盾构机选型及适应性评估方案中水14局

目 录第一章工程概况11.1、工程位置11.2、设计概况11.3、施工组织计划31.4、工程地质及水文地质31.4.1、地形地貌31.4.2、地质构造51.4.3、岩土层特征51.4.4、土层可挖性分级和隧道围岩分类61.3.5、水文情况7第二章 影响盾构机选型的工程、水文地质82.1、影响盾构机选型的工程82.2、影响盾构机选型的水文地质8第三章工程重难点对盾构机选型的要求93.1、盾构机对重难点工程的适应性93.2、盾构机的可靠性103.3、工程重难点及盾构机功能的适应性对照表11第四章 盾构机的选型134.1本工程对盾构机的要求134.2本工程盾构机的正式确定14第五章 盾构机的基本配置、参数特点145.1、盾构机的驱动及主轴承密封系统145.2、刀盘和刀具155.2.1、刀盘刀具整体布置155.2.2、刀盘结构特点155.2.3、刀具的布置形式、及刀具的配置175.2.4、刀盘设计对地层的适应性185.3、推进系统195.4、出渣系统205.5管片安装205.6、铰接系统215.7、液压、电气系统215.8、注浆、注脂系统22第六章 盾构机的改造和维修236.1、 S-365/S-366盾构机的改造及核心部件维护保养236.1.1、改进注浆系统，增加同步二次补浆系统236.1.2、更换盾尾止浆板，防止浆液向前流动效果更佳236.1.3、更换盾尾刷，降低了盾尾漏浆的机率236.1.4、维修高压冲洗设备246.1.5、刀盘及刀具的改进246.2、盾构机的维修257.2.1、海瑞克检测项目（S-365/S-366盾构机）256.2.2、自检维修项目26第七章 盾构机选型评估总结3232 / 34文档可自由编辑打印第一章 工程概况1.1、工程位置本标段隧道间包括沙河站万年场站盾构区间、万年场站东三环站盾构区间、东三环站蜀王大道站盾构区间、蜀王大道站十陵站盾构区间、十陵站洞口明挖区间工程。该段线路主要位于塔山路、槐树店路下方。向东北下穿沙河，沿沙河东侧塔山路由南向北敷设，后采用一处R=400m的曲线向东进入成洛路，沿成洛路由西向东敷设，在建材路与成洛路交叉口西侧设置万年场站，与地铁7号线换乘。线路出万年场站后，继续沿成洛路路中由西向东敷设。线路从成绵乐铁路的CFG桩下穿过，然后沿三环路十陵立交前期对地铁的预留空间下穿十陵立交桥，在东洪路与成洛路交叉口设置东三环站，车站东侧设置双停车线，与规划9号线换乘；出站后继续沿成洛路由西向东敷设，在蜀王大道与成洛路交叉口设置蜀王大道站；出站后，线路由西向东下穿东风渠，在成都大学西南侧设置二期工程终点站十陵站，车站东侧设置交叉渡线；出站后接西河停车场出入段线。蜀王大道站中间风井区间线路位置示意图1.2、设计概况沙河站万年场站盾构区间设计里程为：YCK35+477.000ZCK36+300.000YCK37+499.550ZCK37+499.550）；ZCK37+230.709处存在短链9.291m，左线长1190.259m，右线长为2022.55m。线路最小平曲线半径R=310m，线路在该区间线间距由11m过渡到15m。区间隧道最大埋深约为23.7m，最小埋深约为7.8m，最小坡度2，最大坡度28，在YCK35+477YCK35+493.7段设始发竖井，区间在ZCK35+940.535、ZCK36+678.364、YCK36+210.709三个里程处设3个联络通道，其中ZCK35+940.535里程处联络通道兼作废水泵房。万年场站东三环站盾构区间设计里程为：（YZCK37+680.550YZCK39+951.400；ZAK39+747.718处存在长链8.718m，左线长2279.568m，右线长2270.85m。区间隧道最小坡度10，最大坡度28，区间在ZCK38+223.311、ZCK39+266.114、ZCK39+266.114三个里程处设3个联络通道，其中ZCK38+223.311里程处的联络通道兼作废水泵房。东三环站蜀王大道站站盾构区间设计里程为：（YZCK40+417.400YZCK40+781.200； ZCK40+650.000处存在短链4.906m、ZAK40+739.000处存在短链5.058m，左线线路长353.837m，右线线路长363.8m，区间隧道最小坡度2，最大坡度6，区间未设联络通道。蜀王大道站十陵站盾构区间设计里程为：（YZCK40+961.100YZCK41+567.600，YCK41+100.000处存在短链1.865m，左线线路长604.635m，右线线路长606.5m，区间隧道最小坡度2.0，最大坡度26.08。十陵站洞口明挖区间设计里程为（YZCK41+876.600YZCK42+600.000，区间长723.4m，区间最小坡度2，最大坡度26.46。中间风井采用明挖法施工，采用12001800的旋挖桩围护结构，为五层结构。兼任左、右线矿山法段的施工井,沙河站万年场站区间盾构始发井采用明挖法施工。车站盾构盾构井范围内采用15001800的玻璃纤维筋桩。沙河站万年场站区间盾构采用明挖法施工，采用10001800的旋挖桩围护结构，内衬结构采用现浇钢筋混凝土的形式。区间隧道采用盾构法施工，内衬为钢筋混凝土管片，管片外径为6000mm，内径为5400mm，厚度为300mm，曲线半径400m段管片幅宽为1.2m，其他地段采用1.5m的幅宽。采用六分块方案，三块标准块，两块邻接块，一块封顶块。