盾構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算方法x

1、盾構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算方法 1.1、序言 盾構(gòu)是一種專門用于隧道工程的大型高科技綜合施工設(shè)備， 它具 有一個(gè)可以移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)外殼（盾殼），盾構(gòu)內(nèi)裝有開挖、排土、拼 裝和推進(jìn)等機(jī)械裝置，進(jìn)行土層開挖、碴土排運(yùn)、襯砌拼裝和盾構(gòu)推 進(jìn)等系列操作，使隧道結(jié)構(gòu)施工一次完成。它具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安 全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，從松散軟土、淤 泥到硬巖都可應(yīng)用，在相同條件下，其掘進(jìn)速度為常規(guī)鉆爆法的 4 10倍。較長地下工程的工期對經(jīng)濟(jì)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(jìn)工作面又常常受到很多限制，面對進(jìn)度、安 全、環(huán)保、效益等這些問題，使用盾構(gòu)機(jī)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(gòu)法施工，也具有 十分明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢 。 采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)的選型及配置是隧道施工中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之 一，盾構(gòu)選型應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)水文情況、工期、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)、 安全等綜合考慮。盾構(gòu)的選型及配置是一種綜合性技術(shù)，涉及地質(zhì)、 工程、機(jī)械、電氣及控制等方面。 1.2盾構(gòu)機(jī)選型主要原則 1.2.1盾構(gòu)的選型依據(jù) 盾構(gòu)選型主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素： 1） 工程地質(zhì)、水文條件及施工場地大小。 2） 業(yè)主招標(biāo)文件中的要求。 3）管片設(shè)計(jì)尺寸與分塊角度。 4） 盾構(gòu)的先進(jìn)性、適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性。 5） 盾構(gòu)機(jī)廠家的信譽(yù)與業(yè)績。 6） 盾構(gòu)機(jī)能否按期到達(dá)現(xiàn)場。 122盾構(gòu)的

3、型式 1） 敞開式型盾構(gòu) 敞開式型盾構(gòu)是指盾構(gòu)內(nèi)施工人員可以直接和開挖面土層接觸， 對開挖面工況進(jìn)行觀察，直接排除開挖面發(fā)生的故障。這種盾構(gòu)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(gòu)、半機(jī) 械開挖盾構(gòu)、機(jī)械開挖盾構(gòu)。 2） 部分敞開式型盾構(gòu) 部分敞開式型盾構(gòu)是在盾構(gòu)切口環(huán)在正面安裝擠壓胸板或網(wǎng)格 切削裝置，支護(hù)開挖面土層，即形成擠壓盾構(gòu)或網(wǎng)格盾構(gòu)，施工人員 可以直接觀察開挖面土層工況，開挖土體通過網(wǎng)格孔或擠壓胸板閘門 進(jìn)入盾構(gòu)。根據(jù)以往大量工程經(jīng)驗(yàn)， 通常都將擠壓胸板和網(wǎng)格切削裝 置組合在一起安裝在盾構(gòu)上，形成網(wǎng)格

4、擠壓盾構(gòu)。這種盾構(gòu)適用于不 能自立、流動(dòng)性在的松軟粘性土層、尤其是對隧道沿線地面變形無嚴(yán) 格 要求的工程。當(dāng)盾構(gòu)采用網(wǎng)格開挖時(shí)，應(yīng)將安裝在網(wǎng)格后面的擠 壓胸板部分或大部分拆除，利用網(wǎng)格孔對土層的摩擦力或粘結(jié)力對開 挖面土層進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)（一般是盾構(gòu)穿越江湖、海底 或沼澤地區(qū)），應(yīng)將擠壓胸板裝上，盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)，可將土體全部 排擠在外面，不進(jìn)入盾構(gòu)；另外也可根據(jù)具體情況和盾構(gòu)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(jìn)土量， 以使盾構(gòu) 順利掘進(jìn)。 有時(shí)在網(wǎng)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(jìn)一步提高施工效率，改善隧道內(nèi)施工環(huán)境。 3）封閉型盾構(gòu) 封閉型是在盾構(gòu)切口環(huán)和支承環(huán)之間增設(shè)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(gòu)施工時(shí)，通過對 密封泥土艙中的壓力進(jìn)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(jìn)行顯示自動(dòng)控制。 封閉型盾構(gòu)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(gòu) 在盾構(gòu)內(nèi)設(shè)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(nèi)充以壓力泥漿支護(hù)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(shí)泥漿中的細(xì)微粘粒在極短時(shí)間內(nèi)滲入土層， 有利于增強(qiáng)土層自立 能力。由刀盤開挖下的泥土經(jīng)刀盤切削攪拌和攪拌機(jī)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(jīng)濃度、比重調(diào)整后又重新送入盾構(gòu)循環(huán)使用。 泥水加壓盾構(gòu)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(gòu)刀盤

