長株潭城際鐵路開濱區間盾構施工技術（四） 工程所用S657型土壓平衡盾構機

S657型土壓平衡盾構機由德國海瑞克（Herreenknecht AG）公司制造，其開挖直徑為裝滾刀時9330mm（用仿形刀時9430mm），主要用于黏土、壤土或者淤泥的施工，其掘進模式根據泥土強度的不同可分為土壓平衡式、半土壓平衡式、敞開式3種。它主要由盾構主機、后配套系統及后配套輔助設備組成。主機由盾殼、刀盤、刀盤驅動、螺旋輸送機、皮帶輸送機、管片安裝機、人倉以及液壓系統等組成。主要尺寸和質量見表1，適用工程條件見表2。

主要結構

S657土壓平衡盾構機主要部件見圖1。

盾殼

盾殼主要由前盾（又名切口環）、中盾（又名支撐環）、盾尾組成，前盾與中盾采用直接被動鉸接連接，盾尾是通過被動鉸接液壓缸與中盾相連。前盾和中盾支撐隧道掌子面并承擔刀盤接觸壓力。22組（11組單11組雙）推進液壓缸（其中6套內置有行程測量裝置）的活塞端支撐在壓力壁上，活塞桿端可機械調節，推進液壓缸的頂推作用在管片上。艙壁有8個用于注射增塑劑如泡沫和/或膨潤土的注射口，盾體上有16根傾斜和8根水平的超前鉆機管線，包括導管、法蘭盤和球閥。盾尾采用四排鋼絲刷密封，盾尾油脂泵向鋼絲刷連續供應油脂。并備有6+6備用DN50mm雙液注漿通道（6條備用的通道）。

刀盤驅動

刀盤驅動為電驅動式，11臺250kW的變頻電機提供動力。刀盤轉速可以在0～2.75r/min之間變化。刀盤驅動主要由主軸承、密封支撐、環形法蘭、密封接觸環、內外密封系統、帶軸承的小齒輪以及主電機的齒輪箱等組成。

主軸承是一個三維滾柱軸承，內嚙合大齒圈是主軸承的一部分。帶有不間斷齒輪油添加和水冷卻的11個液壓馬達驅動三級變速器。驅動大齒圈的小齒輪裝在滾子軸承上，可以消除重壓下嚙合幾何結構偏移。小齒輪與變速器相連，變速器與液壓馬達相連。

小齒輪或軸承腔由內外密封系統和工作腔隔開。一個三道密封系統均有不間斷的油脂潤滑。這個三道密封都是耐用的網狀加強型唇密封。油脂均勻的供給第一道和第二道，第三道密封由相鄰的小齒輪箱里的油進行潤滑。第二道和第三道唇封間有一個向后的開口以進行漏油檢查。加固的連接環用來做唇封的接觸面。

推進系統

主機的向前推進由推進系統來實現的，推進系統主要由推進液壓缸、液壓泵站及控制裝置組成。推進液壓缸采用單缸與雙缸共用設計，每對液壓缸都均勻分布于盾體周圍。液壓缸作用在前一環的混凝土管片上，借助鉸接的撐靴將力均勻地分散在接觸表面，以防止對混凝土管片的任何一點損壞。

推進液壓缸分為4組，共33根液壓缸。每組液壓缸均能單獨控制壓力的調整，為使盾構機沿著正確的方向開挖，司機可以調整4組液壓缸的壓力。液壓缸也可以單獨控制。

人倉

雙室雙倉（3+2人）人倉位于刀盤的脊部區。人員通過壓力壁中的門進入工作面倉，人員可以相互獨立的通過這兩個分離的單室人員倉和初入門。用來進入開挖室和隧道掌面以便在壓縮空氣下進行維修操作。滿足作業人員在帶壓情況下快速地進行檢查、更換刀具以及檢查、維修刀盤內其它部件的要求，采用并列式雙艙人閘。人閘由主人閘室和應急人閘室及構成，主人閘室可容納3個人，應急人閘室可容納2個人。主倉室用于一般的工作。實際上，主人閘室擁有自己單獨使用的壓縮空氣供給和通風網絡系統，使主倉能完全安全地獨立使用。應急人倉室加壓不能高于主人閘室。倉內備有防爆電話機、壓力表、溫度計、座椅、加熱器、防爆照明燈和應急照明、減震裝置、時鐘、壓力計和壓力記錄儀。

