盾构机械系统的优化设计与改进

盾构机工作原理

引言概述：

盾构机作为一种重要的地下工程施工设备，广泛应用于隧道、地铁等工程项目中。它的工作原理是通过推进机械和掘进机械的相互配合，将土壤或岩石挖掘出来，同时安装预制的隧道衬砌，实现地下通道的建设。本文将详细介绍盾构机的工作原理，包括推进机械、掘进机械、土壤处理、隧道衬砌等五个方面。

一、推进机械

1.1 推进机械的作用

推进机械是盾构机中的核心部件之一，主要负责推动盾构机前进。它通过液压系统提供动力，将盾构机推进到预定的位置。推进机械通常由推进液压缸、推进电机、推进链条等组成。

1.2 推进机械的工作原理

推进机械的工作原理是通过推进液压缸的伸缩运动，驱动推进链条的转动，从而推动盾构机前进。推进液压缸将液压能转化为机械能，推进链条通过传递动力，将推进力传递给盾构机的刀盘，实现前进。

1.3 推进机械的控制方式

推进机械的控制方式多种多样，常见的有手动控制和自动控制两种方式。手动控制需要操作人员根据现场情况进行操作，而自动控制则通过传感器和控制系统实现自动化控制，提高施工效率和安全性。

二、掘进机械

2.1 掘进机械的作用 掘进机械是盾构机中另一个重要的组成部分，主要负责挖掘土壤或岩石，并将其送至盾构机后部进行处理。掘进机械通常由刀盘、刀片、刀盘驱动机构等组成。

2.2 掘进机械的工作原理

掘进机械的工作原理是通过刀盘的旋转和刀片的切削作用，将土壤或岩石挖掘出来。刀盘驱动机构将电机的动力传递给刀盘，使其旋转，并通过刀片的切削作用将挖掘物料送至盾构机后部。

2.3 掘进机械的优化设计

为了提高掘进机械的工作效率和稳定性，需要进行优化设计。例如，采用合理的刀盘结构和刀片材料，提高切削效果；增加刀盘驱动机构的强度和稳定性，减少故障发生的可能性。

三、土壤处理

3.1 土壤处理的目的

在盾构机施工过程中，挖掘出的土壤需要进行处理，以满足环境保护和工程要求。土壤处理的目的是将挖掘出的土壤进行分级、筛选、固化等处理，减少对环境的污染。

基于有限元分析的盾构掘进机台车优化设计　

１引言　吴遁　，夏毅敏２，刘玉江　，刘文华　

（１．中铁十四局集团有限公司隧道分公司，山东济南２５０００２；　２．中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３）　

摘要：针对某盾构掘进机台车骨架的变形问题，利用ＡＮＳＹＳ１０．０分析台车钢结　构的力学特性，对盾构掘进机台车进行应力应变分析。用梁单元建立台车骨架的整　体有限元模型，模拟台车整体骨架加载工况，得到了结构的总体变形和应力分布，　并结合分析结果和实际经验提出了相应的结构优化方案，结果显示优化前后承重　钢架和台车骨架最大变形位移分别减小至５８．１６％和５３．１％，其正确性和合理性得　到验证．并为同类产品优化设计提供有益参考。　关键词：盾构掘进机台车；ＡＮＳＹＳ１０．０；钢结构；优化设计　中图分类号：Ｐ６３４．３＂１　文献标识码：Ａ　

盾构掘进机是在地面以下隧道开挖的　重要装备．在水利水电涵洞、城市地下工程、　海河地下隧洞及矿山、山区铁路、公路隧道　

施工中得到了越来越广泛的应用。台车是盾　

构掘进机的重要部件，安放了动力、液压、操　纵。控制等系统，起着连接和运输的作用。因　某盾构掘进机台车右侧偏重，导致台车整体　

骨架发生如图１所示的变形，该设备运行至　７５０环（隧道总长为１２４１环），台车骨架已出　

现了严重的扭曲和变形．直接导致了电瓶车　与台车频繁相撞，台车频繁脱轨，台车与台　

车的连接销出现严重错台。给设备拆解造成　了很大的困难。台车骨架型钢焊接处并未出　

现焊缝开裂．斜撑与骨架焊缝也未发现明显　裂纹。为了提高盾构掘进机的质量。亟须对　

其钢结构进行优化设计。　通常的优化设计是利用数学规划的方　

法．将机械工程的设计问题转化为由目标函　数与约束条件描述的最优化问题，该方法对　

于解决较典型的优化问题可以得到较好的　优化效果，但对于工程实际中常出现的多目　

标。多约束条件问题则存在数学模型难以建　

凿岩机械气动工具，２０１０（２）　立及计算复杂。难于推广应用等问题【”。鉴于　此．本文利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ１０．０对　台车进行结构静力分析．在此基础上提出并　