7、，多使用面板式結(jié)構(gòu)，進(jìn)土槽口寬度應(yīng)按土質(zhì) 而定，一般槽口寬應(yīng)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(gòu)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(zhì)量好、效率高、安全可靠。然而它需要一套 技術(shù)較復(fù)雜的泥水分離處理設(shè)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(gòu) 在盾構(gòu)密封泥土艙內(nèi)利用開挖下的泥土直接支護(hù)開挖面土層， 既 具有泥土加壓盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又消除了復(fù)雜的泥水分離處理設(shè)施， 受到 工程界的普遍重視。土壓平衡式盾構(gòu)可根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取不同 的技術(shù)措施，設(shè)計(jì)成不同的類型，能適應(yīng)從松軟粘性土到

8、砂礫土層范 圍各種土層內(nèi)各種土層施工。 a）普通型的土壓平衡式盾構(gòu) 普通型的土壓平衡式盾構(gòu)適用于松軟粘性土， 由刀盤切削下的泥 土進(jìn)入泥土艙，再通過螺旋輸送機(jī)向后排出。由于經(jīng)過刀盤切削和擾 動(dòng)，會(huì)增加泥土的塑流性，在受到刀盤切削和螺旋輸送機(jī)傳送后也會(huì) 變得更為松軟，使泥土艙內(nèi)的土壓力能均勻傳遞。 通過調(diào)節(jié)螺旋輸送 機(jī)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)速度，調(diào)節(jié)密封泥土艙內(nèi)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(gòu)一般使用面板式刀盤，進(jìn)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(jī)排 土口裝有排土閘門，有利于控制泥土艙內(nèi)土壓和控制排土量。

9、 b）加泥型的土壓平式衡盾構(gòu) 當(dāng)泥土含砂量超過一定限度時(shí)， 土和砂的流動(dòng)性就差， 靠刀盤切 削擾動(dòng)，難以使泥土達(dá)到足夠的塑流狀態(tài)，有時(shí)會(huì)壓密固結(jié)，產(chǎn)生拱 效應(yīng)。當(dāng)?shù)叵滤控S富時(shí)，通過螺旋輸送機(jī)的泥土，就不能起到止水 作用，無法進(jìn)行施工。此時(shí)，應(yīng)在普通型土壓平衡式盾構(gòu)基礎(chǔ)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(gòu)。對刀盤面板、 泥土艙和螺旋輸送機(jī)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(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)性好和不透水性泥 土，符合土壓平衡式盾構(gòu)施工要求，符合土壓平衡式盾構(gòu)施工要求。 為了降低刀盤傳動(dòng)功率和減小泥土移動(dòng)阻力，加泥型土壓平衡式盾構(gòu) 刀盤為有幅條

10、的開放式結(jié)構(gòu)，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(jìn)行強(qiáng)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(shí)， 往往難以用刀盤攪拌達(dá)到 目的，這將大大增加刀盤和螺旋輸送機(jī)的機(jī)械負(fù)荷， 造成盾構(gòu)施工困 難。此時(shí)應(yīng)注入發(fā)泡劑代替泥漿材料，因?yàn)榘l(fā)泡劑材料比重小、攪拌 負(fù)荷輕，可使刀盤扭矩降低50噓右。盾構(gòu)排出土砂中的泡沫會(huì)隨時(shí) 時(shí)間自然消失，有時(shí)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(gòu) 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(gòu)。這種盾構(gòu)是在普通型土壓平衡式盾構(gòu)基礎(chǔ)上，在螺旋輸送機(jī) 的排土口接上一個(gè)排土調(diào)整箱，在排土調(diào)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(jīng)過螺旋輸送機(jī)將棄土排入調(diào)整箱 內(nèi)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(nèi)土壓來平衡。 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤不停地對土層進(jìn) 行開挖和攪拌，使密封的泥土艙內(nèi)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(yīng)力，增加了流動(dòng)性， 從而能順暢地通過螺旋輸送機(jī)送入排土調(diào)整箱。 在調(diào)整箱內(nèi)通過攪拌 混合，向地面處理場排放。 加水型土壓平衡盾構(gòu)的泥水排放系統(tǒng)與泥水加壓盾構(gòu)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(jìn)行濃度、比重控制， 泥水分離處理設(shè)備和工藝也大為簡化。這種盾構(gòu)刀盤一般使用面板式 結(jié)構(gòu)，進(jìn)土槽口尺寸可根據(jù)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(gòu) 這種盾構(gòu)適用于土質(zhì)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(chǎn)生地表變形的極差地層的施工。 這種盾 構(gòu)具有土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)的紡織系統(tǒng)雙重特征。 盾構(gòu)掘進(jìn) 時(shí)，應(yīng)向盾構(gòu)內(nèi)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(hù)開挖面。由于從螺旋輸送機(jī)的排土口裝上一個(gè)旋轉(zhuǎn) 排土器既可保持泥土艙內(nèi)土壓的穩(wěn)定，又可不斷地從壓力區(qū)