螺旋輸送機

螺旋輸送機裝備功率315kW，由伸縮筒、出渣簡、液壓馬達、螺旋軸、出渣閘門組成。螺旋輸送機共有三道閘門組成，前閘門一道后閘門（也叫卸料閘）兩道。在機器維修保養時，由滑動式出渣閘門將出渣筒關閉。滑動式閘門由液壓液壓缸操縱，還有緊急功能是，如果斷電，閘門可以自動關閉。在通常情況下，螺旋輸送機的前端達到土倉內。螺旋輸送機也可以從土倉內縮回。螺旋輸送機的伸縮是由2個伸縮液壓缸和伸縮筒組成，最大伸縮行程1000mm。螺旋輸送機的驅動單元則是由軸承，減速箱和液壓馬達組成。螺旋機出渣筒前段和筒內的螺旋軸前三個螺旋葉片段上都有Hardox耐磨保護塊，出渣簡直徑為1000mm，上面有2×4個泡沫/膨潤土注射口和2個土壓傳感器。

皮帶輸送機

皮帶輸送機將渣土從螺旋輸送機出渣口返到渣車，它由皮帶（寬度1000mm）、驅動裝置和卸渣站組成，并備有皮帶機張緊機構和跑偏調整機構。

管片安裝機

管片安裝機安裝在盾尾后部，操作員通過移動操作盒操縱管片安裝機進行安裝襯砌管片。管片安裝機由行走梁、框架、旋轉架、真空吸取裝置及真空泵、帶機械抓舉系統和驅動單元（包括減速箱和液壓馬達）組成。本機在管片案機上并預留超前鉆安裝位置及接口。

后配套系統

后配套系統由后配套拖車、連接橋及安裝在其上的輔助設備組成，由盾構機牽引。拖車系統外還有包括管片吊機和管片輸送車。

1號拖車上主要裝有控制室（拖車上部）、同步注漿系統、主泵站、主油箱等。連接橋上主要裝有泡沫裝置和油脂系統。2號拖車上主要裝有3號配電柜、變壓器和雙液注漿系統的中的加速濟系統裝置。3號拖車上主要裝有2號配電柜、雙液注漿系統的中的B液注漿系統和兩臺空壓機。4號拖車上主要有一號配電柜和一個膨潤土罐。5號拖車上主要有主變壓器、高壓開關柜、應急發電機和一個膨潤土罐。6號拖車上主要有休息室、衛生間和工業水箱。7號拖車主要有電纜卷筒、水管卷筒、內外循環水交裝置（上部）、污水水箱、和風筒的進氣裝置（上部）。

泡沫和膨潤土系統

本系統用于泡沫的產生和控制，由泡沫罐（1m³）、泡沫發生器（8個）、液體控制裝置、氣體控制裝置、測量儀器、控制PC機、注入泵等組成。在泡沫發生器中，氣體和液體進行機械混合產生泡沫。根據掘進速度和支撐壓力參數等，向刀盤、開挖倉、螺旋輸送機注入泡沫。

膨潤土是在現場拌合并送到儲存罐中。通過注入泵，將膨潤土泵送到開挖倉和螺旋輸送機進口處。2個9m³帶有氣動攪拌的膨潤土攪拌罐和3臺擠壓泵組成，壓力膨潤土罐連接與Samson空氣調節，通過調節Samson系統改變其壓力。

主要系統功能

盾構掘進系統

掘進系統包括土壓平衡盾構掘進機和使其運轉的動力設備、裝載動力設備以及與掘進機同時前進的后方車架。在控制室控制刀盤的旋轉使驅動裝置帶動滾刀繞刀盤中心軸公轉，同時各滾刀還繞各自的刀軸自轉，使滾刀在巖面上連續滾壓。刀具在推進液壓缸施加的推力作用下，使滾刀壓入巖體。通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發生破碎，在巖面上切出一系列的同心圓，括刀將破碎的巖體括落。切銷地層巖體通過螺旋機運出倉外。