管片组合方式为直线环+左右转弯环，拼接方式为错缝拼装，管片接头采用弯螺栓。联络通道采用降水条件下的矿山法施工，支护体系由超前支护、初期支护和二次衬砌组成。1.3、施工组织计划我公司预计于2014年7月1日伊始，对成都地铁4号线二期土建4标段沙河站至十陵站实施盾构施工掘进施工，本项目拟投入4台德国海瑞克土压平衡盾构机（编号分别为S-365、S-366、S-885、S-897）。目前，S-365、S-366盾构机正在成都7号线一期工程施工， S-885、S-897盾构机正在海瑞克成都工厂建造当中，S-885预计4月30日前交付使用，S-897预计6月30日前交付使用。根据施工组织及建造计划：S-885盾构机于2014年5月30日进入沙河站竖井场地并下井，到7月1日达到始发条件，向万年场站掘进；完成掘进后掉头，从万年场站掘进至沙万区间中间风井。S-365、S-366盾构机分别于2014年7月20日和8月20日依次进入东三环站西端头场地并顺序下井，到8月20日和9月20日分别达到始发条件，向万年场站掘进。S-897盾构机于2014年7月30日进入东三环站东端头场地并下井，到9月1日达到始发条件，向十陵站掘进；完成掘进后转场至东三环站掘进左线至十陵站。1.4、工程地质及水文地质1.4.1、地形地貌1、沙河站万年场站区间位于川西平原岷江水系级阶地，大部分地段上覆第四系全新统杂填土，厚04.3m；其下依次为中、上更新统冰水沉积、冲积层黏土及粉质黏土，厚212m，硬塑状；砂土，厚0.61.9m，松散稍密；卵石土，厚48m，稍密中密；下伏白垩系灌口组泥岩，全风化泥岩层，厚13m，强风化泥岩层，厚0.78.8，泥岩岩质较软。隧道洞身主要穿越上更新统冰水沉积、冲积层卵石土夹透镜体砂层以及白垩纪灌口组泥岩中。卵石土分选性、均一性、自稳性均较差，渗透系数大；泥岩为膨胀岩，风华层厚度变化大，遇水易软化。2、万年场东三环站区间位于川西平原岷江水系级阶地，大部分地段上覆第四系全新统杂填土，厚04.3m；其下依次为中、上更新统冰水沉积、冲积层黏土及粉质黏土，厚212m，硬塑状；下伏白垩系灌口组泥岩，全风化泥岩层已揭示厚度25m，泥岩岩质较软。隧道洞身主要穿越上更新统冰水沉积、冲积层粘性土以及白垩纪灌口组泥岩中。粘性土多为硬塑状，为弱中膨胀土；泥岩为膨胀岩，风化层厚度变化大，遇水易软化。3、东三环蜀王大道站区间位于川西平原岷江水系级阶地，大部分地段上覆第四系全新统杂填土，厚04.3m；其下依次为中、上更新统冰水沉积、冲积层黏土及粉质黏土，厚212m，硬塑状；砂土，厚0.61.9m，松散稍密；卵石土，厚48m，稍密中密；下伏白垩系灌口组泥岩，全风化泥岩层，厚13m，强风化泥岩层，厚0.78.8，泥岩岩质较软。隧道洞身主要穿越上更新统冰水沉积、冲积层卵石土夹透镜体砂层以及白垩纪灌口组泥岩中。卵石土分选性、均一性、自稳性均较差，渗透系数大；泥岩为膨胀岩，风华层厚度变化大，遇水易软化。4、蜀王大道站十陵站区间位于川西平原岷江水系级阶地，大部分地段上覆第四系全新统杂填土，厚05m；其下依次为中、上更新统冰水沉积、冲积层黏土，厚0.58m，硬塑状。下伏白垩系灌口组泥岩，全风化泥岩层已揭示厚度25m，泥岩岩质较软。隧道洞身主要穿越中、上更新统冰水沉积、冲积层粘性土、卵石土中。粘性土多为硬塑状，为弱中膨胀土；卵石土分选性、均一性、自稳性均较差，渗透系数大。 5、十陵站终点区间位于川西平原岷江水系级阶地，大部分地段上覆第四系全新统杂填土；其下依次为上更新统冰水沉积、冲积层黏土，厚1215m，硬塑状；中更新统冰水沉积、冲积层卵石土，厚3.64m中密。下伏白垩系灌口组泥岩，全风化泥岩层已揭示厚度57m，隧道洞身主要穿越中、上更新统冰水沉积、冲积层粘性土、卵石土中。粘性土多位硬塑状，为弱中膨胀土。1.4.2、地质构造成都平原处于新华夏系第三沉降带之川西褶带皱的西南缘，界于龙门山隆褶带和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。据区域地质资料，本工程范围内无断裂。岩层为单斜构造，岩层近于水平产出。1.4.3、岩土层特征人工填土（Q4ml）：黄褐、灰褐等杂色，松散中密，稍湿，成分交杂，由粘性土、砖块、混凝土碎块、卵石等建筑垃圾组成。该土层均一性差，多为欠压密土，结构疏松，多具强度低，压缩性高，受压易变形的特点。该层广布整个区间、车站地表，层厚0.53.5m。软黏土（Q3fgl+al）：灰黑色，黄褐色，可塑，局部呈软塑，粘性强，局部有臭味。主要分布于拟建十陵车站大里程端，该层呈透镜体分布，最大厚5.8m，顶板埋深3.25.5m。黏土（Q3fgl+al）：棕黄、黄褐色，硬塑，粘性强，含铁锰质结核。广泛分布于表层人工杂填土之下，层厚5.29.2m，埋深0.53.5m。中砂：（Q3fgl+al）：褐黄色，稍密，饱和，约含20%的卵石。该层呈零星状分布，本次勘察过程中仅M42Z2-D01-06揭示，厚2.0m，顶板埋深8.3m。黏土夹卵石（Q2fgl+al）：灰褐、棕黄等杂色，硬塑，局部夹1040%卵石，卵石粒径15130mm，夹少量圆砾，卵石成分主要为砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等，磨圆度较好，分选性较差。该层主要分布于黏土之下，层厚0.77.9m，埋深6.316.4m。