盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁(yè)眉頁(yè)腳。本資料屬于網(wǎng)絡(luò)整理，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，謝謝！隧道網(wǎng)(2006-8-4)來(lái)源：隧道建設(shè)摘要：分析了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足的功能要求，對(duì)盾構(gòu)設(shè)計(jì)推力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，結(jié)合盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)及尺寸，確定通過研究，掌握了盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為盾構(gòu)的施工提供參考。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置控制中圖分類號(hào)：U455．3+9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B1概述盾構(gòu)法施工以自動(dòng)化程度高、施工速度快、安全可靠、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，得到了日益廣泛的應(yīng)用。但是，由于盾構(gòu)的制造工藝復(fù)雜，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)施工用的盾構(gòu)，主要依賴進(jìn)口。在國(guó)內(nèi)的隧道建設(shè)中，德國(guó)和日本在中國(guó)盾構(gòu)市場(chǎng)占有率處于絕對(duì)壟斷地位。為了實(shí)行盾構(gòu)國(guó)產(chǎn)化，在盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)得到突破和發(fā)展，在引進(jìn)設(shè)備并不斷消化吸收的過程中，在盾構(gòu)的設(shè)計(jì)方面有一定的進(jìn)展，以下就盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作一探討。盾構(gòu)是集開挖、支護(hù)、襯砌、出碴于一體的隧道施工專業(yè)設(shè)備。盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)隧道的開挖，主要是由以下兩個(gè)運(yùn)動(dòng)完成：一是刀盤切削，二是盾體的推進(jìn)。刀盤的切削、盾體的推進(jìn)均依靠支承環(huán)內(nèi)大體等距布置的推進(jìn)油缸作用于管片從而提供反作用力為基礎(chǔ)。因此，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足以下功能要求：為盾構(gòu)前進(jìn)提供足夠的動(dòng)力；控制盾構(gòu)的前進(jìn)速度，與出碴速度相配合，實(shí)現(xiàn)土壓平衡狀態(tài)；能夠控制盾構(gòu)的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的糾偏及轉(zhuǎn)向要求；適應(yīng)管片的尺寸及操作要求；從整體角度考慮，滿足盾構(gòu)的總體功能設(shè)計(jì)、綜合施工作業(yè)要求。以下盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括確定盾構(gòu)的推力；推進(jìn)油缸的規(guī)格參數(shù)、外形尺寸和數(shù)量的計(jì)算；推進(jìn)油缸的布置方式；推進(jìn)油缸的控制。工程地質(zhì)資料為依托進(jìn)行盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2盾構(gòu)推力計(jì)算盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)，需要克服五種推進(jìn)阻力：盾體和外部土層的摩擦力；管片與盾尾間的摩擦阻力；刀具切人巖土?xí)r的貫人阻力；盾構(gòu)機(jī)正面的土壓力；后續(xù)設(shè)備的牽引阻力。