土压平衡盾构机辅助系统原理.docx

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1、土压平衡盾构机辅助系统原理某土压平衡盾构机辅助系统原理 盾构是一种集机、电、液、气、光等技术为一体的大型隧道施工工程机械,拥有复杂的配套装置，其中辅助系统在盾构正常工作中起着非常重要的作用，使得盾构能够稳定、高效的掘进作业。辅助系统主要包括水循环系统；压缩空气系统；集中润滑系统；HBW密封系统；盾尾油脂密封系统；主驱动润滑系统；泡沫系统和膨润土系统；保压系统等，以下将分别作简要介绍。 一、 水循环系统 水循环系统是盾构机内循环水系统和外循环水系统的的统称。铺设在隧道中的两条水管作为盾构机的进、回水管，将竖井地面的蓄水池与水管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱动盾构机用水在蓄水池

2、和盾构机之间循环，蓄水池中的水用冷却塔进行循环冷却。 土压平衡式盾构的冷却系统主要包括以下几部分：盾构机液压系统冷却; 主驱动、大轴承系统的冷却; 电变频器等系统冷却系统; 盾构中部分冷却系统是为满足施工环境温度不高于30 而设置，施工单位可选择性配置。 1.作用 水循环系统主要用于带走盾构机各个系统正常工作时产生的热量，保证各系统在正常的温度范围内工作；并给盾构机工作时土仓加水和泡沫、冲洗盾构机机身、隧道内消防、打扫隧道内卫生等提供水源。 2.原理图 3关键部件 内外循环水冷却 液压油冷却 增压水泵 污水泵 齿轮油冷却 4、操作流程 a) 参照原理图，确认所有工作管路球阀打开，预留球阀关闭；

3、 b) 启动外循环水泵； c) 启动内循环水泵；从电机尾端观察，叶片顺时针转动； d) 当土仓泡沫注入量不够，渣土较干时，可启动增压水泵往土仓注水；从电机尾端观察，叶片顺时针转动； e) 可从预留口接出水管，以清洗隧道管片、台车。 5、注意事项 a) 外循环水池必须保持干净，以保证外循环水的清洁； b) 外循环水过滤器进口前压力达到10bar时，应停机更换滤网，清洗金属滤芯； c) 内循环用水应严格控制清洁度，用量1m3左右； d) 北方施工，如遇天冷情况，应往内循环按配比加注一定量的防冻液，以免冻坏相关元器件； e) 如果隧道较长，掘进一段距离后，由于外循环水泵扬程有限，需在掘进途中增设水泵

4、，以保证盾构进水压力达至3-5bar；排污泵亦需增设中继泵，保证污水顺利排出洞外； f) 管路延长时，应保证外循环进水管、回水管对接的正确性； g）停机检修时，应拍下急停按钮，待修复正常后，将急停复位。 6.有关主驱动密封、大轴承系统的冷却 此系统在不同盾构中应用方法不一: a) 对主驱动密封处加以水套，对其供给流动水体，进而起到降温冷却作用。 b) 采用于大轴承齿轮啮合稀油润滑系统中，对油浴池内油体进行循环冷却降温，保证大轴承及集中润滑密封部位温度不会过高。 二、泡沫系统和膨润土系统 早期土压平衡盾构机适宜开挖的土壤范围较窄，开挖土层环境恶劣，含砂量较高时，土体与土舱面板的摩擦力较大，造成刀

5、盘扭矩增大，刀具磨损较严重，螺旋输送机排土困难,扭矩大；同时因施工土体自立性差，造成开挖面土舱压力波动大，较难建立平衡，开挖面稳定性差，容易造成坍塌；施工土体粘性大土体较多时，土体流塑性差，容易粘附于刀盘和土舱壁，产生堵舱现象，形成泥饼；施工选址在经过开挖湖泊，或腹水丰富地层时，因土壤止水型差，经常出现涌舱现象。所以盾构引入了泡沫系统和膨润土系统。 1.加注泡沫和膨润土的作用 a) 润滑作用，气泡包围土体，减小土体与土仓面板的摩擦力，降低刀盘扭矩。 b) 稳定土舱压力。因泡沫中的气泡具有可压缩性，能减 少土舱压力的波动性。 c) 改善土体流塑性，可降低或增大土体粘性，增加土体流动性。 d) 阻

