盾構選型及參數計算方法x

1、盾構選型及參數計算方法 1.1、序言 盾構是一種專門用于隧道工程的大型高科技綜合施工設備， 它具 有一個可以移動的鋼結構外殼（盾殼），盾構內裝有開挖、排土、拼 裝和推進等機械裝置，進行土層開挖、碴土排運、襯砌拼裝和盾構推 進等系列操作，使隧道結構施工一次完成。它具有開挖快、優(yōu)質、安 全、經濟、有利于環(huán)境保護和降低勞動強度的優(yōu)點，從松散軟土、淤 泥到硬巖都可應用，在相同條件下，其掘進速度為常規(guī)鉆爆法的 4 10倍。較長地下工程的工期對經濟效益和生態(tài)環(huán)境等方面有著重大 影響，而且隧道工程掘進工作面又常常受到很多限制，面對進度、安 全、環(huán)保、效益等這些問題，使用盾構機無疑是最好的選擇。些外， 對修建

2、穿越江、湖、海底和沼澤地域隧道，采用盾構法施工，也具有 十分明顯的技術和經濟優(yōu)勢 。 采用盾構法施工，盾構的選型及配置是隧道施工中關鍵環(huán)節(jié)之 一，盾構選型應根據工程地質水文情況、工期、經濟性、環(huán)境保護、 安全等綜合考慮。盾構的選型及配置是一種綜合性技術，涉及地質、 工程、機械、電氣及控制等方面。 1.2盾構機選型主要原則 1.2.1盾構的選型依據 盾構選型主要應考慮以下幾個因素： 1） 工程地質、水文條件及施工場地大小。 2） 業(yè)主招標文件中的要求。 3）管片設計尺寸與分塊角度。 4） 盾構的先進性、適應性與經濟性。 5） 盾構機廠家的信譽與業(yè)績。 6） 盾構機能否按期到達現場。 122盾構的

3、型式 1） 敞開式型盾構 敞開式型盾構是指盾構內施工人員可以直接和開挖面土層接觸， 對開挖面工況進行觀察，直接排除開挖面發(fā)生的故障。這種盾構適用 于能自立和較穩(wěn)定的土層施工，對不穩(wěn)定的土層一般要輔以氣壓或降 水，使土層保持穩(wěn)定，以防止開挖面坍塌 。有人工開挖盾構、半機 械開挖盾構、機械開挖盾構。 2） 部分敞開式型盾構 部分敞開式型盾構是在盾構切口環(huán)在正面安裝擠壓胸板或網格 切削裝置，支護開挖面土層，即形成擠壓盾構或網格盾構，施工人員 可以直接觀察開挖面土層工況，開挖土體通過網格孔或擠壓胸板閘門 進入盾構。根據以往大量工程經驗， 通常都將擠壓胸板和網格切削裝 置組合在一起安裝在盾構上，形成網格

4、擠壓盾構。這種盾構適用于不 能自立、流動性在的松軟粘性土層、尤其是對隧道沿線地面變形無嚴 格 要求的工程。當盾構采用網格開挖時，應將安裝在網格后面的擠 壓胸板部分或大部分拆除，利用網格孔對土層的摩擦力或粘結力對開 挖面土層進行支護，當盾構向前推進時（一般是盾構穿越江湖、海底 或沼澤地區(qū)），應將擠壓胸板裝上，盾構向前推進時，可將土體全部 排擠在外面，不進入盾構；另外也可根據具體情況和盾構推力在大小 和方向控制要求，選擇和操縱擠壓閘門控制一定的進土量， 以使盾構 順利掘進。 有時在網格裝置和擠壓板后面加裝一道隔艙板形成一道泥土艙， 然后向泥土艙注水并與棄土攪拌形成泥漿，再通過管道將棄土泥漿排 往地

5、面，可進一步提高施工效率，改善隧道內施工環(huán)境。 3）封閉型盾構 封閉型是在盾構切口環(huán)和支承環(huán)之間增設一道密封隔艙板， 在開 挖面的土層和密封隔艙板之間形成密封泥土艙， 盾構施工時，通過對 密封泥土艙中的壓力進行控制，使其與開挖面土層水、土壓力保持平 衡，從而使開挖面土層保持穩(wěn)定。施工人員不能直接觀察開挖面土層 工況，而是通過各種檢測傳感裝置進行顯示自動控制。 封閉型盾構主 要有泥水加壓式和土壓平衡式兩大類型。 （1）泥水加壓盾構 在盾構內設一道密封隔艙板，在隔艙板與開挖面土層之間形成密 封泥水艙，在泥水艙內充以壓力泥漿支護開挖面土層， 利用泥漿壓力 平衡開挖面土層水、土壓力，并在土的表面形成一

6、層不透水的泥膜， 同時泥漿中的細微粘粒在極短時間內滲入土層， 有利于增強土層自立 能力。由刀盤開挖下的泥土經刀盤切削攪拌和攪拌機攪拌后， 形成濃 稠泥漿， 用管道排送到地面處理場，再通過分離處理排除土碴，余下 漿液經濃度、比重調整后又重新送入盾構循環(huán)使用。 泥水加壓盾構適用于土層范圍很廣， 從軟弱粘土、 砂土到砂礫都 可適用。對一些特定條件下的工程，如大量含水砂礫，無粘聚力、極 不穩(wěn)定土層和覆土淺的工程，尤其是超大直徑和對地表變形要求高的 工程都能顯示其優(yōu)越性。另外對有些場地較寬、有豐富水源和較好排 放條件或泥漿僅需作簡單沉淀處理排放的工程， 這種方法可較大地降 低施工成本。 泥水加壓盾構刀盤

7、，多使用面板式結構，進土槽口寬度應按土質 而定，一般槽口寬應小于排泥管口徑， 以免大塊石堵塞管道， 刀盤開 口率一般在8% 10%左右。 采用泥水加壓盾構施工，不需輔以其它（氣壓、降水）工藝來穩(wěn) 定開挖面土層，其施工質量好、效率高、安全可靠。然而它需要一套 技術較復雜的泥水分離處理設備，投資較高，占地面積大，尤其是在 城市施工困難較大。 （2） 土壓平衡式盾構 在盾構密封泥土艙內利用開挖下的泥土直接支護開挖面土層， 既 具有泥土加壓盾構的優(yōu)點，又消除了復雜的泥水分離處理設施， 受到 工程界的普遍重視。土壓平衡式盾構可根據不同的地質條件采取不同 的技術措施，設計成不同的類型，能適應從松軟粘性土到