刀盤和刀具

刀盤直徑9340mm，可根據掘進需要進行正、反方向旋轉。刀盤設計的開口率為34%，這種大的刀盤開口率更便于碴土的流動，尤其在粘性土地層中，可防止黏土堵塞開口。在刀盤上有8個泡沫注入口、膨潤土注入口（兩種共用），可通過注入口添加后改良倉內碴土的狀態。刀盤背面靠近土倉側安裝5個攪拌臂、主驅動上2個攪拌臂，主要用于攪拌土倉底部的沉渣，使碴土更好的輸送。

刀具主要分為正滾刀、邊滾刀、刮刀、周邊刮刀、仿形刀。

刮刀用來切割未固結的土壤。并把切削土刮入土倉中，刀具的形狀和位置按便于切削地層和便于將土刮入土倉來設計，在同一個軌跡上有多把切刀同時開挖。刮刀的寬度使得每把刀的切割軌跡之間有一定的重疊。刮刀的切削寬度為140mm。所有的切削刀具配有雙層碳鎢合金刀齒以提高刀具的耐磨性。

周邊刮刀安裝在刀盤的外圈用于清除邊緣部分的開挖碴土防止渣土沉積、確保刀盤的開挖直徑以及防止刀盤外緣的間接磨損。

仿形刀（1把）安裝在刀盤的外緣上，它是通過一個液壓液壓缸來動作的。仿形刀采用可編程控制，同時也由司機進行控制，其控制是通過刀盤回轉傳感器來實現。司機可以控制仿形刀開挖的深度（即超挖的深度），以及超挖的位置是在機器左側還是右側。

主驅動

主軸承安裝在盾體承壓隔板支撐結構上，前部與刀盤用拉伸預緊螺栓連接，是盾構設備的關鍵部件之一，主軸承的內圈和外圈配備了密封、每排有3道唇形密封組成，唇形密封保護著主軸承。為了確保了在掘進期間主軸承密封的性能，采用一種自動地對主軸承內、外密封進行注脂的系統。不需要在定期的日常維護時對密封進行集中注脂。主軸承和驅動裝置的潤滑采用浸油式潤滑。即使潤滑系統停止了工作，這種設計也確保了設備安全地運行。

推進系統

主機的向前推進由推進系統來實現的，推進系統主要由推進液壓缸、液壓泵站及控制裝置組成。推進液壓缸采用單缸與雙缸共用設計，每對液壓缸都均勻分布于盾體周圍。液壓缸作用在前一環的混凝土管片上，借助鉸接的撐靴將力均勻地分散在接觸表面，以防止對混凝土管片的任何一點損壞。

推進液壓缸分為四組，一共33根液壓缸。每組液壓缸均能單獨控制壓力的調整，為使盾構機沿著正確的方向開挖，司機可以調整4組液壓缸的壓力。液壓缸也可以單獨控制。

管片安裝系統

管片安裝系統是盾構設備中重要的系統之一，主要作用是進行管片的吊卸、存儲、安裝。管片安裝系統主要包括安裝在盾殼內的真空吸盤式管片安裝機、方便管片連接螺栓安裝的工作平臺、真空吸盤式管片吊機、管片存儲輸送小車等。管片安裝時間是日進度的關鍵決定因素之一。

盾構掘進過程中，管片由電瓶車運到隧道，盾構機后配套拖車內。再由真空吸盤式管片吊機從電瓶車管片車上一片一片將管片吊運至管片運輸機上，運輸機每次最多能存放一環管片。管片安裝時，管片運輸機向前輸送管片，管片安裝機每安裝一片，運輸機將管片向前運送1.8m。

安裝機其主要設備為舉重臂，以液壓為動力。舉重臂安裝在支承環后部，可以作旋轉、徑向運動，并且能沿隧道中線作往復運動。完成這些運動的精度應能保證待裝配的襯砌管片的螺栓孔與已拼裝好的管片螺栓孔對好。