13、無壓區(qū)內(nèi) 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(shí)泥漿濃度較高，無法通過管道排出，從螺旋輸送機(jī) 排出的泥土，是在泥漿槽中經(jīng)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(gòu)機(jī)的泥土艙的泥漿供入系統(tǒng)和排出系 統(tǒng)是兩個(gè)回路，所以從泥漿排出系統(tǒng)操作所造成的壓力波動(dòng)，對泥土 艙內(nèi)支護(hù)壓力無大影響，使盾構(gòu)操作控制更為簡便。 這種泥漿型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通常采用面板結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(gòu)多用于巨礫土層，因此排土多采用帶式螺旋輸送 機(jī)，可比同樣大小中心軸式螺旋輸送機(jī)排出的石塊

14、粒徑大一倍左右。 (3) 復(fù)合型盾構(gòu)(盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)) 采用盾構(gòu)掘進(jìn)長距離隧道，會(huì)遇到復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，往往用 一種類型的盾構(gòu)難以完成施工任務(wù)，因此出現(xiàn)了復(fù)合型盾構(gòu)。 所謂復(fù)合型盾構(gòu)，就是在軟土盾構(gòu)的刀盤上安裝切削巖層的各式 刀具，有的還在盾構(gòu)內(nèi)安裝碎石機(jī)， 這種硬巖開挖工具與軟土隧道盾 構(gòu)機(jī)械相結(jié)合，能在硬巖和軟土地層交替作業(yè)。復(fù)合型盾構(gòu)刀盤上安 裝的刀具，應(yīng)根據(jù)不同巖層條件而定。 軟土地層：主要采用割刀。安裝在刀盤進(jìn)土槽口兩側(cè)。 硬巖地層：主要采用盤式滾刀，對于更堅(jiān)硬的地層，應(yīng)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(yīng)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(jìn)行開挖。 上述各種刀具，應(yīng)能相互調(diào)換，以便隨巖層的變化進(jìn)行有效選擇。 復(fù)合型盾構(gòu)主要有以下三種類型： a） 泥水加壓型復(fù)合盾構(gòu) 以泥水加壓盾構(gòu)為基型，與硬巖開挖技術(shù)相結(jié)合，對大塊卵石、 塊石應(yīng)在盾構(gòu)內(nèi)安裝碎石機(jī)。當(dāng)盾構(gòu)地軟土層施工時(shí)，可按封閉型泥 水加壓盾構(gòu)進(jìn)行施工；當(dāng)遇到硬巖地層施工時(shí)，在刀盤上安裝不同的 硬巖切削刀具即能快速轉(zhuǎn)換成敞開型機(jī)械盾構(gòu)施工， 而碴土排送仍采 用水力管道排送。 b） 土壓平衡型復(fù)合盾構(gòu) 以土壓平衡盾構(gòu)為基礎(chǔ)，與硬巖開挖技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)盾構(gòu)在軟土 層施工時(shí)，可按封閉型土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工； 而當(dāng)遇到 硬巖地層 施工時(shí)，在刀盤上安裝不同刀具就能快速

16、轉(zhuǎn)換成敞開型機(jī)械盾構(gòu)施 工，為了排送尺寸較大的石塊，可選用帶式螺旋輸送機(jī)。 c） 敞開型復(fù)合盾構(gòu) 以普通機(jī)械開挖盾構(gòu)為基型，與硬巖開挖技術(shù)相結(jié)合，施工時(shí)只 要根據(jù)遇到的不同土層條件，及時(shí)轉(zhuǎn)換安裝適當(dāng)?shù)牡毒撸湍苁故┕?繼續(xù)進(jìn)行。 由于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，適應(yīng)性較廣，主要以它為例。 1.3盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的工況的轉(zhuǎn)換 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(yīng)軟、硬兩種地層的施工。根據(jù)地質(zhì)情況，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種工作狀態(tài) 的互換。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)從非平衡狀態(tài)向土壓平衡狀態(tài)下的過渡： 根據(jù)地 質(zhì)超前預(yù)報(bào)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(shí)，及時(shí)關(guān)閉螺旋輸送機(jī)的閘門，

