（接上篇）

1.4、盾构掘进机的功能描述

1.4.1、推进特点

1）土压平衡盾构的推进

盾构掘进机具有土压平衡功能，在通过地层断裂带及工作面不稳定时，可以建立土压平衡，确保工程安全和工程质量；

土压平衡盾构适应在残积层、全风化层、强风化层等软弱围岩中进行掘进，根据碴土的塑性和流动性，在刀盘前和土仓内注入膨润土、高浓度泥浆、发泡剂等，与刀盘切削下来的岩土在土仓内进行搅拌，使其变为塑性的土体，通过控制掘进速度和调节螺旋机的转速两个方面来控制出土量，以调整切削腔室的土压的稳定，达到保持开挖面的稳定和控制地面沉降的目的，土仓内的土压力需在施工中根据地面的沉降量不断修正，土压力过小会引起地表沉降，土压力过大会引起地表隆起。

2）非土压平衡盾构的推进

当工作面岩土稳定时，也可以加大排土量，排空泥土仓的土碴，在泥土仓的压力处于不平衡状态下进行正常掘进。

非土压平衡盾构适应于在中风化层、微风化层等硬岩中进行掘进，因岩石的稳定性好，尤其是微风化层天然单轴极限抗压强度最高达44.6~45.8 MPa，盾构可以在非土压平衡状态下进行隧道施工，不需要靠泥土仓的压力来稳定开挖面，可将土仓内的碴土排空，用管片衬砌背后及时注浆的方法来控制地面沉降。盾构主要依靠盘形滚刀来破碎岩石，滚刀在盾构掘进机的推进作用下压入岩体，碾碎岩石。滚刀在刀盘上按螺旋线排列，使得在整个工作面上的岩石均被破碎。

在掘进的同时，注入泥浆及添加剂，一方面泥水可降低切割岩石的摩擦力，减小刀盘扭矩，同时也起到辅助破岩的作用。

当切削刀盘旋转开挖，盾构掘进机有一个自然趋势滚向相反的方向，为确保盾构掘进机的稳定，在盾构掘进机的前部设有一对撑靴，当在开挖较硬的地层而出现滚动时，将撑靴伸出，撑在隧道周边上，它能抵抗这种滚动趋势。

3）盾构掘进机在软、硬不均断面地层中的推进

盾构掘进机在穿越残积层、全风化层与微风化层的混合断面时，盾构掘进机姿态可能会向软弱地层的方向偏移。可以采取将偏移方向的推进油缸的工作油压提高，同时降低相反方向推进油缸的工作油压，使盾构的掘进机推进力形成纠偏力矩，依此来调整盾构掘进机的姿态。

4)盾构掘进机穿越断层带的推进

比如，在广州火车站至三元里站区间，走马岗断裂带在隧道底部通过；在越秀公园附近有一广从断裂带，这些断裂破碎带富水性较好，施工时可能出现涌水现象，在该段地层中，采用土压平衡工况掘进是非常可靠的。

5）盾构掘进机穿越火车站的推进

比如，盾构掘进机在穿越广州火车站时，为保障铁路不减速的运行安全，主要应满足轨道的沉降要求。可以采取以下措施：

a）在铁路两侧设沉降观测点，进行跟踪测量，及时通知开挖面优化盾构掘进参数，切实保证开挖面的土压平衡，使土仓压力波动控制在最小的幅度，尽可能减少盾构掘进机对周围土体的扰动。

