土压平衡盾构机尾盾设计

张宁宁　唐钰　邴绍丹

摘 要：本文简要介绍土压平衡盾构机应用范围，土压平衡盾构机尾盾设计，其中土压平衡盾构机尾盾设计主要针对尾盾密封设计以及尾盾转弯两方面进行介绍。

关键词：土压平衡盾构机；选型；尾盾；转弯；密封

中图分类号：U231 文献标识码：A

盾构机的设计主要取决于工程中地质条件，根据不同的地质设计不同种的盾构机，其中土压平衡盾构机广泛的应用于我国的很多城市，盾构机设计最基础的是尾盾设计，尾盾的设计主要取决于管片铺设要求，例如：沈阳地铁9号线要求铺设管片后管片内径5.4m，管片外径6m。通过管片与尾盾间隙这样就能给出盾构机尾盾内径尺寸。

一、土压平衡盾构机应用范围以及工作原理

1 土压平衡盾构机的应用范围：盾构机选型依据有很多标准，但选型主要还是取决于工程地质条件和工程中所遇到的状况，在工程地质条件与水纹地质条件变化很大的项目中建议选择土压平衡盾构机，目的是为了减少地下工程沉降风险。设备在西班牙马德里、丹麦哥本哈根、中国上海和香港等地，已证明了设备能够很好的发挥较高的掘进速度并且保证安全的工作环境，很好地控制了地面的沉降问题.

一般来说，土压平衡盾构机适合在含有细颗粒渣土的工作环境中工作，开挖室和螺旋输送机上的渣土应呈现塑性，比较理想的渣土包括粘土、淤泥、砂以及砾石等，并且含有25%～30%的水分，当然根据项目实际的地质条件，即使实际地质中没有达到以上要求仍可以采取人为的处理措施，比如注射泡沫、聚合物、浓度非常高的泥浆，充分改善泥土的特性，这样来满足土压平衡盾构机的工作需求。

2 土压平衡盾构机的工作原理：土压平衡盾构机的工作原理是通过控制土仓内已开挖渣土的压力（土仓压力）使其与盾构机前方水土压（水压+土压）压力相同，这样有效控制地表下沉的目的，同时渣土的改良使得渣土具备机器所要求的特性（止水性流动性塑性），以便于土仓控制压力和渣土的排出，尤其是在地质复杂的地层中工作时，土仓压力的控制以及渣土改良效果就显得尤为的重要.利用被开挖的渣土作为支承的方式可以更好地控制地表的沉降。開挖室里固体混合物的巨大惯性可以阻止渣土量异常变化引起的压力变化。这种惯性能起到稳定压力变化的效果。如果地质条件良好（刀盘前方稳定、低水压），盾构机可以快速转换成敞开模式，在大气压力下掘进，由于没有反压力，通常在这种情况下能够达到最佳的掘进速度。

二、土压平衡盾构机尾盾密封设计

尾盾结构由铰接环、尾盾本体、注浆管、注脂管组成，尾盾密封包括尾盾铰接环与中盾连接处密封、尾盾与管片形成的密封，其中两部分作用都是防止掘进过程中外部泥沙进入盾体中。

1 尾盾与中盾的密封：尾盾与中盾之间设计有三道密封，两道唇形密封、一道止浆板密封，密封之间利用油脂填充，止浆板是利用弹性钢板制成可以防止泥沙进入盾体，从而使得铰接运动自如，并能保证较好的密封。

2 尾盾与管片之间的密封：尾盾密封由3排用螺栓联接在尾裙上的盾尾钢丝刷和一排止浆板（钢板束）组成，尾盾尾刷由弹性钢板保护，三道尾刷形成两个环形空间，两个环形空间一直充满防漏油脂，油脂是由后配套上油脂泵注入，每个环形空间由焊接到尾盾上的注脂管注入，注脂是连续的并由注脂管进口处压力传感器监测压力，当盾构机开始掘进时注浆管向管片周围注射泥浆以便固定管片，当注浆管打浆时注浆处压力升高，尾刷外侧受到压力向里折叠与管片形成密闭空间阻止外部泥浆、砂砾进入，当管片注浆处压力过大尾刷容易过于向里折叠产生缝隙，这时尾刷里面注脂管向环形槽里继续注入油脂保持内外压力相对平衡，保持尾刷与管片相对密闭，始终阻止泥浆、砂砾的进入，为了安全起见最后一道密封不得漏出。

三、土压平衡盾构机尾盾转弯

盾构机尾盾本体为了方便井下安装分为上半、下半两个部分，在井下安装螺旋输送机与管片拼装机等后将尾盾上半部分安装并现场配焊，焊接处打磨光滑后将铰接环处的密封装好；尾盾铰接环处设置两圈对称截面分别倾斜2.5°的两个圆型槽，通过这两个倾斜的截面可以使尾盾与中盾有2.5°的活动区间，这样可以达到小角度的转弯，尾盾与中盾铰接油缸为被动铰接，转弯半径为250m。

结语

随着盾构机的应用越来越广泛对盾构机的要求也越来越高，盾构机的设计包括很多方面，其中首先必须考虑工程的地质条件，确定适合的盾构机，然后保证盾构机刀盘、盾体的强度和可靠性，同时考虑设计加工是否合理化，井下装配是否合理化。例如尾盾的上下分体给加工、装配、井下的二次装配带来了很大的便捷，此外还要考虑成本是否经济，在设计产品时，作为设计师要综合考虑各个方面的因素。

参考文献

[1]乐贵平.浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型[J].北京市政集团，2003，40（03）.

[2]代渊源.隧道施工盾构的分类及盾构机选型[J].城市建设理论研究（电子版），2015（06）.

[3]靳世鹤.南京长江隧道盾构机选型分析[J].建筑机械（上半月），2007（10）.