长株潭城际铁路开滨区间盾构施工技术（四）,工程所用S657型土压平衡盾构机

检查。加固的连接环用来做唇封的接触面。

推进系统

主机的向前推进由推进系统来实现的，推进系统主要由推进液压缸、液压泵站及控制装置组成。推进液压缸采用单缸与双缸共用设计，每对液压缸都均匀分布于盾体周围。液压缸作用在前一环的混凝土管片上，借助铰接的撑靴将力均匀地分散在接触表面，以防止对混凝土管片的任何一点损坏。

推进液压缸分为4组，共33根液压缸。每组液压缸均能单独控制压力的调整，为使盾构机沿着正确的方向开挖，司机可以调整4组液压缸的压力。液压缸也可以单独控制。

人仓

双室双仓（3+2人）人仓位于刀盘的脊部区。人员通过压力壁中的门进入工作面仓，人员可以相互独立的通过这两个分离的单室人员仓和初入门。用来进入开挖室和隧道掌面以便在压缩空气下进行维修操作。满足作业人员在带压情况下快速地进行检查、更换刀具以及检查、维修刀盘内其它部件的要求，采用并列式双舱人闸。人闸由主人闸室和应急人闸室及构成，主人闸室可容纳3个人，应急人闸室可容纳2个人。主仓室用于一般的工作。实际上，主人闸室拥有自己单独使用的压缩空气供给和通风网络系统，使主仓能完全安全地独立使用。应急人仓室加压不能高于主人闸室。仓内备有防爆电话机、压力表、温度计、座椅、加热器、防爆照明灯和应急照明、减震装置、时钟、压力计和压力记录仪。

螺旋输送机

螺旋输送机装备功率315kW，由伸缩筒、出渣简、液压马达、螺旋轴、出渣闸门组成。螺旋输送机共有三道闸门组成，前闸门一道后闸门（也叫卸料闸）两道。在机器维修保养时，由滑动式出渣闸门将出渣筒关闭。滑动式闸门由液压液压缸操纵，还有紧急功能是，如果断电，闸门可以自动关闭。在通常情况下，螺旋输送机的前端达到土仓内。螺旋输送机也可以从土仓内缩回。螺旋输送机的伸缩是由2个伸缩液压缸和伸缩筒组成，最大伸缩行程1000mm。螺旋输送机的驱动单元则是由轴承，减速箱和液压马达组成。螺旋机出渣筒前段和筒内的螺旋轴前三个螺旋叶片段上都有Hardox耐磨保护块，出渣简直径为1000mm，上面有2×4个泡沫/膨润土注射口和2个土压传感器。

皮带输送机

皮带输送机将渣土从螺旋输送机出渣口返到渣车，它由皮带（宽度1000mm）、驱动装置和卸渣站组成，并备有皮带机张紧机构和跑偏调整机构。

管片安装机

管片安装机安装在盾尾后部，操作员通过移动操作盒操纵管片安装机进行安装衬砌管片。管片安装机由行走梁、框架、旋转架、真空吸取装置及真空泵、带机械抓举系统和驱动单元（包括减速箱和液压马达）组成。本机在管片案机上并预留超前钻安装位置及接口。

后配套系统

后配套系统由后配套拖车、连接桥及安装在其上的辅助设备组成，由盾构机牵引。拖车系统外还有包括管片吊机和管片输送车。

1号拖车上主要装有控制室（拖车上部）、同步注浆系统、主泵站、主油箱等。连接桥上主要装有泡沫装置和油脂系统。2号拖车上主要装有3号配电柜、变压器和双液注浆系统的中的加速济系统装置。3号拖车上主要装有2号配电柜、双液注浆系统的中的B液注浆系统和两台空压机。4号拖车上主要有一号配电柜和一个膨润土罐。5号拖车上主要有主变压器、高压开关柜、应急发电机和一个膨润土罐。6号拖车上主要有休息室、卫生间和工业水箱。7号拖车主要有电缆卷筒、水管卷筒、内外循环水交装置（上部）、污水水箱、和风筒的进气装置（上部）。

