地鐵大盾構(gòu)機(jī)選型實(shí)例及關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)分類及選型設(shè)計(jì)第一部分1盾構(gòu)的分類

(1)按掘削地層分類硬巖盾構(gòu)（TBM）軟巖盾構(gòu)軟土盾構(gòu)硬巖軟土盾構(gòu)雙護(hù)盾TBM軟土盾構(gòu)復(fù)合盾構(gòu)(2)按盾構(gòu)機(jī)橫截面形狀分類半圓形圓形橢圓形馬蹄形雙圓搭接形三圓搭接形矩形(3)按盾構(gòu)機(jī)橫截面的形狀分類超小型盾構(gòu)φ<1m小型盾構(gòu)3.5m≥φ≥1m中型盾構(gòu)6m≥φ≥3.5m大型盾構(gòu)14m≥φ≥6m超大型盾構(gòu)18m≥φ≥14m特大型盾構(gòu)φ>18m(4)按掘削面的敞開程度分類全部敞開式：無蓋敞開式、有蓋敞開式部分敞開式：網(wǎng)格式封閉式：中心支承式、中間支承式、周邊支承式

(5)按掘土出土器械的機(jī)械化程度程度分類

人工挖掘式、半機(jī)械掘削式、機(jī)械掘削式◆手掘式盾構(gòu)◆半機(jī)械式盾構(gòu)◆網(wǎng)格式盾構(gòu)

(6)按掘削面的加壓平衡方式分類外加支承式氣壓式泥水式土壓式(7)按刀盤運(yùn)動形式分類

(8)按盾構(gòu)機(jī)特殊構(gòu)造分類中折盾構(gòu)球體盾構(gòu)異徑母子盾構(gòu)重心靠前盾構(gòu)特殊構(gòu)造的盾構(gòu)現(xiàn)場換刀盾構(gòu)可直接掘削前障礙物盾構(gòu)機(jī)體可分可合盾構(gòu)固體回收盾構(gòu)傾斜中空軸全斷面機(jī)內(nèi)注漿盾構(gòu)傾斜中空軸全斷面機(jī)內(nèi)注漿+活動前檐盾構(gòu)(9)按盾構(gòu)機(jī)的功能、用途分類

(10)按盾構(gòu)隧道襯砌施工方法分類(11)綜合分類2盾構(gòu)選型

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)選型依據(jù)

(1)

土質(zhì)條件、巖性、（抗壓、抗拉、粒徑、成分等個(gè)參數(shù)）(2)

開挖面穩(wěn)定（自立性能）(3)

隧道埋深、地下水位(4)

設(shè)計(jì)隧道的斷面(5)

環(huán)境條件、沿線場地（附近管線和建筑物及其結(jié)構(gòu)特性）(6)

襯砌類型(7)

工期(8)

造價(jià)(9)

宜用的輔助工法(10)設(shè)計(jì)路線、線形、坡度（11）電氣等其他設(shè)備條件（1）以開挖面穩(wěn)定為核心，盾構(gòu)選型應(yīng)充分把握地層條件；（2）應(yīng)考慮土的塑性流動性、土的滲透系數(shù)；——滲透系數(shù)10-5m/s是土壓平衡盾構(gòu)作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)上限值。（3）應(yīng)考慮地下水的含量及水壓；這涉及到是選用泥水盾構(gòu)還是土壓盾構(gòu)以及盾尾密封的選型。2.1盾構(gòu)機(jī)選型的原則（4）應(yīng)重視地層中有無砂礫和大卵石；——土的滲透性、刀盤的磨耗、地層的擾動范圍、刀盤的開口率、對卵石的破碎及其排出方式。（5）應(yīng)考慮土層的粒徑分布；——采用土層顆粒曲線來界定不同盾構(gòu)的適用土層?？偟膩碚f，粒徑大時(shí)宜采用泥水盾構(gòu)，粒徑小時(shí)宜采用土壓盾構(gòu)。（6）隧道的線形和轉(zhuǎn)彎半徑也是應(yīng)考慮的因素；盾構(gòu)機(jī)本體的長度與直徑比及盾尾間隙直接影響盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎及糾偏能力。一般，長度與直徑之比（L/D）應(yīng)不大于1.0，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑過小時(shí)可考慮采用鉸接式盾構(gòu)。（7）盾構(gòu)選型時(shí)，必須根據(jù)土質(zhì)條件決定切削刀的形狀、材質(zhì)和配置。（8）刀盤的裝備扭矩也與盾構(gòu)選型有關(guān)；盾構(gòu)裝備扭矩T=αD3（D為盾構(gòu)外徑，α為扭矩系數(shù)，對泥水盾構(gòu)α=9~15；土壓盾構(gòu)α=8~23）顯然，采用泥水盾構(gòu)有利于減小刀盤切削阻力，從而減輕主軸承的負(fù)荷。（9）盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響也是盾構(gòu)選型時(shí)應(yīng)考慮的因素。比如地層變形的許可程度、有無地下構(gòu)筑物等，再比如泥水處理以及廢渣的傾倒是否對環(huán)境有污染等。（10）盾構(gòu)的選型還應(yīng)考慮對工作環(huán)境的影響。比如，盾構(gòu)的刀盤驅(qū)動是液壓驅(qū)動還是電動驅(qū)動，液壓驅(qū)動效率低，噪聲大，洞內(nèi)溫度上升快，而電動驅(qū)動效率高，洞內(nèi)環(huán)境好（噪聲小、溫度低）。不同地質(zhì)條件下全斷面掘進(jìn)機(jī)選型SlurryEPB粒徑分布曲線400,006顆粒直徑

d單位mm篩分通過率<d%00,0011030200,0020,020,060,2泥土粒徑7060508090100600,62,06,060,020,010090807050403020100篩分粒徑砂粉質(zhì)土粘土細(xì)中粗礫石粗細(xì)中粗粗細(xì)中粗粗Foam不同地質(zhì)條件下全斷面掘進(jìn)機(jī)選型

泡沫EPB盾構(gòu)泥水盾構(gòu)棄土容重粘土粉土粘稠度系數(shù)IC柔軟軟硬0,25堅(jiān)硬0,501,000,75EPB模式

EPB敞開模式添加劑防止堵塞添加劑增加塑性高滲透性砂礫石滲透系數(shù)k[m/s]很高滲透性一般滲透性10-210-310-410-5復(fù)合式盾構(gòu)EPB+添加劑高濃度膨潤土工作艙內(nèi)土體容重[t/m3]1,401,051,502,002,20盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)選型的其他條件（1）工期條件的制約

（2）造價(jià)因素的制約

（3）環(huán)境因素的制約

（4）基地條件的制約（5）設(shè)計(jì)路線、平面豎向曲線形狀的制約

3.1

神華新街煤礦斜井雙模盾構(gòu)實(shí)例分析1）地質(zhì)概況

新街臺格廟礦區(qū)斜井隧道長6505m，最大埋深達(dá)684m，隧道坡度為6°。斜井沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越地層有第四系湖積物、風(fēng)積沙（約150m）、白堊系砂巖、砂礫巖（約3250m）、侏羅系（含安定組和延安組）砂巖、巖、砂質(zhì)泥巖等（約3105m），巖石單軸抗壓強(qiáng)度20～60MPa，同時(shí)地層多處呈不整合接觸，局部存在小型斷層，地層雖發(fā)生突水的可能性小，但富水性不均。盾構(gòu)選型實(shí)例2）盾構(gòu)機(jī)選型分析工程特點(diǎn)：該斜井隧道工程存在長距離、高埋深、大坡度連續(xù)下坡、地質(zhì)多變等特點(diǎn)。根據(jù)新街臺格廟礦區(qū)地層施工條件對設(shè)備選型的特殊要求，就常用的盾構(gòu)機(jī)類型進(jìn)行工程適應(yīng)性分析和比較。