8、砂礫土層范 圍各種土層內各種土層施工。 a）普通型的土壓平衡式盾構 普通型的土壓平衡式盾構適用于松軟粘性土， 由刀盤切削下的泥 土進入泥土艙，再通過螺旋輸送機向后排出。由于經過刀盤切削和擾 動，會增加泥土的塑流性，在受到刀盤切削和螺旋輸送機傳送后也會 變得更為松軟，使泥土艙內的土壓力能均勻傳遞。 通過調節(jié)螺旋輸送 機轉速或調節(jié)盾構推進速度，調節(jié)密封泥土艙內的土壓力，并使其接 近開挖面靜止土壓，保持開挖面土層的穩(wěn)定。 普通型土壓平衡式盾構一般使用面板式刀盤，進土槽口寬在 200500伽左右， 刀盤開口率約為20%- 40%另外在螺旋輸送機排 土口裝有排土閘門，有利于控制泥土艙內土壓和控制排土量。

9、 b）加泥型的土壓平式衡盾構 當泥土含砂量超過一定限度時， 土和砂的流動性就差， 靠刀盤切 削擾動，難以使泥土達到足夠的塑流狀態(tài)，有時會壓密固結，產生拱 效應。當地下水量豐富時，通過螺旋輸送機的泥土，就不能起到止水 作用，無法進行施工。此時，應在普通型土壓平衡式盾構基礎上增加 特殊泥漿壓注系統(tǒng)，即形成加泥型的土壓式平衡盾構。對刀盤面板、 泥土艙和螺旋輸送機注入特殊粘土泥漿材料，再通過刀盤開挖攪拌作 用，使之與開挖下來的泥土混合，使其轉變?yōu)榱鲃有院煤筒煌杆阅?土，符合土壓平衡式盾構施工要求，符合土壓平衡式盾構施工要求。 為了降低刀盤傳動功率和減小泥土移動阻力，加泥型土壓平衡式盾構 刀盤為有幅條

10、的開放式結構，開口面積接近 100%并在刀盤背面安 裝能伸出來若干能對土砂攪拌的葉片 ，以便對土砂進行強力攪拌， 使其變成具有塑流性和不透水性的泥土。另外， 要求注入濃度、粘 性更高的泥漿材料才能改變土砂的功能時， 往往難以用刀盤攪拌達到 目的，這將大大增加刀盤和螺旋輸送機的機械負荷， 造成盾構施工困 難。此時應注入發(fā)泡劑代替泥漿材料，因為發(fā)泡劑材料比重小、攪拌 負荷輕，可使刀盤扭矩降低50噓右。盾構排出土砂中的泡沫會隨時 時間自然消失，有時在泥土中加入消泡劑，可加速泡沫的消失，保 持良好的作業(yè)環(huán)境。 c）加水型土壓平衡式盾構 在砂層、 砂礫層透水性較大的土層中， 還可以采用加水型土壓平 衡盾

11、構。這種盾構是在普通型土壓平衡式盾構基礎上，在螺旋輸送機 的排土口接上一個排土調整箱，在排土調整箱中注入壓力水，并使其 與開挖面土層地下水壓保持平衡。經過螺旋輸送機將棄土排入調整箱 內與壓力水混合后形成泥漿，再通過管道向地面排送。 開挖面的土壓， 仍由密封的泥土艙內土壓來平衡。 盾構掘進時，刀盤不停地對土層進 行開挖和攪拌，使密封的泥土艙內的土砂處于均勻狀態(tài)， 土砂顆粒之 間的空隙被水填滿， 減少了土砂顆粒之間有效應力，增加了流動性， 從而能順暢地通過螺旋輸送機送入排土調整箱。 在調整箱內通過攪拌 混合，向地面處理場排放。 加水型土壓平衡盾構的泥水排放系統(tǒng)與泥水加壓盾構相似， 但注 入的主要是

12、清水，無粘粒材料，無需對注入的水進行濃度、比重控制， 泥水分離處理設備和工藝也大為簡化。這種盾構刀盤一般使用面板式 結構，進土槽口尺寸可根據土體中礫石最大尺寸來決定， 刀盤開口率 一般在 20%- 60%左右。 d）泥漿型土壓平衡式盾構 這種盾構適用于土質松軟、透水性、易于崩塌的積水砂礫層覆土 較淺、泥水易噴出地面和易產生地表變形的極差地層的施工。 這種盾 構具有土壓平衡盾構和泥水加壓盾構的紡織系統(tǒng)雙重特征。 盾構掘進 時，應向盾構內注入高濃度泥漿，通過攪拌，使土砂混合成泥土，并 充滿泥土艙，支護開挖面。由于從螺旋輸送機的排土口裝上一個旋轉 排土器既可保持泥土艙內土壓的穩(wěn)定，又可不斷地從壓力區(qū)

13、無壓區(qū)內 順利排出。但從排土器排出的泥土呈泥漿狀，不能用排送干土方式， 排送向地面，同時泥漿濃度較高，無法通過管道排出，從螺旋輸送機 排出的泥土，是在泥漿槽中經水稀釋后再以流體形式通過管道排往地 面。 這種泥漿型土壓平衡盾構機的泥土艙的泥漿供入系統(tǒng)和排出系 統(tǒng)是兩個回路，所以從泥漿排出系統(tǒng)操作所造成的壓力波動，對泥土 艙內支護壓力無大影響，使盾構操作控制更為簡便。 這種泥漿型土壓平衡盾構機通常采用面板結構，進土槽寬度可按 土層中最大礫石尺寸決定。刀盤開口率一般在 40%- 60注右。由于 泥漿型土壓平衡盾構多用于巨礫土層，因此排土多采用帶式螺旋輸送 機，可比同樣大小中心軸式螺旋輸送機排出的石塊

