盾构机结构详解
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盾构机技术讲座
一. 盾构机结构（EPB整体结构图）
盾构是一个具有多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和了盾构施工进程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全数的功能，目前，盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被普遍利用。其优势如下:
1. 不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的阻碍。
2. 能够经济合理地保证隧道平安施工。
3. 盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输操纵信息化。
4. 掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。
5. 地面环境不受盾构施工的干扰。
其缺点为：
1. 盾构机械造价较高。
2. 在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。
3. 隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。
4. 设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。
盾构作为一种爱惜人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及本钱相对低廉，绝大部份盾构仍是采纳传统的圆形。
为适应各类不同类型土质及盾构机工作方式的不同，盾构机可分为三种类型、四种模式：
三种类型：
（1）软土盾构机；
（2）硬岩盾构机； （3）混合型盾构机。
四种模式：
（4）开胸式；
（5）半开胸式（半闭胸式、欠土压平稳式）；
（6）闭胸式（土压平稳式）；
（7）气压式。
软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。
硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。
混合盾构机适应于以上两种情形，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。
气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平稳式盾构机。
模式
型
软土盾构机 硬岩盾构机 混合盾构机
土压平衡 泥水加压
开胸式 ★ ★ ★
半开胸式 ★ ★ ★
闭胸式 ★ ★ ★ ★
以下以海瑞克公司在广州地铁利用的典型土压平稳式盾构机为
例：
盾构机总图
整体外形尺寸：6280X75000mm
总质量：520t
装机总功率：
最大掘进速度：80mm/min
第一节：主机结构（盾体及刀盘结构）
断面形状：圆形、用钢板成型制成，材料为：S335J2G3。要紧由已下部份组成：
刀盘、主轴承、前体、中体、推动油缸、铰接油缸、盾尾、管片安装机。
主机外形尺寸：7565mm（L）Ｘ6250（前体）Ｘ6240（中体）Ｘ6230（盾尾）
质量：刀盘57t 前体92t 中 盾尾26t 主轴承 人舱4t 管片安装机 总质量约：236T。（不含各系统设备质量）
功能:实现对岩土的开挖、推动、一级出渣、管片安装。
盾构机主机结构图
(一) 刀盘
开挖直径
刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接阻碍到施工掘进的速度和本钱，而且出了故障维修处置困难。不同的地质情形和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。
盾构机刀盘应知足以下要求：
（1）刀盘应有足够的强度和刚度。
（2）刀盘应有较大的开口率。
（3）针对地层的转变，能够方便地改换硬岩滚刀和软岩齿刀。
（4）刀盘结构应有足够的耐磨强度。
（5）刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。
（6）刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀。以知足刀具的冷却、润滑和渣土改良。
1. 下面是海瑞克公司的刀盘结构和参数：结构形状：平面圆角形刀盘。铸造和焊接混合型。
外形尺寸：6280mm 6130mm（刀圈外经）Ｘ1410mm总厚（刀盘厚580mm）
刀盘质量：57000kg
开口率：28%
超挖刀行程：50mm
刀盘转速：min 最大扭矩： 脱困扭矩：
结构：刀盘前端面有8条辐板（开有8个对称的长条孔），其上配有滚刀（齿刀）座、刮刀座和2根搅拌棒，刀盘与驱动装置是用法兰连接，法兰与刀盘之间是靠四根粗大的辐条相连。为保证刀盘的抗扭强度和整体刚度，刀盘中心部份、辐条和法兰是采纳整体铸造，周边部份和中心部份采纳先拴接后焊结的方式连接。（以前该件需从国外入口，此刻已国产化）。为保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性，刀盘的周边焊有耐磨条，面板上焊有栅格状的Hardox耐磨材料。刀盘上装有4路泡沫管并分8个出口，各口都装有单向阀。装有塔形滚刀超挖刀一套，配油管2根,其行程为：50mm。刀盘上可装双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，正面齿刀64把。边缘齿刀16把。
2. 刀具的配置：
刀具的结构、材料及其在刀盘上的数量和位置关系直接阻碍到掘进速度和利用寿命。不同的地层条件对刀具的结构和配置是不相同的。
（1）刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一样都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。为适应不同的地层，滚刀和齿刀能够互换，因此它们的刀座相同。
软岩刀盘
单刃滚刀结构图
双刃滚刀结构图
刀具形式
双刃中心刀
用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀
数量：4 单刃滚刀
用于硬岩掘进
刀刃距刀盘面175mm，掌子面与刀盘面间碴土空间大，利于流动，可换装齿刀。 中心齿刀
用于软土掘进，替换滚刀，更换后可以增加刀盘中心部分的开口率。
数量：4 数量：31
窄齿刀
用于软土掘进。其结构形式有利于碴土流动进入土仓
数量：19 切刀
软土刀具，图示斜面结构利于软土切削中的导渣作用。
同时可用做硬岩掘进中的刮渣。
数量：64 弧形刮刀
刀盘弧形周边软土刀具，斜面结构，利于碴土流动。
同时在硬岩掘进下可用作刮渣
数量：16
仿形刀
用于局部扩大隧道断面
数量：1
（2）刀具的破岩机理：
分软岩切削机理和硬岩破岩机理。软岩切削机理是刀具对土层的挤压所产生的剪切力来破坏土层而达到切削成效。
软土刀具切削机理示意图 硬岩破岩机理是利用硬质材料的易脆性质，采纳滚刀的转动对岩石挤压产生的剪切力和（冲击力）碾碎岩石的机械破岩方式。要实现持续破岩就要在滚刀上施加一个正压力和一个使滚刀转动的水平推力。正压力是来自于盾构的推动力，水平推力是刀盘转动施加在滚刀轴上与开挖面平行的推力。因此滚刀破岩要想达到中意成效，必需知足两个条件：
① 工作面的岩层要有必然强度；
② 滚刀的启动扭矩要小。
因为以下因素很难知足以上条件：
① 地质因素；
② 滚刀的制造质量及工艺；
③ 滚刀质量一致性；
④ 开挖模式问题。
（3）刀具配置的不同性
刀具配置的不同性表此刻滚刀和刮刀的配置数量和高品级组合高度差等方面。
配置不同表
制造商
参数 海瑞克公司 维尔特公司 三菱公司
滚刀启动扭矩/mm 20-50 50-80 30-50
滚刀直径/in 17 17 13或17
滚刀磨损量限制/mm 20（刀圈厚70） 30（刀圈厚80） 20
边缘滚刀高度/mm 高出盾壳15-20 高出盾壳15-20 高出盾壳15-20
中心滚刀高度/mm/把数 175/8 110/10 110/8
正面滚刀高度/mm/把数 175/30 110/25 110/30
切刀高度/mm/把数 140/（32X2） 70（37X2） 70/（30X2）
刮刀高度/mm/把数 140/16 --- 70/42
刀盘先行刮刀 无，滚动与刮刀互换 无，滚动与刮刀互换 90, 滚动与刮刀互换
刀具的高度差及组合高度差对开挖的阻碍：
① 刀具高对防结泥饼有利。
② 刀具的高度差大有利于破岩。
（4）滚刀与滚刀之间的刀间距。 滚刀滚压破岩示意图 滚刀的刀间距也是阻碍破岩能力的关键因素。刀间距过大会在两刀之间显现破岩的盲区而形成“岩脊”。刀间距过小会将岩体碾成小碎块，降低破岩功效。目前，刀盘边缘部份的刀间距一样都小于90mm,正面刀具的刀间距一样在100mm,有的在115-120
刀间距示用意