17、在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的 密封隔板與開挖面形成的密封碴艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿刀盤切削下 來的碴土，在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)油缸的推動(dòng)作用下， 給泥土倉內(nèi)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(shí)現(xiàn)從非 土壓平衡狀態(tài)向土壓平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)可以在非土壓平衡下進(jìn)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(shí)因?yàn)椴陚}內(nèi)沒有 土壓力，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)有較高的掘進(jìn)速度并且易于操作。 1.4、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的功能描述 1.4.1、推進(jìn)特點(diǎn) 1) 土壓

18、平衡盾構(gòu)的推進(jìn) 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(shí)，可以建立土壓平衡，確保工程安全和工程質(zhì)量； 土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)在殘積層、 全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層等軟弱圍巖中 進(jìn)行掘進(jìn)，根據(jù)碴土的塑性和流動(dòng)性，在刀盤前和土倉內(nèi)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(nèi)進(jìn)行攪拌， 使其變?yōu)樗苄缘耐馏w，通過控制掘進(jìn)速度和調(diào)節(jié)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速兩個(gè)方 面來控制出土量，以調(diào)整切削腔室的土壓的穩(wěn)定，達(dá)到保持開挖面的 穩(wěn)定和控制地面沉降的目的，土倉內(nèi)的土壓力需在施工中根據(jù)地面的 沉降量不斷修正，土壓力過小會(huì)引起地表沉降，土壓力過大會(huì)引起地 表隆起。 2）非土壓平衡盾構(gòu)的推進(jìn) 當(dāng)工作

19、面巖土穩(wěn)定時(shí)，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(jìn)行正常掘進(jìn)。 非土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)于在中風(fēng)化層、微風(fēng)化層等硬巖中進(jìn)行掘 進(jìn)，因巖石的穩(wěn)定性好，尤其是微風(fēng)化層天然單軸極限抗壓強(qiáng)度最高 達(dá)44.645.8 MPa，盾構(gòu)可以在非土壓平衡狀態(tài)下進(jìn)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(nèi)的碴土排空，用管片 襯砌背后及時(shí)注漿的方法來控制地面沉降。 盾構(gòu)主要依靠盤形滾刀來 破碎巖石，滾刀在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)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(gè)工作面上的巖石均被破碎。 在掘進(jìn)的同時(shí)，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(shí)也起到輔助破巖的作用。 當(dāng)切削刀盤旋轉(zhuǎn)開挖，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)有一個(gè)自然趨勢滾向相反的方 向，為確保盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定，在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的前部設(shè)有一對撐靴， 當(dāng)在開挖較硬的地層而出現(xiàn)滾動(dòng)時(shí)，將撐靴伸出，撐在隧道周邊上， 它能抵抗這種滾動(dòng)趨勢。 3） 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在軟、硬不均斷面地層中的推進(jìn) 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在穿越殘積層、全風(fēng)化層與微風(fēng)化層的混合斷面時(shí)， 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)可能會(huì)向軟弱地層的方向偏移。 可以采取將偏移方向 的推進(jìn)油缸的工作油壓提高，同時(shí)降低相反方向推進(jìn)油缸的工作油 壓，使盾構(gòu)的掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力形成糾偏力矩， 依此來調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的 姿態(tài)。 4） 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)穿越斷層帶的推進(jìn) 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(shí)可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，在該段地層中，采用土壓平衡工況掘進(jìn)是 非?？煽康?。 5） 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)穿越火車站的推進(jìn) 比如， 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在穿越廣州火車站時(shí)， 為保障鐵路不減速的運(yùn) 行安全，主要應(yīng)滿足軌道的沉降要求?？梢圆扇∫韵麓胧?a）在鐵路兩側(cè)設(shè)沉降觀測點(diǎn)，進(jìn)行跟蹤測量，及時(shí)通知開挖面 優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，切實(shí)保證開挖面的土壓平衡，使土倉壓力波動(dòng)控 制在最小的幅度，盡可能減少盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)對周圍土體的擾動(dòng)。 b) 采用及時(shí)和二次注漿， 及時(shí)對管片襯砌盾尾間隙進(jìn)行充填注 漿，10m后再進(jìn)行補(bǔ)壓漿。

22、 c) 在穿越鐵路時(shí)，進(jìn)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(yùn)行。 1.5.主要機(jī)構(gòu)的功能描述 此次投標(biāo)選用的是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，主要由盾殼、刀盤、推進(jìn)系統(tǒng)、 螺旋輸送機(jī)、盾尾密封、鉸接裝置、管片拼裝機(jī)、撐靴、后配套設(shè)備 等機(jī)構(gòu)組成。 1) 盾殼 盾殼是一個(gè)用厚鋼板焊接的圓柱形筒體， 是盾構(gòu)受力支撐的主體 結(jié)構(gòu)。其作用： (1) 承受地下水、土壓力，盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏案鞣N施工荷載； (2) 支承和安裝各類機(jī)電設(shè)備及管片； (3) 保護(hù)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(shí)具有