6、水性，因气泡填充了土体颗粒间隙，使其渗透性减小，止水性增强。 使用泡沫和膨润土后，土压平衡式盾构对土质的适应范围得以扩大，其设备造价降低、控制操作容易、使用场地减小、弃土处理方便等优点有了更大的发挥余地。 2.原理简图 3.关键部件 泡沫泵 泡沫系统安装在桥架左侧平台 4.有关泡沫混合液，膨胀率，注入率 泡沫混合液，膨胀率，注入率是泡沫使用的3个主要参数： a）膨胀率E=泡沫量/混合液量，0-25之间，一般取8-15； b）注入率I=泡沫注入量/开挖土方量，一般取5%-65%； c）所需混合液流量为： Ql=AVI/E， A-开挖面积，V-推进速度， d）压缩空气流量为： Qa=Ql(P+1)

7、 , P空气支持压力(相对压力)，一般取0.3Mpa 5.操作流程 a) 参照原理图，确保工作管路球阀手柄打开，预留口球阀手柄关闭； b) 开启泡沫存储罐前方气动球阀，启动泡沫原液泵，按预定配比往泡沫罐生成泡沫混合液；从泡沫泵电机尾端观察，叶片转动方向为逆时针转动； c) 开启气调节器，控制气体流量，于泡沫发生器内生成泡沫； d) 根据施工具体条件，合理选取全自动、半自动、手动三种模式。 泡沫加注示意图 6.注意事项 a) 开机前注意检查泵上的减速机内有无加润滑油。 b) 开机前将进气压力调至5bar。 c) 开膨润土泵前，必须先将与泡沫系统管路连接的球阀打开。 d) 对刀盘面板上泡沫路数进行

8、标记，以达到泡沫注入路线的准确控制； e) 根据地质控制泡沫注入量，以改善渣土的和易性，防止刀盘结泥饼。 三、同步注浆系统 盾构施工中，随着盾构的向前推进，因盾构盾尾外径与管片外径之间的差值将会在管片背后产生空隙。这一空隙若不及时充填则管片周围的土体将会松动甚至发生坍塌，从而导致地表沉降等不良后果。为此必须采用注浆手段及时将盾尾建筑空隙加以充填。同时，背衬注浆还可提高隧道的止水性能，使管片所受外力能均匀分布，确保管片衬砌的早期稳定性。 1. 注浆的作用 a) 防止盾尾空隙坍塌、土体松散和地表沉降 b) 尽快稳定管片环的形状 c) 防止隧道出现蛇形、摆动 d) 抑制管片漏水 鉴于注浆工作的特殊重

9、要性，注浆工作的系统十分重要。砂浆在自备设备的制浆站生产完毕，通过编组列车上的运输罐车的贮浆罐车运至工作面，再将浆液输入盾构机配备的带有搅拌器的贮浆罐中。跟随盾构机的掘进，由两台注浆泵经外部注浆管路使浆液通过盾构机尾部的暗置注浆管注入管片衬砌背后，达到填充盾尾空隙的目的。 2.原理简图 2. 关键部件 注浆泵 注浆泵 四 压缩空气系统 土压平衡式盾构供气系统主要包括： 1) 泡沫、泥浆系统中发泡系统用气 2) 人闸舱2级增压系统用气 3) 土仓建压，稳定开挖面，维护、维修时用气 4) 驱动系统及辅助系统中程控气阀用气 5) 盾尾密封气囊保护系统用气 6) 盾尾注脂泵驱动设备用气。 1.作用 a

10、) 为保压系统供气，以保证人舱压力的稳定； b) 为EP2、HBW、盾尾密封油脂泵、污水泵、气动球阀提供动力源； c) 对膨润土进行搅拌，以防其凝固； d) 搅拌水罐内添加剂，以防凝固； e) 为泡沫系统供气，以产生泡沫，改善渣土性能； f) 为铰接密封紧急气囊供气，以防砂浆、切削水土等倒灌； g) 预留用气。 2.各个系统所需气体的区别 a) 注脂泵驱动用气，气动球阀用气，盾尾气囊用气等，均为工业用气，要求保障一定的压力和流量。同时要通过分水滤气器，压力控制阀，油雾器等设备的调定。 b) 人行闸，土仓平衡供气系统，则为压缩空气，经初步滤水，滤油等处理后储存于储气罐内。同时在气罐出口，安装可供

