NTU039 土压平衡盾构机结构与分系统功能分析

王颖

北方重工集团有限公司盾构机分公司质量部 辽宁沈阳 110141

0 引言

盾构机是盾构隧道挖掘机的简称，广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程建设，具有自动化程度高、施工速度快、一次成洞的特点。盾构机针对各自的地质条件进行独特的设计制造，将岩土、光学、机械、电气电子、液压、真空技术、传感信息技术、PLC 程序逻辑控制等完美地结合起来[1-2]，形成了土体的切削开挖、渣土输送、隧道衬砌拼装、测量导向纠偏等功能，并实现了地面监控室对盾构机运行的实时监控。针对作业环境的不同，盾构机又分为土压平衡式盾构机（密封式）、泥水盾构机（密封式）、硬岩盾构机（敞开式）等不同类型。本文针对北方重工集团有限公司盾构机分公司开发的NTU039 土压平衡式盾构机的工作原理、系统结构、各分系统功能等进行具体分析。

1 土压平衡盾构机的工作原理

NTU039 土压平衡式盾构机是北方重工集团有限公司盾构机分公司针对用户需求进行定制开发的大型装备，总长度106m，盾体长9.8m，后配套长96m，主驱动总功率960kW，转速范围0 - 3.25rpm，最大推进力42000kN@345 bar; 最大掘进速度可达100mm/min。下面结合NTU039土压平衡式盾构机，说明土压平衡式盾构机的工作原理[3]。

NTU039 土压平衡式盾构机是利用变频电机驱动安装在盾构机前面的全断面切削刀盘，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进。随着推进油缸的推进，刀盘持续旋转，被切削下来的土体进入刀盘后面的开挖仓内，并使仓内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，出土时由安装在开挖舱下面的螺旋运输机的上排土口连续地将渣土排到皮带输送机上，再经皮带输送机运送到隧道内的服务车上，通过竖井运到地面。螺旋运输机是靠转速控制来掌握出土量，出土量要密切配合刀盘的切削速度，以保持开挖仓内始终充满泥土而又不至于饱满。盾构机掘进一环的距离后，管片拼装机操作人员操纵拼装机，进行单层衬砌管片的安装，盾构机掘进时，启动同步注浆系统，浆液注入隧道管片与土层之间的环隙中，稳定管片和地层，使隧道一次成型。

2 NTU039 土压平衡盾构机的结构

盾构机由刀盘、盾体、主驱动、保压人舱、管片拼装机、螺旋排土机构、后配套装置、电气系统、辅助设备组成[4-5]。

2.1 刀盘

刀盘是盾构机上直径最大的部分，分布着中心滚刀、滚刀、刮刀、边缘刮刀、撕裂刀、中心撕裂刀、周边保护刀，依据土质的软硬选择不同刀具。在不同的切削半径上，安装了具有磨损检测功能的刮刀，当刀具磨损到一定程度，里面的压力油喷涌而出，压力传感器的压力由5bar 降为0bar，提醒操作者停机更换刀具。所有刀具与焊接在刀盘辐条、辐板上的刀座采用螺纹连接，可在开挖仓中进行更换。刀盘的外侧装有仿形刀，在盾构机转向掘进时，仿形刀油缸使仿形刀沿刀盘径向方向向外伸出，扩大开挖直径，易于盾构机的转向。刀盘法兰板的后部安装一个旋转接头，通过旋转接头将泡沫、磨损检测刀压力油、仿形刀压力油、润滑脂输送到刀盘面板的泡沫喷射口、磨损检测口和仿形刀。