卵石土：灰褐、棕黄等杂色，饱和，中密密实，卵石约占50%90%，粒径15140mm，夹少量圆砾，石质成分主要为砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等，磨圆度较好，分选性较差。该层卵石土主要由黏粒充填，局部由中砂等充填。标贯实测击数平均值N=17.2击/30cm。该层呈层分布，层厚4.711m，埋深6.816.3m。卵石土（Q2fgl+al）：灰褐、棕黄等杂色，饱和，中密密实，卵石约占50%90%，粒径15140mm，夹少量圆砾，石质成分主要为砂岩、石英砂岩、灰岩及花岗岩等，磨圆度较好，分选性较差。全风化泥岩（K2g）：紫红、褐红、肉红等色，呈土状，原岩结构已破坏，偶夹少量碎石、角砾。据实验室取样，该层自由膨胀率Fs=67%，膨胀力Pp=81 KPa，该层具有膨胀性。该层厚度0.65.7m，埋深11.724.4m。强风化泥岩（K2g）：紫红、肉红色，泥质结构，岩质软。岩芯呈土状、碎块状、饼状，少量短柱状。标贯实测击数平均值N=28.8击/30cm。层厚1.59.2m，埋深1626.5m。中等风化泥岩（K2g）：紫红色，风化裂隙较发育，裂隙面充填灰绿色黏土矿物，锤击声哑，局部夹含砂质泥岩。岩芯多呈短柱状，少量长柱状，埋深19.529.5m。据附近工点钻孔揭示，该层泥岩中夹含少许石膏。根据室内试验：天然密度=2.252.51g/cm3，天然含水率=5.1624.9%，天然抗压强度2.5311MPa，饱和吸水率6.2676.11%，膨胀力10258kPa，自由膨胀率1562%。岩石坚硬程度分类为软岩，岩体基本质量等级分类为。1.4.4、土层可挖性分级和隧道围岩分类区间隧道围岩分级见下表：区间隧道围岩分级表层号岩土名称岩土特征围岩类别围岩级别杂填土稍密中密软黏土软塑可塑黏土硬塑中砂稍密中实黏土夹卵石硬塑卵石土中密全风化泥岩土柱状强风化泥岩半岩半土状中等风化泥岩短柱状、柱状1.3.5、水文情况（1）、地表水据调查内沙河由南向北穿过本标段盾构沙河站万年场站区间。 沙河属川西平原岷江水系，具丰富的地表径流，是本地区地下水与地表水之间相互转换的主要途径和渠道。该河段宽约30米埋深约6米的自然河流。蜀王大道站十陵站区间范围内隧道下穿成都市东风渠，东风渠属川西平原岷江水系，具丰富的地表径流，是本地区地下水与地表水之间相互转换的主要途径和渠道。东风渠流经市区段落，已受到人为改造，河床深度、流量以及水位等均已受到人为控制。该河段宽约30米埋深约4.5米的自然河流。（2）、地下水类型该工程范围内地下水主要有三种类型：一是赋存于黏土层之上的上层滞水；二是赋存于黏土、卵石土中的孔隙水；三是基岩裂隙水（基岩溶孔溶隙裂隙潜水）。（3）土层的透水性和富水性人工填筑土层：区间隧道内广泛分布于地表，渗透系数差距较大。黏土、软黏土：水量小，富水性差， K=0.001m/d 全风化泥岩、强风化泥岩、中等风化泥岩：水量小，富水差， K=0.24m/d 卵石土：水量小，富水性一般， K=1.5m/d（4）、地下水腐蚀性评价区间范围内场地土和地下水对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性，对钢结构有强腐蚀性。第二章 影响盾构机选型的工程、水文地质2.1、影响盾构机选型的工程1.盾构万年场站东三环站区间内穿越铁路：达成线（双线）、东环线（双线）、动1、动2、动3、动4线。共计8条铁路线。本工程盾构下穿铁路设施里程范围为ZDK38+644.336ZDK38+752.018、YDK38+640.25YDK38+740.000。左线共计107.682m，右线共计99.75m。区间隧道线路与铁路股道基本正交。左线坡度13.261，右线坡度13.423。2. 盾构万年场站东三环站区间内穿越三环路十陵立交、三环路十陵立交人行天桥。本工程范围为YCK39+100YCK39+630。左右线隧道从立交桥、人行天桥桥桩间穿过。2.2、影响盾构机选型的水文地质1.盾构沙河站万年场站区间内穿越沙河：盾构区间在YCK35+800900段下穿沙河，沙河宽约30m，深约6m，遂顶距离渠底距离约7.8m。2.盾构蜀王大道站十陵站区间内穿越东风渠：盾构区间在YCK41+270320段下穿东风渠，东风渠宽约30m，深约4.5m，遂顶距离渠底距离约9.0m。3.本标段隧道围岩主要为中等风化泥岩，局部为黏土、卵石土和全强风化泥岩。黏性土，自稳性差，盾构掘进时采用压力或注浆压力过大，可能引起地面隆起，压力过小，可能对地面及周边建筑物的安全造成隐患；全风化、强风化的泥岩，具有一定的膨胀性，膨胀岩具有遇水膨胀、失水收缩的特性，隧道盾构施工过程中，由于膨胀岩的应力释放会产生胀裂，由于脱水产生收缩裂缝，极易使围岩失稳，并引起地面沉降、变形、塌陷。第三章 工程重难点对盾构机选型的要求3.1、盾构机对重难点工程的适应性针对盾构在掘进施工中复杂多变的地层、周边环境和线路特点等情况，盾构机在设计时也作了相应的特殊设计，使盾构机具有安全、顺利通过特殊地段的能力。(1)盾构刀具根据在卵石土、中风化泥岩、全风化泥岩中不同的破岩机理来进行设计和选择。刀具的布置可适应对大块卵石、漂石的破碎或入仓，防止卵石在刀盘前滚动，对刀具有一定的保护作用。(2)盾构机配置高密度膨润土注入系统。通过双柱塞泵将高密度澎润土注入到土仓里、刀盘前和螺旋机中，经充分搅拌能使高渗水性的砂砾土达到较好的流塑性和止水性，再配合压缩空气控制单元的气压自动调节作用，可稳定掌子面和减少水的渗出，防止喷涌的发生及掌子面的坍塌。