泡沫和膨润土系统

本系统用于泡沫的产生和控制，由泡沫罐（1m³）、泡沫发生器（8个）、液体控制装置、气体控制装置、测量仪器、控制PC机、注入泵等组成。在泡沫发生器中，气体和液体进行机械混合产生泡沫。根据掘进速度和支撑压力参数等，向刀盘、开挖仓、螺旋输送机注入泡沫。

膨润土是在现场拌合并送到储存罐中。通过注入泵，将膨润土泵送到开挖仓和螺旋输送机进口处。2个9m³带有气动搅拌的膨润土搅拌罐和3台挤压泵组成，压力膨润土罐连接与Samson空气调节，通过调节Samson系统改变其压力。

主要系统功能

盾构掘进系统

掘进系统包括土压平衡盾构掘进机和使其运转的动力设备、装载动力设备以及与掘进机同时前进的后方车架。在控制室控制刀盘的旋转使驱动装置带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。刀具在推进液压缸施加的推力作用下，使滚刀压入岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆，括刀将破碎的岩体括落。切销地层岩体通过螺旋机运出仓外。

刀盘和刀具

刀盘直径9340mm，可根据掘进需要进行正、反方向旋转。刀盘设计的开口率为34%，这种大的刀盘开口率更便于碴土的流动，尤其在粘性土地层中，可防止黏土堵塞开口。在刀盘上有8个泡沫注入口、膨润土注入口（两种共用），可通过注入口添加后改良仓内碴土的状态。刀盘背面靠近土仓侧安装5个搅拌臂、主驱动上2个搅拌臂，主要用于搅拌土仓底部的沉渣，使碴土更好的输送。

刀具主要分为正滚刀、边滚刀、刮刀、周边刮刀、仿形刀。

刮刀用来切割未固结的土壤。并把切削土刮入土仓中，刀具的形状和位置按便于切削地层和便于将土刮入土仓来设计，在同一个轨迹上有多把切刀同时开挖。刮刀的宽度使得每把刀的切割轨迹之间有一定的重叠。刮刀的切削宽度为140mm。所有的切削刀具配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性。

周边刮刀安装在刀盘的外圈用于清除边缘部分的开挖碴土防止渣土沉积、确保刀盘的开挖直径以及防止刀盘外缘的间接磨损。

仿形刀（1把）安装在刀盘的外缘上，它是通过一个液压液压缸来动作的。仿形刀采用可编程控制，同时也由司机进行控制，其控制是通过刀盘回转传感器来实现。司机可以控制仿形刀开挖的深度（即超挖的深度），以及超挖的位置是在机器左侧还是右侧。

主驱动

主轴承安装在盾体承压隔板支撑结构上，前部与刀盘用拉伸预紧螺栓连接，是盾构设备的关键部件之一，主轴承的内圈和外圈配备了密封、每排有3道唇形密封组成，唇形密封保护着主轴承。为了确保了在掘进期间主轴承密封的性能，采用一种自动地对主轴承内、外密封进行注脂的系统。不需要在定期的日常维护时对密封进行集中注脂。主轴承和驱动装置的润滑采用浸油式润滑。即使润滑系统停止了工作，这种设计也确保了设备安全地运行。

推进系统

主机的向前推进由推进系统来实现的，推进系统主要由推进液压缸、液压泵站及控制装置组成。推进液压缸采用单缸与双缸共用设计，每对液压缸都均匀分布于盾体周围。液压缸作用在前一环的混凝土管片上，借助铰接的撑靴将力均匀地分散在接触表面，以防止对混凝土管片的任何一点损坏。

推进液压缸分为四组，一共33根液压缸。每组液压缸均能单独控制压力的调整，为使盾构机沿着正确的方向开挖，司机可以调整4组液压缸的压力。液压缸也可以单独控制。

管片安装系统

管片安装系统是盾构设备中重要的系统之一，主要作用是进行管片的吊卸、存储、安装。管片安装系统主要包括安装在盾壳内的真空吸盘式管片安装机、方便管片连接螺栓安装的工作平台、真空吸盘式管片吊机、管片存储输送小车等。管片安装时间是日进度的关键决定因素之一。

盾构掘进过程中，管片由电瓶车运到隧道，盾构机后配套拖车内。再由真空吸盘式管片吊机从电瓶车管片车上一片一片将管片吊运至管片运输机上，运输机每次最多能存放一环管片。管片安装时，管片运输机向前输送管片，管片安装机每安装一片，运输机将管片向前运送1.8m。

