[00336134]软土土压平衡盾构机

1、课题来源背景 软土土压平衡盾构机是集机、电、液、传感、信息技术于一体,实现岩体破碎、出碴运输、衬砌支护、导向纠偏等掘进作业工厂化的大型隧道掘进装备,常用于软土地层的长距离隧道掘进。与钻爆法等传统工法相比具有安全、快速、高效、对环境干扰小和不受气候影响等特点,已广泛用于铁路、公路、水电、地铁和市政等需要穿越岩层的隧道工程,成为国际岩石隧道掘进的主流技术和发展方向。 2、技术创造性与优势 （1）系统集成设计、安装和调试技术 引进、消化、吸收国外盾构技术的基础上,在实践中形成了一套较为成熟的盾构安装和调试的系统技术,能针对所有的施工隧道软土地质条件设计、制造适用的盾构。形成一套系统的设计经验数据,掌握系统的安装、调试技术。 （2）模拟掘进和模拟密封的试验技术 1)多点数据采集及处理系统,实现模型盾构机的推力和推进速度、刀盘扭矩及应力分布、刀盘转速、螺旋机转速、密封舱压力、土箱内土体土压力及水压力、液压系统状态参数以及后配套系统状态等参数的实时监测; 2)针对软土层、砂粘土互层、薄覆土层、沙砾层、强透水条件等典型工况存在岩土均一性差、物理力学特性差异大等特点,进行盾构机选型、盾构掘进施工参数（推力、推进速度、刀盘形式 、刀盘转速、进排泥流量、土压力控制等）及盾构施工方案等的研制; 3)开展刀具掘削机理与耐磨性实验,研究软土地质条件下刀具材料、几何参数、布局和切削条件对切削效率的影响,分析刀具磨损、损伤、断裂等失效形式的微观机理和宏观表征,研究开口位置、开口率、刀具选型、布局等拓扑结构参数对刀盘整体强度、刚度、掘进界面稳定性及掘进效率的影响,进行优化刀盘刀具力学参数和优选最佳刀具材料的研究。 （3）软土式刀盘及刀具布置 根据地质条件,通过FEA有限元进行受力分析计算,在保证强度的基础上,选择适合的钢材材质与重量。刀盘的本体采用Q345低合金高强度结构钢（机械强度是普通Q235的1.5倍）;连接法兰,支撑板和刀盘周边采用强度更高的Q690结构钢（机械强度是Q345的2倍）,确保将主驱动系统产生的扭矩传递至刀具,进而使刀具发挥出最大的破岩能力。 刀盘面板周边堆焊耐磨层,刀盘周边焊接硬质合金保护刀。根据地质条件（含砂量较高情况下,刀盘面板全部堆焊耐磨层）。刀盘开口率为50%。也可根据地质条件改为70%,大大提高掘进及出渣效率。并且刀盘中间部位开口率较高,配合刀盘中心的泡沫注射点,使得渣土不易在中心区域形成泥饼,导致掘进效率下降。并且,刀盘的最大通过粒径为300mm,与螺旋输送机的最大通过粒径相匹配,有效避免过大粒径渣土进入土舱并卡死螺旋输送机。 软土土压平衡盾构机的主要切削刀具是刮刀,其切削原理则主要是盾构机向前推进的同时,刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力,不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。刀盘刀具布置采用刀具牙型交错连续排列方式,切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌;刀具的切削轨迹布满开挖全断面;设置了切削刀、超前刀、中心刀、仿型刀等几种刀具,并采用主副刀不同的切削高度差,延长刀具使用寿命。超前刀在刮刀切削土体之前先行切削土体,将土体切割分块,为切削刀创造良好的切削条件。采用超前刀,一般可显著增加切削土体的流动性,大大降低切削刀的扭矩,提高刀具切削效率,减少切削刀的磨耗。 （4）螺旋输送机 螺旋输送机设计为叶片周边驱动带式螺旋输送机,这样可以实现输送机尾部直接出渣。这样一来使得渣土的通过更为顺利,减小了螺旋输送机卡死的可能,二来使得皮带机的倾斜角度变小,防止高含水渣土中的水份顺皮带机逆行流下污染工作环境,三来适用于较大颗粒的砂卵石和块石的运输。尽可能增加盾构机最大排出卵石（砾石） 的能力。螺旋输送机尾部采用双闸门设计,并在两道闸门之间预留保压泵的接口。这样使得在通过有喷涌危险的地层时,能够实现双闸门开闭式出土,有效保持刀盘土舱内的压力,并且避免过量的水或渣土直接从螺旋输送机中喷出。 3、适用范围和推广情况： 产品适用于地铁、公路、铁路、市政、水利等隧道工程建设。产品客户有中铁二十五局、辽宁北铁建工有限责任公司、中铁七局等单位,已应用于长春地铁一号线、成都地铁六号线、西安地铁四号线等施工现场,创造了当地地铁施工日进尺和月进尺的最高记录。用户信息使用情况表明：该产品配置较高、功能齐备、运行稳定、性能可靠,产品在施工过程中掘进速度快、效率高、自动化程度高、有效地降低了施工成本。 4、获奖情况 2016年辽宁省“专精特新”产品奖。 2016年辽阳市科技进步一等奖。