14、粒徑大一倍左右。 (3) 復合型盾構(盾構掘進機) 采用盾構掘進長距離隧道，會遇到復雜多變的地質條件，往往用 一種類型的盾構難以完成施工任務，因此出現了復合型盾構。 所謂復合型盾構，就是在軟土盾構的刀盤上安裝切削巖層的各式 刀具，有的還在盾構內安裝碎石機， 這種硬巖開挖工具與軟土隧道盾 構機械相結合，能在硬巖和軟土地層交替作業(yè)。復合型盾構刀盤上安 裝的刀具，應根據不同巖層條件而定。 軟土地層：主要采用割刀。安裝在刀盤進土槽口兩側。 硬巖地層：主要采用盤式滾刀，對于更堅硬的地層，應安裝牙輪 形和鑲嵌碳化鎢珠形的滾輪刀。 軟硬混合交替夾層：應采用不同形式的刮刀取代滾刀，其開挖方 法是刮下塊狀石塊，

15、使其對軟塑土層更有效地進行開挖。 上述各種刀具，應能相互調換，以便隨巖層的變化進行有效選擇。 復合型盾構主要有以下三種類型： a） 泥水加壓型復合盾構 以泥水加壓盾構為基型，與硬巖開挖技術相結合，對大塊卵石、 塊石應在盾構內安裝碎石機。當盾構地軟土層施工時，可按封閉型泥 水加壓盾構進行施工；當遇到硬巖地層施工時，在刀盤上安裝不同的 硬巖切削刀具即能快速轉換成敞開型機械盾構施工， 而碴土排送仍采 用水力管道排送。 b） 土壓平衡型復合盾構 以土壓平衡盾構為基礎，與硬巖開挖技術相結合，當盾構在軟土 層施工時，可按封閉型土壓平衡盾構進行施工； 而當遇到 硬巖地層 施工時，在刀盤上安裝不同刀具就能快速

16、轉換成敞開型機械盾構施 工，為了排送尺寸較大的石塊，可選用帶式螺旋輸送機。 c） 敞開型復合盾構 以普通機械開挖盾構為基型，與硬巖開挖技術相結合，施工時只 要根據遇到的不同土層條件，及時轉換安裝適當的刀具，就能使施工 繼續(xù)進行。 由于盾構掘進機，適應性較廣，主要以它為例。 1.3盾構掘進機的工況的轉換 盾構掘進機具有土壓平衡狀態(tài)和非土壓平衡狀態(tài)兩種工況， 能夠 適應軟、硬兩種地層的施工。根據地質情況，能夠實現兩種工作狀態(tài) 的互換。盾構掘進機從非平衡狀態(tài)向土壓平衡狀態(tài)下的過渡： 根據地 質超前預報的信息，在前方遇到圍巖不穩(wěn)定的軟土地帶、 斷層帶及涌 水幾率較高的地段時，及時關閉螺旋輸送機的閘門，

17、在盾構掘進機的 密封隔板與開挖面形成的密封碴艙和螺旋輸送機內充滿刀盤切削下 來的碴土，在盾構掘進機推進油缸的推動作用下， 給泥土倉內的碴土 施加壓力，通過控制出土量，保持泥土倉的土壓力與開挖面的土壓相 平衡，從而起到穩(wěn)定開挖面地層，防止地表變形的作用，來實現從非 土壓平衡狀態(tài)向土壓平衡狀態(tài)的轉換。 盾構掘進機從平衡狀態(tài)向非土壓平衡狀態(tài)下的過渡： 在巖石穩(wěn)定 性好的地段，盾構掘進機可以在非土壓平衡下進行隧道施工， 不需要 維持泥土倉的壓力來穩(wěn)定開挖面， 可排空碴倉，此時因為碴倉內沒有 土壓力，盾構掘進機有較高的掘進速度并且易于操作。 1.4、盾構掘進機的功能描述 1.4.1、推進特點 1) 土壓

18、平衡盾構的推進 盾構掘進機具有土壓平衡功能，在通過地層斷裂帶及工作面不穩(wěn) 定時，可以建立土壓平衡，確保工程安全和工程質量； 土壓平衡盾構適應在殘積層、 全風化層、強風化層等軟弱圍巖中 進行掘進，根據碴土的塑性和流動性，在刀盤前和土倉內注入膨潤土、 高濃度泥漿、發(fā)泡劑等，與刀盤切削下來的巖土在土倉內進行攪拌， 使其變?yōu)樗苄缘耐馏w，通過控制掘進速度和調節(jié)螺旋機的轉速兩個方 面來控制出土量，以調整切削腔室的土壓的穩(wěn)定，達到保持開挖面的 穩(wěn)定和控制地面沉降的目的，土倉內的土壓力需在施工中根據地面的 沉降量不斷修正，土壓力過小會引起地表沉降，土壓力過大會引起地 表隆起。 2）非土壓平衡盾構的推進 當工作

19、面巖土穩(wěn)定時，也可以加大排土量，排空泥土倉的土碴， 在泥土倉的壓力處于不平衡狀態(tài)下進行正常掘進。 非土壓平衡盾構適應于在中風化層、微風化層等硬巖中進行掘 進，因巖石的穩(wěn)定性好，尤其是微風化層天然單軸極限抗壓強度最高 達44.645.8 MPa，盾構可以在非土壓平衡狀態(tài)下進行隧道施工，不 需要靠泥土倉的壓力來穩(wěn)定開挖面， 可將土倉內的碴土排空，用管片 襯砌背后及時注漿的方法來控制地面沉降。 盾構主要依靠盤形滾刀來 破碎巖石，滾刀在盾構掘進機的推進作用下壓入巖體，碾碎巖石。滾 刀在刀盤上按螺旋線排列，使得在整個工作面上的巖石均被破碎。 在掘進的同時，注入泥漿及添加劑，一方面泥水可降低切割巖石 的摩

20、擦力，減小刀盤扭矩，同時也起到輔助破巖的作用。 當切削刀盤旋轉開挖，盾構掘進機有一個自然趨勢滾向相反的方 向，為確保盾構掘進機的穩(wěn)定，在盾構掘進機的前部設有一對撐靴， 當在開挖較硬的地層而出現滾動時，將撐靴伸出，撐在隧道周邊上， 它能抵抗這種滾動趨勢。 3） 盾構掘進機在軟、硬不均斷面地層中的推進 盾構掘進機在穿越殘積層、全風化層與微風化層的混合斷面時， 盾構掘進機姿態(tài)可能會向軟弱地層的方向偏移。 可以采取將偏移方向 的推進油缸的工作油壓提高，同時降低相反方向推進油缸的工作油 壓，使盾構的掘進機推進力形成糾偏力矩， 依此來調整盾構掘進機的 姿態(tài)。 4） 盾構掘進機穿越斷層帶的推進 比如，在廣州