地铁隧道盾构施工通风系统优化及应用

发布时间：2021-06-28T14:57:29.037Z 来源：《基层建设》2021年第9期 作者： 杨梦然

[导读] 摘要：目前盾构施工在地铁施工中得到广泛应用，地铁隧道施工环境、设施散热、风险防范等问题亟待解决。

广州地铁集团有限公司 广东广州 510380

摘要：目前盾构施工在地铁施工中得到广泛应用，地铁隧道施工环境、设施散热、风险防范等问题亟待解决。本文就地铁隧道盾构施工通风系统优化及应用进行了分析和探讨。

关键词：地铁隧道；盾构施工；通风系统；优化及应用

1盾构施工环境及优化目标

根据文献，在中国南方大部分城市，地铁隧道盾构施工过程中，工作面附近工作区温度往往达到40℃以上。在广州的一些小断面盾构施工区域，夏季环境温度甚至高达50℃，而环境的相对湿度可高达90%以上。通过通风管道压入工作区域的新风往往在35℃以上，远远达不

到有效降低环境温度的目的。

根据《铁路隧道施工安全技术规程》（TB10304-2020）规定，盾构施工时，隧道内氧气含量按体积比不小于20%，温度不超过28℃，噪声不大于90dB。显然，目前的情况远远不能满足上述规定的要求，这对施工人员的健康和盾构掘进设备的性能有着不可忽视的影响。盾

构掘进设备产生的热量是不可避免的，通风、冷却水和土丘带走的热量是有限的。因此，要降低施工区域的温度和湿度，必须考虑新的途

径和方法。

由于前期项目综合考虑成本控制和实际效果，压入式通风方式是最合适的。进压通风是指风机安装在隧道外，风机直接将隧道外的新鲜空气通过通风管道压入工作面，使隧道内被污染的空气沿隧道流出。考虑到风管长度需要实时判断，而不是连续过程，故在盾构隧道上

安装二次通风系统。送风量为10.5m3/s，可随时将新风压入工作面。为了保证盾构机的正常运行，无论主机是启动还是停止，供水系统都要

从头到尾操作。要求盾构施工供水不小于50m3/h，水压为4~8bar，额定进口温度为28℃。

阐述盾构机推进系统与故障成因

1 盾构机推进系统

1.1 盾构机推进系统构成

由于盾构机在掘进的过程中，会遇到土层、岩石的阻挡，导致其整体受到的地表阻力不均匀，容易出现方向的偏差；此外，其设计线路往往需要转弯、扭曲，若只依靠单纯的液压缸动力，则难以实现。因此要依靠推进系统调节液压缸来调整盾构机姿态。

每个盾构机中都含有许多个液压缸，若是根据盾构机的直径、工作需求，将不同的液压缸进行单独设计，则会耗费大量的人力与物力，且不能很好地满足工作要求。因此，在设计液压缸时，往往采用分组编制的方式，通过对不同的组别油缸进行控制，实现盾构机姿态调整。本推进液压系统参照海瑞克S222，如图1：

忽略该盾构机的直径，其液压推进系统中一共有22个液压缸，在其基础上将其分类，分为4 个组成部分。而每一个组成部分中的液压缸数量相同，将该4

个组成部分命名为A、B、C 和D， B组即最下部分的液压缸数量最多，其液压缸数量分布的不同主要是依据盾构推进系统工作要求来决定的，在工作时，不同组成部分所受到的阻力不同，其最下部分受到的阻力最大，因此所需要的液压缸的数量最多。这也是所有盾构机推进系统设计的基本原理。

在该推进系统中，高压油由液压泵提供，由组成阀来完成转向的目的，该组成阀由4 个插装阀和2 个2 位4 通电磁阀结合构成。在此基础上，液压油分为4 条不同的路径，分别进入到推进系统的4 个组成部分，进入后通过减压阀调整其压力，实现工作过程中所需要的压力与动力，在从各自的路径流出，通过一个组合阀（由1 个插装阀和1个2 位3 通电磁阀构成），在這个过程中，实现对液压缸的控制。

1.2 盾构机推进系统运转的条件

盾构机推进系统要进行正常的运转，需要满足许多条件。

（1）确保推进系统推进泵正确启动与运行；

（2）高压电缆的限位正确，没有出现偏差； （3）推进系统4 个组成部分的油缸正常运转；

（4）水管卷筒的限位正确，没有出现偏差；