23、攪拌泥土的功能。刀盤是幅條式結(jié) 構(gòu)，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(shè)計(jì)成背裝式，實(shí)現(xiàn)在泥土倉內(nèi)對損壞的滾刀進(jìn)行更換， 消除了 在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤前端維修保養(yǎng)刀具的危險(xiǎn)。切割刀對稱安裝在幅條 的兩側(cè)，刀盤用螺栓、螺母固定，可以更換。 裝在泥土倉內(nèi)的壓力傳感器，可以使操作人員隨時(shí)察看艙內(nèi)的土 壓力，以便及時(shí)并準(zhǔn)確地調(diào)整開挖參數(shù)。 比如，廣州地鐵二號線越秀公園站三元里站盾構(gòu)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(zhì)特點(diǎn)，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(qiáng)的地質(zhì) 適應(yīng)能力，割刀用以開挖砂土層、粘土和強(qiáng)風(fēng)化巖層等軟弱圍巖，

24、盤 形滾刀則用來對較硬的中、微風(fēng)化巖層進(jìn)行全斷面破碎開挖。 3） 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用以驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)， 對土體進(jìn)行擠壓和切削。主要 由大軸承、大齒圈、密封圈、減速器及馬達(dá)等組成。 刀盤用高強(qiáng)度螺栓與大齒圈連接，大齒圈即為大軸承的回轉(zhuǎn)環(huán)， 馬達(dá)帶動(dòng)減速器輸出軸上的小齒輪， 小齒輪與大齒圈嚙合，從而驅(qū)動(dòng) 刀盤旋轉(zhuǎn)。大軸承既承受刀盤的自重，又承受盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)力， 是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的主要組成部件。為了獲得最大的主軸承壽命，設(shè)置有 密封裝置，密封由加壓潤滑油系統(tǒng)來潤滑。 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在開挖軟弱圍巖時(shí)，采用高扭矩，低轉(zhuǎn)速的工況；當(dāng) 盾構(gòu)切削硬巖時(shí)，增大流量，采用低扭矩、高轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)曲線段的推進(jìn)，能夠靈活轉(zhuǎn)向，把盾掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)成 鉸接式，從而易于轉(zhuǎn)彎，減小曲線超挖量；并能減少頂進(jìn)時(shí)管片的偏 壓，提高隧道施工質(zhì)量，也易于對掘進(jìn)方向隨時(shí)進(jìn)行修正。 鉸接裝置使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)分成前后兩段，兩段之間通過鉸接千斤頂 操作，可使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前后兩段繞鉸接中心沿圓弧面上下、 左右回轉(zhuǎn)， 滿足盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)順利轉(zhuǎn)彎和坡度的要求， 使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)彎方便，減 少曲線超挖量及對土體的擾動(dòng)。 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)鉸接處設(shè)有機(jī)械限位，以保證盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)前后 節(jié)絕對不會(huì)脫開，并保

26、證達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角位移要求。 鉸接裝置設(shè)內(nèi)外兩 道密封，以防泥水進(jìn)入。 5） 人行閘門 在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)密圭寸隔板處設(shè)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(jìn)入泥土密封倉內(nèi)排除障礙或調(diào)換切 削刀具時(shí)，先將泥土倉內(nèi)充以壓縮空氣，用以疏干并支護(hù)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(jìn)系統(tǒng) 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是通過沿支承環(huán)周邊布置的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)千斤頂支撐 在已安裝好的管片襯砌上所產(chǎn)生的反作用力而前進(jìn)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(shè)計(jì)成鉸接式，并 設(shè)置支板均勻地將力傳遞到管片的環(huán)面上。 把盾構(gòu)千斤頂分成掘進(jìn)機(jī)若干扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由一

27、只電磁比例減 壓閥控制， 用來調(diào)節(jié)各組扇區(qū)千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫Γ?從而糾正或控制盾 構(gòu)推進(jìn)的方向，使符合設(shè)計(jì)軸線的要求。 7） 撐靴 撐靴的主要作用是防止盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的滾動(dòng)。 當(dāng)切削刀盤旋轉(zhuǎn)對硬 巖切削開挖時(shí)，機(jī)器有一個(gè)滾向相反的方向自然趨勢， 尤其是在硬巖 地層中，盾殼構(gòu)的外殼與洞壁之間的摩擦力較小，這種滾動(dòng)更加明顯， 在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前部設(shè)有一對撐靴，可能出現(xiàn)較大滾動(dòng)時(shí)，將撐靴伸出， 撐在隧道壁上，它能產(chǎn)生抵抗這種滾動(dòng)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(shí)，可以收回?fù)窝ァ?8） 泥漿及添加劑的注入機(jī)構(gòu) 為了改善開挖下來的碴土的塑性化流動(dòng)， 注入設(shè)備必須將足夠數(shù) 量的泥漿及

