时，其磨损在0.02 mm（包括壳体）以下，温升在70以下。根据这些资料及公司的工程实绩，对应本工程，密封具有足够的寿命。2）、驱动轴承润滑、密封集中润滑装置（1）三排园柱滚子轴承采用油浴强制润滑，将油池中的润滑油用泵输出，通过滤清器把清洁的润滑油润滑轴承和齿轮。主轴承油润滑系统安装在盾体内部，齿轮油室设置在驱动系统内部，系统包括油泵、过滤器、压力表等设备，起到循环润滑主轴
9、承内齿轮和小齿轮啮合的作用，同时能对齿轮油进行过滤，保证油液的清洁度，减少设备磨损。见图2.2.46。图2.2.46驱动轴承润滑（2）密封部分采用集中自动间断供脂式，用泵经过分配阀间断地向刀盘驱动密封（唇型密封及MY型密封）之间、螺旋输送机驱动部密封处、中心回转接头密封部分充填具有一定压力的油脂，可通过定时器调节供给量。2.2.47。图2.2.47 密封集中润滑装置并且，在给油脂回路中设置了当发生异常高压的场合，在报警的同时刀盘旋转立即停止的联锁系统。3）、驱动方式比较因为大口径盾构机内空间较大，驱动马达空间设置限制少。为了提高效率，减低起动扭矩，简化后方设备，改善隧道内环境等，切削刀盘采用变
10、频电机驱动方式，低噪音、无高温、对施工环境的影响极少。驱动电机的变频控制可使刀盘变速运转，随施工状况和土质的软硬进行调整，所以能广泛对应各种土质。表2.2.42刀盘3种驱动方式比较 No项目变频方式离合器方式液压方式备 注1驱动部尺寸中大小如以外形尺寸为1，则1.52，22.5。2后续设备少少大需要液压泵、大油箱、冷却装置等，所以后续设备大。3效率 (%)0.950.90.65由于，采用电机驱动，故效率高。4起动电流小小小利用变频起动电流小，因为切断离合器起动，电流小，由于无负荷起动电流小。5起动力矩中中小起动力矩可以达到额定力矩的120%，约低20%。6起动冲击小大小利用变频，控制液压泵排量
11、，可以低转速、缓慢起动。由于离合器离、合，所以冲击大。7转速控制、微调好差好利用变频，控制液压泵排量，可以控制转速、微调。由于采用离合器，所以一般只要二种速度。8噪音小小大由于液压系统，所以噪音大9隧道内温度小小大由于液压系统，功率损耗大，所以温度大。10维护保养好好差、几乎不要，液压系统维护保养复杂，要求高。11综合评价变频方式：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。12方式组成变频方式： 变频电机+减速机+驱动刀盘；离合器方式：电机+离合器（磁粉）+减速机
12、+驱动刀盘；液压方式： 液压马达+减速机+驱动刀盘。由上表可以看出采用变频电动机驱动，传动效率高、噪音小、发热量小和占用较少的设备空间，并且在环境恶劣（如TBM硬岩掘进机）、刀盘启动停止较为频繁和在较硬的岩土中掘进时刀盘承受较大冲击力等状况下，变频电动机驱动完全能满足要求。所以选用变频电动机驱动是较为合理的，且变频电动机驱动具有转速连续可调的功能，便于操作人员控制。变频器及变频电动机是公司与日本东芝公司专门为盾构机使用制造的，具有启动时电机频率很低（解决了启动时电流大的问题），起动力矩可达120%（最高可达150），并且能保持各驱动电机同步等特点。2.2.5、推进装置推进系统配备了大排量、高压
13、力的变量泵，采用一台45kW的电机驱动。推进油缸22只油缸，在工作压力32.3MPa时，可产生总推力3850t（开挖面125.5t/m2）的推力，无负载时22只油缸全伸可达到6cm/min。22只油缸安装在中胴上，布置在盾构机壳体四周，被编为4个组，分上、下、左、右可分别进行独立控制的4个液压区，见图2.2.51。考虑K型管片可360度范围任意位置的拼装，22只油缸行程均为2150mm，推进油缸撑靴与管片之间距离900mm（1200mm管片），布置及行程充分考虑了管片的构造及拼装管片的方便。图2.2.51 推进油缸分区示意图推进千斤顶可按照需要单独分别选择。在上、左、右每个区域中各有一只油缸安