盾構(gòu)配備的推力除克服以上阻力，還應(yīng)考慮盾構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí)，只有部分油缸工作的因素，并作足夠的推力儲(chǔ)備。2.1地質(zhì)參數(shù)及盾構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)26mγ=19.9kN/m；巖土的內(nèi)摩擦角：Φc=49kN/m；覆蓋層厚度：H≈26m；地面荷載：P=20kN/m；3220地下水壓：P=30kN/m；水平側(cè)壓力系數(shù)：λ=0.7D=6.25m；盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度：L=7.5m；盾構(gòu)主機(jī)重量：W=370t。2W2.2土壓計(jì)算對(duì)于深埋隧道首先按太沙基卸拱理論計(jì)算上覆地層壓力，當(dāng)上覆地層壓力值小于2D(D為隧道外徑)隧道高度的上覆地層自重時(shí)，取2D(兩倍掘進(jìn)機(jī)直徑的全土柱土壓)作為上覆地層壓力。(1)松馳土壓計(jì)算：太沙基公式其中：K一般取值10；B為盾構(gòu)頂部松弛寬度，m；10B=(D/2)2cot[(45°+Φ/2)/2]=3.1253cot[(45°+19．5°/2)/2]=6.04m1代入上式得P=6.043(19.9—49/6.04)/tan19.5°3(1-e)+203e)=161.63kN/m2s(2)計(jì)算2D上覆地層壓力(兩倍掘進(jìn)機(jī)直徑的全土柱土壓)：P=γ222D=19.93236.25=248kN/m2q根據(jù)計(jì)算結(jié)果：土壓取248kN/m。22.3盾構(gòu)荷載計(jì)算根據(jù)土壓，結(jié)合盾構(gòu)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，確定盾構(gòu)的荷載。①設(shè)計(jì)垂直土壓：地面荷載取20kN/m，則P=268kN/m；22v②垂直方向地層反力：Pv．+Pv+W/(D2L)=347kN/m；21③盾構(gòu)頂部側(cè)壓力：P=λ2Pv=193kN/m；2h④盾構(gòu)底部側(cè)壓力：P=P+λ2γ2D≈283kN/m。2h2.4阻力計(jì)算根據(jù)地質(zhì)參數(shù)及以上荷載計(jì)算結(jié)果，以下進(jìn)行各部分阻力計(jì)算：(1)盾殼和土層的摩擦力F1這一阻力是由作用于盾殼外周的土壓力引起的與盾殼鋼板之間的阻力。在砂性土中，其計(jì)算式為：F=μπ2D2L(Pv+Pv+P+P)/4]11h式中：μ為盾殼和土體間的摩擦系數(shù)，一般采用0．20．5，取值0．3；代入數(shù)值計(jì)算得：F≈12044kN。1(2)盾尾密封的摩擦力F2這一阻力就是管片外表面同盾尾刷之間的摩擦阻力，其計(jì)算式為：F=n3W3μ2sssn為隧道管片的環(huán)數(shù)，一般采用2～3，取為2W為隧道管片每環(huán)的重量，約為26t(管片外徑為6m，內(nèi)徑54m，環(huán)ss寬1．5m)；μ為盾尾刷和隧道管片之間的摩擦系數(shù)，一般采用0．30．5，取值0．35F≈180kNs2(3)刀具切入巖土?xí)r的貫人阻力F3刀盤上共安裝了641633()。按照海瑞克公司的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，16把刮刀的推力相當(dāng)于96把切刀的推力；根據(jù)每把切刀在軟土中的推進(jìn)力約為5．6、每個(gè)滾刀的設(shè)計(jì)最大推力為250kN，考慮到裝在刀盤邊上的滾刀的分力作用，按31把滾刀來(lái)計(jì)算刀盤的推力(經(jīng)驗(yàn)值)。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，土壓平衡式盾構(gòu)分為兩種掘進(jìn)模式：一是土壓平衡(EPB)模式：推力按切刀及刮刀的貫入阻力進(jìn)行計(jì)算：F=(64+96+31)35．6≈l070kN3二是硬巖敞開掘進(jìn)(TBM)模式：推力按滾刀的貫入阻力進(jìn)行計(jì)算：F=313250=7750kN3(4)盾構(gòu)機(jī)正面的阻力F4在土壓平衡模式下，由開挖面土壓力和水壓力在盾構(gòu)正面上產(chǎn)生阻力。F=P3A4其中：P為開挖面土壓力和水壓力，P=(P+P)/2+P=268kN/m；A為盾構(gòu)正面的投影面積。2hw計(jì)算得：F=8218kN4(5)拖拉后配套臺(tái)車的力F5F=μ3G5t式中：μ為摩擦系數(shù)，一般采用0．