盾構(gòu)機(jī)類型適應(yīng)性分析和比較根據(jù)新街臺格廟礦區(qū)地質(zhì)條件，通過各種掘進(jìn)機(jī)類型的特點(diǎn)和適應(yīng)性比較分析，我們發(fā)現(xiàn)只有同時(shí)具有單護(hù)盾TBM模式和土壓平衡模式的雙模式盾構(gòu)能夠完全勝任新街臺格廟礦區(qū)1號礦井主副井的施工要求。在圍巖完整、地層穩(wěn)定的情況下，雙模式盾構(gòu)工作在敞開式TBM模式下，實(shí)現(xiàn)隧道的快速開挖和快速出渣；在通過圍巖穩(wěn)定性差的不良地層、破碎帶、富水層時(shí)改用土壓平衡模式，保證隧道的安全穩(wěn)定掘進(jìn)。由于施工條件復(fù)雜，無法直接參照地鐵施工的經(jīng)驗(yàn)，因此需要考慮斜井對雙模式盾構(gòu)機(jī)的特殊要求（1）刀盤

刀盤適應(yīng)性：圍巖不穩(wěn)定時(shí)，機(jī)器工作在在土壓平衡模式下，采用介于輻條式與面板式之間的輻板式刀盤，裝有滾刀、切刀和刮刀，既保證強(qiáng)度與剛度，又有一個(gè)較大的開口率（35%）。圍巖穩(wěn)定時(shí)，盾構(gòu)工作在單護(hù)盾TBM模式下，拆除切刀，封閉開口，并且添加蓋板，使刀盤轉(zhuǎn)換為面板式刀盤，增大刀盤強(qiáng)度剛度。3）工程對部分關(guān)鍵部件的特殊要求刀盤耐磨性：在進(jìn)入巖石地層與砂卵石地層，使得刀盤刀具磨損十分嚴(yán)重。刀盤冷卻裝置：由于連續(xù)長距離掘進(jìn)，刀具、刀盤等部件容易產(chǎn)生大量的熱，溫度的上升會影響潤滑和密封的有效性，因此在盾構(gòu)刀盤上必須配置噴水口和相應(yīng)的管道，對掌子面進(jìn)行降溫。刀盤防結(jié)泥餅：6~86m深度范圍為粉細(xì)砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互間層，細(xì)顆粒含量高，在盾構(gòu)刀具擠壓、摩擦、高溫、離子吸附下極易結(jié)泥餅，導(dǎo)致刀具發(fā)生偏磨，縮短刀具、刀盤使用壽命。（2）主軸承①壽命要求斜井長度達(dá)到6.3km，盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的主要部件的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)大于20km，主軸承壽命設(shè)計(jì)要求在15000h以上。②密封要求沿斜井方向經(jīng)過多個(gè)潛水含水層和承壓水含水層，且在埋深約457m時(shí)的最大水壓力達(dá)到3.75bar，因此主軸承最大承壓能力必須大于3.75bar。a.主軸承的密封分為內(nèi)密封和外密封，外密封防止土倉中的砂土和泥水進(jìn)入主軸承，內(nèi)密封防止土倉中的砂土和泥水等進(jìn)入傳動箱內(nèi)。b.根據(jù)主軸承密封系統(tǒng)的承載和使用壽命要求，可以選擇外密封為5道、內(nèi)密封4道的唇形密封圈。最外一道密封采用密封唇口向外的形式，以防止渣土、砂、地下水等添加劑等進(jìn)入主軸承內(nèi)。最內(nèi)一道密封的密封唇口向里的形式，以防止?jié)櫥偷男孤?。③潤滑要求主軸承的良好潤滑不僅保證主軸承的正常工作，減小滾子和滾道的摩擦，降低發(fā)熱量，還能減小主軸承的載荷。（2）盾尾密封盾尾密封的主要作用是密封和潤滑，即在管片脫出盾尾時(shí)防止外面的砂漿和地下水進(jìn)入盾構(gòu)，延長密封件的壽命。對于盾尾密封有以下若干要求：①良好的防水性能②一定的承壓能力需要密封油脂能在一定的地下水壓和地層壓力下有效工作③耐磨性隧道長度大，盾尾密封刷的磨損較嚴(yán)重（3）出渣系統(tǒng)雙模盾構(gòu)配置了兩套不同的一級出碴系統(tǒng)：在土壓平衡模式下采用螺旋輸送機(jī)出碴，單護(hù)盾TBM模式下，用皮帶出碴機(jī)出碴，并且在刀盤背面安裝接碴斗。長距離大坡度掘進(jìn)，出碴系統(tǒng)也必須滿足的要求：①功率要求由于存在6度坡角，皮帶出碴與螺旋輸送機(jī)的功率計(jì)算與水平掘進(jìn)存在一定偏差，故要修正偏差避免功率不足引起的機(jī)器故障。②適應(yīng)性要求施工中盾構(gòu)要穿越砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、灰綠色砂質(zhì)泥巖以及砂卵石等不同的地層，需要皮帶出渣機(jī)和螺旋輸送機(jī)有較廣的適應(yīng)性，以免大直徑的渣土堵塞機(jī)器。18號線起于火車南站，經(jīng)三岔湖片區(qū)至天府國際新機(jī)場，線路長度（盾構(gòu)法）：34.77Km