(3)螺旋机出土口的土塞区长度和闸门开口大小是防止水喷涌现象的基本硬件措施，解决了从皮带机上向外漏渣的难题，并可将粒径小于240mm的大砾石从开挖室排到渣车内。当盾构机经过透水砂层时，通过有效的渣土改良技术，可有效控制涌砂、涌水现象发生。(4)增大了刀盘中心开口率，使泥渣在刀盘中心能顺畅通过，减少了形成泥饼的机会，有利于降低掘进时的推力。(5)盾构机根据0.3MPa的水压假设进行设计。机器主要部件均采用有限元分析由计算机计算得出，能准确的反应出机器部件的性能。(6)盾尾处安装了3排钢丝刷，每两排钢丝刷之间都注入足量的盾尾密封脂，以保证盾尾良好的密封性。（7）泡沫注入系统已广泛应用于EPB技术当中。使用发泡液和压缩空气混合产生的泡沫，可以提高开挖仓中泥渣的流动性、抗渗透性和弹性，可降低对刀盘及刀具的粘附性，减少对刀盘及刀具的磨损。同时能降低开挖掌子面的渗水性,有利于掌子面的稳定。(8)在前盾承压隔板上部安有双室人闸，双室人闸之间用一个供人进出的压力门隔开。与承压隔板用法兰相连的一个仓室为主闸，工作人员可以由此穿过至开挖室。另一个仓室是材料闸，可让工作人员安全地进入主闸。主闸安装了在压缩空气下工作所必需的标准配置，使用主闸可以带气压进仓完成维修、检查和换刀作业。(9)压缩空气自动调节系统能自动调节土仓内气体压力，保持土仓内压力的恒定，这一系统为人员进仓作业提供了可靠的保证。3.2、盾构机的可靠性(1)德国海瑞克公司所制造的盾构内各液压、电气元器件均采用国际知名品牌产品，充分保证盾构机的各部件质量。液压元器件主要采用德国力士乐公司、哈威公司的产品，电气元器件主要采用西门子公司的产品。这些优质产品的应用确保了盾构掘进中各系统功能的有效发挥。(2)盾构机刀盘驱动主轴承采用世界上最大的回转支承轴承制造公司德国贺氏公司的产品。主轴承能承受大负荷要求，同时设置了可靠的主轴承内、外密封系统，有效地保证了主轴承的使用寿命。(3)盾构机在设计上满足通过特殊地段的能力。用先进的盾尾注脂系统，把有极好密封性能的密封脂注入到三层盾尾刷之间，密封盾构机与管片的间隙来防止水渗漏。这种密封方式适用于高地层压力和高水压下工作。(4)在盾构机前体配置有隔舱壁，用它来隔离土舱内压力。舱壁的设计承载工作压力为3bar。盾构机在掘进过程中，通过关闭螺旋输送机的出料闸门，可以快速、安全地切断地下水，防止其进入盾构机及隧道。在失电的情况下螺旋输送机的出料闸门自动关闭，以防止过量出渣导致掌子面失稳。(5)刀盘合适的开口和针对性的刀具配备，再通过螺旋输送机、渣土改良装置及气压调节系统的有机配合，保证了盾构机在含水量丰富的卵石土地层中长距离可靠运行。(6)保护环境方面：盾构掘进中改良土壤加入的泡沫是无害可降解材料，机器用的液压油等在更换时都用桶装密封好运走进行再生利用，油品基本没有对环境造成污染。（7）可靠的土压平衡掘进控制模式和精密的SLS-T激光定位导航系统，通过严格管理渣土量及进行实时监测，确保线路方向及地面的隆沉在规定的范围内。3.3、工程重难点及盾构机功能的适应性对照表序号工程重难点盾构机关键部件功能要求盾构机功能部件的适应性1长距离掘进中刀盘、刀具磨蚀问题及主轴承的寿命刀盘采用优质的低碳合金钢、耐磨（hadx500耐磨钢板和耐磨焊丝）保护、刀盘双向旋转及恒功率驱动、特殊形状溜槽设计、泡沫注入系统、高密澎润土注入系统、液压伸缩装置、主轴承寿命10000h等。刀盘材料选用、刀盘外缘、中心及刀具的各种耐磨设计，增加了刀盘及刀具的耐用度；S-365/S-366滚刀直径由17“加大为18”；开口率大及渣土溜槽特殊形状有利于渣土流动，泡沫注入系统、高密澎润土注入系统可改良渣土，减小磨蚀；减少换刀次数，从而保护刀盘及刀具，确保长隧施工正常进行；恒功率驱动对工程的适应性强，轴承寿命高，确保掘进顺利进行。2带压换刀作业高密膨润土注入系统、双人闸及精确气压调节装置、足够空压机气源、应急发电装置等膨润土注入封水固结掌子面，加气排渣、双人闸、足够气源及精确调压确保换刀作业安稳；应急发电提供安全储备。3掘进中遇障碍，如大粒径漂石刀具在刀盘上的合理配置、高密澎润土注入系统、双人闸及精确气压调节装置、液压锤等刀盘合理配置刀具能将大粒径卵砾石破碎到螺旋机可排出的粒径范围（0-240m）。双人闸、压缩空气调节装置等，可确保人员带压进入开挖仓清障作业的安全。4开挖面稳定控制推进系统、刀盘旋转系统、螺旋输送排渣系统、膨润土注入系统、气压调节装置、精密的SLS-T激光定位导航系统等。通过以上各系统的互相协调作业可满足盾构机各种掘进状态下的掘进面稳定和地表隆降的控制要求。5盾构机受阻在困难地段盾构中盾周围预留地质钻机通孔（直径120毫米），隔板上也设预留孔，利用钻机向刀正面上部和正面钻注浆孔。当盾机受阻在困难地段，可利用中盾上和隔板上的预留孔及旋转钻机，向盾体斜上方预留地质钻机通孔（直径120毫米）和刀盘正前方钻超前注浆孔，加固地层后，再利用上述各种措施进行处理；向地层注入双液快凝浆（水泥浆+水玻璃浆），凝结时间10s以下；注浆压力和流量可调，确保各孔的浆液扩散半径达1m左右。6盾构机的密封性及主驱动密封可靠的主轴承内、外密封系统，中、尾盾可靠的铰接密封系统，先进的三层盾尾刷式注脂密封系统。可靠的主轴承内、外密封系统，中、尾盾可靠的铰接密封系统，先进的三层盾尾刷式注脂密封系统，这些系统有效地保证了盾构机的防水密封性和保护了主驱动装置。7盾构穿越建筑物、穿越密集管线要求盾构机必须具有较强的平衡水土压力的能力，保证地表变形保持在正常范围内。