05；G為后方臺(tái)車重量。約4450kN。t計(jì)算得：F=222kN52.5總推力計(jì)算(1)EPB模式F=F+F+F+F+F=21734kN12345(2)硬巖敞開模式F=F+F+F+F+F=20196kN12345取二者之大值，在盾構(gòu)上坡和轉(zhuǎn)彎時(shí)盾構(gòu)的推力按直線水平段的1．5倍考慮，盾構(gòu)需要的推力應(yīng)為：F=32601kN3推進(jìn)油缸的選型和配置推進(jìn)油缸的選型和配置應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)的操作性、管片組裝施工方便性等確定。根據(jù)盾構(gòu)各管片分布方位和受力點(diǎn)布置各油缸的最佳位置。推進(jìn)油缸選型、配置時(shí)，必須滿足下列要求：①推進(jìn)系統(tǒng)不僅要考慮滿足盾構(gòu)設(shè)備在掘進(jìn)中推力的需要，同時(shí)還要根據(jù)管片拼裝的要求進(jìn)行布置；②推進(jìn)油缸的推力和數(shù)量應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)外徑、總推力、管片結(jié)構(gòu)和隧道路線等因素確定；③推進(jìn)油缸應(yīng)選用重量輕、耐久性好、結(jié)構(gòu)緊湊的油缸，一般選用高壓油缸；④推進(jìn)油缸一般情況下等間距配置在盾構(gòu)殼板內(nèi)側(cè)附近，位置的確定要兼顧管片的強(qiáng)度；⑤推進(jìn)油缸配置時(shí)，應(yīng)使推進(jìn)油缸軸線平行于盾構(gòu)軸線。3.1推進(jìn)油缸的推力F計(jì)算0F=P3πD420式中：P為液壓系統(tǒng)壓力，設(shè)計(jì)為300bar；D為推進(jìn)油缸的內(nèi)徑。首先根據(jù)盾構(gòu)外徑、盾尾鉸接和超前注漿機(jī)等設(shè)備的安裝要求，計(jì)算推進(jìn)油缸的外徑。為了推進(jìn)油缸的安裝不和盾尾鉸接部分發(fā)生干擾，設(shè)計(jì)中盾體容許的油缸布置外限界不超過盾尾最小直徑處Φ6066；同時(shí)，為了保證管片的受力點(diǎn)，油缸的推力中心應(yīng)Φ570050mmΦ066—5700)÷2—50]=266mm，取油缸外徑260mm；油缸壁厚取20；那么油缸內(nèi)徑為220mm。計(jì)算得F=1140kN03.2推進(jìn)缸個(gè)數(shù)n=F/F0式中：F為油缸的總推力，F(xiàn)=32601kN；計(jì)算得n=28．6≈30個(gè)3.3推進(jìn)油缸的長(zhǎng)度計(jì)算確定推進(jìn)油缸的長(zhǎng)度是確定盾構(gòu)殼體的長(zhǎng)度及其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置的前提條件。推進(jìn)油缸的長(zhǎng)度為：L=S+L+L+Lgd式中：S為推進(jìn)油缸行程，mmL485mmL,LL=180mm，d鉸接端安裝尺寸L=275mm。推進(jìn)油缸行程為管片環(huán)寬、封頂塊搭接懸出長(zhǎng)度、預(yù)留間隙之和。即S=L+a+LL為管片環(huán)寬，設(shè)計(jì)為1500mm；L為ppxx封頂塊搭接懸出長(zhǎng)度，為15003(1—4/5)=300mma為預(yù)留間隙，考慮盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)行程差及安裝管片空間需要，取200mml。代入數(shù)值計(jì)算得：S=2000mm。推進(jìn)油缸長(zhǎng)度在滿足行程要求的情況下，應(yīng)盡量短，以減少盾構(gòu)的長(zhǎng)度，有利于盾構(gòu)的轉(zhuǎn)向。相應(yīng)的，油缸的安裝尺寸和導(dǎo)向尺寸在滿足油缸伸出的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的條件下，根據(jù)液壓油缸外形尺寸的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算得推進(jìn)油缸的長(zhǎng)度為：L=2940mmg3.4推進(jìn)油缸的布置原則盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，由于推進(jìn)油缸直接作用于管片上，因此推進(jìn)油缸的布置主要考慮管片的結(jié)構(gòu)形式、分布方位、受力點(diǎn)布置、管片組裝施工方便性等方面的因素。