土压平衡盾构机械结构及功能介绍.ppt

土压平衡盾构机机械结构及功能介绍 中铁工程装备集团有限公司 目 录 一、土压平衡盾构机介绍 土压平衡就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。如图１-1所示，在盾构开挖时土仓内的压力P2和掌子面上的压力P1相平衡，其中P2包括土仓内碴土的压力和注入材料的压力，这种掘进模式即为土压平衡模式，P1等于土柱压力和水柱压力的总和。 图１-1 土压平衡原理示意图 刀 盘 概 述 1、重要性 刀盘是盾构机的关键部件之一，刀盘及刀具的选择是否合适直接影响盾构掘进机的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。 2、个性化 盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进行个性化设计。 3、多样化 随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵，为了节省空间，越来越多的异形盾构出现，刀盘也随之变得各式各样。 刀盘主要结构 1、主驱动连接法兰（连接主驱动） 2、扭腿（传递扭矩及轴向力） 3、外圈梁（加强结构强度） 4、刀梁（安装刀具） 5、搅拌棒（渣土改良） 6、渣土改良注入口（渣土改良、回转接头） 中心回转接头 刀盘泡沫注入口结构 刀盘的主要分类 按结构形式分，一般分为两类：辐条式刀盘和面板式刀盘。 按功能分，一般分为两类：软土刀盘和复合式刀盘。 开口率的定义 开口率是指开口面积占整个刀盘面积的百分比。一般在20%～65%不等，开口率对土压平衡盾构有着重要意义，开口是否合适直接影响到压力控制。 辐条式刀盘 面板式刀盘 软土刀盘 在软弱土地层一般只需配置切削型刀具，如切刀、边刮刀、中心刀等。以中铁6号盾构为例，装有1 把鱼尾形中心刀，100把切刀，16 把周边刮刀、66把先行刀及1把超挖刀。 复合式刀盘 隧道施工总是在一定的施工环境(基础地质、工程地质、水文地质等)中进行,按其变化程度可分为均一地层和复合地层。均一地层可分为两种:单纯的软土地层和单纯的硬岩地层。上海、天津、北京地铁隧道的施工当中遇到的可归为均一地层,但严格的均一地层现实中是不存在的。复合地层的组合方式是非常复杂多样的,但总的来说可分为三大类:一类是在掘进断面上不同地层的组合;一类是在掘进轴线方向上地层的不同组合;另一类是上述两者兼而有之。在广州、南京、深圳的地铁修建中都遇到了大量的复合地层的困扰,严重影响了施工效率,增加了施工成本。为了应对不同的地层条件,发明了复合盾构技术。复合盾构技术是根据掘进面不同的地层条件,盾构机采用不同的掘进模式,例如土压平衡模式、气压平衡模式及非土压平衡模式等。在复合式地层,也要求刀盘采用混合式设计,即在同一个刀盘上同时布置2种或2种以上的类型的刀具,切刀和滚刀并存。 复合式刀盘 刀具的分类及工作原理 目前使用的刀具一般有两类：一是切削类刀具，二是滚动类刀具。 1、切削类刀具 刮削刀具是指只随刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。 撕裂刀 先行刀 先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置，因此也称为超前刀。先行刀在设计中主要考虑与切刀组合协同工作。先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比切刀窄，一般设计为切刀的一半，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。 先行刀 鱼尾刀 在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构整体掘进效果。 滚动刀具 滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时作自转运动的破岩刀具。 根据刀刃的形状滚刀可分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀）。见图 根据安装位置滚刀可分为：正滚刀、中心滚刀、