14、装测量油缸伸出长度的行程传感器， 且四个区域各有一只正比例控制的减压阀通过操作台上的触摸屏来调节每个区域中油缸的推进压力，形成基本导向装置系统。所配置的千斤顶长度传感器可靠，并能在操作室内的操作触摸屏上准确、直观地显示盾构机千斤顶伸缩的数值，见图2.2.52。图2.2.52推进油缸选择画面推进油缸撑靴与推进油缸活塞头部是用可任意方向转动的球铰联接，能够充分对应管片与盾构机的倾斜，保证撑靴平面与管片密贴。为了能使推进油缸的推力均匀地传递给管片，推进油缸撑靴面积要适当大些。撑靴表面有一聚安脂胶垫，千斤顶撑靴在与管片接触时能保证推力缓和均匀地作用在管片上，确保管片衬砌环面的完整。2.2.6、螺旋输送
15、机1）螺旋输送机螺旋输送机形状一般有轴式和带式。在本工程中，考虑到在砂层中施工，所以采用对止水性更为有利的有轴螺旋机，出土口在螺旋机尾部设置了二道闸门。螺旋输送机由5台液压马达驱动，2台功率为45kW的变量泵供油，易于变速，耐冲击。螺旋机的最大输出扭矩为38.9kNm，最大转速18rpm，理论出土能力为191m3/h。螺旋机的作用是出碴和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，并将碴土输送到输送机的尾部，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，在推进速度一定时，通过调节出土闸门的开启度和螺旋机转速的变化来实现对土仓内土压力的调节。螺旋机转速的控制有自动和手动操作二种。自动操
16、作时，刀盘土仓中测出的土压与预先设定的掘进速度及土压进行比较，自动地调整螺旋输送机转速（排土量），将密封土仓中的土压保持在一定的管理值内，以最合适的土压进行掘进管理。保证隧道开挖面的稳定性和安全性。手动操作时，用在操作台上的电位器控制螺旋输送机转速（排土量）。无论自动或手动控制时，当土仓中的土压力高于或低于预先设定的土压力时，在操作室中的操作触摸屏上都能报警显示。螺旋输送机的外壳采用分段设计，最前端焊接在盾构机前体下部，筒体外径为711.2mm，叶片的螺距为600mm，叶片直径650mm。螺旋机排土口有2道由液压缸控制的出土闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，在开启油缸上安装有行程传感器，
17、可根据掘进速度在操作盘上任意控制2道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。在涌水较多的场合，可以通过先将第1道闸门关闭，第2道闸门开启将碴土存放在出口处，然后将将第2道闸门关闭，第1道闸门开启，把碴土排放出，该种方法在广州过新造海时使用，取得较理想的效果。排土闸门的液压系统中设有蓄能应急装置，在突然断电，液压泵停止工作的情况下，可以启动蓄能装置，关闭排土闸门。在螺旋机前中后开有3个维修门，方便工作人员对螺旋机的维修和障碍物的排除。螺旋输送机的筒体上开有3个添加剂注入孔，必要时可以往里注水和添加剂，降低碴土的粘性，减
18、少出土阻力，提高出土效率。螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，取土端的外壳焊接有耐磨合金条，螺旋叶片边缘焊有硬质合金块，叶片受碴土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹，这些设计使得螺旋机具有较好的耐磨性能。见图2.2.61。图2.2.61 螺旋输送机耐磨材料布置示意图2.2.7、皮带输送机皮带输送机用于将螺旋机送来的碴土转运到后部拖车的尾部装在碴土列车上，为了防止皮带机在输送含水量大的弃土时，弃土向下滑，尽可能将皮带机角度设计小。由一台37kW电机驱动，皮带机运行速度170m/min，理论运输量为500m3h，满足碴土输送的要求。皮带机上设置有钢丝绳牵拉式紧急停止装置，起到保护维修人员安全的作