b）采用及时和二次注浆，及时对管片衬砌盾尾间隙进行充填注浆， 10m后再进行补压浆。

c）在穿越铁路时，进行管片外2～3m的径向压力劈裂注浆；控制地层沉降引起的轨道下沉，保证列车安全运行。

1.5.主要机构的功能描述

此次投标选用的是盾构掘进机，主要由盾壳、刀盘、推进系统、螺旋输送机、盾尾密封、铰接装置、管片拼装机、撑靴、后配套设备等机构组成。

1）盾壳

盾壳是一个用厚钢板焊接的圆柱形筒体，是盾构受力支撑的主体结构。其作用：

（1）承受地下水、土压力，盾构千斤顶的推力及各种施工荷载；（2）支承和安装各类机电设备及管片；

（3）保护操作人员的安全。

盾壳沿长度方向分切口环、支承环、盾尾三部分。盾尾后端安装有盾尾密封。

2）刀盘

刀盘用来开挖土体，同时具有搅拌泥土的功能。刀盘是幅条式结构，几十把盘形滚刀以螺旋线布置在幅条上，能够全断面的破碎围岩。滚刀设计成背装式，实现在泥土仓内对损坏的滚刀进行更换，消除了在盾构掘进机刀盘前端维修保养刀具的危险。切割刀对称安装在幅条的两侧，刀盘用螺栓、螺母固定，可以更换。

装在泥土仓内的压力传感器，可以使操作人员随时察看舱内的土压力，以便及时并准确地调整开挖参数。

比如，广州地铁二号线越秀公园站～三元里站盾构法施工地段既有软土，又有硬岩，还有软土和硬岩的混合断面的地质特点，我们采用盘形滚刀和割刀组合布置的刀盘。这种方式的刀盘具有较强的地质适应能力，割刀用以开挖砂土层、粘土和强风化岩层等软弱围岩，盘形滚刀则用来对较硬的中、微风化岩层进行全断面破碎开挖。

3）刀盘驱动系统

刀盘驱动系统用以驱动刀盘旋转，对土体进行挤压和切削。主要由大轴承、大齿圈、密封圈、减速器及马达等组成。

刀盘用高强度螺栓与大齿圈连接，大齿圈即为大轴承的回转环，马达带动减速器输出轴上的小齿轮，小齿轮与大齿圈啮合，从而驱动刀盘旋转。大轴承既承受刀盘的自重，又承受盾构掘进机的推进力，是盾构掘进机的主要组成部件。为了获得最大的主轴承寿命，设置有密封装置，密封由加压润滑油系统来润滑。

盾构掘进机在开挖软弱围岩时，采用高扭矩，低转速的工况；当盾构切削硬岩时，增大流量，采用低扭矩、高转速的工况。

4）铰接装置

比如，广州地铁二号线越秀公园站～三元里站盾构法施工地段的线形条件：最小平面曲线半径为350m，最小竖曲线半径2000m，为了使盾构掘进机适应曲线段的推进，能够灵活转向，把盾掘进机设计成铰接式，从而易于转弯，减小曲线超挖量；并能减少顶进时管片的偏压，提高隧道施工质量，也易于对掘进方向随时进行修正。

铰接装置使盾构掘进机分成前后两段，两段之间通过铰接千斤顶操作，可使盾构掘进机前后两段绕铰接中心沿圆弧面上下、左右回转，满足盾构掘进机顺利转弯和坡度的要求，使盾构掘进机转弯方便，减少曲线超挖量及对土体的扰动。

盾构掘进机铰接处设有机械限位，以保证盾构掘进机推进时前后节绝对不会脱开，并保证达到设计转角位移要求。铰接装置设内外两道密封，以防泥水进入。

5）人行闸门

在盾构掘进机密封隔板处设有一道人行闸门，闸门处有一气压仓。在土压平衡工况下施工需要进入泥土密封仓内排除障碍或调换切削刀具时，先将泥土仓内充以压缩空气，用以疏干并支护开挖面土体，然后人员再通过气压仓的加、减压过渡而出入泥土仓。

6）推进系统

盾构掘进机是通过沿支承环周边布置的盾构掘进机千斤顶支撑在已安装好的管片衬砌上所产生的反作用力而前进的。为了不使千斤顶端部承受管片的集中荷载，造成偏心荷重，支座设计成铰接式，并设置支板均匀地将力传递到管片的环面上。

