盾構(gòu)選型及參數(shù)計算方法

1、盾構(gòu)選型及參數(shù)計算方法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，它具有一個可以移動的鋼結(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410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，對修建穿越江、湖、海底和沼澤地

2、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)選型主要原則盾構(gòu)的選型依據(jù)盾構(gòu)選型主要應(yīng)考慮以下幾個因素：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。1.2.2 盾構(gòu)的型式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

3、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)格擠壓盾構(gòu)。這種盾構(gòu)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(yán)格 要求的

4、工程。當(dāng)盾構(gòu)采用網(wǎng)格開挖時，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（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，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

5、的土層和密封隔艙板之間形成密封泥土艙，盾構(gòu)施工時，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層不透水的泥膜，同時泥漿中的細(xì)微粘粒在極短時間內(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

6、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，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

7、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)計成不同的類型，能適應(yīng)從松軟粘性土到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，會增加泥土的塑流性，在受到刀盤切削和

8、螺旋輸送機(jī)傳送后也會變得更為松軟，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。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，土和砂的流動性就差，靠刀盤切削擾動，難以使泥土達(dá)到足夠的塑流狀態(tài)，有時會壓密固結(jié)，產(chǎn)生拱效應(yīng)。當(dāng)?shù)叵滤控S富時，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，應(yīng)在普通型土壓平衡式盾

9、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)榱鲃有院煤筒煌杆阅嗤?，符合土壓平衡式盾?gòu)施工要求，符合土壓平衡式盾構(gòu)施工要求。 為了降低刀盤傳動功率和減小泥土移動阻力，加泥型土壓平衡式盾構(gòu)刀盤為有幅條的開放式結(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，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，

10、造成盾構(gòu)施工困難。此時應(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%左右。盾構(gòu)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(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，刀盤不停地對土層進(jìn)行開

11、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

12、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，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)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(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

13、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%左右。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

14、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，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，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，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

15、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，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，在刀盤上安裝不同刀具就能快速轉(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，施工時只要根據(jù)遇到的不同土層條件，及時轉(zhuǎn)換安裝適當(dāng)?shù)牡毒撸湍苁故┕だ^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

16、：根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)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(guān)閉螺旋輸送機(jī)的閘門，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，此時因?yàn)椴陚}內(nèi)沒有土壓力，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)有較高

17、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，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，土壓力過小會引起地表沉降，

18、土壓力過大會引起地表隆起。2）非土壓平衡盾構(gòu)的推進(jìn)當(dāng)工作面巖土穩(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(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，使得在整個工作面上的巖石均被破碎。在掘進(jìn)的同時，注入泥漿及添加

19、劑，一方面泥水可降低切割巖石的摩擦力，減小刀盤扭矩，同時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(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，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)可能會向軟弱地層的方向偏移?？梢圆扇⑵品较虻耐七M(jìn)油缸的工作油壓提高，同時降低相反方向推進(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

20、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(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?？煽康摹?）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，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篴）在鐵路兩側(cè)設(shè)沉降觀測點(diǎn)，進(jìn)行跟蹤測量，及時通知開挖面優(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。b）采用及時和二次注漿，及時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。c）在穿越鐵路時，進(jìn)行管片外2

21、3m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，同時具有攪拌泥土的功能。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

22、斷面的破碎圍巖。滾刀設(shè)計成背裝式，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。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察看艙內(nèi)的土壓力，以便及時并準(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，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)動系統(tǒng)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)用以驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)

23、，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，采用高扭矩，低轉(zhuǎn)速的工況；當(dāng)盾構(gòu)切削硬巖時，增大流量，采用低扭矩、高轉(zhuǎn)速的工況。4）鉸接裝置比如，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)

24、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。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)時前后節(jié)絕對不會脫開，并保證達(dá)到設(shè)計轉(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)密封隔板處設(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

25、進(jìn)入泥土密封倉內(nèi)排除障礙或調(diào)換切削刀具時，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)，每個扇區(qū)由一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?，從而糾正或控制盾構(gòu)推進(jìn)的方向，使符合設(shè)計軸線的要求。7）撐靴撐靴的主要作用是防止盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的滾動。當(dāng)切削刀盤旋轉(zhuǎn)對硬巖切削開挖時，機(jī)器