最小轉(zhuǎn)彎半徑：600m

縱坡：最大為26‰

隧道穿越地質(zhì)種類比較全面：

區(qū)間范圍內(nèi)表層為人工填土，其下為黏性土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)砂、卵石土夾粉細(xì)砂，下伏基巖為泥巖等。3.2成都地鐵18號線的路線與地質(zhì)3選型舉例A：隧道典型斷面一（火車南站——環(huán)球中心站）：主要為<5-1-3>中風(fēng)化泥巖，局部<3-8-3>密實(shí)卵石土。B：隧道典型斷面二（環(huán)球中心站——世紀(jì)城站）：主要以<3-8-3>密實(shí)卵石土為主，部分區(qū)域和<5-1-3>中風(fēng)化泥巖互層。一、卵石地層施工風(fēng)險(xiǎn)：1.卵石層中掘進(jìn)，刀盤扭矩大，對設(shè)備能力要求高；2.富水卵石中換刀困難，短距離卵石層掘進(jìn)前需提前換刀，長距離卵石層中掘進(jìn)則需要降水施工和頻繁換刀；3.大顆粒卵石中掘進(jìn)有形成沖擊荷載對刀具損害；卵石石英含量高，磨損性強(qiáng)，對刀盤、刀具和螺旋機(jī)磨損，造成損壞；4.卵石粒徑20-150mm，粒徑較大者難以進(jìn)入刀盤，完整性好，造成對刀具的反復(fù)磨損；5.卵石層滲透系數(shù)大，地層若富水，涌水危險(xiǎn)大；6.卵石堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度大，因松散分布，刀盤前難以固定碾碎；3.2.2工程地質(zhì)重難點(diǎn)1）砂卵石地層掘進(jìn)主驅(qū)動扭矩問題中密、密實(shí)卵石層細(xì)顆粒成分含量少，渣土的摩擦阻力大，當(dāng)渣土改良不佳時(shí)，土倉一旦建立壓力則刀盤扭矩急劇增大，要求設(shè)備具有較大的驅(qū)動扭矩。應(yīng)對設(shè)計(jì)方案：1）刀盤驅(qū)動系統(tǒng)具有足夠的扭矩儲備，最大扭矩系數(shù)28，脫困扭矩系數(shù)35；2）配備9路單管單泵泡沫系統(tǒng)以及膨潤土系統(tǒng)對卵石地層進(jìn)行渣土改良；2）砂卵石地層掘進(jìn)刀盤、刀具磨損及換刀困難問題在砂卵石地層掘進(jìn)，對刀盤刀具磨損嚴(yán)重，且整個(gè)刀盤盤體及刀體本身直接與卵石接觸，卵石不僅對刀具刃口有磨損，甚至對整個(gè)刀體和刀盤盤體產(chǎn)生磨損。由于砂卵石層細(xì)顆粒含量少，透氣性好，在需要帶壓進(jìn)倉換刀時(shí)很難保住氣壓，產(chǎn)生換刀困難的問題。設(shè)計(jì)解決方案：刀盤面板及大圓環(huán)采用加強(qiáng)型耐磨措施，刀盤安裝加強(qiáng)型18寸刀圈的滾刀，刮刀及邊刮刀采用大合金耐沖擊重型刀具；配備SAMSON保壓系統(tǒng)，一用一備，增加可靠性。3）螺旋機(jī)的磨損及卡螺旋機(jī)問題盾構(gòu)在砂卵石含量高地層掘進(jìn)，渣土對螺旋軸葉片和螺旋機(jī)筒體的磨損作用強(qiáng)烈。大量卵石通過螺旋輸送機(jī)，可能會造成螺旋軸的卡滯，甚至?xí)β菪S造成嚴(yán)重的損傷。設(shè)計(jì)解決方案：螺機(jī)前端筒體設(shè)有可更換耐磨套，筒節(jié)內(nèi)敷設(shè)耐磨復(fù)合鋼板，螺旋輸送機(jī)葉片焊接耐磨合金塊；在密實(shí)砂卵石地層，可根據(jù)地層卵石粒徑大小，通過在刀盤開口部位增加格柵的方法，限制卵石通過粒徑使之與螺旋輸送機(jī)通過粒徑相匹配，防止螺機(jī)卡滯。4）強(qiáng)透水地層的噴涌問題區(qū)間穿越的砂卵石層為強(qiáng)透水層，由于地層細(xì)顆粒成分含量少，不能自然形成能夠止水的流塑狀渣土，在渣土改良不到位時(shí)極易發(fā)生噴涌，導(dǎo)致土倉失壓引起地層沉降，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生“塌坑”現(xiàn)象；渣土含水量大，皮帶機(jī)角度大會對文明施工造成較大影響。設(shè)計(jì)解決方案：配備能力足夠的渣土改良系統(tǒng)，預(yù)留聚合物改良系統(tǒng)接口；螺旋輸送機(jī)出渣口處配置2道閘門以及保壓泵接口；皮帶機(jī)傾斜段采用10°小傾角設(shè)計(jì)，驅(qū)動采用變頻調(diào)速設(shè)計(jì)，提高攜渣能力。二、泥巖地層的施工風(fēng)險(xiǎn)成都地區(qū)泥巖抗壓強(qiáng)度不高，破巖難度較小，但泥巖粘性大，易糊刀盤刀具，造成偏磨，開挖困難；泥巖中掘進(jìn)，開挖的細(xì)小顆粒，易在刀盤、土艙、螺旋機(jī)結(jié)成泥餅，致使出土困難，刀盤、螺旋機(jī)扭矩增大，掘進(jìn)不暢，甚至噴涌發(fā)生。泥巖對渣土改良的要求高，改良材料的消耗較大；泥巖對刀盤刀具的設(shè)計(jì)，其他部分的配置有較高要求；泥巖層開挖后的渣土，流動性強(qiáng)，粘附性強(qiáng)，對隧道的文明施工，設(shè)備清潔保養(yǎng)帶來較大影響；1）刀盤泥餅問題泥巖地層粘粒成分含量大，渣土改良效果不佳時(shí)刀盤特別是中心位置可能會發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象；設(shè)計(jì)解決方案：增大刀盤中心開口，提高中心渣土流動性能；土倉中心配有固定攪拌棒及高壓水沖刷通道，提高土倉中心渣土流動性能；配置9路單管單泵泡沫系統(tǒng)。2）皮帶機(jī)打滑現(xiàn)象風(fēng)化程度高的泥巖，往往容易形成大塊狀渣土，在水、泡沫的作用下，其表面光滑，會在皮帶機(jī)傾斜段出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。設(shè)計(jì)解決方案：皮帶機(jī)傾斜段采用10°設(shè)計(jì)，驅(qū)動采用變頻調(diào)速，提高攜渣能力。3）管片上浮問題泥巖地層隧道成型相對較好，同步漿液凝結(jié)時(shí)間較長，管片上浮問題突出，造成管片錯(cuò)臺破裂等不良影響，同時(shí)影響掘進(jìn)速度。設(shè)計(jì)解決方案：泥巖地層可通過墊塊厚度調(diào)整邊刀高度，減小開挖直徑，可有效減少管片上浮量；配置同步雙液注漿系統(tǒng)以及二次雙液注漿系統(tǒng)，控制管片上浮。4）上軟下硬地層，盾構(gòu)主機(jī)存在上漂問題設(shè)計(jì)方案：刀盤配備2把仿形刀，可實(shí)現(xiàn)掌子面底部超挖，有效抑制上漂；配置2s精度等級的激光全站儀。砂巖地層的施工風(fēng)險(xiǎn)砂巖的強(qiáng)度較高，為較硬~硬巖，對設(shè)備的破巖能力要求較高；砂巖的石英含量高，對設(shè)備磨損較大；砂巖裂隙密集區(qū)，易形成局部儲水結(jié)構(gòu)，有突然涌水的危險(xiǎn)；砂巖為泥質(zhì)膠結(jié)形成，使之遇水后具有流動性，便于排渣，但也因泥質(zhì)膠結(jié)需針對渣土情況，進(jìn)行渣土改良；盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造及針對性設(shè)計(jì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)構(gòu)成：1.盾殼、盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂、盾尾密封、鉸接裝置2.刀盤和刀盤驅(qū)動支承機(jī)構(gòu)3.螺旋輸送機(jī)4.管片拼裝機(jī)5.后配套設(shè)備。