通过盾构本身所配备的平衡水土压力控制系统可以很好的控制盾构机对土体的扰动，有效的降低地面沉降，防止对建筑物造成损害；盾构机配备一套数据采集分析系统，可以对盾构机的施工数据进行实时分析，有效的协助工程人员做出正确的判断和决策；盾构筒体分前后两段，中间设有铰接连接，这样可以减小盾构的长径比，而使盾构的姿态容易改变；推进系统的油缸在圆周方向分为四组，每组可以单独控制，通过调整推进油压而改变盾构的掘进方向。8喷涌问题高密澎润土注入系统通过有效的渣土改良技术，可有效控制涌砂、涌水现象发生。9管片上浮或位移增设气动双液注浆泵及双液注浆管路系统，与盾构掘进同步进行注浆。选用体积小、重量轻、作业安全的气动式双液注浆泵，安装在连接桥附近；在盾构机尾部后5-7m处，凿通隧道顶部管片的吊装孔，向管片面顶部及时注入双液快凝浆液固定管片。第四章 盾构机的选型4.1本工程对盾构机的要求（1）基本功能盾构机均大量采用液压、控制、导向等领域的新技术。其控制系统的终端全部由PLC可编程控制器直接控制，上端由上位机进行总体控制。盾构机还可以通过网络系统由洞外技术部门或盾构厂家进行远程监控、调试及控制。盾构机的数据采集系统可以记录盾构操作过程的所有参数。由于自动化控制程度高，大大降低了盾构机操作控制的强度及难度，提高了掘进效率。液压系统的主驱动系统、推进系统、螺旋输送机系统及管片安装系统大量采用比例控制、恒压控制、功率限止等先进的液压控制技术。同时，选用高质量的液压元件，保证了盾构机的可靠性，降低了盾构机故障率，有利的保证了施工生产的顺利进行。盾构采用先进的激光导向系统来控制隧道的掘进方向，这在隧道的方向控制上也是比较前沿的技术。（2）总体功能特点盾构在泥岩、黏土、卵石土地层施工时重点考虑以下功能：具备土压平衡掘进功能；具备足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力；具备足够的刀盘开口率及合理的刀盘形式。刀具的形式及布置设计能最大限度满足不同粒径卵石的处理；具备渣土改良系统；盾构机有良好的出渣性能；盾构本体在高水压下的防水密封性能可靠；盾构具备防喷涌功能；人闸设计满足带压换刀的需要；管片壁后同步注浆；盾构预留超前注浆接口，可对开挖面前端的不良地质进行超前加固；4.2本工程盾构机的正式确定根据对本标段整个区间的工程地质条件调查。本标段区间穿越的地层主要为为泥岩： 全风化泥岩、强风化泥岩，5-1-3中等风化泥岩地层，该岩石坚硬程度分类为软岩。根据对区间内的地质调查、工期及施工要求，结合成都地铁类似工程盾构的选型、施工经验，选用土压平衡式盾构机比较适合本标段的施工。所以我公司决定选用德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机。编号分别为（S-365、S-366、S-885、S-897）。目前，S-365、S-366盾构机正在成都7号线一期工程施工， S-885、S-897盾构机正在海瑞克成都工厂建造当中，S-885预计4月30日前交付使用，S-897预计6月30日前交付使用。第五章 盾构机的基本配置、参数特点5.1、盾构机的驱动及主轴承密封系统（1）主轴承同时承受推力、径向负荷和倾覆力矩，采用直径较大的重型轴承。（2）刀盘驱动装置的设计采用大强度、大刚度设计，以便优化主轴承的寿命。（3）主轴承的设计寿命为10000小时。到目前为止，S-365、S-366使用时间分别约为4813.5小时、4957.3小时，S-885、S-897为全新设备；（4）刀盘驱动装置通过三重唇形密封来提高刀盘驱动的密封性能，三重密封可抵抗1.0Mpa的水压。（5）密封系统包含了连续油脂润滑和泄漏监测系统，更好的提高了密封的可靠性。（6）根据工程实践反馈，3米直径的大主驱动可以提供较高的扭矩能力。由于主驱动尺寸较大，导致空间有限，螺旋输送机的尺寸则受到限制设计为不小于700mm。 3米直径的主驱动，结合945kW驱动动力，（S-885/S-897可达到7447kNm 、S-365/S-366可达到6930 kNm）的最大脱困扭矩，可以实现长期过载负荷。5.2、刀盘和刀具5.2.1、刀盘刀具整体布置刀盘设计成圆盘形结构且带有较宽的进料口，用优质的低碳合金钢制作，能安装硬岩刀具和软土刀具。刀盘面是封闭的钢结构件，边缘上焊耐磨钢条。刀盘前面的周边区域焊耐磨层，边缘区域的后部焊耐磨块。四根辐臂支撑的厚壁法兰连接主驱动装置并且作为刀盘面板的基座。刮刀装在整个刀盘开口的边缘，同时在刀盘中心的径向开口边缘以及刀盘外圆周的开口边缘也装有轮廓刀具。在中心回转体上配有注射调节土壤介质的通道。刀盘上有四个泡沫通道。5.2.2、刀盘结构特点刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过一个很厚的4幅臂铸钢结构与主驱动法兰盘相连，传递足够的扭矩和推力。刀盘可以双向旋转。刀盘直径6280mm(安装新滚刀时的最大直径)，刀盘厚度450mm，从法兰盘底面到刀盘面板高1310mm，刀盘总重约60t。盾构机的主轴承直径为3m，刀盘额定扭矩为5980 kNm（S-365、S-366）、6228 kNm（S-885、S-897），脱困扭矩为7150kNm（S-365、S-366）、7447kNm（S-885、S-897）；开口率28%（S-365、S-366、S-897）、30%（S-885）；刀盘的转速范围为04.5rpm。