土压平衡盾构工作原理及结构

土仓压力=水压力+土压力
平衡
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土仓压力>水压力+土压力
地面隆起
EPB 盾构土压平衡原理
地表面隆起 地表面
地下水位
Pw 水压力
PE 土压力
Pw +PE < PTBM
PTBM 盾构土仓压力
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土仓压力<水压力+土压力
EPB 盾构地土 面压 下陷平衡原理
地表面 地表面下沉
地下水位
Pw 水压力
1—刀盘；2--土舱；3—承
压隔板；4—人舱；5—推进
千斤顶；6—盾尾密封；7—
管片；8—皮带机；9—拼装
机；10—主驱动；11—螺旋 7
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机
㈡土压平衡原理
盾构千斤顶的推力通过承压 隔板传递到土舱内的泥土浆上， 由泥土浆的压力作用于开挖面， 以抵消开挖面处的地下水压和 土压，形成平衡从而保持开挖 面的稳定。
土压平衡盾构工作原理及结构
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目录
一、土压平衡盾构简介 二、土压平衡盾构工作原理 三、土压平衡盾构结构 四、盾构开挖面平衡机理
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㈠发展概况
土压平衡盾构的发展基于挤压式盾构和泥水盾构，始于日本，20 世纪70年代初，第一台土压平衡盾构由日本设计制造，直径3.72m。 1985年国内第一次引进土压平衡盾构，直径4.33m，1987年国内 首台土压平衡盾构研制成功，直径4.35m。
1.刀盘；2.主轴承；3.推进油缸；4.人舱；5.螺旋机；6.管片安装机； 7.排土闸门；8.管片小车；9.管片吊机；10.皮带机
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㈠盾构主机
主机由刀盘、前体、中体、盾尾、螺旋输送机、管片安装机等几 大部分组成。
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⑴刀盘
主要作用： ☆切削和支撑
面板式
辐条式
辐条面板式
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刀盘支承方式
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㈡类型及模式
为适应各种不同类型地层及盾构工作方式的不同，盾构主要有以 下三种类型、四种模式：
三种类型： ☆软土盾构机； ☆硬岩盾构机； ☆混合型盾构机。
四种模式： ☆敞开式； ☆半敞开式； ☆土压平衡式； ☆气压式。
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㈠工作原理
刀盘旋转切削泥土通过刀盘开口被压进土舱，通过螺旋机转到皮带 机上，然后输送到碴车里。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进，盾 壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压 和水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的 掩护下进行。
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㈡后配套
后配套主要包括设备桥和拖车，每个拖车上都装有支持盾构前进 和施工的装置，拖车通过设备桥与管片拼装机的行走梁相接，跟随 盾构机前进。
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⑴控制系统
主要作用： ☆实现各系统间通讯及连锁 ☆实现各系统数据采集与处理 ☆实现各系统参数调整与控制
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⑵驱动系统
驱动类型：变频电机、一般电机、液压驱动。 主要作用：刀盘旋转转向调整转速调整。
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⑶主轴承润滑及密封系统
刀盘室 刀盘支座
盾构主体
主密封及油脂 小齿轮
轴承箱
电机 主轴承
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⑷推进系统
主要作用： ☆实现主机的向前推进 ☆实现掘进速度的调整 ☆实现盾构方向的调整
上 部
左部
右部
下部
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⑸碴土改良系统
主要作用： ☆改善碴土流塑性，有利于碴土顺畅排出 ☆降低碴土密实度并减小摩擦 ☆拓宽盾构的适应范围
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四、 盾构开挖面平衡机理
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4.1盾构施工中的技术难点－压力平衡
房屋开裂
防洪堤坍塌
地表下沉
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4.2 土压平衡盾构开挖面平衡机理
土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持： 土仓内的土压力平衡地层压力和水压力； 螺旋输送机调节排土量； 适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量。
土仓压力=地下水压+土压 8 a
㈢土仓压力控制因素
增大/减小推进速度
地下水压/土压
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增大/减少碴土排量
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㈣土仓压力对地表的影响
压力过小地表 沉降
压力过大地表 隆起
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土压平衡盾构组成
按结构分：主机和后配套。 按功能分：控制系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、管片运输及 拼装系统、注浆系统、注脂系统、碴土改良系统、供电系统等。
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⑼水循环、排污系统
主要作用: ☆实现供排水管路延伸 ☆实现各系统供水 ☆实现各系统冷却 ☆实现施工污水排放
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⑽空气系统
压缩空气： ☆实现盾构各气动元件的供气 ☆实现人仓内人呼吸用供气
二次通风： ☆实现通风管的延伸 ☆实现施隧道内的通风效果，如降温、排尘等
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⑾导向系统
主要作用： ☆实现盾构方向的监控（水平、竖直） ☆实现盾体滚动角监控
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⑹注浆系统
主要作用： ☆管片壁后空隙填充，控制地表沉降 ☆形成壁后屏障，形成防水层 ☆稳定管片与周围岩体一体化
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Hale Waihona Puke Baidu
⑺注脂系统
根据盾构使用、设计理念的不同而有所区别，总体来说盾构注脂 系统包括以下三种：
☆HBW注脂系统 ☆主轴承密封注脂系统 ☆盾尾密封注脂系统
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⑻供电系统
主要作用： ☆实现高压电缆延伸 ☆实现动力系统供电 ☆实现控制系统供电 ☆实现照明及应及照明供电
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⑹螺旋机
螺旋输送机由筒体、伸缩油缸、液压马达、螺旋轴、出碴闸门等 组成。主要有以下功能：
1）连续向外排碴，通过速度调整实现连续的动态土压平衡； 2）排碴过程中形成土塞效应，维持土压稳定。
液压马达 伸缩油缸
出碴闸门
螺旋轴 筒体
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⑺管片拼装机
管片安装机主要完成管片的安装，由油缸、行走梁、支承架、旋 转架及抓举头等组成。
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⑶中盾
中盾又称支撑环，是盾构承受推力作用的主要受力结构。中盾内 沿周边布置有推进千斤顶、铰接油缸、管片拼装机和部分液压设备 等。
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⑷盾尾
盾尾主要用于掩护隧道管片拼装工作及盾体尾部的密封，通过螺 栓或铰接油缸与中盾相连，并装有铰接密封、注浆管路及油脂管道等。
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⑸人舱
人舱是工作面与切削面之间的唯一通道，主要用于在需要检查、 更换刀具或维修刀盘及排除工作面异物等工作。分带压和常压两种工 作模式。
☆中心支承式 (a) ☆中间支承式 (b) ☆周边支承式 (c)
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切削刀具--软土
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切削刀具--硬岩
球齿滚刀
破岩刀具
楔齿滚刀
硬
岩
刀
具
切削刀具
分
类
盘形滚刀 切刀 齿刀
刮刀
辅助刀具
超挖刀
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⑵前盾
前盾又称切口环，是开挖土仓和挡土的主要部分，位于盾构机的 前端，结构为圆筒形，里面主要装有刀盘驱动、人员舱、各种传感 器及部件等。