21、火車站至三元里站區(qū)間，走馬崗斷裂帶在隧道底部 通過；在越秀公園附近有一廣從斷裂帶，這些斷裂破碎帶富水性較好， 施工時可能出現涌水現象，在該段地層中，采用土壓平衡工況掘進是 非?？煽康摹?5） 盾構掘進機穿越火車站的推進 比如， 盾構掘進機在穿越廣州火車站時， 為保障鐵路不減速的運 行安全，主要應滿足軌道的沉降要求?？梢圆扇∫韵麓胧?a）在鐵路兩側設沉降觀測點，進行跟蹤測量，及時通知開挖面 優(yōu)化盾構掘進參數，切實保證開挖面的土壓平衡，使土倉壓力波動控 制在最小的幅度，盡可能減少盾構掘進機對周圍土體的擾動。 b) 采用及時和二次注漿， 及時對管片襯砌盾尾間隙進行充填注 漿，10m后再進行補壓漿。

22、 c) 在穿越鐵路時，進行管片外23m的徑向壓力劈裂注漿；控 制地層沉降引起的軌道下沉，保證列車安全運行。 1.5.主要機構的功能描述 此次投標選用的是盾構掘進機，主要由盾殼、刀盤、推進系統(tǒng)、 螺旋輸送機、盾尾密封、鉸接裝置、管片拼裝機、撐靴、后配套設備 等機構組成。 1) 盾殼 盾殼是一個用厚鋼板焊接的圓柱形筒體， 是盾構受力支撐的主體 結構。其作用： (1) 承受地下水、土壓力，盾構千斤頂的推力及各種施工荷載； (2) 支承和安裝各類機電設備及管片； (3) 保護操作人員的安全。 盾殼沿長度方向分切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分。盾尾后端安裝 有盾尾密封。 2) 刀盤 刀盤用來開挖土體，同時具有

23、攪拌泥土的功能。刀盤是幅條式結 構，幾十把盤形滾刀以螺旋線布置在幅條上，能夠全斷面的破碎圍巖。 滾刀設計成背裝式，實現在泥土倉內對損壞的滾刀進行更換， 消除了 在盾構掘進機刀盤前端維修保養(yǎng)刀具的危險。切割刀對稱安裝在幅條 的兩側，刀盤用螺栓、螺母固定，可以更換。 裝在泥土倉內的壓力傳感器，可以使操作人員隨時察看艙內的土 壓力，以便及時并準確地調整開挖參數。 比如，廣州地鐵二號線越秀公園站三元里站盾構法施工地段既 有軟土，又有硬巖，還有軟土和硬巖的混合斷面的地質特點，我們采 用盤形滾刀和割刀組合布置的刀盤。 這種方式的刀盤具有較強的地質 適應能力，割刀用以開挖砂土層、粘土和強風化巖層等軟弱圍巖，

24、盤 形滾刀則用來對較硬的中、微風化巖層進行全斷面破碎開挖。 3） 刀盤驅動系統(tǒng) 刀盤驅動系統(tǒng)用以驅動刀盤旋轉， 對土體進行擠壓和切削。主要 由大軸承、大齒圈、密封圈、減速器及馬達等組成。 刀盤用高強度螺栓與大齒圈連接，大齒圈即為大軸承的回轉環(huán)， 馬達帶動減速器輸出軸上的小齒輪， 小齒輪與大齒圈嚙合，從而驅動 刀盤旋轉。大軸承既承受刀盤的自重，又承受盾構掘進機的推進力， 是盾構掘進機的主要組成部件。為了獲得最大的主軸承壽命，設置有 密封裝置，密封由加壓潤滑油系統(tǒng)來潤滑。 盾構掘進機在開挖軟弱圍巖時，采用高扭矩，低轉速的工況；當 盾構切削硬巖時，增大流量，采用低扭矩、高轉速的工況。 4） 鉸接裝置

25、 比如，廣州地鐵二號線越秀公園站三元里站盾構法施工地段的 線形條件：最小平面曲線半徑為 350m最小豎曲線半徑2000m為了 使盾構掘進機適應曲線段的推進，能夠靈活轉向，把盾掘進機設計成 鉸接式，從而易于轉彎，減小曲線超挖量；并能減少頂進時管片的偏 壓，提高隧道施工質量，也易于對掘進方向隨時進行修正。 鉸接裝置使盾構掘進機分成前后兩段，兩段之間通過鉸接千斤頂 操作，可使盾構掘進機前后兩段繞鉸接中心沿圓弧面上下、 左右回轉， 滿足盾構掘進機順利轉彎和坡度的要求， 使盾構掘進機轉彎方便，減 少曲線超挖量及對土體的擾動。 盾構掘進機鉸接處設有機械限位，以保證盾構掘進機推進時前后 節(jié)絕對不會脫開，并保

26、證達到設計轉角位移要求。 鉸接裝置設內外兩 道密封，以防泥水進入。 5） 人行閘門 在盾構掘進機密圭寸隔板處設有一道人行閘門，閘門處有一氣壓 倉。在土壓平衡工況下施工需要進入泥土密封倉內排除障礙或調換切 削刀具時，先將泥土倉內充以壓縮空氣，用以疏干并支護開挖面土體， 然后人員再通過氣壓倉的加、減壓過渡而出入泥土倉。 6） 推進系統(tǒng) 盾構掘進機是通過沿支承環(huán)周邊布置的盾構掘進機千斤頂支撐 在已安裝好的管片襯砌上所產生的反作用力而前進的。 為了不使千斤 頂端部承受管片的集中荷載，造成偏心荷重，支座設計成鉸接式，并 設置支板均勻地將力傳遞到管片的環(huán)面上。 把盾構千斤頂分成掘進機若干扇區(qū)，每個扇區(qū)由一