刀盘耐磨环为高度60mm，宽130mm的HARDOX400两条耐磨钢板，刀盘正面焊接厚度为20mm的HARDOX500耐磨钢板和周边焊接网格耐磨焊丝对刀盘加以耐磨保护，以克服成都砂卵石地层的磨损，完全满足本工程局部穿越泥岩、黏土、卵石土地层。目前，S-365、S-366盾构在成都地铁7号线的泥岩地层施工掘进施工，取得的良好效果。通过实践证明刀盘对本工程的泥岩地层完全满足。S-365、S-366刀盘刀具布置图S-885、S-897刀盘刀具布置图5.2.3、刀具的布置形式、及刀具的配置盾构刀具是根据本标段地质特点，根据刀具在砂卵石、基岩（卵石密集区）、泥岩中不同的破岩机理来进行设计和选择的。刀盘上可以安装不同类型的刀具以适应不同地层的开挖，主要刀具类型有中心双刃滚刀、单刃滚刀、撕裂刀、铲刀和刮刀，其中滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换。在基岩（卵石密集区）中掘进时刀盘需安装滚刀，在砂卵石中掘进时可以根据需要把滚刀更换为对应形式的齿刀。刀具形式表双刃滚刀用于硬岩掘进，在软土中可以换装齿刀单刃滚刀用于硬岩掘进，刀刃距刀盘面175mm，可换装齿刀中心齿刀用于砂卵石掘进，替换中心滚刀，有利于渣土流动进入土仓齿刀用于砂卵石掘进,其结构形式有利于渣土流动进入土仓铲刀用于掘进中的刮渣刮刀用于掘进中的刮渣刀具的配置盾构机编号中心滚刀单刃滚刀双刃滚刀刮刀边刮刀S-3654把（17寸）17把（18寸）15把（17寸）28把8把S-3664把（17寸）17把（18寸）15把（17寸）28把8把S-8854把（18寸）17把（18寸）15把（18寸）28把8把S-8974把（17寸）17把（18寸）15把（17寸）28把8把5.2.4、刀盘设计对地层的适应性本标段区间隧道穿越的地层主要为卵石土、全风化泥岩、强风化泥岩、中等风化泥岩地层，该岩石坚硬程度分类为软岩。（1）刀盘中心部位开口率的增大、向后倾斜的出料开口及合理的泡沫注入设置等措施的采取，提高了泥渣通过刀盘的能力，减小了对刀盘的磨损。(2)刀盘上刀座的特殊设计使所有刀具都可以在刀盘背后换装。一旦需要换刀就可以通过带压进仓进行更换。(3)刀盘采用优质的低碳合金钢材料制造并焊有耐磨条、耐磨焊层和耐磨块。这些保护措施提高了刀盘的耐磨性。(4)刀盘的设计模型在卵石土、泥岩层模式下进行有限元分析，实践证明刀盘的强度和刚度均满足本工程施工的要求。(5)刀盘面板上设有加泥孔，可用于加注高浓度泥浆，进行土体改良。(6)刀盘背面设有搅拌棒，有利于对螺旋机进行喂料。通过采取以上一系列措施，使刀具和刀盘的配置完全能适应本工程的地质，即盾构机满足在泥岩、卵石土地层中长距离掘进的需要。5.3、推进系统推进系统是由10个单油缸和10个双油缸组成的，S-365、S-366单个油缸的最大推力为1140 kN，单个油缸的推进行程为2000mm。S-885、S-897单个油缸的最大推力为1330 kN，单个油缸的推进行程为2200mm。推进油缸按照在圆周上的区域分为四组，每组7到8个油缸。通过调整每组油缸的不同推力来对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。其中深色2、7、12、17号油缸安装有位移传感器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。5.4、出渣系统5.4.1、螺旋输送机螺旋输送机是采用轴式螺旋机，筒节内径为（S-365、S-366）700mm、（S-885）800mm、（S-897）850mm。螺旋输送机通过一个液压马达带一个减速机驱动，其转速范围可以在0-22rpm内无级调速，从而也可以很好的控制出土量。调节螺旋输送机的出土速度是控制土仓压力的重要方法之一。螺旋输送机后侧有一道出料闸门，在需要时可以关闭以处理喷涌等紧急情况。为了提高渣土的流动性，可以向螺旋输送机圆周的孔内注入膨润土或泡沫。5.4.2、皮带输送机皮带机用于将螺旋输送机输出的渣土传送到盾构后配套的渣车上。皮带机布置在后配套拖车的上面。5.5管片安装管片拼装机安装在盾尾，由一对举升油缸、大回转机构、抓举机构和平移机构等组成。管片拼装机为中心回转式，机械抓举，驱动功率为55KW，具有6个自由度，回转角度为200，回转速度为02rpm，并可实现微调。所有动作可遥控。推进油缸在拼装时切换到现场控制盘，便于与拼装机配合操作。轴向油缸行程2000mm，举升油缸行程1000mm.5.6、铰接系统为了减少盾构的长径比，使盾构在掘进时能够灵活的进行姿态调整，特别是为了能够顺利通过较小的线路弯道，盾尾通过铰接系统和中体相连接。铰接系统包括十四个铰接油缸和铰接密封。在直线段掘进时铰接油缸一般处于浮动位置，盾尾在主机的拖动下被动前进。当盾构需要转弯时，将油缸处于浮动位置，盾尾可以根据调向的需要自动调整位置。5.7、液压、电气系统5.6.1、液压系统（1）刀盘驱动液压系统系统采用三个变量泵和九个液压马达组成闭式控制回路驱动刀盘转动，实现刀盘的速度控制、扭距控制和方向控制。在掘进过程中刀盘转速是实时连续可调的，可通过调节变量泵和变量马达的排量实现转速调节。通过调节马达的排量，可以实现主驱动高速与低速档工作；通过改变泵的排量来实现主驱动高速、低速的无极调速，即通过调节变成电液比例溢流阀的压力实现，马达调速仅起补偿作用；在正常工作情况下，马达可是为定量马达，不作变量用。