26、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(gòu)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)前部設(shè)有一對撐靴，可能出現(xiàn)較大滾動時，將撐靴伸出，撐在隧道壁上，它能產(chǎn)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?fù)窝ァ?）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，注入設(shè)備必須將足夠數(shù)量的泥漿及添加劑注到適當(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

27、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(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)。泥土入口端裝在盾構(gòu)泥土艙底部，穿過密封隔板固定，傾斜安裝。螺旋輸送機(jī)出碴口安裝滑動式閘門，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，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)時為便于集料，螺旋輸送機(jī)葉片和集料斗向前伸出。由

28、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，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，圍巖與管片間由于盾尾的抽脫及超挖等原因就形成

29、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(jié)果是發(fā)生波及地表的地面沉陷，嚴(yán)重的會危及地表建筑物的安全，因此，及時地進(jìn)行背襯充填與注漿可以起到壓實(shí)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、夾具前后移動以及臂回轉(zhuǎn)的功能。拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)由馬達(dá)驅(qū)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(dá)由一個獨(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。由于管片的自重造成管片安裝位置不

30、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，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;刀盤切削直徑6140mm ; 抗壓強(qiáng)度3501050Kg/cm2（35MPa105MPa）;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/cm2（14.1MPa） ； 刀盤扭矩：111 t ·m ； 推力：2268t用于新加坡

31、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1.7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2080MPa同左。巖

32、石抗壓強(qiáng)度57MPa同左。巖石抗壓強(qiáng)度3460MPa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吋的盤型滾刀37個，切刀與邊刀共84把。當(dāng)開挖面處于巖層時，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，則以保持開挖面穩(wěn)定的土壓平衡方式進(jìn)行切削開挖?；旌闲偷侗P，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?；旌闲偷侗P，其上安裝了17吋的雙刃盤刀

33、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)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，螺旋機(jī)和導(dǎo)料板即可伸入泥土艙內(nèi)，有利于巖碴的輸出，并由螺旋機(jī)的中段出料口出碴。當(dāng)處于軟土和不穩(wěn)定地層時，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，最大排出粒徑可達(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，螺桿伸入泥土艙內(nèi)的底部，有利于巖碴的排出，有利于

34、兩種不同切削過程的轉(zhuǎn)換。最大排出粒徑為250mm。主要性能參數(shù)刀盤切削直徑6200mm，刀盤最大轉(zhuǎn)速3rpm，刀盤扭矩（功率）5850KNm（900KW）總推力3300T刀盤切削直徑6200mm，刀盤最大轉(zhuǎn)速3rpm，刀盤扭矩（功率）5732KNm（900KW）,總推力3234T刀盤最大轉(zhuǎn)速3.8rpm，刀盤扭矩4876KNm功率（900KW）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（945KW）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)掘進(jìn)機(jī)參數(shù)的計算，選取具有復(fù)合式性

35、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（計算盾尾間隙）1）盾尾間隙的計算盾尾間隙的計算（如右圖）D管片外徑 D=6000mm； 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= RoD/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）=0.3050b第一環(huán)管片前端相對于盾尾端部的移出量；b=R（1cos）=347×（1cos0.3050）=0.005m=5mmb=

36、5mm是曲線半徑350m時，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=（bK）/2=（5+30）/2=18mm選取盾尾間隙x =25mm，因?yàn)镃=25mm>18mm，在曲線半徑為350m時，是完全能滿足施工要求的。2）盾構(gòu)機(jī)直徑D的確定D=d2（xt）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= 45mm因此盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的直徑為：D=60002（2545）=6140mm1.7.2盾構(gòu)

37、機(jī)長度的確定（計算最小轉(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=3400mmRs盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)曲線半徑，Rs =346.9m計算條件：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 A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)計算 XA=（LbL）=（34001850） =1550mmYA= R0=350mXB=XA

38、La cos St =15504650 cos10° =6129.37mmYB=YALa sin St=3500004650×sin10°=349192.5mm XC=XB+（D/2）sin St=6129.37+（6140/2） ×sin10°=5596.27mmYC=YB（D/2）cos St=349192.5（6140/2）× cos10°=346169.3mmCa=tan-1| XC/ YC|= tan-1|5596.27/ 349192.5| =0.9181理論計算表明：在半徑為350m的曲線段上推進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)