27、只電磁比例減 壓閥控制， 用來調節(jié)各組扇區(qū)千斤頂的工作壓力， 從而糾正或控制盾 構推進的方向，使符合設計軸線的要求。 7） 撐靴 撐靴的主要作用是防止盾構掘進機的滾動。 當切削刀盤旋轉對硬 巖切削開挖時，機器有一個滾向相反的方向自然趨勢， 尤其是在硬巖 地層中，盾殼構的外殼與洞壁之間的摩擦力較小，這種滾動更加明顯， 在盾構掘進機前部設有一對撐靴，可能出現較大滾動時，將撐靴伸出， 撐在隧道壁上，它能產生抵抗這種滾動的反力矩。 撐靴主要是由支撐 靴板、支撐油缸和支撐座組成。不需要時，可以收回撐靴。 8） 泥漿及添加劑的注入機構 為了改善開挖下來的碴土的塑性化流動， 注入設備必須將足夠數 量的泥漿及

28、添加劑注到適當的位置。泥漿及添加劑的注入機構主要由 攪拌土箱、壓注泵組、輸送管路、注入口組成。 穿越軟土時，在泥土倉內加注泥漿或發(fā)泡劑等添加劑， 可以改善 碴土的和易性，確保螺旋輸送機的出土順暢，有效地調節(jié)土倉內的壓 力。 當盾構掘進機穿越較硬的巖層時，泥水可降低刀盤面板與巖土摩 擦力，減小刀盤扭矩，同時起到冷卻滾刀，延長刀頭的壽命和輔助破 巖的作用。 9） 螺旋輸送機 螺旋輸送機的主要功能是：一是排土；二是通過調節(jié)轉速控制出 土量，保持密封倉內土壓穩(wěn)定；三是螺旋輸送機為密閉式的輸送裝置， 可防止水滲漏到盾構內。 螺旋輸送機由螺旋葉片、外殼、排土閘門等部件組成。螺旋輸送 機變速可逆轉。泥土入口

29、端裝在盾構泥土艙底部，穿過密圭寸隔板固定， 傾斜安裝。螺旋輸送機出碴口安裝滑動式閘門，用以防水。 螺旋輸送機為可伸縮式，當在土壓平衡狀態(tài)時，泥土具有可塑性， 螺旋輸送機的葉片和集料斗縮回，泥土可順利排出；在非土壓平衡狀 態(tài)時為便于集料，螺旋輸送機葉片和集料斗向前伸出。 由于螺旋輸送機能排出巖碴的最大粒徑是有限的， 為防止螺旋輸 送機被卡死，采用二次破碎的方式，對進入泥土艙內大的石塊進行破 碎，以適應裂隙發(fā)育的硬巖地層。 10） 密封盾尾 密封盾尾，用以防止地層中的泥土、泥水、地下水和襯砌外圍注 漿材料從盾尾的間隙中漏入盾構。由三道鋼絲刷和一道彈簧鋼板組 成。在每兩道密封之間注入密封材料、油脂等

30、，作為防高壓水措施， 以提高密封效果，并可減少鋼絲刷密封件與隧道管片外表面之間的磨 擦，延長密封件的壽命。 11） 背襯充填與注漿系統(tǒng) 采用盾構法施工的隧道，是沿著盾構掘進機的外殼進行開挖的， 而作為襯砌的管片則是在盾尾組裝起來的，所以當盾構掘進機推進 時，圍巖與管片間由于盾尾的抽脫及超挖等原因就形成了空隙， 這一 空隙如不加處理地擱置，不可避免的上面的圍巖要向下沉降， 其結果 是發(fā)生波及地表的地面沉陷，嚴重的會危及地表建筑物的安全，因此, 及時地進行背襯充填與注漿可以起到壓實松動的圍巖 ，以防地表沉陷，提高隧道防水性，防止管片漏水，將管片與圍巖一體化，確保管 片襯砌的穩(wěn)定。 12) 管片拼裝

31、機構 拼裝機的功能是安全且迅速地把管片組裝成所定形式， 它具有伸 縮臂、夾具前后移動以及臂回轉的功能。 拼裝機回轉由馬達驅動；管片的軸向平移和封頂塊的軸向移動， 由平移千斤頂操作夾持器來完成；管片的提升由液壓油泵操縱。這些 液壓缸和馬達由一個獨立的液壓泵站供油， 簡化了管線布置，避免了 管線的機械運動。 由于管片的自重造成管片安裝位置不準確， 嚴重影響下一環(huán)管片 的安裝和管片環(huán)的受力狀態(tài)，為此，在組裝管片時，可用真圓度保持 器對管片進行位置矯正，保持管片的真圓度。真圓度保持器具有前后 移動和徑向頂壓的功能。 1.6、盾構機的主要性能 用于西班牙馬德里工程的盾構機 地質：石灰石、泥灰?guī)r、粘土 ；

32、刀盤切削直徑 6140mm ; 抗壓強度 3501050Kg/cmf (35MPar 105MPa ; 刀盤扭矩：154 t m; 推力：584t。 用于美國尤克利得隧道工程的盾構機 地質：頁巖、粘土 ； 刀盤切削直徑： 5970mm;抗壓強度：141Kg/c (14.1MPa); 刀盤扭矩：111 t - m; 推力：2268t 用于新加坡隧道工程的盾構掘進機 地質：砂巖、泥巖、粘土、沖積土 ； 刀盤直徑： 6550mm 刀盤功率：945Kw;掘進速度1883m/周 用于英格蘭某工程的盾構掘進機 地質：砂巖、石灰石、淤泥、粘土 ； 刀盤直徑： 7350mm;掘進速度：7.537.5m/周 1

33、.7方案實例 針對工程標段的地質條件、線路條件、周邊環(huán)境以及施工、工期 要求，我們先后同羅賓斯、川崎、海瑞克、小松等盾構生產廠家進行 多次技術交談，他們所提供的設備方案，都選用了復合式盾構掘進機, 其結構特點如表3-4所示。 盾構掘進機結構特點比較表3-4 項目 羅賓斯 川崎 小松 海瑞克 適應的 地質條 件 砂土、泥土、軟巖、強、中、 微風化巖，巖石抗壓強度 208 OMPa 同左。巖石抗壓強度 57 MPa 同左。巖石抗壓強度 3 460MPa 砂土、泥土、軟巖、強、中、 微風化巖， 刀盤與 切削原 理 采用混合型刀盤，其上安裝了 用于巖石切割的盤型滾刀和用 于軟土開挖的切刀，其中 17