（2）推进及铰接液压系统推进系统包括30根推进油缸、控制阀和推进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的区分为四组，通过调节每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向。铰接液压系统油缸的行程满足转向角度与方向控制的要求；推进阀组满足推进速度控制要求；推进方向调整及推进速度可实现远程连续调节。推进系统是一个压力流量复合控制系统，推进速度的决定因素是推进压力和流量，比例流量阀提供的流量大小满足由推进油缸压力所建立起来的推进速度所需要的流量要求，多余的流量将全部经过比例溢流阀流回油箱。（3）螺旋输送机液压系统螺旋输送机液压系统采用一个变量泵与一个两档排量的马达组成闭式系统，共同实现转速控制。通过马达排量可实现高速档与低速档的切换，适应不同地质需要。通过电流比例控制泵可以实现螺旋输送机的无级变速，以适应不同推进速度要求。后舱门具有紧急状况自动关闭功能。（4）管片拼装机液压系统拼装机液压系统采用的是压力流量复合式控制泵，控制阀采用2组电流比例多路换向阀，可以进行流量精确控制，从而保证安拼装机拼装管片的精度。拼装机的油缸、马达进油口都配有平衡阀，这样保证运动的平稳性，确保动作控制精确性。拼装机旋转转速最大2转/分，并可以实现无极调速；拼装机抓举头可以停在圆周方向任意位置。（5）注浆泵液压系统注浆液压系统主要是为同步注浆泵提供油源，并可以对注浆泵的工作速度进行控制。采用的KSP恒压泵，泵的排量满足最大推进速度的注浆要求。注浆速度的快慢，通过调整电流比例调速阀实现，给每个注浆泵的油源都是通过比例调速阀调整流量的，从而控制注浆量。5.7.2、电气系统压缩空气气源海瑞克盾构机的空气压缩机供气量为20m/min，压缩空气最高压力为7.5bar。同时配置油水分离的过滤系统，以加强过滤和呼吸气的清洁。此外还配置了Samson压缩空气自动调节系统，该装置能自动调节土仓内气体压力，保持土仓内压力的恒定。5.8、注浆、注脂系统5.8.1、注浆系统配置两个注浆泵，每个泵有两个出口，注浆系统使用4根浆管。为了实现自动注浆的功能，在管路的注入端安装了压力传感器，用于检测注浆压力。同步注浆系统控制：同步注浆系统操作可分为手动与自动两种方式。在管路上配置有专用水、气清洗装置，安装在设备桥下，当需要冲洗时，可分别向前和向后冲洗注浆管路。5.8.2、泡沫、聚合物注入系统泡沫的形成就是把泡沫原液与水混合，再加上一定压力与流量的空气，在泡沫发生器中混合形成泡沫。根据渣土情况、压力要求，调节控制加入量。泡沫混合液和压缩空气的流量，由流量传感器进行检测，PLC控制电控阀门的开度，得到最佳的混合比例。泡沫发生器出来的泡沫压力由压力传感器进行检测，反馈到PLC，使泡沫的注入压力低于设定的土压力。第六章 盾构机的改造和维修6.1、 S-365/S-366盾构机的改造及核心部件维护保养为更加适应成都地铁4号线二期工程盾构掘进要求，从成都地铁7号线完工后将对海瑞克盾构机进行改造与维修，主要有以下几个方面。6.1.1、改进注浆系统，增加同步二次补浆系统沉降控制是难题，盾构的同步注浆系统补充浆液达到了及时的补充，通过压力浆液填充密实地层。但由于考虑到地层中原有间隙在盾构掘进的扰动下形成的空洞有部分是后期逐渐形成，根据地面沉降监测看，其延迟主要在管片脱离盾尾1-2天，所以在盾构机上安装二次注浆设备进行后续的补浆是十分必要的。7号线一期工程项目在盾构机S-365、S-366一号拖车上增加双液注浆系统，配合盾构机自带注浆泵进行二次注浆，将隧道上部的管片吊装孔打穿注浆，进行浆液补充。效果较好，因此在下场维修时，结合施工总结，对这套系统进行维修。另在盾构配套设备中专门配备了一套同步注浆管道疏通设备，在一旦发生堵管后可以快速将管道疏通，从而保证同步注浆系统的正常工作。6.1.2、更换盾尾止浆板，防止浆液向前流动效果更佳为防止盾尾注入浆液向前流入盾体范围及土仓，盾构机盾尾设计安装有盾尾止浆板，止浆板为弹簧钢制作，原设计为单层，在4号线二期施工中，将其更改设计为双层弹簧板，制作成双层盾尾止浆板。效果较好，因此下场维修时，更换损坏的止浆板。6.1.3、更换盾尾刷，降低了盾尾漏浆的机率盾尾刷的前保护板（弹簧板）改为2层1.0mm钢板，后弹簧板改为三层1.0mm钢板，并且将后保护板的最内层加长，增加一个弧度，当盾构机和管片形成的圆环同心时，使后保护板能够和管片能够接触，刷丝可以100%的和管片接触；当盾构机出现偏心时，前后保护板之间的刷丝能保证不低于70%的接触面。这样，可以最大限度的避免砂浆进入尾刷，以免形成板结，损坏尾刷的密封。特制的盾尾刷增强了盾尾止浆效果，盾尾漏浆机率降低。对于提高注浆压力及注浆量，保证注浆效果起到显著作用。7号线结束后，将更换全部盾尾刷。图6.1.3.1-1 改进型盾尾密封刷6.1.4、维修高压冲洗设备盾体内安装了高压设备，通过土仓隔板上预留的注入孔注入高压水，主要用于破坏土仓壁上附着的泥饼。配合刀盘上的搅拌棒，清理掉土仓壁上的泥饼，增加土仓内的流动性，同时也预防了土仓壁泥饼的形成。6.1.5、刀盘及刀具的改进1、刀盘改进针对于原刀盘刀具磨损量较大，损坏较多，刀盘磨损严重等情况，我部已对盾构的刀盘进行了如下的改进：在刀盘周边耐磨钢板更改为带硬质合金的耐磨环。对刮刀刀座安装了刀座保护刀，降低了刮刀刀座和刮刀的磨损。安装导流刀，使得渣土能流向刮刀的刀口，增强刮刀的功效。