2.2 盾体

盾体由前盾、中盾和尾盾三个筒体组成，外径6780mm。前盾上焊有承压隔板用来支撑主驱动并将开挖仓和后面的工作空间隔离。推进油缸施加于管片的推力所产生的反作用力通过承压隔板作用到开挖面上，起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板在不同高度安装有六个土压平衡传感器，用来探测开挖舱不同高度的压力。前盾上安装有人仓，并支撑着螺旋输送机，配有工业用气出口、工业用水出口、电话和扬声器。中盾内有22 个推进油缸，通过控制油缸活塞杆的伸出提供盾构机向前的掘进力。油缸分为上区、下区、左区、右区四组；掘进时每组油缸的压力都可单独控制，盾构机可以实现左转、右转、抬头、低头、直行，使盾构机所挖掘的隧道轴线与设计轴线相符。中盾圆周上设有13 个超前钻孔，超前钻的钻杆由此伸出钻削采集岩土样本。中盾的后面是尾盾，尾盾上安有止浆板和注浆、注脂管路，尾盾通过被动跟随的铰接油缸与中盾相连，使盾构机易于转向。尾盾安装了一个污水泵，及时将盾体内的污水和泥浆排到台车上的污水箱中。

2.3 主驱动

主驱动由螺栓连接到前盾承压隔板的法兰上，它可以使刀盘顺时针和逆时针两个方向实现无级变速。刀盘驱动由主齿轮箱和6 组变频电机及水冷式减速机组成。前盾设有一套稀油润滑装置，由螺杆泵将齿轮油从主齿轮箱底部吸油，泵送到主齿轮箱顶部的分配器再输送到各润滑点，对主齿轮箱喷射润滑。

2.4 保压人舱

保压人舱安装在前盾上，由前室和主室组成。盾构机掘进过程中，刀具磨损需要专业技术人员进入到开挖舱检查更换刀具时，要使用保压人舱。为了避免开挖面的坍塌，要在开挖仓中建立与该地层深度土压力与水压力相适应的气压，因此技术人员进出开挖仓时，就存在适应开挖仓压力的问题。通过调整人舱前室和主室的压力可以保证技术人员适应常压和开挖仓压力之间的变化。为保证安全，只有经过专业培训有资质的人员才能通过人舱进入开挖仓。

2.5 管片拼装机

管片拼装机由左右臂、支承架、旋转架和拼装头组成。拼装机左右臂用法兰连接在中盾上，拼装机的支撑架通过左右两个滚轮放在拼装机左右臂的行走槽中。内圈为齿轮形式的滚珠轴承，外圈通过法兰与管片拼装机支架相连，内圈通过法兰与旋转架相连拼装头与旋转支架之间用两个提升油缸和一个横梁相连接。两个拼装机行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头沿隧道轴线方向移动，安装在支撑架上的轴向柱塞驱动马达驱动滚珠轴承内齿圈使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向旋转，提升油缸可以使拼装头上升或下降。拼装头在左侧平衡油缸、右侧平衡油缸、后侧平衡油缸、旋转油缸、抓取油缸的作用下，实现水平，竖直方向上的摆动，抓紧和放松管片的功能。管片拼装机上安有超前钻，超前钻随着拼装机转动，超前钻支座上安装了倾斜油缸，支座可在一定范围内倾斜，从而保证超前钻钻杆可以调整角度从中盾的超前钻孔伸出盾体进行取样操作。拼装机操作手可通过遥控器控制拼装机实现管片的拼装。

2.6 螺旋排土机构

螺旋排土机构由螺旋输送机和皮带运输机组成。螺旋输送机由液压马达驱动，皮带运输机由电机驱动，渣土由螺旋输送机从开挖舱运送到皮带运输机，皮带运输机再将渣土运输到后面的台车，落入等候的渣土车土箱中，装满渣土后，由电瓶车牵引至竖井，龙门吊将土箱吊到地面，倒入渣土坑中。螺旋输送机前面的承压隔板上设有安全门，螺旋输送机收缩时，安全门关闭使开挖仓和螺旋输送机隔断；螺旋输送机上的排渣门可在停止掘进或维修时关闭，在盾构机断电的紧急情况下，排渣门由蓄能器释放的能量自动关闭，防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。

2.7 后配套设备

后配套设备由以下几部分组成：管片运输设备、2 个连接桥、九节台车及车上的主控室、电气设备、液压系统、注浆系统、泡沫系统、膨润土系统、工业水系统、空气系统、通风系统、污水系统等。

管片运输设备包括管片运输小车，管片吊机及连接桥轨道。龙门吊将管片吊到竖井内管片车上，电瓶车牵引管片车至连接桥的电动吊机处，电动吊机吊起管片运到管片运输小车上，管片运输小车将管片运到尾盾，供管片拼装机使用。