34、吋 的盤型滾刀37 個，切刀與邊刀 共 84 把。當開挖面處于巖層時， 盾構以敞口開挖方式進行切削 推進。當開挖面處于軟土和不 穩(wěn)定地層時，則以保持開挖面 穩(wěn)定的土壓平衡方式進行切削 開挖。 混合型刀盤，其上安裝 了 17 吋的正滾刀 35 把， 15.5 吋的中心刀、邊刀、 超挖刀各 2 把，切刀 48 把，切削原理同左。 混合型刀盤，其上安裝了 17吋的單刃盤刀 25把， 雙刃盤刀 8把，切刀 140 把，邊刀 17 把，切削原 理同左。 混合型刀盤，其上安裝了 1 7吋的雙刃盤刀 21把，切 刀64 把，邊刀 8 把，超挖 刀 1把，切削原理同左。 螺旋輸 送機 螺旋輸送機為中心軸式，進

35、口 端位于泥土艙的底部，以利于 排空土艙內的土碴。最大通過 粒徑為 300mm 螺旋輸送機為中心軸 式，進口端不在底部， 當進行敞口開挖巖層 時，螺旋機和導料板即 可伸入泥土艙內，有利 于巖碴的輸岀，并由螺 旋機的中段岀料口岀 碴。當處于軟土和不穩(wěn) 定地層時，螺旋機又縮 回原位，以利于泥土艙 內水、土壓力的控制， 最大粒徑 250300mm 螺旋機為帶狀式，其結構 較小，最大排岀粒徑可達 450mm 進口端位于泥土 艙的底部，以利于排空艙 內的土碴。 螺旋輸送機為中心軸式，螺 桿可伸縮， 當處于巖層時， 螺桿伸入泥土艙內的底部， 有利于巖碴的排岀，有利于 兩種不同切削過程的轉換。 最大排出粒徑

36、為 250mm 主要性 能參數 刀盤切肖憧徑 6200mm 刀盤最大 轉速 3rpm，刀盤扭矩（功率）5 850KNm（ 900KW 總推力 3300T 刀盤切肖 U 直徑 6200mm 刀盤最大轉速 3rpm，刀 盤扭矩（功率）5732KNm （900KW，總推力 3234 T 刀盤最大轉速 3.8rpm，刀 盤扭矩 4876KNm 功率（9 00KV）總推力 3600T 刀盤切削直徑 6320mm 刀 盤最大轉速 6rpm，刀盤扭矩 （功率）4860KNm（ 945KV） 總推力 3058T 從盾構掘進機的使用實例，對比各盾構掘進機生產廠家提供的方 案，綜合我們自己進行的盾構性能對比和盾構

37、掘進機參數的計算， 選 取具有復合式性能的盾構掘進機，完全可以達到業(yè)主要求的沉降指 標、工期要求，確保施工安全。盾構掘進機方案如圖所示。 1.7.1盾構機直徑的確定(計算盾尾間隙) 盾尾間隙的計算(如右圖) D管片外徑D=6000mrp L 盾尾端至第一環(huán)管片前端的距離 L=1850mm Ro隧道曲線半徑 Ro =350m; R隧道管片內側曲線半徑， R= Ro D/2=347m 盾尾端部至第一環(huán)長度L;管片前端對應的圓心角 =sin-1 (L/R) = sin-1 (1.85/347 ) =0.3050 b第一環(huán)管片前端相對于盾尾端部的移出量； b=R (1 cos ) =347X( 1 c

38、os0.3050 ) =0.005m=5mm b=5mn是曲線半徑350m時，管片在盾尾內的最小極限間隙值， 考慮到管片本身的尺寸誤差、拼裝的精度、盾尾的偏移等，通常要在 這一極限間隙量上增加相應的富裕值，按照各國常用的盾尾間隙計算 公式及盾構機外徑對應的常用富裕值 (K=30mm,需要的盾尾間隙為： C=(b + K) /2= (5+30) /2=18mm 選取盾尾間隙x =25mm因為C=25mm18mmfe曲線半徑為350m 時，是完全能滿足施工要求的。 2)盾構機直徑D的確定 D二 d+ 2 (x +1) d襯砌管片外徑；x 盾尾間隙，x =25mm t 盾尾外殼鋼板 厚度選取t= 4

39、5mm 因此盾構掘進機的直徑為： D=600(+ 2 (25+ 45) =6140mm 1.7.2盾構機長度的確定(計算最小轉彎半徑的超挖量) 由于盾構掘進機的最小轉彎半徑為 350m所以在盾構掘進機的 方案結構長度決定后，需計算盾構掘進機較長的那段在最小轉彎半徑 處的擴挖量，以確定盾構掘進機能否順利通過最小曲線段。 1) 擴挖量的計算(如下圖) 圖中：La盾構掘進機前端到鉸接中心的長度， La =4650mm Lb盾構掘進機后體長，Lb=3400mm Rs盾構掘進機內曲線半徑， Rs =346.9m 計算條件： 每一開挖循環(huán)盾構掘進機體的轉彎角度，取 St=10 線路曲線半徑，R0=350m

40、 A、B C三點的坐標計算 XA=-( Lb L) =(3400 1850) =1550mm YA= R0=350m XB=XAk La cos St 二一1550 4650 cos10 二6129.37mm YB二Y La sin St =350000-4650X sin 10 =349192.5mm XC二XB+(D/2) sin St =6129.37+ (6140/2 ) x sin10 =5596.27mm YC二Y( D/2) cos St =349192.5 (6140/2 ) x cos10 =346169.3mm Ca=ta n-1| XC/ YC| =tan-1| 5596

41、.27/ 349192.5| =0.9181 理論計算表明：在半徑為350m的曲線段上推進，當盾構掘進機 前體長度為4.6m，每次推進偏轉10時，擴挖量為3.74mm即可以滿 足要求。但是，在實際施工中，考慮施工、盾構掘進機本身的誤差等， 實際的擴挖量遠比理論計算值要大， 參考有關的資料，取盾構掘進機 的最大超挖值為：0C=100mm 1.7.3盾構掘進機計算依據和計算內容 1)計算依據盾構掘進機選型主要性能參數的計算根據業(yè)主所提供的地鐵的 工程和水文地質情況，參考有關資料進行。 2）計算內容 盾構掘進機的主要參數計算包括硬巖和軟巖兩種情況進行。 1.7.4硬巖中推進時盾構掘進機推力和扭矩的計