11、人呼吸使用的高级滤芯二次净化空气后供给到使用处。中途只进行调压处理。 c) 发泡系统可提供工业用气，中途只进行滤水，调压，调流量处理。 3.原理简图 3. 关键部件 空压机、储气罐 过滤器 4.操作流程 a) 参照原理图，确保工作管路球阀手柄打开，预留口球阀手柄关闭； b) 启动内循环水泵，以保证空压机冷却供水； c) 启动任意一台空压机，如有特殊需要，可以同时启动两台空压机；空压机出口压力为6.5-8bar； d) 所有气动三联件供气压力调至3-5bar，如需提高执行机构动作，可顺时针调节旋钮，增加供气压力，反之降低； e) 可从预留口引出气，以供隧道使用； 5.注意事项 a) 每次空压机启

12、动时，要打开储气罐底部球阀，将储气罐内底部积水排出，打开频率为4次/天； b) 掘进时，2台空压机交替使用，建议白班用1#空压机，晚班用2#空压机，以同时达到空压机保养时间，避免浪费； c) 空压机第一次使用时间为500h，二次保养后，使用时间为2500h； d) 气动三联件内应保持一定量的润滑油，润滑油选用液压油即可，油位在2/3左右； e) 停机检修时，应拍下急停按钮，待修复正常后，将急停复位。 6.不同用气系统的区别 a) 注脂泵驱动用气，气动球阀用气，盾尾气囊用气等，均为工业用气，要求保障一定的压力和流量。同时要通过分水滤气器，压力控制阀，油雾器等设备的调定。 b) 人行闸，土仓平衡供

13、气系统，则为压缩空气，经初步滤水，滤油等处理后储存于储气罐内。同时在气罐出口，安装可供人呼吸使用的高级滤芯二次净化空气后供给到使用处。中途只进行调压处理。 c) 发泡系统可提供工业用气，中途只进行滤水，调压，调流量处理。 五 集中润滑系统 刀盘驱动密封由一道机械式迷宫密封、一道唇型密封三道MY型密封组成。 集中润滑系统采用自动连续给脂式，用泵经过分配器连续的向刀盘驱动密封之间加注润滑脂，加油脂采用压力和时间控制，压力优先原则。 在螺旋输送机驱动密封处，中心回转接头处，砂浆罐等部分也充填具有一定压力的EPO润滑油脂。 集中润滑系统在给油脂回路中设置了发生异常时刀盘旋转停止的报警系统。 系统均配有

14、时间继电器和循环次数计数器或PLC可编成控制器进行自动监控。 单排主密封的水密性最高可达1Mpa,本系统不仅可以起到密封作用，而且还润滑刀盘主密封的摩擦表面，防止水和泥砂进入轴承腔。 1.原理简图 集中润滑大轴承密封部分简图2.关键部件 气动油脂泵 电动油脂泵 3.作用 a) 润滑、密封主驱动轴承； b) 润滑螺旋输送机轴承； c) 润滑铰接密封。 4.操作流程 a) 参照原理图，确保工作管路球阀手柄打开，预留口球阀手柄关闭； b) 启动内循环水泵，确保其正常工作； c) 启动空压机、确保其正常工作； d) 启动多头泵电机；从电机尾端观察，叶片转动方向为顺时针； e) 确认各油脂分配器工作次数

15、是否满足使用要求，即：主驱动外密封最少为13次/分、主驱动内密封最少为10次/分、螺旋最少为4次/分、铰接密封最少为1次/分。 4. 注意事项 a) 更换油脂桶时，必须保证油脂桶外形完整，防止变形难以更换； b) 保证更换油脂的清洁，不可将异物带入到系统中； c) 油脂需使用我司规定的型号，若更换型号，需由我方技术人员确认； d) 保证多头泵电机的工作环境清洁，以防止电机过早损坏； e) 定时、定量完成手动注入油脂； 六 HBW密封系统 1.原理简图 2.关键部件 气动油脂泵 气动球阀 3.作用 a) 密封主驱动轴承，为主驱动提供最外层的保护，以防土仓中水、砂土等进入到主驱动造成损坏； b)