19、用。2.2.8、管片运输机构及管片拼装机管片运输通过单、双轨梁进行。单轨梁上的电动环链葫芦将管片从管片运输车上吊起可将管片放在储存区，在拼装时，通过双轨梁上的电动环链葫芦将管片从管片储存区吊起运输到管片拼装机下部，通过拼装机完成管片的拼装。 1）、管片运输机构从第一节台车后部到前部设置管片运输单轨梁，设置单轨梁行走小车，配置具有起吊5T重量的电动环链葫芦1只，其作用是将管片从管片运输车上卸下，并放置在隧道内第一节台车前行走速度为10 m/min，起升速度分为1.0m/min和4.0m/min；第一节台车前部和盾构机之间设置管片运输双轨梁，设置双轨梁行走小车，配置具有起吊2.8T重量的电动环链葫
20、芦2只，其作用是将管片从管片储存处运送到拼装机头下部，行走速度为10 m/min，起升速度分为0.75m/min和2m/min两个档位；单、双轨梁运输机构采用链轮链条行走，设有限位装置以防止行走小车脱落轨道。2）、 管片拼装机管片拼装机整体外形为一圆环状，旋转角度范围为200。除旋转外，其余动力和油箱等装置均安装在拼装机悬伸臂上，主要用于管片的拼装。管片拼装机具有6个自由度，包括前后移动、旋转运动、伸举运动和绕管片自身的三轴旋转运动。见图2.2.81，图2.2.82。 液压马达平移油缸提升油缸图2.2.81 拼装机1左右摆动油缸回转油缸支撑油缸前后摆动油缸图2.2.82 拼装机2 管片拼装机回
21、转由液压马达驱动，具有常闭制动功能，角度限位控制开关，防止产生人为的设备事故。（1）、拼装机的动力和油箱等装置安装在拼装机的结构件上（悬臂梁等）。（2）、拼装机回转有高速及低速二挡速度，可切换。（3）、管片拼装机具有有线和无线操作功能。可通过有线或无线操作盒进行操作，拼装管片作业时可以在安全的地方边观察边进行操作。（4）、管片拼装机旋转时伴有警笛声和警灯闪动。设计充分考虑了以安全第一的原则。2.2.9、铰接装置铰接油缸安装在前后壳体上、铰接处有防水密封，可使前后盾构最大左右弯曲1.5度、上下弯曲1.0度。1） 铰接装置的类型为推进油缸安装在后壳体上，单道密封,能耐1MPa压力。铰接装置是将盾构
22、本体前后2部分用12个294t液压油缸连接成一个整体；通过液压油缸的行程之间的差来弯曲盾构本体的一种装置。通过液压油缸的动作，能在上下、左右方向上调整盾构本体弯曲角度。2） 铰接装置上下、左右方向的弯曲角度全部通过12个铰接油缸进行，在上下铰接方向与其他厂家采用销轴形式不同也是采用铰接油缸进行，可以灵活的进行纠偏角度的操作，确保较大的角度。见2.2.91。左右弯曲左右弯曲 上下弯曲上下弯曲其他公司竖销方式小松公司全方向油圧方式图2.2.91铰接形式3）在前后壳体连接部位，采取防止土砂、水等浸入的密封措施。前体与中体通过铰接油缸相连，可使盾构在掘进中转过较大的角度，前体与中体的铰接部分设置有一道
23、密封，在密封处中体上涂有一层特殊涂料，铰接密封可耐1MPa水压，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。见图2.2.92 。图2.2.92 铰接装置4）铰接装置是为顺利进行曲线施工的一种辅助手段，在进行曲线施工时，一定要与推进油缸的单侧推进、锥形管片的使用、超挖的实施共同进行，以实现所定的曲率半径。5）铰接油缸行程可通过上下左右（No.3、7、10及12）4个油缸行程检测装置在操作盘上显示。6）铰接动作：（1）在曲率半径R150m时，铰接角度1.5o，油缸行程差为122mm，刀盘超挖37m。（2）在铰接动作中，如超出铰接范围时，联锁机构起动，这时只能进行将弯曲状态返回工作范围的操作。
24、操作盘上的显示灯：方向修正不可闪亮。（3）因铰接量和曲率半径的关系是计算值，所以，在施工时必须要边测量确认曲率半径及曲线长度边进行曲线施工。7）能达到的最小转弯半径为150m，见图2.2.93。图2.2.93 盾构机150m转弯半径状态2.2.10仿形刀装置：在刀盘中安装仿形刀，可以进行盾构机外周部位（大于盾构机外径）的仿型超挖。表2.2.10-1 仿形刀规格项目规格数量2只推力294kN/只 30tf/只最大超挖量125mm （高于壳体）超挖设定范围22.50节距超挖量用流量计设定节距1)、仿形刀实际使用只需一只即可，为安全起见，设置了二只，其中最大超挖为125mm。 2)、仿形刀的动作范围