滿足下列要求：(1)徑向分布使管片受力均衡管片的幾何尺寸為：外徑Φ6000，內(nèi)徑Φ5，管片厚300mm，管片的中心圓Φ5。為使管片在徑向受力均衡，設(shè)計(jì)將油缸沿盾體周向成圓形均勻布置，油缸的軸線設(shè)計(jì)分布在管片的中心圓Φ5700上。(2)環(huán)向布置與管片的分塊相匹配襯砌環(huán)設(shè)計(jì)為由123個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊組成，采用錯(cuò)縫拼裝，環(huán)間采用10個(gè)M24螺栓進(jìn)行聯(lián)接，螺栓布置間隔36°。一般情況下，封頂塊的位置允許在正上方或偏離正上方±36°，也有可能偏離±72°。為了保證無(wú)論管片如何錯(cuò)動(dòng)，每塊管片所受推進(jìn)力總是相等，并且在整個(gè)襯砌環(huán)上受力均勻，確保管片的貼合均勻密實(shí)，要求36°的倍數(shù)，根據(jù)這個(gè)原則推理，在整圓范圍內(nèi)，油缸總數(shù)為l0的倍數(shù)，與計(jì)算的油缸總數(shù)30個(gè)相適應(yīng)。(3)考慮管片在整個(gè)襯砌環(huán)受力均勻，油缸布置應(yīng)沿垂直軸線、水平軸線均勻?qū)ΨQ布置。3.5推進(jìn)油缸的布置方案綜上所述，30個(gè)油缸的布置方式可以有以下幾種：(1)30個(gè)單油缸均勻分布在繪圖中，油缸的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與鉸接油缸支座發(fā)生干擾，方案不可行。(2)雙油缸布置15對(duì)雙油缸沿盾體圓周均勻分布，環(huán)向布置的間距角度為24°。與周向轉(zhuǎn)動(dòng)密的施工要求。(3)單雙油缸間隔布置單雙油缸按每隔置鉸接油缸和超前注漿管。在錯(cuò)縫拼裝時(shí)，封頂塊偏離正上方36°、72°時(shí)，推進(jìn)油缸與管片能夠相適應(yīng)，因此這種油缸布置方案可行。見圖1。圖1推進(jìn)油缸的布置(mm)4盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的控制4.1土壓的控制盾構(gòu)在土壓平衡工作狀態(tài)下，刀盤開挖下來(lái)的土碴充滿土倉(cāng)，在推進(jìn)油缸的推力作用下，通過土倉(cāng)隔板進(jìn)行加壓，產(chǎn)生土壓，土壓作用于整個(gè)開挖面，抵抗開挖面的土壓和水壓，使開挖面保持穩(wěn)定。因此，土壓倉(cāng)內(nèi)的土壓的控制是保證開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵因素?？刂扑璧男畔ⅰＭ羵}(cāng)內(nèi)土壓的控制可通過控制開挖量、排碴量、推力和推進(jìn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，在保持開挖量、排碴量一定的情況下，通過控制推進(jìn)油缸的推力和推進(jìn)速度來(lái)調(diào)節(jié)土倉(cāng)內(nèi)的土壓，推進(jìn)速度加快，則土倉(cāng)內(nèi)的土壓上升，反之則下降，從而使土壓倉(cāng)內(nèi)的土壓與開挖面的土壓和水壓相平衡，保證開挖面的穩(wěn)定。在推進(jìn)油缸上安裝速度傳感器，連續(xù)地調(diào)整推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度，土倉(cāng)內(nèi)的土壓可隨改變盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度而增減。4.2盾構(gòu)姿態(tài)控制由于地層變化頻繁、軟硬交錯(cuò)，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常通過掌子面軟硬不均地層，造成刀盤受力不均，從而使盾構(gòu)姿態(tài)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、抬頭、低頭的現(xiàn)象，導(dǎo)致盾構(gòu)的掘進(jìn)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線發(fā)生偏離。為了糾正盾構(gòu)姿態(tài)，將30個(gè)推進(jìn)油缸分組，