同步注漿系統

管片拼裝后開挖土體和管片之間的間隙在盾構掘進過程中需要持續不斷地注入砂漿或其他液體。管片背后注漿的主要功能是：避免地面下沉，在盾尾處的最小注漿壓力為盾構前方的水土壓力；維持管片脫離盾尾后的形狀，維持管片之間的密封壓力；砂漿通過安裝在盾尾的六根注漿管路注入到間隙中。為適應不同注入量，整個設備根據壓力控制注入量。最小和最大注漿壓力可以預先選擇，以保證盾尾密封不會損壞，或避免在管片上有過度的壓力及減小對圍巖的擾動。

同步注漿系統通常包含注漿泵、儲漿罐、注漿管、閥和控制系統等，由注漿泵采用三臺KSP12型壓雙缸活塞注漿泵，每個泵兩個出口，總共六個出口與盾尾注漿孔直接相連。將儲漿罐內沙漿通過注漿管輸送到管片背部。本臺盾構注漿管路完全內置于盾尾殼內，在每條管線靠近盾尾注入點處都安裝有一個壓力傳感器。在砂漿注完后，這些管路可以被關住，以防止長時間停機期間外面水的流入。同步注漿控制系統通過測量壓力來控制，每條注漿管路既可以調節壓力又可以調節流量。操作手可以選擇兩種工作模式：手動和自動。在每次注漿完成后，為了防止管路堵塞，可將注漿管路填滿膨潤土漿液。在每次長時間停機前，管路通常采用一個特殊的裝置清洗，如采用一個橡膠球并壓力水打入，這樣就可以清洗整個管路。

導向系統

隨時掌握與分析盾構在掘進過程的各種參數，是指導盾構正常掘進不可缺少的條件。VMT導向系統由經緯儀、ELS靶、后視棱鏡、計算機等組成，能連續不斷地提供關于盾構姿態的最新信息。通過適當的轉向控制，可將盾構控制在設計隧道線路允許公差范圍內。導向系統的主要基準點是由一個從激光經緯儀發射出的激光束，經緯儀安裝在盾構后方的隧道管片上。采用全自動導向系統，使盾構掘進方向能有效控制并能及時調整，盾構配置的導向系統能保證隧洞線形及最后貫通誤差要求。采用的自動測量導向系統具有足夠的精度，能及時顯示盾構的方位和姿態。該系統能夠對盾構在掘進中的各種姿態、以及盾構掘進的方向和位置關系進行精確的測量和顯示。

數據采集系統

數據采集系統“采集、處理、儲存、顯示、評估出現的與盾構有關的數據”。采用此系統，可輸出環報、日報、周報等數據；有各種參數的設定、測量、掘進、報警以及歷史曲線和動態曲線。所有采集數據均能保存下來，供日后分析、判斷和參考。并在主控室內顯示屏能顯示推進力、推進液壓缸行程、推進速度、液壓系統壓力、刀盤轉速、刀盤扭矩、土倉內壓力、盾尾和主軸承油脂壓力、注漿系統壓力、各系統的溫度、電器系統電壓和電流、盾構姿態和位置等相關參數。也能顯示電動機溫度、減速機溫度、液壓油位和油溫、潤滑油箱油面高度、環境溫度等。

工作原理

S657的工作原理與其他土壓平衡盾構一樣，如圖2盾構機工作原理圖。是由刀盤旋轉松動隧道面的泥土，通過刀盤的開口將泥土壓入挖掘倉，與倉內的所塑性泥團混合在一起，推進液壓缸的推力通過隔板轉給泥團，從而防止泥土從隧道面無控地侵入挖掘倉。一旦挖掘倉內的泥團不再受到土壓和水壓的壓力時，就會達到一個平衡狀態。這時隧道面上的土壓大致與靜止的土壓一致。如果泥團的支撐壓力進一步增加，打破了這個平衡狀態，挖掘倉內的泥團以及現挖的泥土就會進一步受到壓力，這樣就會導致盾構前面地面隆起。如果減小土壓，現挖的泥土就會侵入挖掘倉，從而導致地表沉降。