2.5 PERFACT程序(内口烧灼闭合+瘘管定期搔刮清理) PERFACT程序的原理是通过烧灼内口及其周围组织使纤维组织增生从而闭合内口，同时定期搔刮清理管道(包括起初定期到医院给予搔刮清理，以及中后期改为患者自行处理)，最终使瘘管逐渐愈合。PERFACT程序由印度医生Garg[31]提出并倡导，在其纳入51例复杂肛瘘患者的前瞻性研究中，随访中位时间为9个月，以患者症状消失及停止排脓为治愈标准，总治愈率为79.5%。PERFACT程序可保留括约肌，但术后定期搔刮清理瘘管较繁琐，易受实际执行情况及患者依从性的影响，故确切疗效有待更多研究进一步探讨[32-33]。

连接桥是焊接结构，通过牵引油缸使盾体和后配套台车相连接。连接桥上装置有污水泵、泡沫调整装置、推进缸和管片拼装机控制面板、仿形刀液压泵站、集中润滑油脂泵、主轴承密封油脂泵、皮带运输机、管片吊机、照明装置和摄像机等。

后配套台车由九节台车组成，用来承载设备和元器件。台车沿着轨道向前运动，工作人员可在台车上行走，完成各种工作。各台车分别配置有主控室、砂浆罐带搅拌器、砂浆泵、皮带运输机、管片吊机、行走轮、工业用气用水出口、砂浆液压泵站和主液压泵站、变频柜、泡沫泵、泡沫聚合物和活性物箱、砂浆传送螺杆泵、高压电控柜、变压器、空气过滤器、动力柜、呼吸用气储气罐、呼吸用气气体压缩机、干燥器、过滤器、工业水箱、水泵、工业用气储气罐、工业用气气体压缩机、膨润土罐、膨润土泵、污水箱和污水泵、数据通讯电缆箱、排渣口、膨润土出口、摄像机、紧急发电机、风扇、高压电缆卷筒、储风筒、污水卷筒、工业水进水卷筒、工业水出水卷筒、照明装置，为方便作业还配有餐厅、医疗室和工作室。

2.8 电气系统

盾构机电气设备由高压电缆卷筒、主供电缆、变压器、配电箱、动力电缆、控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺旋运输机出渣口监控器、电机等组成，电气系统最小防护等级是IP55。主供电电缆安装在电缆卷筒上，20kV 的高压电由地面通过高压电缆沿隧道输送到与之连接的主供电电缆上，通过变压器降为400V 50Hz的低压电进入配电柜，再经过供电电缆和控制电缆供盾构机使用。辅助变压器为其他电气设备和台车上的插座提供400V 和230V 低电压。在盾构机的各处配置有总急停开关和局部急停开关等安全装置。为保证人员作业安全，盾构机上多处配置有光学烟雾探测器、热辐射探测器和灭火装置，配置有氧气、二氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫和硫化氢等气体传感器，以及应急照明和应急通讯系统。

控制系统采用西门子S7-PLC 实现盾构机的掘进，拼装等主要功能。盾构机刀盘旋转启动控制，控制系统首先分析是否具备安全运行条件，如泵和系统运行是否正常、稀油润滑、变频器、增压泵、驱动电机、冷却水回水温度、冷却水循环等是否正常、刀盘压力是否过高、仿形刀是否缩回等，在条件具备时才可启动刀盘旋转。PLC 安装在主控室，配电柜里有远程接口，PLC 系统也与控制台的控制电脑和激光导向电脑相连，主控室的控制台和盾构机某些移动装置的现场控制台（如管片拼装机，管片吊机，管片运输机等）都能用来操作盾构机。主控室的控制台上有控制系统显示屏，实现不同功能的按钮，调整压力和速度的旋钮，显示压力或油缸伸长长度的显示模块及各种钥匙开关等。通过控制系统的主视窗可监控盾构机实时运行的数据，如刀盘的转速、扭矩、旋转角度、旋转方向、螺旋运输机的旋向、开挖舱的气压、排渣门的开关状态、驱动方式、运转速度、扭矩、渣土重量。