盾體（盾殼）：安全保護(hù)作用承受荷載作用是盾構(gòu)各機(jī)構(gòu)的支承和安裝基礎(chǔ)盾體系統(tǒng)由前盾、中盾、尾盾等組成。盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造及針對性設(shè)計(jì)前盾由主驅(qū)動連接法蘭、螺旋輸送機(jī)連接座、盾殼、土倉隔板、人艙連接座等組成。土倉隔板上設(shè)有被動攪拌棒；土倉隔板上配置有向土倉添加渣土改良材料的注入口。土倉隔板上配置有高靈敏度的土壓力傳感器。

此外隔板上還設(shè)有預(yù)留的電液通道、水氣通道、保壓孔等。前盾（切口環(huán)）前盾推進(jìn)機(jī)構(gòu)油缸組直線左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)上傾下傾１＃工作工作工作／工作２＃工作工作／工作工作３＃工作工作工作工作／４＃工作／工作工作工作盾構(gòu)調(diào)向表鉸接構(gòu)造鉸接裝置

總推力

24,000kN

數(shù)量

2,000kN×12根

鉸接方向

全方向（上下、左右、傾斜方向）超前注漿孔及布置在特殊工況下，需要對地質(zhì)進(jìn)行加固，防止開挖面坍塌造成地表沉陷。根據(jù)超前注漿的影響區(qū)域，沿中盾盾殼圓周設(shè)計(jì)有超前注漿管，可對地質(zhì)進(jìn)行超前鉆探、注漿加固。同時(shí)在前盾隔板上布置有鉸接式超前注漿管，可通過刀盤開口往隧道正前方鉆孔及加固。盾尾密封形

式：

3段金屬刷漿液逆流：注漿液逆流防止板潤滑：

盾尾油脂自動注入供脂位置：每列6處（共計(jì)12處）耐水壓：0.4Mpa針對成都地鐵18號線工程，盾體需解決以下幾個(gè)問題：盾體的結(jié)構(gòu)剛度滿足工程需要；具備頂部超挖的趨勢預(yù)警；具備連續(xù)有效的超前加固能力（用于處理飄石和掌子面加固）。盾體的針對性設(shè)計(jì)序號措施效果

前中盾采用80mm和60mm的Q460D厚板，盾尾采用60mm的Q690D厚板整體強(qiáng)度大大提高，能適應(yīng)不同工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的需求

前盾頂部增加土壓傳感器實(shí)時(shí)反饋頂部土壓力變化，可有效反映頂部超挖趨勢

超前注漿孔出口前移到距離掌子面2m，傾角9°可有效提升超前有效加固距離，配合超前鉆注一體機(jī)殼進(jìn)行連續(xù)的超前地質(zhì)加固（該套設(shè)備目前已經(jīng)成功在我司出場的ZTE8800設(shè)備上成功應(yīng)用，該工程需要穿越機(jī)場需連續(xù)超前加固），有效提升應(yīng)對飄石孤石和其他應(yīng)急情況的能力；刀盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)：驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，對土體進(jìn)行擠壓和切削，其位于盾構(gòu)支承環(huán)的中部。前端與刀盤的法蘭相連，后部和四周與壓力壁法蘭以螺栓聯(lián)接。刀盤支承方式：有中心支承式、中間支承式和周邊大軸承支承式

刀盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)刀盤軸承構(gòu)造形式：3列圓柱滾子軸承壽命：10,000小時(shí)檢測：溫度監(jiān)視系統(tǒng)潤滑：自動潤滑系統(tǒng)檢查：油脂取樣刀盤驅(qū)動部土砂密封特點(diǎn)土砂密封：3條唇形密封1段V型密封：3段迷路密封：拉比利斯（迷宮）式檢測：溫度檢測傳感器供油脂：自動供脂其他

：密封接觸面采用硬質(zhì)材料中密、密實(shí)卵石層細(xì)顆粒成分含量少，渣土的摩擦阻力大，刀盤需要較大的攪拌力矩。當(dāng)渣土改良不佳時(shí)，土倉一旦建立壓力則刀盤扭矩急劇增大，導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)。主驅(qū)動設(shè)計(jì)頻率(Hz)644567084轉(zhuǎn)速(r/min)0.21.5522.53.0扭矩(kNm)225001800014300114609550刀盤扭矩-轉(zhuǎn)速對照表（12組3000kW）配置的主軸承直徑4800mm，采用12組變頻電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動功率3000kW，最大18000kNm，脫困扭矩22500kNm。扭矩系數(shù)28，脫困扭矩系數(shù)35，扭矩儲備較大。序號措施效果1.

采用4.8m的進(jìn)口大直徑主軸承，具備軸向預(yù)緊功能可有效提高主驅(qū)動的吸震能力，保證了主驅(qū)動在高沖擊地層的穩(wěn)定性2.

標(biāo)稱扭矩可達(dá)20530kNm，脫困扭矩可達(dá)28740kNm具有足夠的扭矩儲備3.采用12組驅(qū)動單元，單個(gè)電機(jī)驅(qū)動功率達(dá)250kW，預(yù)留2路改造接口負(fù)載單元多，穩(wěn)定性更強(qiáng)4.

變頻電機(jī)配置有進(jìn)口扭矩限制器可對驅(qū)動電機(jī)和減速機(jī)起到有效的保護(hù)5.

變頻系統(tǒng)內(nèi)置水冷卻系統(tǒng)保證了高沖擊地層變頻器的穩(wěn)定性6.

密封采用多道唇式的聚氨酯密封結(jié)構(gòu)不必消耗HBW油脂，油脂消耗成本低廉主驅(qū)動的針對性設(shè)計(jì)針對成都地鐵18號線的地質(zhì)情況，主驅(qū)動方面的針對性設(shè)計(jì)大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問題：刀盤中心區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足；刀盤如何承受高扭矩的強(qiáng)度和剛度；邊緣滾刀數(shù)量如何保證較長的有效掘進(jìn)距離；如何減少刀盤后續(xù)改造的工作量；刀盤的針對性設(shè)計(jì)序號措施效果

中心區(qū)域正面采用厚整板，幅臂對接處采用倒圓設(shè)計(jì)，幅臂板延伸到中心處背側(cè)，中心厚板外緣背側(cè)增加加強(qiáng)筋板減少中心區(qū)域輻條焊接的應(yīng)力集中，加強(qiáng)中心區(qū)域的整體性，加強(qiáng)中心區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

輻條板和面板主結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度厚板加強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

沿半徑方向分布4組傳力環(huán)提高整體結(jié)構(gòu)剛性，傳遞扭矩更加均勻

保證渣土流動性的前提下刀盤正面厚度提高到600mm，邊緣厚度可達(dá)700mm加強(qiáng)大推力和大扭矩作用下的刀盤的整體剛度

采用6輻條加面板式的設(shè)計(jì)，邊緣滾刀12個(gè)有效延長邊緣刀具的有效掘進(jìn)距離

采用7分塊設(shè)計(jì)（1中心塊+6邊塊）中心塊較大，單個(gè)邊塊弧長較短，改造量小

刀箱按照可安裝19英寸滾刀設(shè)計(jì)針對砂卵石地層情況可安裝19英寸滾刀，也可按照以往刀具通用的原則安裝18英寸的滾刀；刀盤的針對性設(shè)計(jì)中心整厚板結(jié)構(gòu)輻條和面板的厚板邊緣滾刀4道加強(qiáng)型傳力環(huán)刀盤的針對性設(shè)計(jì)中心塊邊塊序號措施效果

