盾構機的各系統工作原理

 盾構機的掘進是靠液壓馬達驅動刀盤旋轉，同時開啟盾構機推進油缸，將盾構機向前推進，隨著推進油缸的向前推進，刀盤持續旋轉，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上，后由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運至地面。
  盾構機主要由9大部分組成，他們分別是盾體、刀盤、刀盤驅動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統和輔助設備。
  1.盾體,盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，這三部分都是管狀簡體。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅動，同時使泥土倉與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上，以起到支撐和穩定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器，可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接，中盾內側的周邊位置裝有30個推進油缸，推進油缸桿上安有塑料撐靴，撐靴頂推在后面已安裝好的管片上，通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構機向前的掘進力，這30個千斤頂按上下左右被分成A、B、C、D四組，掘進過程中，在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力，這樣盾構機就可以實現左轉、右轉、抬頭、低頭或直行，從而可以使掘進中盾構機的軸線盡量擬合隧道設計軸線。中盾的后邊是尾盾，尾盾通過14個被動跟隨的鉸接油缸和中盾相連。這種鉸接連接可以使盾構機易于轉向。
  2.刀盤，刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，位于盾構機的最前部，用于切削土體，不同的地層刀盤的設計會有很大的區別，直徑也不會相同，它也是盾構機上直徑最大的部分，一個帶四根支撐條幅的法蘭板用來連接刀盤和刀盤驅動部分，刀盤上可根據被切削土質的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具，刀盤的外側還裝有一把超挖刀，盾構機在轉向掘進時，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盤的徑向方向向外伸出，從而擴大開挖直徑，這樣易于實現盾構機的轉向。刀盤上安裝的所有類型的刀具都由螺栓連接，都可以從刀盤后面的泥土倉中進行更換。法蘭板的后部安裝有一個回轉接頭，其作用是向刀盤的面板上輸入泡沫或膨潤土及向超挖刀液壓油缸輸送液壓油。
  3.刀盤驅動，由螺栓牢固地連接在前盾承壓隔板上的法蘭上，它可以使刀盤在順時針和逆時針兩個方向上實現無級變速。刀盤驅動主要由8組傳動副和主齒輪箱組成，每組傳動副由一個斜軸式變量軸向柱塞馬達和水冷式變速齒輪箱組成，其中一組傳動副的變速齒輪箱中帶有制動裝置，用于制動刀盤。安裝在前盾右側承壓隔板上的一臺定量螺旋式液壓泵驅動主齒輪箱中的齒輪油，用來潤滑主齒輪箱，該油路中一個水冷式的齒輪油冷卻器用來冷卻齒輪油。
  4.雙室氣閘，雙室氣閘裝在前盾上，包括前室和主室兩部分，當掘進過程中刀具磨損工作人員進入到泥土倉檢察及更換刀具時，要使用雙室氣閘。在進入泥土倉時，為了避免開挖面的坍坍，要在泥土倉中建立并保持與該地層深度土壓力與水壓力相適應的氣壓，這樣工作人員要進出泥土倉時，就存在一個適應泥土倉中壓力的問題，通過調整氣閘前室和主室的壓力，就可以使工作人員可以適應常壓和開挖倉壓力之間的變化。但要注意，只有通過高壓空氣檢查和受到相應培訓有資質的人員，才可以通過氣閘進出有壓力的泥土倉?，F以工作人員從常壓的操作環境下進入有壓力的泥土倉為例，來說明雙室氣閘的作用。工作人員甲先從前室進入主室，關閉前室和主室之間的隔離門，按照規定程序給主室加壓，直到主室的壓力和泥土倉的壓力相同時，打開主室和泥土倉之間的閘閥，使兩者之間壓力平衡，這時打開主室和泥土倉之間的隔離。
  5.管片拼裝機,盾構機掘進一環的距離后，拼裝機操作手操作拼裝機拼裝單層襯砌管片，使隧道—次成型。管片拼裝機由拼裝機大梁、支撐架、旋轉架和拼裝頭組成。拼裝機大梁用法蘭連接在中盾的后支撐架上，拼裝機的支撐架通過左右各兩個滾輪安放在拼裝機大梁上的行走槽中，一個內圈為齒圈形式滾珠軸承外圈通過法蘭與拼裝機支撐架相連，內圈通過法蘭與旋轉架相連，拼裝頭與旋轉支架之間用兩個伸縮油缸和一個橫梁相連接。
  6. 排土機構,盾構機的排土機構主要包括螺旋輸送機和皮帶輸送機。螺旋輸送機由斜盤式變量軸向柱塞馬達驅動，皮帶輸送機由電機驅動。碴土由螺旋輸送機從泥土倉中運輸到皮帶輸送機上，皮帶輸送機再將碴土向后運輸至第四節臺車的尾部，落入等候的碴土車的土箱中，土箱裝滿后，由電瓶車牽引沿軌道運至豎井，龍門吊將士箱吊至地面，并倒入碴土坑中。螺旋輸送機有前后兩個閘門，前者關閉可以使泥土倉和螺旋輸送機隔斷，后者可以在停止掘進或維修時關閉，在整個盾構機斷電緊急情況下，此閘門也可由蓄能器貯存的能量自動關閉，以防止開挖倉中的水及渣土在壓力作用下進入盾構機。