2.9 辅助设备

辅助设备包括远程监控系统，PPS 激光导向系统，注浆装置，泡沫装置，膨润土装置等。

远程监控系统在地面的监控室中，与隧道中掘进的盾构机自动控制系统PLC 通讯联络，并保持和盾构机自动控制系统PLC具有相同的状态信息。远程监控系统按掘进、拼装、停止掘进三个不同运行状态来记录、处理、存储、显示、评判盾构机运行中的所有关键监控参数，保证地面工作人员可以随时在地面监控室实时监控盾构机各系统的运行状况、查找盾构机以前掘进的档案信息、打印报表，修改隧道中盾构机的PLC 程序等。

PPS 激光导向系统由激光经纬仪，带棱镜的激光靶，数据传输盒，系统控制盒，轴向倾斜仪，UPS 系统、控制电脑组成。激光经纬仪临时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘进，激光经纬仪也要不断地向前移动，激光靶固定在中盾的人舱上。激光经纬仪发射出的激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，轴向倾斜仪用来测量盾构机的滚动和倾斜角度，再根据激光经纬仪与激光靶之间的距离及各相关点的坐标等数据，激光导向系统就可以计算出当前盾构机轴线的准确位置。系统控制盒用来组织激光导向系统电脑与激光经纬仪和激光靶之间的联络，并向数据传输盒和激光靶供电。数据传输盒用来给经纬仪供电并传输数据。激光导向系统电脑则将系统获得的所有数据进行综合计算和评估，所得结果以图形或数字的形式显示在屏幕上。通过PPS 激光导向系统获取盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，盾构机操作手以此来调整盾构机的掘进方位，使盾构机的轴线接近隧道的设计轴线，两者偏差保持在很小的数值范围之内。

3 土压平衡盾构机各系统功能

通风系统：储风筒、风机、风管组成，采用压入式隧道通风原理，向隧道内的盾构机提供新鲜空气，并冷却主液压泵站、变频柜和变压器。

工业用气系统：由空气压缩机将压缩空气经储气罐、空气过滤器、干燥器供给各用气单元，如皮带运输机皮带张紧调节气缸，膨润土气动球阀，水箱注水气动球阀，泡沫系统气动隔膜泵和泡沫调整装置，油脂泵的气动控制阀等。

呼吸用气系统：由两个空气压缩机（一台工作，一台备用）将压缩空气经储气罐、呼吸用过滤器组供给人舱和前盾承压板上的法兰孔。

工业用水系统: 铺在隧道中的两个水管作为盾构机总进水回水管线，将蓄水池和进水卷筒出水卷筒连接起来。工业水经进水卷筒注入水箱。水泵从水箱吸入工业水，经溢流阀减压阀调整压力后输送到各耗水单元和设备冷却回路，如膨润土搅拌用水、泡沫混合用水、砂浆罐清洗、刀盘驱动变频电机的冷却、主轴承内外密封和刀盘驱动减速机的冷却等。

污水系统：为避免油缸、阀块、管路、电气设备等浸泡在水中，三个离心式污水泵将盾构机内的污水泥浆抽出，经污水管路输送到污水箱中，再由泥浆泵把污水箱中的污水抽到污水卷筒，经污水管路连接到地面的污水处理场。

泡沫系统: 泡沫泵从泡沫聚合物箱和泡沫活性物箱吸取发泡剂，与工业水混合后，进入泡沫调整装置。泡沫调整装置由流经液体流量计，溶液剂量调节阀的发泡剂与流经气体流量计，空气计量调节阀的压缩空气进入泡沫发生器，泡沫或注入螺旋运输机，或经旋转接头和刀盘上的泡沫出口喷射到开挖面，或经承压隔板注入开挖仓。泡沫注入开挖仓同土壤混合时，发泡剂的润滑作用减少了刀盘和土壤的摩擦，提高了所挖掘土壤的塑性流动，减少了刀盘扭矩和刀具磨损；可减少土壤的渗透性，使开挖仓传力均匀，工作压力变动小，有利于调整开挖仓压力，保证盾构机掘进姿态，控制地表沉降；泡沫可减小土体粘度，使之不附着于刀盘，有利于松散出土。