39、前體長度為4.6m，每次推進(jìn)偏轉(zhuǎn)10時，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：OC=100mm1.7.3盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)計算依據(jù)和計算內(nèi)容1）計算依據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)選型主要性能參數(shù)的計算根據(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） 計算內(nèi)容盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)計算包括硬巖和軟巖兩種情況進(jìn)行。1.7.4硬巖中推進(jìn)時盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推力和扭矩的計算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

40、徑：d=1080px，R=540px ；盤型滾刀刃角=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=2×1tg1500/2=186.5px187.5px2）在硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推力計算（1）硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)時刀盤的滾壓推力a）每個盤型滾刀的推力F力根據(jù)力平衡原理和能量守恒原理計算刀盤的滾壓推力，每個滾刀的滾壓推力F力為：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

41、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；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 式中：與被滾壓巖石自由面條件和形狀有關(guān)的換算系數(shù)，=0.8； m刀盤上安裝的盤型滾刀數(shù)量，P力= F力 c）滾刀數(shù)量的計算m=D/（2×Bm）=6.14/（2×0.075）=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=7Dd）刀盤的滾壓推力F推:F推=mF力=41×18.6=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

42、數(shù)，u=0.3； L盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)長度，L=8.05m；F1=1/4×（26.4+31.5+22.7+27.8）××6.14×8.05×0.3=1254.3t（3） 盾尾與管片之間的摩擦阻力F4 F4=Wcc=40×0.3=12.0t式中：Wc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=40t）c管片與盾尾之間的摩擦系數(shù)c=0.3（4） 后續(xù)設(shè)備所需的牽引力F5F5=qGF1=（5） 硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)所需的總推力F總= F推 + F1 + F4 + F53） 硬巖掘進(jìn)時所需的刀盤扭矩T:a）刀盤滾動阻力矩計算T1式中

43、：Bm滾刀間距，Bm =187.5px；F盤刀滾動力；由前面的計算，F(xiàn)=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(xiàn)=1.73t b） 石碴提升所需要的扭矩T2；T2 =qR2h1R=1.99××3.092×0.01×0.618×3.09式中：q石碴容重，q=1.99t/m3； 1刀盤系數(shù)，1=0.618； c） 克服刀盤自重所需要的扭矩T3：T3=W1.1.R=50×0.618×3.09式中：W1=刀盤自重，W1=50td） 硬巖掘進(jìn)所需要的力矩T總:T總= T1T2T3=114.

44、41.195.5=211t.me）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在硬巖中推進(jìn)時所需要的推力和扭矩F總=762.6tT總=211t.m取F總=763t；T總=211t.m1.7.5軟土中的推力和扭矩計算通常，盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)時的刀盤扭矩小于在軟土的扭矩，只對盾構(gòu)在軟土中推進(jìn)時的扭矩進(jìn)行計算。1） 地質(zhì)參數(shù)選?。簬r土容重=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)=0.49； 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)外徑 D=6.14m； 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)總長 L=8.05m；盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)總重W=25

45、0t（假定）；管片每環(huán)的重量Wg=20t； 水平與垂直土壓之比 K0=12）土壓力計算按照常規(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土壓力和兩倍盾構(gòu)直徑的全土柱高計算所產(chǎn)生的土壓力，并取兩者中的最大值作為盾構(gòu)計算的外部荷載。即P外maxps , pq .a） 松動土壓力計算：（a）松動高度計算：（b）松動土壓PSPs=h0 =1.99×7.9 =15.72t/m2 b）兩倍盾構(gòu)機(jī)直徑的全土柱土壓力：Pq=h0式中：h0=2D=2×6.14=12.28mPq=h0=1.99×12.28=24.4 t/m2由于PqPs所以，取Pq計算。c） 盾構(gòu)受土壓力的

46、計算（a） 盾構(gòu)上部土壓力P0 = Pq +2=24.4+20=26.4 t/m2（b） 盾構(gòu)底部土壓力P01=P0+W/（D·L）=26.4+250/（6.14×8.05）=31.5 t/m2（c）盾構(gòu)頂部側(cè)壓力P1 =P0=31.5×0.49=15.4t/m2（d）盾構(gòu)底部側(cè)壓力P2 =（P0+D）=（26.4+1.99×6.14）×0.49=18.9t/m23）盾構(gòu)機(jī)的推力計算：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