采用砂卵石地層專用切刀（第一道合金為連續(xù)大合金，采用小背斜設(shè)計(jì)，采用3排固定螺栓）提高了切刀的抗沖擊性能和耐磨性能

刮刀采用大合金設(shè)計(jì)，且采用M30的高強(qiáng)螺栓固定，刀座內(nèi)安裝有鋼絲螺套提高了刀具的耐沖擊性能，極端工況下拆卸方便

刀座設(shè)計(jì)有靠近底部的定位臺階有效消除沖擊剪力

刀盤外周采用鑲嵌合金耐磨條，正面采用復(fù)合式耐磨板，邊緣及過渡區(qū)域采用耐磨網(wǎng)格提高刀盤的整體耐磨性能

滾刀正面85mm刀間距，切刀170mm刀間距提高主切削刀具的延米壽命，更能適應(yīng)大直徑刀盤外周的高線速度磨損，減小泥巖的巖脊高度；

采用小面板結(jié)構(gòu)開口大而連續(xù)保證了刀盤在卵石地層的通過性能

加強(qiáng)了各類刀座的保護(hù)提高了刀具的耐沖擊性能砂卵石地層的針對性設(shè)計(jì)：鑲嵌合金耐磨中心大開口正面及外周開口正面復(fù)合耐磨板序號措施效果

有中心加強(qiáng)措施的前提下，中心開口進(jìn)一步加大，中心1.5m范圍內(nèi)開口率可達(dá)40%加強(qiáng)了中心區(qū)域的渣土流動性，降低泥餅形成的風(fēng)險(xiǎn)

采用6支腿結(jié)構(gòu)中心區(qū)域渣土流動性得到改善

中心區(qū)域設(shè)置有5路改良劑注入口提高中心區(qū)域的渣土改良效果

中心背部區(qū)域渣土改良口采用3方位立體式的布置設(shè)計(jì)能有效提升中心區(qū)域的渣土改良效果

刀盤背板和支腿處共設(shè)計(jì)有4個(gè)主動攪拌棒加強(qiáng)了土倉渣土的攪拌效果，降低了形成“土拱”的風(fēng)險(xiǎn)

刀盤隔板處設(shè)計(jì)有高壓沖洗水接口可對刀盤中心區(qū)域進(jìn)行沖洗，降低形成泥餅的風(fēng)險(xiǎn)

滾刀與切刀采用57.5mm的高差保證先行刀的有效切削空間，降低切刀的磨損，在先行刀磨損到極限時(shí)切刀剛好到達(dá)掌子面，有磨損報(bào)警的實(shí)用功效；泥巖地層的針對性設(shè)計(jì)：攪拌棒立體式噴嘴布置中心正面噴嘴高壓沖洗刀盤設(shè)計(jì)：刀盤的基本結(jié)構(gòu)為輻條面板式，6個(gè)主梁+6個(gè)副梁，可安裝滾刀，滾刀的刀座可實(shí)現(xiàn)滾刀與撕裂刀互換，為復(fù)合式刀盤，刀盤開口整個(gè)盤面均勻分布，開口率34%/36%，同時(shí)具備泥巖地層和砂卵石地層掘進(jìn)能力。在泥巖地層刀盤開口率36%，利于進(jìn)渣，防止泥餅產(chǎn)生。卵石地層限制周邊開口設(shè)計(jì)為螺栓連接，可根據(jù)地層調(diào)整開口刀盤設(shè)計(jì)采用中心隔板固定設(shè)計(jì)，配有中心固定攪拌棒及高壓水沖刷通道，固定攪拌棒可以與隨刀盤轉(zhuǎn)動的渣土形成相對運(yùn)動，對渣土進(jìn)行攪拌，使之不能形成泥餅。1）刀盤土倉中心防泥餅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防止粘土附著和結(jié)泥餅對策（１）

在刀盤進(jìn)土口位置裝備高壓水噴射管防止粘土附著和結(jié)泥餅對策（２）

擴(kuò)大刀盤中央部分的開口，重視泥土從刀盤中心部進(jìn)入土倉防止粘土附著和結(jié)泥餅對策（３）在土倉內(nèi)隔壁上裝備前后滑動式固定攪拌翼，并可從其前端添加泥漿防止粘土附著和結(jié)泥餅對策（４）裝備在刀盤內(nèi)側(cè)可以覆蓋整個(gè)區(qū)域的攪拌翼防止粘土附著和結(jié)泥餅對策（５）固定土倉隔壁中心部分，防止轉(zhuǎn)動腳中心部分泥土堵塞2）刀盤受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及剛度強(qiáng)度刀盤的6主梁結(jié)構(gòu)可設(shè)置6個(gè)牛腿，結(jié)構(gòu)受力合理，通過有限元分析，大應(yīng)力部位均配置足夠的材料，刀盤強(qiáng)度和剛度均能滿足各種地層的施工需要。3）刀具設(shè)計(jì):滾刀刀圈尺寸為18寸，刃寬30mm，高度187.7mm，增大了滾刀刀圈的允許磨損量，延長了換刀距離。滾刀的安裝通過兩個(gè)楔形塊、拉緊塊和長螺栓鎖緊刀軸，能實(shí)現(xiàn)刀具的快速安裝和拆卸。刀盤最外軌跡布置2把滾刀，能夠更好的保證開挖直徑，延長邊刀的使用壽命，減少邊刀更換的次數(shù)。邊刮刀：邊刮刀為弧形結(jié)構(gòu)，數(shù)量12把，高度130mm，刀頭材料采用KE13類材料（鎢鈷類硬質(zhì)合金），具備良好的耐磨和抗沖擊性能。仿形超挖刀：超挖刀具有仿形功能，可直接通過主控室控制仿形刀伸出量，主要有以下三個(gè)作用：a.當(dāng)遇到盾構(gòu)機(jī)上漂時(shí)，仿形刀可在底部伸出調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)；b.作為最外軌跡刀具，當(dāng)最外軌跡滾刀磨損之后，仿形刀可代替掘進(jìn)一定距離；c.最外軌跡滾刀更換時(shí)，仿形刀伸出擴(kuò)挖一部分仿形仿形刀實(shí)物圖刮刀4）長距離擴(kuò)挖方式在硬巖地層小曲線半徑長距離擴(kuò)挖掘進(jìn)時(shí)，采用加厚L型塊加高邊刀方式進(jìn)行擴(kuò)挖。5）刀具互換性滾刀刀座上安裝可更換式撕裂刀，滿足局部軟弱地層配刀需求。6）設(shè)計(jì)刀盤前面板表面敷設(shè)6.4+6.刀盤耐磨4復(fù)合鋼板，耐磨材料硬度為HRC58-62，刀盤外圈梁鑲焊兩圈耐磨合金塊，可降低刀盤在卵石和砂礫層掘進(jìn)時(shí)渣土對刀盤外圈梁的磨損。耐磨復(fù)合鋼板7）刀盤磨損檢測刀盤設(shè)置有4個(gè)液壓式磨損檢測裝置，能夠通過液壓油泄漏后的報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀盤或刀具的磨損。磨損檢測點(diǎn)9路泡沫，其中兩路與膨潤土共用2路膨潤土（與泡沫共用）泥漿注入口的配置?刀盤面板前面：3處?固定隔板一側(cè)：4處?固定攪拌翼前端：1處?螺旋出渣機(jī)：3處

