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盾构机各系统原理浅析

本文针对分析海瑞克EPB土压平衡盾构机的各个系统及其工

作原理，及整个盾构施工介绍。

海瑞克盾构机由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，

配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、

膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对

盾构机的掘进进行实时监控。本文将就盾构机的工作原理、盾构

机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐

述。

1盾构机的工作原理

1．1盾构机的掘进

液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾

构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切

削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣

土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱

中，再通过竖井运至地面。

1．2掘进中控制排土量与排土速度

当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖

面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压

与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持

稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持

从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人

泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。

1．3管片拼装

盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装

单层衬砌管片，使隧道—次成型。盾构机的组成及各组成部分在

施工中的作用盾构机的最大直径为6．28m，总长65m，其中盾

体长8．5m，后配套设备长56．5m，总重量约406t，总配置功

率1577kW，最大掘进扭矩5300kN·m，最大推进力为36400

kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，

他们分别是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、

后配套装置、电气系统和辅助设备。

2.1盾体

盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状

简体，其外径是6．25m。

前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使

泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔

板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板

上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中

不同高度的土压力。

前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾

内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑

靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸

出可以提供给盾构机向前的掘进力，这30个千斤顶按上下左右

被分成A、B、C、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控

制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、

低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计

轴线。

中盾的后边是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中

盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。

2．2刀盘

刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前

部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28％，刀盘直径6．28

m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰

板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软

硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有一把超挖

刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的

径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的

转向。超挖刀油缸杆的行程为50mm。刀盘上安装的所有类型的

刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。

法兰板的后部安装有一个回转接头，其作用是向刀盘的面板

上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。

2．3刀盘驱动

刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它

可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现0-6．1rpm的无

级变速。刀盘驱动主要由8组传动副和主齿轮箱组成，每组传动

副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成，其

中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀盘。

安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主

齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式