安装机其主要设备为举重臂，以液压为动力。举重臂安装在支承环后部，可以作旋转、径向运动，并且能沿隧道中线作往复运动。完成这些运动的精度应能保证待装配的衬砌管片的螺栓孔与已拼装好的管片螺栓孔对好。

同步注浆系统

管片拼装后开挖土体和管片之间的间隙在盾构掘进过程中需要持续不断地注入砂浆或其他液体。管片背后注浆的主要功能是：避免地面下沉，在盾尾处的最小注浆压力为盾构前方的水土压力；维持管片脱离盾尾后的形状，维持管片之间的密封压力；砂浆通过安装在盾尾的六根注浆管路注入到间隙中。为适应不同注入量，整个设备根据压力控制注入量。最小和最大注浆压力可以预先选择，以保证盾尾密封不会损坏，或避免在管片上有过度的压力及减小对围岩的扰动。

同步注浆系统通常包含注浆泵、储浆罐、注浆管、阀和控制系统等，由注浆泵采用三台KSP12型压双缸活塞注浆泵，每个泵两个出口，总共六个出口与盾尾注浆孔直接相连。将储浆罐内沙浆通过注浆管输送到管片背部。本台盾构注浆管路完全内置于盾尾壳内，在每条管线靠近盾尾注入点处都安装有一个压力传感器。在砂浆注完后，这些管路可以被关住，以防止长时间停机期间外面水的流入。同步注浆控制系统通过测量压力来控制，每条注浆管路既可以调节压力又可以调节流量。操作手可以选择两种工作模式：手动和自动。在每次注浆完成后，为了防止管路堵塞，可将注浆管路填满膨润土浆液。在每次长时间停机前，管路通常采用一个特殊的装置清洗，如采用一个橡胶球并压力水打入，这样就可以清洗整个管路。

导向系统

随时掌握与分析盾构在掘进过程的各种参数，是指导盾构正常掘进不可缺少的条件。VMT导向系统由经纬仪、ELS靶、后视棱镜、计算机等组成，能连续不断地提供关于盾构姿态的最新信息。通过适当的转向控制，可将盾构控制在设计隧道线路允许公差范围内。导向系统的主要基准点是由一个从激光经纬仪发射出的激光束，经纬仪安装在盾构后方的隧道管片上。采用全自动导向系统，使盾构掘进方向能有效控制并能及时调整，盾构配置的导向系统能保证隧洞线形及最后贯通误差要求。采用的自动测量导向系统具有足够的精度，能及时显示盾构的方位和姿态。该系统能够对盾构在掘进中的各种姿态、以及盾构掘进的方向和位置关系进行精确的测量和显示。

数据采集系统

数据采集系统“采集、处理、储存、显示、评估出现的与盾构有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、周报等数据；有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线。所有采集数据均能保存下来，供日后分析、判断和参考。并在主控室内显示屏能显示推进力、推进液压缸行程、推进速度、液压系统压力、刀盘转速、刀盘扭矩、土仓内压力、盾尾和主轴承油脂压力、注浆系统压力、各系统的温度、电器系统电压和电流、盾构姿态和位置等相关参数。也能显示电动机温度、减速机温度、液压油位和油温、润滑油箱油面高度、环境温度等。

工作原理

S657的工作原理与其他土压平衡盾构一样，如图2盾构机工作原理图。是由刀盘旋转松动隧道面的泥土，通过刀盘的开口将泥土压入挖掘仓，与仓内的所塑性泥团混合在一起，推进液压缸的推力通过隔板转给泥团，从而防止泥土从隧道面无控地侵入挖掘仓。一旦挖掘仓内的泥团不再受到土压和水压的压力时，就会达到一个平衡状态。这时隧道面上的土压大致与静止的土压一致。如果泥团的支撑压力进一步增加，打破了这个平衡状态，挖掘仓内的泥团以及现挖的泥土就会进一步受到压力，这样就会导致盾构前面地面隆起。如果减小土压，现挖的泥土就会侵入挖掘仓，从而导致地表沉降。

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