可選擇泥漿、泡沫和聚合物3種類型噴出口閥門構(gòu)造照片噴口總成可以從刀盤背面抽出，完全損壞或阻塞不能疏通時(shí)可在土倉內(nèi)抽出維修或更換。安裝及工作狀態(tài)洞內(nèi)抽出維修或更換刀具形狀及特點(diǎn)高100寬150刀具形狀及特點(diǎn)特點(diǎn)總結(jié)?大型、堅(jiān)固?適用土質(zhì)的選擇?可在土倉中更換?釬焊時(shí)溫度管理和熱處理對應(yīng)復(fù)合地層的刀具配置復(fù)合地層的刀具裝備與對策?可更換滾刀與強(qiáng)化先行刮刀?如巖石強(qiáng)度在30Mpa以下可使用強(qiáng)化先行刮刀進(jìn)行掘進(jìn)?如巖石強(qiáng)度為30～250Mpa則應(yīng)適用滾刀進(jìn)行掘進(jìn)滾刀的形狀與特點(diǎn)尺寸：17

英寸

允許磨損量

：20mm允許負(fù)荷：250kN

允許線速度：150m/min材質(zhì)：特殊工具鋼

轉(zhuǎn)動力：70Nーm刀盤耐磨損對策刀盤外周堆焊釘狀耐磨物外周進(jìn)行硬化耐磨層堆焊耐磨ＩＮＧ板螺旋出渣機(jī)的特點(diǎn)驅(qū)動方式

液壓驅(qū)動方式（裝備動力：110kw）出土量

280m3/h（最大排出粒徑：φ250mm×500mmL）直徑

700mm（帶軸式出渣機(jī)）轉(zhuǎn)速

1.0～24rpm驅(qū)動扭矩

常用最大：55.7kN-m脫困時(shí)最大：65,0kN-m前端部

耐磨對策（套筒與螺旋槳硬化堆焊）耐磨措施的針對性設(shè)計(jì)：成都地區(qū)的砂卵石多是花崗巖風(fēng)化沖擊形成具有非常強(qiáng)的磨損性能，經(jīng)常出現(xiàn)螺旋機(jī)筒體磨穿，螺旋葉片磨光的情況。螺旋機(jī)的針對性設(shè)計(jì)序號措施效果

螺旋機(jī)的葉片和軸采用我公司成熟應(yīng)用于砂卵石地層的耐磨堆焊設(shè)計(jì)極大的提高了螺旋機(jī)筒體的耐磨性能

螺旋機(jī)前端主工作葉片采用鑲嵌合金的合金塊，后端葉片外周采用鑄造式合金塊極大提高了螺旋軸和葉片的耐磨性能

螺旋機(jī)前端節(jié)2000mm長度范圍，底部圓周方向120°范圍，筒體采用可更換的耐磨襯板設(shè)計(jì)耐磨性具備更大的工程實(shí)用意義螺旋機(jī)耐磨措施方面針對設(shè)計(jì)：◆結(jié)構(gòu)組成螺旋輸送機(jī)由螺旋軸，連接筒體，伸縮節(jié)，出渣節(jié)，驅(qū)動裝置組成。◆耐磨設(shè)計(jì)主要是葉片耐磨設(shè)計(jì)和筒體耐磨設(shè)計(jì)。1）葉片耐磨設(shè)計(jì)：葉片軸前部外圓鑲焊合金耐磨塊，在螺旋葉片迎渣方向堆焊耐磨網(wǎng)格。2）筒體耐磨設(shè)計(jì)：前盾螺旋輸送機(jī)筒體內(nèi)套表面貼有耐磨復(fù)合鋼板，前端兩節(jié)筒體內(nèi)表面貼復(fù)合耐磨鋼板。螺旋機(jī)防止水噴涌對策（旋轉(zhuǎn)出渣機(jī)）隔壁螺旋機(jī)閘門構(gòu)造在隔壁處裝備螺旋機(jī)前端閘門管片拼裝機(jī)和吊運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)解決的問題有：真空吸盤如何適應(yīng)同時(shí)適應(yīng)1800mm和1500mm，兩類環(huán)寬管片的吊裝需求；拼裝和吊運(yùn)系統(tǒng)如何在噴涌地層，保證正常的管片吊運(yùn)和拼裝作業(yè)；如何提高管片運(yùn)輸環(huán)節(jié)的卸載和運(yùn)輸效率。管片拼裝機(jī)和吊運(yùn)系統(tǒng)的針對性設(shè)計(jì)序號措施效果1.

真空吸盤采用“雙輪廓”設(shè)計(jì)一個(gè)吸盤就能夠滿足1800mm和1500mm，兩類環(huán)寬管片2.

管片吊機(jī)采用“一次吊裝”設(shè)計(jì)，可直接將管片吊運(yùn)至管片拼裝機(jī)抓取區(qū)，無需喂片機(jī)構(gòu)（本案包含喂片機(jī)）在噴涌工況下，仍能保證較高的管片吊裝效率，不必為清洗喂片結(jié)構(gòu)而浪費(fèi)2-3個(gè)小時(shí)的時(shí)間，與此同時(shí)在始發(fā)階段也可大大提高始發(fā)階段的喂片效率3.

設(shè)計(jì)有卸載器，可從管片運(yùn)輸車上整環(huán)卸載管片并存儲管片可有效提高施工物料運(yùn)輸效率“雙輪廓”真空吸盤管片搬運(yùn)裝置形式：雙臂搬運(yùn)方式吊具：

雙起重機(jī)方式結(jié)構(gòu)：開挖面作業(yè)空間寬敞、簡潔渣土改良系統(tǒng)這對本工程需要重點(diǎn)考慮的問題有：具備強(qiáng)大的注入能力用以適應(yīng)多種地層對于渣土改良系統(tǒng)的需求；具備防堵和通堵的能力；具備對掌子面、土倉和螺旋機(jī)等多點(diǎn)位多層次的改良能力。渣土改良系統(tǒng)的針對性設(shè)計(jì)序號措施效果1.采用12路通路的回轉(zhuǎn)接頭（不包含液壓通路）加大刀盤的改良劑注入點(diǎn)2.

泡沫系統(tǒng)9路泡沫采用（單管單泵）的設(shè)計(jì)改良系統(tǒng)性能更強(qiáng)且具有一定的防堵能力3.泡沫噴嘴采用“Y”型止回橡膠設(shè)計(jì)具有比單向閥更好的防堵性能4.

泡沫泵采用柱塞泵設(shè)計(jì)，最高注入壓力可大50bar能直接用作高壓模式用于通堵，提高了改良劑管路的防堵能力5.

刀盤外周設(shè)計(jì)有獨(dú)立的膨潤土注入管路，能夠在緊急情況下可向掌子面上部噴射壓力泥漿用于形成泥膜提高了渣土改良系統(tǒng)對于地層的適應(yīng)性6.