  7.后配套設備,后配套設備主要由以下幾部分組成：管片運輸設備、四節后配套臺車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環水設備及通風設備等。A.管片運輸設備管片運輸設備包括管片運送小車、運送管片的電動葫蘆及其連接橋軌道。管片由龍門吊從地面下至豎井的管片車上，由電瓶車牽引管片車至第一節臺車前的電動葫蘆—方，由電動葫蘆吊起管片向前運送到管片小車上，由管制、車再向前運送，供給管片拼裝機使用。 B.一號臺車及其上的設備一號臺車上裝有盾構機的操作室及注漿設備。盾構機操作室中有盾構機操作控制臺、控制電腦、盾構機PLC自動控制系統、VMT隧道掘進激光導向系統電腦及螺旋輸送機后部出土口監視器。C.二號臺車及其上的設備二號臺車上有包含液壓油箱在內的液壓泵站、膨潤土箱、膨潤土泵、盾尾密封油脂泵及潤滑油脂泵。液壓油箱及液壓泵站為刀盤驅動、推進油缸、鉸接油缸、管片拼裝機、管片運輸小車、螺旋輸送機、注漿泵等液壓設備提供壓力油。泵站上裝有液壓油過濾及冷卻回路，液壓油冷卻器是水冷式。盾尾密封油脂泵在盾構機掘進時將盾尾密封油脂由12條管路壓送到三排盾尾密封刷與管片之間形成的兩個腔室中，以防止注射到管片背后的漿液進入盾體內。潤滑油脂泵將油脂泵送到盾體中的小油脂桶中，盾構機掘進時，電機驅動的小油脂泵將油脂泵送到主驅動齒輪箱、螺旋輸送機齒輪箱及刀盤回轉接頭中。這些油脂起到兩個作用，一個作用是被注入到上述三個組件中唇形密封件之間的空間起到潤滑唇形密封件工作區域及幫助阻止臟物進入被密封區域內部的作用，對于螺旋輸送機齒輪箱還有另外一個作用，就是潤滑齒輪箱的球面軸承。D.三號臺車及其上的設備三號臺車上裝有兩臺打氣泵、一個1立方米貯氣罐、一組配電柜及一臺二次風機。打氣泵可提供8Bar的壓縮空氣并將壓縮空氣貯存在貯氣罐中，壓縮空氣可以用來驅動盾尾油脂泵、密封油脂泵和氣動污水泵，用來給人閘、開挖室加壓，用來操作膨潤土、盾尾油脂的氣動開關，用來與泡沫劑、水混合形成改良土壤的泡沫，用來使用氣動工具等。二次風機由11kW的電機驅動，將由中間井輸送至第四節臺車位置處的新鮮空氣，繼續向前泵送至盾體附近，以給盾構機提供良好的通風。E.四號臺車及其上的設備四號臺車上裝有變壓器、電纜卷筒、水管卷筒、風管盒。鋪設在隧道中的兩條內徑為100mm的水管作為盾構機的進、回水管，將豎井地面的蓄水池與水管卷筒上的水管連接起來，與蓄水池連接的一臺高壓水泵驅動盾構機用水在蓄水池和盾構機之間循環。通常情況下，進人盾構機水管卷筒水管的水壓控制在5Bar左右。正常掘進時，進人盾構機水循環系統的水有以下的用途：對掖壓油、主驅動齒輪油、空壓機、配電柜中的電器部件及刀盤驅動副變速箱具有冷卻功能，為泡沫劑的合成提供用水，提供給盾構機及隧道清潔用水。蓄水池中的水用冷卻塔進行循環冷卻。風管盒中裝有折疊式的風管，風管與豎井地面上的風肌連接，向隧道中的盾構機里提供新鮮空氣。新鮮空氣通過風管被送至第四節臺車的位置。
  8.電氣設備盾構機電氣設備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電柜、動力電纜、控制電纜、控制系統、操作控制臺、現場控制臺、螺旋輸送機后部出土口監視器、電機、插座、照明、接地等。電器系統最小保護等級為IP5．5。主供電電纜安裝在電纜卷筒上，10kV的高壓電由地面通過高壓電纜沿隧道輸送到與之連接的主供電電纜上，接著通過變壓器轉變成400v，50Hz的低壓電進人配電柜，再通過供電電纜和控制電纜供盾構機使用。西門子S7-PLC是控制系統的關鍵部件，控制系統用于控制盾構機掘進、拼裝時的各主要功能。例如盾構機要掘進時，盾構機司機按下操作控制臺上的掘進按鈕，一個電信號就被傳到PLC控制系統，控制系統首先分析推進的條件是否具備(如推進油缸液壓油泵是否打開，潤滑脂系統是否工作正常等，．如果推進的條件不具備，就不能推進，如果條件具備，控制系統就會使推進按鈕指示燈變亮，同時控制系統也會給推進油缸控制閥的電磁閥供電，電磁閥通電打開推進油缸控制閥，盾構機開始向前推進。PLC安裝于控制室，在配電柜里裝有遠程接口，PLC系統也與操作控制臺的控制電腦及VMT公司的SLS-T隧道激光導向系統電腦相連。
    盾構機操作室內的操作控制臺和盾構機某些可移動裝置旁邊的現場控制臺(如管片拼裝機、管片吊車、管片運送小車等)用來操作盾構機，實現各種功能。操作控制臺上有控制系統電腦顯示器、實現各種功能的按鈕、調整壓力和速度的旋鈕、顯示壓力或油缸伸長長度的顯示模塊及各種鑰匙開關等。  螺旋輸送機后部出土口監視器用來監視螺旋輸送機的出土情況。電機為所有液壓油泵、皮帶機、泡沫劑泵、合成泡沫用水水泵、膨潤土泵等提供動力。當電機的功率在30kW以下時，采用直接起動的方式，當電機的功率大于30kW時，為了降低起動電流，采用星形—三角形起動的方式。
  9.輔助設備，輔助設備包括數據采集系統、S1S-T隧道激光導向系統、注漿裝置、泡沫裝置、膨潤土裝置。