42、算 1） 地質參數按照微風化巖層選取。 巖石的抗壓強度 Ry: Ry=56.6MPa=566kg/cm2 盤型滾刀的參數： 盤型滾刀的直徑：d=1080px, R=540px ; 盤型滾刀刃角a =60 刀具每轉切深：h=25px; 盤型滾刀刀間距：Bm=2htg /2 ; 刀盤直徑：D=6.18m 式中：h為刀具每轉的切深； 為巖石的自然破碎角，查表選取 =150 Bm=2htg /2=2 x 1tg1500/2=186.5px 疋 187.5px 2） 在硬巖中盾構掘進機推力計算 （1）硬巖中盾構掘進時刀盤的滾壓推力 a）每個盤型滾刀的推力F力 根據力平衡原理和能量守恒原理計算刀盤的滾壓推

43、力，每個滾刀 的滾壓推力F力為:- x x x (J1 4 力3 41、 為 L =x 0.55 x 56 .6 x 10 x ( ) c 3 x 3 1.5 =18. 6t ()14 X 1 X V2K51 .dxl-l1 3? SwSzSl 式中：巖石的自然破碎角； h刀具每轉切深，單位為厘米； R盤型滾刀的半徑， 單位為厘米； Ry 巖石的抗壓強度，單位為 MPa。 kd 巖石的滾壓系數，其與巖石性質有關，查表取 kd=0.55 ； ri 為盤型滾刀的刃角半徑，單位為厘米； 0 i 為盤型滾刀的半刃角； 為巖石的自然破碎角，查表選取 =1500 b）盤刀的滾動力F 7応一 式中：E與被滾

44、壓巖石自由面條件和形狀有關的換算系數， E =0.8 ; m刀盤上安裝的盤型滾刀數量， P力二F力 F =-x0.8x J- X18.6 4 W2x2L6-l c) 滾刀數量的計算 m=D/ (2X Bn) =6.14/ (2X 0.075) =40.9 因此刀盤上安裝的盤型滾刀數量取為： m=41 根據經驗公式m=7D d) 刀盤的滾壓推力F推： F推二mF力 =41 X 18.6 =762.6t (2) 盾構主機外殼與泥土之間的摩擦阻力 F1 式中:u 土與鋼之間的摩擦系數，u=0.3 ; L盾構掘進機長度，L=8.05m; F1 = 1/4 X( 26.4+31.5+22.7+27.8

45、) XnX 6.14 X 8.05 X 0.3 = 1254.3t (3) 盾尾與管片之間的摩擦阻力 F4 F4=WQI c =40 X 0.3 = 12.0t 式中：W作用于盾尾的管片的重量(假定作用于盾尾的重量為 兩環(huán)管片的重量，Wc=40) 卩c管片與盾尾之間的摩擦系數口 c=0.3 (4) 后續(xù)設備所需的牽引力F5 F5=(1 qGF1=g (5) 硬巖中盾構掘進所需的總推力 F 總二 F 推 + F1 + F4 + F5 3）硬巖掘進時所需的刀盤扭矩 T: a） 刀盤滾動阻力矩計算T1 可=FR 阿 41 丁、=L73xO.O75ym. 辺 =114.4t.in| 式中： Bm滾刀間

46、距，Bm =187.5px; F盤刀滾動力；由前面的計算，F=1.73t 式中：Bm滾刀間距，Bm =187.5px； F盤刀滾動力；由前面的計算，F=1.73t b） 石碴提升所需要的扭矩T2; T2 =q n R2h 1R = 1.99 XnX 3.092 X 0.01 X 0.618 X 3.09 =1.1t.m 式中：q石碴容重，q=1.99t/m3 ; 口 1刀盤系數，卩1=0.618 ; c） 克服刀盤自重所需要的扭矩 T3: T3=W1 1.R =50X 0.618 X 3.09 =95.5t.m 式中：W1刀盤自重，W仁50t d） 硬巖掘進所需要的力矩T總： T 總二 T1

47、+T2+ T3 = 114.4 + 1.1 + 95.5 =211t.m e） 盾構掘進機在硬巖中推進時所需要的推力和扭矩 F 總=762.6t T 總=211t.m 取 F 總=763t ； T總=211t.m 1.7.5軟土中的推力和扭矩計算 通常，盾構在硬巖中掘進時的刀盤扭矩小于在軟土的扭矩, 盾構在軟土中推進時的扭矩進行計算。 1）地質參數選?。?巖土容重丫 =1.99t/m3 ; 巖土內摩擦角 =19.50 ; 土的粘結力 C=49Kpa=4.9t/m2 ; 覆蓋層厚度：Hmax=26m Hmin=8m 地面上置荷載P0=2t/ m2 ; 水平側壓力系數入=0.49 ; 盾構掘進機外

48、徑D=6.14m; 盾構掘進機總長L=8.05m ; 只對 盾構掘進機總重W=250t（假定）； 管片每環(huán)的重量 Wg=20； 水平與垂直土壓之比 K0=1 2) 土壓力計算 按照常規(guī)算法，盾構的外部荷載將分別按照最大覆土厚度處的松 動土壓力和兩倍盾構直徑的全土柱高計算所產生的土壓力， 中的最大值作為盾構計算的外部荷載。即 P外=maxps a) 松動土壓力計算： (a) 松動高度計算： 15 篷( 2 ” KflPFF =7, 9m (b) 松動土壓PS Ps= Y h0 =1.99 x 7.9 =15.72t/m2 并取兩者 pq . 尋) S1 ) + b) 兩倍盾構機直徑的全土柱土壓力

49、: Pq=Y h0 式中：hO=2D=2X 6.14=12.28m Pq=Y h0 =1.99 x 12.28 =24.4 t/m2 由于Pq Ps 所以，取Pq計算。 c) 盾構受土壓力的計算 (a) 盾構上部土壓力 P0 = Pq +2 =24.4+2 0=26.4 t/m2 (b) 盾構底部土壓力 P01= PO+W/(D L) =26.4+250/ / 6.14 x 8.05 ) =31.5 t/m2 / c )盾構頂部側壓力 P1 二P0 入 =31.5 x 0.49 =15.4t/m2 / d)盾構底部側壓力 P2 = / P0+Y D 入 =(26.4+1.99 X 6.14 )