本案在刀盤、盾體和螺旋機(jī)分別設(shè)置了12路、4路和8路注入口，盾體預(yù)留多出注入點(diǎn)可保證改良劑多點(diǎn)位多層次的注入性能盾構(gòu)參數(shù)表ZTE8600土壓平衡盾構(gòu)主要性能參數(shù)表序號項(xiàng)目參數(shù)備注1

整機(jī)長度m103

2

主機(jī)長度m約10.5（不包含螺旋機(jī)）約16.2（包含螺旋機(jī)）3

轉(zhuǎn)彎半徑m400

4

爬坡能力‰≥35

5

推進(jìn)速度mm/min≥90（砂卵石）≥100（泥巖）6

開挖直徑mm8650

7

主軸承直徑m4.8

8

驅(qū)動功率kW300012*2509

驅(qū)動扭矩kNm20530扭矩系數(shù)3210

脫困扭矩kNm28740扭矩系數(shù)4511推力kN81895標(biāo)稱93594脫困12

螺旋機(jī)內(nèi)徑mm1020理論出渣量≥550m3/h13皮帶寬度mm1000變頻，帶速3.2m/s14回轉(zhuǎn)接頭通路12路9路泡沫+2路膨潤土+1加水15泡沫9路單管單泵16特色設(shè)計(jì)配有云端數(shù)字化指揮系統(tǒng)接口17總功率kW約4500第一節(jié)盾構(gòu)機(jī)基本參數(shù)的確定盾殼外徑刀盤直徑主機(jī)長度盾構(gòu)機(jī)重量第二章盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)及計(jì)算盾殼外徑

盾構(gòu)的外徑由管片外徑、保證管片安裝所需要的富余量、盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、盾尾殼體厚度以及修正蛇行時(shí)的最小余量等確定。式中：Ds——管片外徑；t——盾尾殼體的厚度；δ——盾尾間隙。盾尾間隙δ在實(shí)際使用數(shù)據(jù)中大多為20~45mm刀盤直徑為了防止盾構(gòu)被卡，刀盤直徑D0一般大于前盾直徑D110~20mm。一般有前盾直徑>中盾直徑>盾尾直徑的關(guān)系從而使盾構(gòu)外形形成一錐形，進(jìn)一步減小盾構(gòu)由于地層沉降而被卡的風(fēng)險(xiǎn)。主機(jī)長度盾構(gòu)主機(jī)主要位于盾殼內(nèi)，因此主機(jī)長度L可由前盾、中盾、盾尾三部分組成。前盾L1根據(jù)刀盤厚度、刀盤后面攪拌裝置的縱向長度、土倉的容量（長度）等條件確定。中盾L2取決于盾構(gòu)推進(jìn)油缸、排土裝置、管片拼裝機(jī)舉重臂支承機(jī)構(gòu)等設(shè)備的規(guī)格大小。盾尾長度L3盾尾長度L3可按下式確定：式中：LD——盾構(gòu)推進(jìn)油缸撐檔的長度，m；B——管片的寬度，m；CF——組裝管片的余度，m，通常取CF=（0.25~0.33）B；CR——包括安裝尾封材在內(nèi)的后部余度，m。盾構(gòu)主機(jī)長度L與盾構(gòu)直徑D的比值一般稱作盾構(gòu)的靈敏度系數(shù)。L/D的比值大小可以反映出盾構(gòu)主機(jī)在開挖曲線隧道時(shí)的方向控制能力。L/D越小，操作越方便。大直徑盾構(gòu)D≥6m時(shí)，取L/D=0.7~0.8（多取0.75）；中直徑盾構(gòu)（3.5m≥D≥6m）時(shí)，取L/D=0.8~1.2（多取1.0）；小直徑盾構(gòu)（D≤3.5m）時(shí)，取L/D=1.2~1.5（多取1.5）。盾構(gòu)的靈敏度系數(shù)盾構(gòu)機(jī)重量盾構(gòu)重量是指刀盤、盾殼、推進(jìn)油缸、管片拼裝機(jī)和其他安裝在盾殼內(nèi)的所有設(shè)備的重量的總和。序號名稱數(shù)量直徑（mm）長（mm）寬（mm）高（mm）重量（t）1刀盤（含刀具）18650//39001302前、中盾（含設(shè)備）18600//61703603盾尾（含盾尾刷）18570//4380804管片拼裝機(jī)1

8685719061001005螺旋輸送機(jī)1

1620026001700556設(shè)備橋1

16575610048653871號臺車1

12565610032005082號臺車1

12300610030005993號臺車1

115506100300046104號臺車1

117606100300039115號臺車1

117606100300050126號臺車1

168006300300048ZTE8600土壓平衡盾構(gòu)機(jī)重量、尺寸參數(shù)表土壓力是盾構(gòu)承受荷載的主要部分，因此如何恰當(dāng)?shù)赜?jì)算作用在盾構(gòu)上的土壓力的大小及分布，就成為了盾構(gòu)設(shè)計(jì)和研究的首要問題。盾構(gòu)隧道土壓力的計(jì)算理論常用有兩種，一種是假定作用在盾構(gòu)上的土壓力為盾構(gòu)上全覆土重，另一種是考慮土體抗剪強(qiáng)度的松弛土壓力理論，包括太沙基理論、普氏土壓理論、謝家烋理論、比爾鮑曼理論等。第二節(jié)土壓力計(jì)算方法及理論全覆土理論認(rèn)為盾構(gòu)上的垂直土體壓力是上覆土體土柱的重力式中：γ——土體容重；h——埋深。全覆土理論適用于淺埋隧道，未考慮巖土拱效應(yīng)的影響全覆土理論太沙基理論計(jì)算洞頂巖層中任意深度一點(diǎn)垂直土壓力σT為：圖2?4太沙基理論計(jì)算結(jié)果圖2?3太沙基理論計(jì)算模型比爾鮑曼理論式中：B——斷面寬度；ht——斷面高度。當(dāng)埋深較小時(shí)，隨埋深增加垂直土壓力逐漸增大；當(dāng)埋深較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，與實(shí)際完全不符，因此不適合于深埋隧道隧道開挖后，上部土體形成壓力拱，以壓力拱作為滑移面，滑移面下部的土體將松動塌陷，滑移面上部的土體不受擾動影響普氏理論h0——壓力拱的拱高，m；b——自然拱的半跨度，b=bt+httan(π/4-φ/2)；f——巖石的堅(jiān)固系數(shù)（無量綱），按普式系數(shù)取值表或可根據(jù)f=tanφ計(jì)算；ht——隧道高度，m；bt——隧道半寬度，m。