28、添加劑注到適當(dāng)?shù)奈恢?。泥漿及添加劑的注入機(jī)構(gòu)主要由 攪拌土箱、壓注泵組、輸送管路、注入口組成。 穿越軟土?xí)r，在泥土倉內(nèi)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(jī)的出土順暢，有效地調(diào)節(jié)土倉內(nèi)的壓 力。 當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)穿越較硬的巖層時(shí)，泥水可降低刀盤面板與巖土摩 擦力，減小刀盤扭矩，同時(shí)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(jī) 螺旋輸送機(jī)的主要功能是：一是排土；二是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制出 土量，保持密封倉內(nèi)土壓穩(wěn)定；三是螺旋輸送機(jī)為密閉式的輸送裝置， 可防止水滲漏到盾構(gòu)內(nèi)。 螺旋輸送機(jī)由螺旋葉片、外殼、排土閘門等部件組成。螺旋輸送 機(jī)變速可逆轉(zhuǎn)。泥土入口

29、端裝在盾構(gòu)泥土艙底部，穿過密圭寸隔板固定， 傾斜安裝。螺旋輸送機(jī)出碴口安裝滑動(dòng)式閘門，用以防水。 螺旋輸送機(jī)為可伸縮式，當(dāng)在土壓平衡狀態(tài)時(shí)，泥土具有可塑性， 螺旋輸送機(jī)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(shí)為便于集料，螺旋輸送機(jī)葉片和集料斗向前伸出。 由于螺旋輸送機(jī)能排出巖碴的最大粒徑是有限的， 為防止螺旋輸 送機(jī)被卡死，采用二次破碎的方式，對進(jìn)入泥土艙內(nèi)大的石塊進(jìn)行破 碎，以適應(yīng)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(gòu)。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(gòu)法施工的隧道，是沿著盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的外殼進(jìn)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(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn) 時(shí)，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?cái)R置，不可避免的上面的圍巖要向下沉降， 其結(jié)果 是發(fā)生波及地表的地面沉陷，嚴(yán)重的會(huì)危及地表建筑物的安全，因此, 及時(shí)地進(jìn)行背襯充填與注漿可以起到壓實(shí)松動(dòng)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(jī)構(gòu) 拼裝機(jī)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(dòng)以及臂回轉(zhuǎn)的功能。 拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；管片的軸向平移和封頂塊的軸向移動(dòng)， 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(dá)由一個(gè)獨(dú)立的液壓泵站供油， 簡化了管線布置，避免了 管線的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 由于管片的自重造成管片安裝位置不準(zhǔn)確， 嚴(yán)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(shí)，可用真圓度保持 器對管片進(jìn)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(dòng)和徑向頂壓的功能。 1.6、盾構(gòu)機(jī)的主要性能 用于西班牙馬德里工程的盾構(gòu)機(jī) 地質(zhì)：石灰石、泥灰?guī)r、粘土 ；

32、刀盤切削直徑 6140mm ; 抗壓強(qiáng)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(gòu)機(jī) 地質(zhì)：頁巖、粘土 ； 刀盤切削直徑： 5970mm;抗壓強(qiáng)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(gòu)掘進(jìn)機(jī) 地質(zhì)：砂巖、泥巖、粘土、沖積土 ； 刀盤直徑： 6550mm 刀盤功率：945Kw;掘進(jìn)速度1883m/周 用于英格蘭某工程的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī) 地質(zhì)：砂巖、石灰石、淤泥、粘土 ； 刀盤直徑： 7350mm;掘進(jìn)速度：7.537.5m/周 1

33、.7方案實(shí)例 針對工程標(biāo)段的地質(zhì)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(gòu)生產(chǎn)廠家進(jìn)行 多次技術(shù)交談，他們所提供的設(shè)備方案，都選用了復(fù)合式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī), 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表3-4所示。 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較表3-4 項(xiàng)目 羅賓斯 川崎 小松 海瑞克 適應(yīng)的 地質(zhì)條 件 砂土、泥土、軟巖、強(qiáng)、中、 微風(fēng)化巖，巖石抗壓強(qiáng)度 208 OMPa 同左。巖石抗壓強(qiáng)度 57 MPa 同左。巖石抗壓強(qiáng)度 3 460MPa 砂土、泥土、軟巖、強(qiáng)、中、 微風(fēng)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(gè)，切刀與邊刀 共 84 把。當(dāng)開挖面處于巖層時(shí)， 盾構(gòu)以敞口開挖方式進(jìn)行切削 推進(jìn)。當(dāng)開挖面處于軟土和不 穩(wěn)定地層時(shí)，則以保持開挖面 穩(wěn)定的土壓平衡方式進(jìn)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(jī) 螺旋輸送機(jī)為中心軸式，進(jìn)