50、 X 0.49 =18.9t/m2 3) 盾構機的推力計算： 盾構掘進機的推力由盾構掘進機的外殼與土體之間的摩擦阻力、 刀盤承受的主動水平壓力引起的推力、土的粘結力引起的刀盤推力、 盾尾與管片之間的摩擦阻力幾部分組成。 (a) 盾構外掘進機外殼與土體之間的摩擦阻力 F1: F1 = 1/4 X( P0+ P01+ P1+ P2) . n DLu 式中:u 土與鋼之間的摩擦系數，u=0.3 ; L盾構機長度，L=8.05m; F1 = 1/4 X( 26.4+31.5+22.7+27.8 ) XnX 6.14 X 8.05 X 0.3 = 1254.3t (b) 刀盤水平壓力引起的推力F2: 水

51、平主動土壓力Pd HO二hO+R = 12.28 + 3.07 =15.4m 水平主動土壓力Pd Pd = Y H0tg2 (450- /2 ) =1.99 X 15.4 X tg2 (450-19.50/2 ) =15.3t/m2 F2 = n /4 ( D2. Pd ) =n /4 X( 6.182 X 15.3 ) =462.0t (c) 土的粘結力引起的刀盤推力 F3 F3 = n /4 ( D2C =n /4 X( 6.182 X 4.9 ) = 147.0t (d) 盾尾與管片之間的摩擦阻力 F4 F4=Wqx c =40 X 0.3 = 12.0t 式中：W作用于盾尾的管片的重量

52、(假定作用于盾尾的重量為 兩環(huán)管片的重量，Wc=40) 卩c管片與盾尾之間的摩擦系數口 c=0.3 (e) 后續(xù)設備所需的牽引力F5 F5= ii qG (f )盾構機掘進需要的總推力F F= F1 + F2+ F3+ F4+ F5 = 1254.3 + 462.0 + 147.0 + 12.0 = 1875.3t (4) 曲線段推力計算 在曲線段推進時，盾構機的推力為正常推進時的 150%因此， 盾構掘進機實際應備的推力為： F 推=1.5F = 1.5 X 1875.3 =2813.0t 取F推為2813.0 t 4) 軟土推進時盾構掘進機扭矩計算 盾構掘進機在軟土中推進時的扭矩包含切削扭

53、矩、刀盤的旋轉阻 力矩、刀盤所受推力荷載產生的反力矩、密封裝置所產生的摩擦力矩、 刀盤的前端面的摩擦力矩、刀盤后面的摩擦力矩、刀盤開口的剪切力 矩、土壓腔內的攪動力矩。 (1) 切削土體的扭矩Ti 計算參數： 推進速度v: 般情況下v=1.8m/h，Vma=3m/h;刀盤轉速n: n=1rpm 刀盤每轉切深 h: h=v/n=75px ， hmax= Vmax /n=125px ; 土的抗壓強度qu : q u =12.2t/m 2 刀盤直徑：Dd =6.18m，半徑Rd =3.09m 2 =1/2 (qu h max R d ) =1/2 X( 12.2 X 0.05 X 3.092) =2

54、.91t.m (2) 刀盤自重產生的旋轉反力矩 T2： T2=G. R1 .u g 式中：G刀盤自重，假定 G=50t; R滾動接觸半徑，R=2.05 ; Ug滾動摩擦系數，Ug =0.004 ; T2 =50 X 2.05 X 0.004 =0.4t.m (3) 刀盤推力荷載產生的旋轉阻力矩 Ta 推力荷載R 2 2 Pt = an RFd+n /4 (ck di ) C =0.65 XnX 3.092 X 15.3 + n /4 X( 4.822 3.842 2)X 4.9 =330.2t 式中：a刀盤開口率，a =0.65; d2刀盤支撐梁外徑，d2=4.8m di刀盤支撐梁內徑，di

55、=3.84m T3 = Pt Ri g, g =330.2 X 2.05 X 0.004 =2.7t.m (4) 密封裝置摩擦力矩T4 2 2 =2XnX 0.2 X 0.i5 X( 3X i.84 + 3X 2.26 ) =4.8t .m 式中：Um密封與鋼之間的摩擦系數，um=0.2 Fm密圭寸的推力，Fm =0.i5t/m 2;密圭寸數ni= n 2=3, R mi、R m2密封的安裝半徑，R m=i.84m, R m2=2.26m T4=2 n UmFm (ni Rmi + n2Rni ) (5) 刀盤前表面上的摩擦力矩T5 T5=2/3 (an UpRPd) =2/3 X( 0.65

56、 XnX 0.15 X 3.09、15.3 ) =92.2t.m 式中：Up土層和刀盤之間的摩擦系數，Up =0.15; a 刀盤開口率，a =0.65 Pd刀盤中心的土壓力，由前面的計算， Pd =15.3t/m 2 (6) 刀盤圓周的摩擦反力矩忑 刀盤圓周土壓力PZ Pz = ( R + P0i + R + P2) /4 =(26.4 + 31.5 + 22.7 + 27.8 ) /4 2 =27.1t/m 式中：D盾構機直徑，D=6.18m Lk刀盤寬度，Lk =0.45 2 T6=2 n LkRd PZUp (7) 刀盤背面的摩擦力矩T7 刀盤背面的摩擦力矩由土腔室內的壓力所產生， 假

57、定土腔室內的 土壓力為0.8Pd T7=2/3 X(an RUpX 0.8Pd) =2/3 X( 0.65 XnX 3.09X 0.15 X 0.8 X 15.3 ) =73.7t.m (8) 刀盤開口槽的剪切力矩T8 土的抗剪應力G,在切割腔內，由于碴土含有水，取C=1.0t/m 2, 內摩擦角取為 =50 CT =1+ 15.3 x tg5 =2.3t/m T8=2/3. n CT (1a) =2/3 XnX 2.3 x 3.093X( 1 0.65 ) =49.7 t.m (9) 刀盤土腔室內的攪動力矩 T9 T9=2n( r22+ri2) Lz C =2XnX( 2.42+1.922)X 0.8 x 2.3 =109.2t.m 式中：r i刀盤支撐梁的內徑，r 1= di/2=1.92m ; r 2刀盤支撐梁的外徑， 2= d 2/2=2.4m ；