普氏理論計(jì)算模型土壓力計(jì)算理論適用范圍全覆土理論適用于軟土淺埋隧道，不適用于硬巖或者深埋隧道太沙基理論適用于軟土淺埋、深埋隧道比爾鮑曼理論適用于淺埋隧道，不適用于深埋隧道普式理論不適用于淺埋隧道，適用于深埋隧道謝家烋理論適用于淺埋隧道，不適用于深埋隧道兩種隧道設(shè)計(jì)規(guī)范、宋玉香公式可進(jìn)行深淺埋界限劃分，適用于各埋深隧道特征曲線法適用于計(jì)算各埋深下山巖隧道圍巖收斂對支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力土壓力計(jì)算理論適用性歸納盾構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)（推力、扭矩）的確定時(shí)，需要解決盾構(gòu)上作用的載荷問題。主要包括：盾構(gòu)周圍的水、土壓力載荷，盾構(gòu)正面的水、土壓力載荷，盾構(gòu)本身自重，變向載荷，上覆載荷。松動高度h0可由計(jì)算得到的垂直土壓力σv換算得到第三節(jié)盾構(gòu)上作用的載荷及分布盾構(gòu)周圍作用的垂直土壓力始終豎直向下，當(dāng)盾構(gòu)水平時(shí)，垂直土壓力與盾構(gòu)周圍外法線方向呈θ角（0≤θ≤π）盾構(gòu)周圍外法線方向上作用的土壓力可由垂直土壓力乘以外法線方向上的土壓力系數(shù)Kθ得到。盾構(gòu)周圍作用的土壓力載荷θh0R垂直土壓力σv外法線σv式中：K——水平土壓力系數(shù)。則盾構(gòu)上半部分周圍外法線方向作用的土壓力為：盾構(gòu)下半部分受到的載荷為：盾構(gòu)主機(jī)自重產(chǎn)生的地層反力pgWg——盾構(gòu)主機(jī)自重；D——盾構(gòu)機(jī)直徑；L——盾構(gòu)主機(jī)長度。盾構(gòu)周圍作用的水壓力載荷為：hw——盾首頂部水頭高度；γw——水的容重；q——滲透系數(shù)，對于砂土q=0.5~1.0；

粘性土q=0.1~0.5，風(fēng)化巖層q=0~0.5。盾構(gòu)周圍作用的水壓力載荷水頭hwhw+R-Rsinθθσw刀盤正面作用的載荷為開挖面的水平土壓力載荷：式中：r——刀盤正面上任意一點(diǎn)距刀盤中心的距離。刀盤正面作用的土壓力載荷θh0h0+R-rsinθσfr盾構(gòu)水平掘進(jìn)時(shí)刀盤正面作用的土壓力水壓力方向始終垂直于刀盤面板，同樣考慮到滲透系數(shù)的影響，盾構(gòu)刀盤正面作用的水壓力為：刀盤正面作用的水壓力載荷式中：hw——盾首頂部水頭高度。θh0h0+R-rsinθσfr盾構(gòu)進(jìn)行曲線施工或修正方向時(shí)，會受到來自周圍圍巖與其偏心推力相平衡的地基抗力的作用。稱此抗力為變向荷載。變向載荷考慮變向荷載的盾構(gòu)荷載模型在土木學(xué)會、日本下水道協(xié)會制定的《盾構(gòu)用標(biāo)準(zhǔn)管片》中規(guī)定，當(dāng)在道路下面修筑隧道時(shí)，應(yīng)考慮路面載荷，將其視為上覆載荷，可取10kPa。上覆載荷從盾構(gòu)的載荷模型可知，盾構(gòu)承受著來自開挖面和盾殼周圍的土壓力和水壓力的作用，因此，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，盾構(gòu)推進(jìn)力必須克服盾殼與周圍地層的摩阻力、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)的正面推進(jìn)阻力、管片與盾尾間的摩阻力以及后接臺車的牽引阻力。一般盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力（簡稱推力）按下式計(jì)算：第四節(jié)盾構(gòu)機(jī)推力計(jì)算式中：F1——盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)刀盤正面的水土壓力產(chǎn)生的阻力；F2——盾構(gòu)與周圍土體產(chǎn)生的摩擦阻力；F3——盾尾與管片的摩擦阻力；F4——切口環(huán)貫入阻力；F5——盾構(gòu)變向阻力；F6——牽引后配套臺車阻力；F7——刀具貫入土體產(chǎn)生的阻力；FX——盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)自重沿掘進(jìn)軸線的分量，為主動力。在實(shí)際的推力配置過程中，為保證推力充足以及脫困時(shí)的推力，總推力應(yīng)大于計(jì)算得到的推力F，并留有安全系數(shù)：式中：A——安全系數(shù)，一般可取2~3。盾構(gòu)機(jī)的總裝備推力的檢驗(yàn)值可按下式計(jì)算：在刀盤正面取一微元進(jìn)行受力分析該微元受到的水土壓力產(chǎn)生的作用力為：刀盤正面的水土壓力產(chǎn)生的阻力F1考慮刀盤開口率的影響式中：η——刀盤開口率細(xì)小長條矩形受到周圍土體的正壓力為：則土體對盾構(gòu)上半部分產(chǎn)生的正壓力N1為：盾構(gòu)下半部分受到土體的正壓力N2為：盾構(gòu)與周圍土體產(chǎn)生的摩擦阻力F2盾構(gòu)殼體與周圍土體產(chǎn)生的摩擦阻力F2為：μ1——盾殼與周圍土體的摩擦系數(shù)。主機(jī)自重為Wz尾與管片的摩擦力F3：式中：n4——盾尾內(nèi)管片環(huán)數(shù)；Ws——每環(huán)管片的自重；D0——管片外徑；b——每道盾尾密封刷與管環(huán)的接觸長度；PT——盾尾密封刷的壓強(qiáng)；n5——盾尾密封刷的層數(shù)；3——盾尾密封刷與管片的摩擦系數(shù)。盾尾與管片的摩擦阻力F3由管片與盾尾內(nèi)壁間摩擦阻力和盾尾密封刷引起的摩擦阻力兩部分組成切口環(huán)阻力F4為：式中：De——盾構(gòu)外徑；Di——盾構(gòu)內(nèi)徑；q——切口環(huán)插入處地層土的平均抗壓強(qiáng)度；Z——切口環(huán)插入地層深度；pe——切口環(huán)插入處地層的摩阻力強(qiáng)度。切口環(huán)貫入阻力F4盾構(gòu)切口環(huán)未凸出刀盤時(shí)，無切口環(huán)阻力盾構(gòu)直線掘進(jìn)時(shí)，沒有變向阻力；盾構(gòu)蛇形或曲線掘進(jìn)時(shí)，此時(shí)變向阻力F5為：其中，式中：lJ——推進(jìn)油缸的安裝半徑；Bg——管片寬度；RC——曲線施工半徑；L——盾構(gòu)主機(jī)長度；D——盾構(gòu)機(jī)直徑；k——地基抗力系數(shù)盾構(gòu)變向阻力F5牽引后配套臺車阻力F6式中：μ2——后配套聚氨酯輪與仰拱面的滾動摩擦系數(shù)，或后配套臺車鋼輪與軌道的滾動摩擦系數(shù)；Wp——為后配套臺車自重。牽引后配套臺車阻力F6刀具貫入土體產(chǎn)生的阻力F7為：式中：n1——滾刀的數(shù)目；FV1——滾刀破巖的垂直力n2——正切刀的數(shù)目FV2——切刀破巖的垂直力刀具貫入土體產(chǎn)生的阻力F7

當(dāng)盾構(gòu)上下坡掘進(jìn)時(shí)，主機(jī)自重與后配套臺車自重將產(chǎn)生沿著軸線方向的分量：Wp——為后配套臺車自重。Wz——為主機(jī)自重

α——為坡角盾構(gòu)機(jī)自重產(chǎn)生的下滑力FX土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，作用于刀盤上的載荷主要有：刀盤正面的土壓力、刀盤側(cè)面的土壓力以及渣土倉的渣土壓力。隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，刀盤與土體發(fā)生剪切和摩擦，從而產(chǎn)生各個(gè)阻力扭矩