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

36、為 250mm 主要性 能參數(shù) 刀盤切肖憧徑 6200mm 刀盤最大 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 3rpm，刀 盤扭矩（功率）5732KNm （900KW，總推力 3234 T 刀盤最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 6rpm，刀盤扭矩 （功率）4860KNm（ 945KV） 總推力 3058T 從盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的使用實(shí)例，對比各盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家提供的方 案，綜合我們自己進(jìn)行的盾構(gòu)性能對比和盾構(gòu)

37、掘進(jìn)機(jī)參數(shù)的計(jì)算， 選 取具有復(fù)合式性能的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，完全可以達(dá)到業(yè)主要求的沉降指 標(biāo)、工期要求，確保施工安全。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)方案如圖所示。 1.7.1盾構(gòu)機(jī)直徑的確定(計(jì)算盾尾間隙) 盾尾間隙的計(jì)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(nèi)側(cè)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(yīng)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(shí)，管片在盾尾內(nèi)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(yīng)的富裕值，按照各國常用的盾尾間隙計(jì)算 公式及盾構(gòu)機(jī)外徑對應(yīng)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?yàn)镃=25mm18mmfe曲線半徑為350m 時(shí)，是完全能滿足施工要求的。 2)盾構(gòu)機(jī)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)的直徑為： D=600(+ 2 (25+ 45) =6140mm 1.7.2盾構(gòu)機(jī)長度的確定(計(jì)算最小轉(zhuǎn)彎半徑的超挖量) 由于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為 350m所以在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的 方案結(jié)構(gòu)長度決定后，需計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)較長的那段在最小轉(zhuǎn)彎半徑 處的擴(kuò)挖量，以確定盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能否順利通過最小曲線段。 1) 擴(kuò)挖量的計(jì)算(如下圖) 圖中：La盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前端到鉸接中心的長度， La =4650mm Lb盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)后體長，Lb=3400mm Rs盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)曲線半徑， Rs =346.9m 計(jì)算條件： 每一開挖循環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎角度，取 St=10 線路曲線半徑，R0=350m

40、 A、B C三點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)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(jì)算表明：在半徑為350m的曲線段上推進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī) 前體長度為4.6m，每次推進(jìn)偏轉(zhuǎn)10時(shí)，擴(kuò)挖量為3.74mm即可以滿 足要求。但是，在實(shí)際施工中，考慮施工、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)本身的誤差等， 實(shí)際的擴(kuò)挖量遠(yuǎn)比理論計(jì)算值要大， 參考有關(guān)的資料，取盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī) 的最大超挖值為：0C=100mm 1.7.3盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)計(jì)算依據(jù)和計(jì)算內(nèi)容 1)計(jì)算依據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)選型主要性能參數(shù)的計(jì)算根據(jù)業(yè)主所提供的地鐵的 工程和水文地質(zhì)情況，參考有關(guān)資料進(jìn)行。 2）計(jì)算內(nèi)容 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)計(jì)算包括硬巖和軟巖兩種情況進(jìn)行。 1.7.4硬巖中推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推力和扭矩的計(jì)

42、算 1） 地質(zhì)參數(shù)按照微風(fēng)化巖層選取。 巖石的抗壓強(qiáng)度 Ry: Ry=56.6MPa=566kg/cm2 盤型滾刀的參數(shù)： 盤型滾刀的直徑：d=1080px, R=540px ; 盤型滾刀刃角a =60 刀具每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)推力計(jì)算 （1）硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤的滾壓推力 a）每個(gè)盤型滾刀的推力F力 根據(jù)力平衡原理和能量守恒原理計(jì)算刀盤的滾壓推