刀盘的正面面板及周边焊有30mm30mm的耐磨网格。2、刀具改进对刀具进行了如下的改进：（1）滚刀滚刀分为双刃滚刀及单刃滚刀两种形式。滚刀的最大容许荷载为25ton，为防止滚刀在卵石土地层中的偏磨和刀体的磨损采取了以下处理措施：滚刀刀体满焊耐磨焊丝，刀刃硬度由HRC值54度提高到56至58度；单刃滚刀刀刃加宽到30mm，双刃滚刀刀刃加宽到28mm。滚刀刀圈半径范围内增加8mm。将滚刀的空转扭矩设置到约40Nm左右。为了提高滚刀的掘进距离，使正面滚刀和边缘滚刀的磨损量基本一致，安装滚刀时9-26号滚刀安装单刃滚刀，26-40号滚刀安装双刃滚刀，此种配刀方案从2号线开始配置，使用效果良好。（2）中心双刃滚刀中心双刃滚刀安装于刀盘中心，用于硬岩掘进，刀刃距刀盘面160mm。中心滚刀刃加宽到28mm。（3）宽刮刀宽刮刀用螺栓固定在刀座上，用于挖掘砂、砂卵石等渣土并将其收进土仓。宽刮刀距刀盘面板的高度为110mm。宽刮刀由耐磨钉形式改成硬质合金块形式。（4）边刮刀在刀盘的边缘开口处装有边刮刀，用于挖掘砂、卵石等渣土并收进土仓。边刮刀距刀盘面板的高度为110mm。边刮刀由耐磨钉形式，改成四排硬质合金块的形式。图6.1.5.1-1 滚刀单刃及双刃刀圈改进尺寸图6.2、盾构机的维修7.2.1、海瑞克检测项目（S-365/S-366盾构机）（1）主驱动密封更换、主驱动减速箱检测、行星齿轮检查、主轴承检查、齿轮油系统检查。（2）油品检测取样（3）液压油缸压力测试（4）液压、电气系统无电情况下检测（5）拼装机的全面翻新（6）盾体、螺旋机轴、叶片管片吊机轨道的探伤，筒体的检测（7）螺旋机筒体水压测试（8）中心回转体检测（9）带点情况下液压、电气系统检测（10）SAMSON系统检测（11）盾构机的调试及掘进技术支持6.2.2、自检维修项目自检维修保养情况对照如下：S-365、S-366盾构机对照表序号位置项目名称出厂参数现状维修保养改造方案1盾构 整体盾构类型土压平衡土压平衡标准开挖直径6280mm6280mm机体总长8780mm8780mm尾壳厚度(前/中/后)50/40/40mm50/40/40mm装备总功率1763KW1763KW最大掘进速度80mm/min80mm/min盾尾密封三排钢丝刷，注脂密封三排钢丝刷，注脂密封全部更换2刀盘开挖直径6280mm6280mm型式中心支撑式中心支撑式驱动型式液压驱动液压驱动驱动功率945KW945KW开挖范围6280m6280m最大转速4.5rpm4.5rpm最高扭矩7150 KN.m 7150 KN.m 3铰接 装置型式被动式铰接被动式铰接更换密封最大行程差垂直、水平150mm/150mm150mm/150mm最大转角垂直、水平1.4/1.41.4/1.44搅拌器叶片外径870mm870mm更换磨损叶片转速6rpm6rpm搅拌容量6m36m35传感器土压传感器04.5bar，5只04.5bar，5只进行全面的检查、保养液压传感器0400bar(420mA)，1只0400bar(420mA)，1只020bar(420mA)，1只020bar(420mA)，1只040bar(420mA)，1只040bar(420mA)，1只060bar(420mA)，1只060bar(420mA)，1只6润滑系 统各阀件性能能正常注脂能正常注脂进行全面的检查、保养中间回转接头能正常注泡沫、膨润土等改良剂能正常注泡沫、膨润土等改良剂进行全面的检查、保养铰接密封由重载型橡胶密封和紧急密封（紧急气囊）组成由重载型橡胶密封和紧急密封（紧急气囊）组成更换全部密封驱动部密封润滑状况良好润滑状况良好进行全面的检查、保养供脂距离约25米约25米油脂泵供脂流量1350cm3/h1350cm3/h带电检测供脂压力120bar120bar油管及分配阀清理盾尾油脂WR89WR897管片 拼装器类型中心回转式中心回转式返厂维修6个自由度6个自由度转速01.6rpm连续可调01.6rpm连续可调旋转角度200200带电检测负荷能力12吨12吨对锁紧阀进行更换径向行程1200mm1200mm带电检测轴向行程2000mm2000mm带电检测8液压油缸推进 油缸顶力3421tf3421tf行程2000mm2000mm数量30台30台正常压力0300kgf/cm20300kgf/cm2压力检测最高压力350kgf/cm2350kgf/cm2铰接 油缸顶力1008tf1008tf行程150mm150mm数量14台14台正常压力0215kgf/cm20215kgf/cm2压力检测最高压力250kgf/cm2250kgf/cm2管片拼装器提升油缸顶力53.06tf53.06tf行程1200mm1200mm数量2台2台正常压力60200kgf/cm260200kgf/cm2压力检测最高压力250kgf/cm2250kgf/cm2管片拼装器平移油缸顶力23.55tf23.55tf行程2000mm2000mm数量2台2台正常压力0100kgf/cm20100kgf/cm2压力检测最高压力250kgf/cm2250kgf/cm2管片拼装 器保持油缸顶力25tf25tf行程50mm50mm数量1台1台正常压力0200kgf/cm20200kgf/cm2压力检测最高压力250kgf/cm2250kgf/cm2螺旋机闸门油缸顶力40tf40tf行程740mm740mm数量2台2台正常压力0200kgf/cm20200kgf/cm2压力检测最高压力250kgf/cm2250kgf/cm2管片运送