膨润土系统: 工业水与膨润土经旋流式混合器搅拌混合后，膨润土浆液被泵送到膨润土箱。离心定量泵将膨润土箱内的浆液泵送到前盾筒体沿圆周分布的喷射口。膨润土的注入可减少刀盘阻力，并形成泥膜效应，起到止水作用。在砂卵石地层掘进时向开挖仓注入膨润土浆液，可使渣土具有良好的流塑性，适合的粘度，较低的透水性和较小的摩擦力，顺利排渣。

注浆系统：隧道内的服务车将搅拌好的砂浆输送到带有搅拌器的浆液箱。注浆泵直接连接到盾尾圆周方向分布的注浆管上，盾构机掘进时，砂浆被同步注入隧道管片与土层之间的环隙，砂浆凝固后，就起到稳定管片和地层的作用。注浆系统可根据压力来控制注浆量的大小，通常按由小到大的顺序，这样可以使盾尾密封免受损坏，管片不受过大的压力，对周围土层扰动小。注浆可以防止地表变形，减少隧道沉降，增加管片接缝的防水功能，改善管片的受力状况，有利于盾构的纠偏。

集中润滑系统：风动干油泵将油脂经电磁换向阀和同步分流马达供送到主轴承内外圈迷宫密封腔室，用来润滑迷宫密封件的工作区域并阻止脏物侵入被密封区域的内部，内外圈的油脂压力由压力传感器监控。风动干油泵将润滑脂经节流阀，电磁换向阀，油脂分配器分别输送到主轴承内外唇形密封件之间的空间润滑唇形密封，阻止脏物进入，旋转接头密封润滑，仿形刀油脂润滑，铰接环密封润滑，螺旋伸缩润滑，螺旋运输机减速箱球面轴承润滑。

盾尾密封油脂系统：盾构机掘进时，风动干油泵将油脂经管路压送到三排盾尾刷和管片之间形成的两个腔室中，阻止注入管片背后的浆液进入盾体、密封前盾安全门滑道、润滑螺旋运输机收缩滑动表面。

稀油润滑系统：主驱动润滑系统采用工业闭式齿轮油。螺杆泵从主齿轮箱底部吸油，经过滤器，分配器注入到齿轮箱顶部润滑点，对齿圈齿面进行喷射润滑。

主液压系统: 主液压泵站油箱与推进铰接泵装置、管片拼装泵装置、螺旋运输机泵装置、安全门泵装置、管片运输机泵装置的吸油口相连接。油位由油箱上的低液位和极低液位两个液位传感器和直观的液位计监控，低液位报警时提醒操作者向油箱加油，极低液位报警时，主液压泵站自动停止工作。油箱侧面的直读温度表和温度传感器对油箱温度进行监控。油箱顶部有空气滤清器供油箱通风用。只有油液清洁度等级达到指定标准才允许起动泵装置。各功能泵通过管路与各自的控制阀块和执行元件相连接，完成相应的功能。

4 总结

本文针对北方重工集团有限公司盾构机分公司开发的NTU039 土压平衡式盾构机的结构，介绍了盾构机的刀盘、盾体、主驱动、保压人舱、管片拼装机、螺旋排土机构、后配套装置、电气系统、辅助设备等主要系统结构，分析了通风、用气、用水、污水、润滑、泡沫、膨润土、注浆等主要子系统的功能。随着科学技术的发展，电液比例控制技术、自动控制技术、常压换刀技术、测控技术等研究成果将更广泛地应用到盾构机的生产制造中。

1.钟坚. 盾构机技术研究. 广东造船，vol.31，NO.3，pp.37-42,2012

2.刘宣宇，邵诚. 盾构机自动控制技术现状与展望. 机械工程学报， vol.46，No.20，pp.152-160,2012

3.韩兴超. 土压平衡式盾构机的组成及工作原理. 科技资讯，No.7，pp. 101，2012

4. 法国NFM 技术公司. 土压平衡盾构机S19 型使用维护手册，2009 年10 月30 日首次发行

5. PPS 德国有限公司. Poltinger 精密定位系统，2006 年3 月