43、力，每個(gè)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(zhuǎn)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(qiáng)度，單位為 MPa。 kd 巖石的滾壓系數(shù)，其與巖石性質(zhì)有關(guān)，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(dòng)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(guān)的換算系數(shù)， E =0.8 ; m刀盤上安裝的盤型滾刀數(shù)量， P力二F力 F =-x0.8x J- X18.6 4 W2x2L6-l c) 滾刀數(shù)量的計(jì)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(shù)量取為： m=41 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(gòu)主機(jī)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(shù)，u=0.3 ; L盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(shù)口 c=0.3 (4) 后續(xù)設(shè)備所需的牽引力F5 F5=(1 qGF1=g (5) 硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)所需的總推力 F 總二 F 推 + F1 + F4 + F5 3）硬巖掘進(jìn)時(shí)所需的刀盤扭矩 T: a） 刀盤滾動(dòng)阻力矩計(jì)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(dòng)力；由前面的計(jì)算，F(xiàn)=1.73t 式中：Bm滾刀間距，Bm =187.5px； F盤刀滾動(dòng)力；由前面的計(jì)算，F(xiàn)=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(shù)，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(jìn)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)在硬巖中推進(jìn)時(shí)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(jì)算 通常，盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)時(shí)的刀盤扭矩小于在軟土的扭矩, 盾構(gòu)在軟土中推進(jìn)時(shí)的扭矩進(jìn)行計(jì)算。 1）地質(zhì)參數(shù)選取： 巖土容重丫 =1.99t/m3 ; 巖土內(nèi)摩擦角 =19.50 ; 土的粘結(jié)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(cè)壓力系數(shù)入=0.49 ; 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)外

48、徑D=6.14m; 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)總長L=8.05m ; 只對 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(jì)算 按照常規(guī)算法，盾構(gòu)的外部荷載將分別按照最大覆土厚度處的松 動(dòng)土壓力和兩倍盾構(gòu)直徑的全土柱高計(jì)算所產(chǎn)生的土壓力， 中的最大值作為盾構(gòu)計(jì)算的外部荷載。即 P外=maxps a) 松動(dòng)土壓力計(jì)算： (a) 松動(dòng)高度計(jì)算： 15 篷( 2 ” KflPFF =7, 9m (b) 松動(dòng)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(gòu)機(jī)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(jì)算。 c) 盾構(gòu)受土壓力的計(jì)算 (a) 盾構(gòu)上部土壓力 P0 = Pq +2 =24.4+2 0=26.4 t/m2 (b) 盾構(gòu)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(gòu)頂部側(cè)壓力 P1 二P0 入 =31.5 x 0.49 =15.4t/m2 / d)盾構(gòu)底部側(cè)壓力 P2 = / P0+Y D 入 =(26.4+1.99 X 6.14 )

50、 X 0.49 =18.9t/m2 3) 盾構(gòu)機(jī)的推力計(jì)算： 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推力由盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的外殼與土體之間的摩擦阻力、 刀盤承受的主動(dòng)水平壓力引起的推力、土的粘結(jié)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(gòu)外掘進(jìn)機(jī)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(shù)，u=0.3 ; L盾構(gòu)機(jī)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(dòng)土壓力Pd HO二hO+R = 12.28 + 3.07 =15.4m 水平主動(dòng)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(jié)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(shù)口 c=0.3 (e) 后續(xù)設(shè)備所需的牽引力F5 F5= ii qG (f )盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(jì)算 在曲線段推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的推力為正常推進(jìn)時(shí)的 150%因此， 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際應(yīng)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(jìn)時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)扭矩計(jì)算 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在軟土中推進(jìn)時(shí)的扭矩包含切削扭

53、矩、刀盤的旋轉(zhuǎn)阻 力矩、刀盤所受推力荷載產(chǎn)生的反力矩、密封裝置所產(chǎn)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(nèi)的攪動(dòng)力矩。 (1) 切削土體的扭矩Ti 計(jì)算參數(shù)： 推進(jìn)速度v: 般情況下v=1.8m/h，Vma=3m/h;刀盤轉(zhuǎn)速n: n=1rpm 刀盤每轉(zhuǎn)切深 h: h=v/n=75px ， hmax= Vmax /n=125px ; 土的抗壓強(qiáng)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩 T2： T2=G. R1 .u g 式中：G刀盤自重，假定 G=50t; R滾動(dòng)接觸半徑，R=2.05 ; Ug滾動(dòng)摩擦系數(shù)，Ug =0.004 ; T2 =50 X 2.05 X 0.004 =0.4t.m (3) 刀盤推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)，um=0.2 Fm密圭寸的推力，F(xiàn)m =0.i5t/m 2;密圭寸數(shù)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(shù)，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(jì)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(gòu)機(jī)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(nèi)的壓力所產(chǎn)生， 假

57、定土腔室內(nèi)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(yīng)力G,在切割腔內(nèi)，由于碴土含有水，取C=1.0t/m 2, 內(nèi)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(nèi)的攪動(dòng)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(nèi)徑，r 1= di/2=1.92m ; r 2刀盤支撐梁的外徑， 2= d 2/2=2.4m ；