16、集中润滑系统采用自动间断给脂式，用泵经过分配器间断的向刀盘驱动密封之间加注润滑脂，加油脂采用计量控制。 4.操作流程 a) 参照原理图，确保工作管路球阀手柄打开，预留口球阀手柄关闭； b) 启动内循环水泵，确保其正常工作； c) 启动空压机、确保其正常工作； d) 保证同步马达前气动球阀打开； e) 调节气动泵供气压力，保证同步马达每个出口至少为20ml/min。 5注意事项 a) 更换油脂桶时，必须保证油脂桶外形完整，防止变形难以更换； b) 保证更换油脂的清洁，不可将异物带入到系统中； c) 油脂需使用我司要求的型号，若更换型号，需由我方技术人员确认。 七 盾尾油脂密封系统 1.原理简图

17、2.关键部件 气动球阀 气动油脂泵 3.作用 a) 盾尾油脂注入系统通过PLC程序控制，压力传感器检测压力，气动球阀控制高压管路来实现其功能。 b) 盾尾密封系统是采用三道钢丝刷，双室中注入油脂起到盾尾管片处与外界浆液层隔绝及润滑的作用。 c) 盾尾密封要求能承受0.3-0.4Mpa的泥水压力而不漏。 d) 盾尾密封脂都是采用机泵加入,因此盾构机密封脂中最重要的性能即是泵送性和抗水密封性,另外还应具有较好的粘附性。 e) 盾尾密封在压注油脂后，能耐水压0.3-0.5Mpa，实际应用中应根据工况压力而定。 4.操作流程 a) 参照原理图，确保工作管路球阀手柄打开，预留口球阀手柄关闭； b) 启动

18、内循环水泵，确保其正常工作； c) 启动空压机、确保其正常工作； d) 手动模式：手动选择油脂管路进行压注油脂，当注脂点的压力达到预设压力值后，压注操作自动停止； e) 自动模式：以压力传感器监测压力为标准，自动循环强制定量注入，达到既定压力自行停止。 5.注意事项 a) 更换油脂桶时，必须保证油脂桶外形完整，防止变形难以更换； b) 保证更换油脂的清洁，不可将异物带入到系统中； c) 油脂需使用我司要求的型号，若更换型号，需由我方技术人员确认； d) 气动控制球阀紧固螺丝需涂抹螺纹紧固胶，以防止其振动松掉。 八 主驱动润滑系统 1.原理简图 2.关键部件 齿轮油输送泵 3.作用 a) 轴承箱

19、侧壁设有油面指示计，透明胶管可观察油液液面，液面过低可进行添加油液；同时，底部设有油温检测传感器，设定油温界限温度； b) 冷却齿轮油； c) 润滑主轴承及减速机轴承，增加轴承寿命。 4.操作流程 a) 参照原理图，确保工作管路球阀手柄打开，预留口球阀手柄关闭； b) 气动齿轮油泵电机；从电机尾端观察，叶片转向为逆时针转动； c) 盾构掘进前开启主润滑系统，掘进结束，继续运行一段时间后，再关闭此系统，以满足冷却与润滑作用。 5.注意事项 a) 注意齿轮油泵出口压力，一般为30bar左右； b) 注意观察泄漏油箱液位； c) 注意观察齿轮油流量是否满足要求； d) 在施工中，应定期检测油液中含杂

20、质量，检验大轴承磨损情况； e) 运转过程中监测油温，若温度过高，应检测滤器是否应清洗，或管路是否堵塞； f) 齿轮油最高液位应高于液位控制器200mm。 九 保压系统 1.原理简图 2.关键部件 保压控制盒 3.作用 在带压进仓工作时，保证土仓内压力平稳。 4.操作流程 a) 保压系统进气减压阀调至6bar. b) 打开控制器进气球阀。 c) 控制器三联件压力调至4bar，三联件后的减压阀调至1.4bar。 d) 关闭土仓进气闸阀，打开土仓进气球阀，打开压力变送器的进气阀。打开调节阀和变压力变送器的输入输出球阀。 e) 将调节器中间旋钮打到手动档，调节控制器最上方的旋钮，将绿色指针调至所需设置的压力。调节最下方旋钮至0.2-0.4. f) 此时红色指针应在最上方位置，打开土仓进气管路上的泄压球阀，使红色指针下降，当红色指针下降接近绿色指针时，将中间旋钮打到自动挡，此时，红色指针在绿色指针附近上下波动，表示该系统工作正常。 5.注意事项 a) 注意供气压力； b) 注意供气的清洁度。