25、与行程可在运行操作台上显示并可任意设定。图2.2.10-1仿形刀装置2.2.11、盾尾密封盾尾密封设在盾构机壳体最尾部，能防止土砂、水及同步注浆材的侵入。采用耐久性好的钢丝刷型盾尾密封，安装有3道。2.2.12、盾尾油脂注入系统盾尾油脂是为了提高盾尾密封的止水效果，这种油脂能止水、防止注浆材流入的作用，由于钢丝刷和油脂的柔软性，对管片安装产生的不平、曲线部变压等也有止水效果。另外，也有防止盾尾钢丝刷摩耗的作用。但是在水压或盾尾注浆压力（大于0.3Mpa）直接作用于钢丝刷时，尾封会反转，造成盾尾注浆材浸入盾尾密封处凝固，从而失去止水效果。见图2.2.121。图2.2.121盾尾油脂注入系统设置气
26、动油脂注入系统，在盾构机推进过程中根据需要向盾尾钢丝刷中注入油脂。在水压较高的情况下，盾构机在推进过程中需不间断地向盾尾钢丝刷中注入具有一定压力的油脂，防止盾尾钢丝刷反转。由于油脂的不断充填，可以获得充足的止水效果。盾尾油脂的注入，通过泵的间歇运转和注入阀的开关来实现。本装置由设在NO.3后续台车（右）上的注入泵，装在盾构主机内的电动球阀、压力表、配管、高压软管等构成。盾尾处的各个注脂分管路上安装电气控制的阀门，装有压力控制装置，并且能自动或手动控制。盾尾油脂可自动和手动操作，盾尾油脂注入量可根据地质条件进行设定。油脂注入可以在触摸屏上进行。见图2.2.122。图2.2.122盾尾油脂操作画面
27、2.2.13、同步注浆系统同步注浆通过注浆管路、注浆泵及控制系统来实现。盾构机掘进的同时，通过同步注浆系统将浆液同步注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中，以提高隧道的防水性，防止施工区域地表沉降。另一方面，由于充填及时，对刚拼好的几环管片的支撑和承托作用加强，减小了管片移动的可能性，从而减少管片在推力作用下开裂和错台的可能。公司为了满足国内各施工单位对壁后注浆的不同要求以及由于各工程地质条件的不同需要采取单液或双液注浆的情况，在设计盾构机壁后注浆系统时，采用了既能单液注浆也能双液注浆的设计，见图2.2.131同步注浆系统图及图2.2.12 盾尾同步注浆管路和盾尾密封刷布置示意图。图2.2.13
28、1同步注浆系统图1） 系统配置了1个4.1m3左右的浆液箱，内有搅拌叶可以对浆液进行搅拌及给A液活塞泵喂料， 1个0.6 m3左右的B液（水玻璃）箱和螺杆泵，可分别通过管路连接到盾壳上的4个注浆点。在盾壳上设置4点注浆点，每1点上有3根管路， 1根20mm的管路为B液浆管路，并且在紧靠出口处与1根45mm的A液(或单液浆)管路相连，第3根为清洗管路，清洗管路清洗水通过加泥系统挤压泵来提供。2） 单液注浆时，只需用双作用活塞泵将储存在搅拌装置中的单液浆通过管路泵送到盾壳上的同步注浆点既可。3） 双液注浆时，双作用活塞泵将储存在具有搅拌装置中的A液浆，螺杆泵将储存在B液箱中的B液浆同时通过各自的管
29、路向盾壳上的同一注浆点泵送，在盾壳靠近出口处混合然后进入管片壁后。4） 注浆完清洗时，通过清洗管路尾部的小油缸伸出将靠近出口处的活塞将注入口堵住，一：防止清洗水进入管片壁后稀释注浆材料；二：与A液浆管路及B液浆管路形成回路，可分别清洗。5） A液活塞泵、B液螺杆泵通过变频器进行控制，可分别改变A液，B液注浆量。整套系统由程序自动控制注入量和注浆压力，注浆时，砂浆的流量和压力受到严格的监控，以防过大的压力造成地面隆起。注浆量可根据盾构机推进速度均匀注入。6） 为了能够适应不同的注浆量和压力要求，注浆量和压力可以在控制操作触摸屏上进行人工调整，见图3.2.122。图2.2.132注浆压力及流量控制同步注浆4路A液注浆管道设置了4个注浆压力传感器、压力表及气动球阀。B液注土压平衡盾构机操作手册