把盾构千斤顶分成掘进机若干扇区，每个扇区由一只电磁比例减压阀控制，用来调节各组扇区千斤顶的工作压力，从而纠正或控制盾构推进的方向，使符合设计轴线的要求。

7）撑靴

撑靴的主要作用是防止盾构掘进机的滚动。当切削刀盘旋转对硬岩切削开挖时，机器有一个滚向相反的方向自然趋势，尤其是在硬岩地层中，盾壳构的外壳与洞壁之间的摩擦力较小，这种滚动更加明显，在盾构掘进机前部设有一对撑靴，可能出现较大滚动时，将撑靴伸出，撑在隧道壁上，它能产生抵抗这种滚动的反力矩。撑靴主要是由支撑靴板、支撑油缸和支撑座组成。不需要时，可以收回撑靴。

8）泥浆及添加剂的注入机构

为了改善开挖下来的碴土的塑性化流动，注入设备必须将足够数量的泥浆及添加剂注到适当的位置。泥浆及添加剂的注入机构主要由搅拌土箱、压注泵组、输送管路、注入口组成。

穿越软土时，在泥土仓内加注泥浆或发泡剂等添加剂，可以改善碴土的和易性，确保螺旋输送机的出土顺畅，有效地调节土仓内的压力。

当盾构掘进机穿越较硬的岩层时，泥水可降低刀盘面板与岩土摩擦力，减小刀盘扭矩，同时起到冷却滚刀，延长刀头的寿命和辅助破岩的作用。

9）螺旋输送机

螺旋输送机的主要功能是：一是排土；二是通过调节转速控制出土量，保持密封仓内土压稳定；三是螺旋输送机为密闭式的输送装置，可防止水渗漏到盾构内。

螺旋输送机由螺旋叶片、外壳、排土闸门等部件组成。螺旋输送机变速可逆转。泥土入口端装在盾构泥土舱底部，穿过密封隔板固定，倾斜安装。螺旋输送机出碴口安装滑动式闸门，用以防水。

螺旋输送机为可伸缩式，当在土压平衡状态时，泥土具有可塑性，螺旋输送机的叶片和集料斗缩回，泥土可顺利排出；在非土压平衡状态时为便于集料，螺旋输送机叶片和集料斗向前伸出。

由于螺旋输送机能排出岩碴的最大粒径是有限的，为防止螺旋输送机被卡死，采用二次破碎的方式，对进入泥土舱内大的石块进行破碎，以适应裂隙发育的硬岩地层。

10）密封盾尾

密封盾尾，用以防止地层中的泥土、泥水、地下水和衬砌外围注浆材料从盾尾的间隙中漏入盾构。由三道钢丝刷和一道弹簧钢板组成。在每两道密封之间注入密封材料、油脂等，作为防高压水措施，以提高密封效果，并可减少钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的磨擦，延长密封件的寿命。

11）背衬充填与注浆系统

采用盾构法施工的隧道，是沿着盾构掘进机的外壳进行开挖的，而作为衬砌的管片则是在盾尾组装起来的，所以当盾构掘进机推进时，围岩与管片间由于盾尾的抽脱及超挖等原因就形成了空隙，这一空隙如不加处理地搁置，不可避免的上面的围岩要向下沉降，其结果是发生波及地表的地面沉陷，严重的会危及地表建筑物的安全，因此，及时地进行背衬充填与注浆可以起到压实松动的围岩,以防地表沉陷，提高隧道防水性，防止管片漏水，将管片与围岩一体化，确保管片衬砌的稳定。

12）管片拼装机构

拼装机的功能是安全且迅速地把管片组装成所定形式，它具有伸缩臂、夹具前后移动以及臂回转的功能。

拼装机回转由马达驱动；管片的轴向平移和封顶块的轴向移动，由平移千斤顶操作夹持器来完成；管片的提升由液压油泵操纵。这些液压缸和马达由一个独立的液压泵站供油，简化了管线布置，避免了管线的机械运动。

由于管片的自重造成管片安装位置不准确，严重影响下一环管片的安装和管片环的受力状态，为此，在组装管片时，可用真圆度保持器对管片进行位置矫正，保持管片的真圆度。真圆度保持器具有前后移动和径向顶压的功能。

（接下篇）