47、構(gòu)外掘進(jìn)機(jī)外殼與土體之間的摩擦阻力F1:F1=1/4×（P0+ P01+ P1+ P2）.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×（26.4+31.5+22.7+27.8）××6.14×8.05×0.3=1254.3t（b）刀盤水平壓力引起的推力F2：水平主動土壓力PdH0=h0+R=12.283.07=15.4m水平主動土壓力PdPd =H0tg2（450-/2）=1.99×15.4×tg2（450-19.50/2）=15.3t/m2F2 =/4（D2. Pd）

48、=/4×（6.182×15.3）=462.0t（c） 土的粘結(jié)力引起的刀盤推力F3F3 =/4（D2C）=/4×（6.182×4.9）=147.0t（d）盾尾與管片之間的摩擦阻力F4 F4=Wcc=40×0.3=12.0t式中：Wc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=40t）c管片與盾尾之間的摩擦系數(shù)c=0.3（e） 后續(xù)設(shè)備所需的牽引力F5F5=qG（f）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)需要的總推力FF= F1F2F3F4+ F5=1254.3462.0147.012.0=1875.3t（4）曲線段推力計算在曲線段推進(jìn)時，盾構(gòu)機(jī)的推

49、力為正常推進(jìn)時的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=1.5×1875.3=2813.0t取F推為2813.0 t4）軟土推進(jìn)時盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)扭矩計算盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在軟土中推進(jìn)時的扭矩包含切削扭矩、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)的攪動力矩。（1）切削土體的扭矩T1計算參數(shù)：推進(jìn)速度v: 一般情況下v=1.8m/h，vmax=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

50、 : qu =12.2t/m2刀盤直徑：Dd =6.18m，半徑Rd =3.09mT1=1/2（qu hmax R2d ）=1/2×（12.2×0.05×3.092（2）刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩T2:T2=G. R1 .ug式中：G刀盤自重，假定G=50t；R1滾動接觸半徑，R1=2.05；ug滾動摩擦系數(shù)，ug =0.004；T2 =50×2.05×0.004（3）刀盤推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)阻力矩T3推力荷載Pt Pt =R2Pd/4（d22d12）C=0.65××3.092×15.3/4×（4.8223.

51、8422）×4.9=330.2t式中:刀盤開口率，=0.65; d2刀盤支撐梁外徑，d2=4.8md1刀盤支撐梁內(nèi)徑，d1 =3.84mT3 = Pt R1 g=330.2×2.05×0.004（4） 密封裝置摩擦力矩T4T4=2umFm （n1R2m1n2Rm12）=2××0.2×0.15×（3×1.8423×2.262）式中：um密封與鋼之間的摩擦系數(shù)，um=0.2Fm密封的推力，F(xiàn)m =0.15t/m2; 密封數(shù)n1= n2=3， R m1 、R m2密封的安裝半徑，R m1=1.84m，R m2=

52、2.26m（5） 刀盤前表面上的摩擦力矩T5T5=2/3（upR3Pd）=2/3×（0.65××0.15×3.093×15.3）式中：up土層和刀盤之間的摩擦系數(shù)，up =0.15;刀盤開口率，=0.65Pd刀盤中心的土壓力，由前面的計算，Pd =15.3t/m2（6） 刀盤圓周的摩擦反力矩T6刀盤圓周土壓力PzPz =（P0P01P1P2）/4=（26.431.522.727.8）/4=27.1t/m2式中：D盾構(gòu)機(jī)直徑，D=6.18mLk刀盤寬度，Lk =0.45T6=2LkRd2Pzup（7）刀盤背面的摩擦力矩T7刀盤背面的摩擦力矩由土腔

53、室內(nèi)的壓力所產(chǎn)生，假定土腔室內(nèi)的土壓力為0.8PdT7=2/3×（R3up×0.8Pd）=2/3×（0.65××3.093×0.15×0.8×15.3）（8） 刀盤開口槽的剪切力矩T8土的抗剪應(yīng)力C，在切割腔內(nèi)，由于碴土含有水，取C=1.0t/m2, 內(nèi)摩擦角取為=50C=115.3×tg50=2.3t/m2T8=2/3.CRd3 （1）=2/3××2.3×3.093×（10.65）=49.7 t.m（9） 刀盤土腔室內(nèi)的攪動力矩T9T9=2（r22+r12）Lz C=2××（2.42+1.922）×0.8×2.3式中：r1刀盤支撐梁的內(nèi)徑，r1= d1/2=1.92m；r2刀盤支撐梁的外徑