盾構推進系統(tǒng)設計

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網(wǎng)絡整理，如有侵權，請聯(lián)系刪除，謝謝！隧道網(wǎng)(2006-8-4)來源：隧道建設摘要：分析了盾構推進系統(tǒng)的設計需要滿足的功能要求，對盾構設計推力進行了詳細的計算，結合盾構的結構及尺寸，確定通過研究，掌握了盾構推進系統(tǒng)的設計方法，為盾構的施工提供參考。關鍵詞：盾構推進系統(tǒng)設計布置控制中圖分類號：U455．3+9文獻標識碼：B1概述盾構法施工以自動化程度高、施工速度快、安全可靠、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，得到了日益廣泛的應用。但是，由于盾構的制造工藝復雜，現(xiàn)在國內(nèi)施工用的盾構，主要依賴進口。在國內(nèi)的隧道建設中，德國和日本在中國盾構市場占有率處于絕對壟斷地位。為了實行盾構國產(chǎn)化，在盾構關鍵技術領域內(nèi)得到突破和發(fā)展，在引進設備并不斷消化吸收的過程中，在盾構的設計方面有一定的進展，以下就盾構的推進系統(tǒng)的設計作一探討。盾構是集開挖、支護、襯砌、出碴于一體的隧道施工專業(yè)設備。盾構實現(xiàn)隧道的開挖，主要是由以下兩個運動完成：一是刀盤切削，二是盾體的推進。刀盤的切削、盾體的推進均依靠支承環(huán)內(nèi)大體等距布置的推進油缸作用于管片從而提供反作用力為基礎。因此，盾構推進系統(tǒng)的設計需要滿足以下功能要求：為盾構前進提供足夠的動力；控制盾構的前進速度，與出碴速度相配合，實現(xiàn)土壓平衡狀態(tài)；能夠控制盾構的姿態(tài)，實現(xiàn)盾構的糾偏及轉(zhuǎn)向要求；適應管片的尺寸及操作要求；從整體角度考慮，滿足盾構的總體功能設計、綜合施工作業(yè)要求。以下盾構的推進系統(tǒng)的設計主要包括確定盾構的推力；推進油缸的規(guī)格參數(shù)、外形尺寸和數(shù)量的計算；推進油缸的布置方式；推進油缸的控制。工程地質(zhì)資料為依托進行盾構的推進系統(tǒng)的設計。2盾構推力計算盾構在掘進時，需要克服五種推進阻力：盾體和外部土層的摩擦力；管片與盾尾間的摩擦阻力；刀具切人巖土時的貫人阻力；盾構機正面的土壓力；后續(xù)設備的牽引阻力。盾構配備的推力除克服以上阻力，還應考慮盾構轉(zhuǎn)向時，只有部分油缸工作的因素，并作足夠的推力儲備。2.1地質(zhì)參數(shù)及盾構的主要技術參數(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；盾構主機長度：L=7.5m；盾構主機重量：W=370t。2W2.2土壓計算對于深埋隧道首先按太沙基卸拱理論計算上覆地層壓力，當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，取2D(兩倍掘進機直徑的全土柱土壓)作為上覆地層壓力。(1)松馳土壓計算：太沙基公式其中：K一般取值10；B為盾構頂部松弛寬度，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)計算2D上覆地層壓力(兩倍掘進機直徑的全土柱土壓)：P=γ222D=19.93236.25=248kN/m2q根據(jù)計算結果：土壓取248kN/m。22.3盾構荷載計算根據(jù)土壓，結合盾構的相關技術參數(shù)，確定盾構的荷載。①設計垂直土壓：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盾構頂部側(cè)壓力：P=λ2Pv=193kN/m；2h④盾構底部側(cè)壓力：P=P+λ2γ2D≈283kN/m。2h2.4阻力計算根據(jù)地質(zhì)參數(shù)及以上荷載計算結果，以下進行各部分阻力計算：(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)刀具切入巖土時的貫人阻力F3刀盤上共安裝了641633()。按照海瑞克公司的經(jīng)驗計算，16把刮刀的推力相當于96把切刀的推力；根據(jù)每把切刀在軟土中的推進力約為5．6、每個滾刀的設計最大推力為250kN，考慮到裝在刀盤邊上的滾刀的分力作用，按31把滾刀來計算刀盤的推力(經(jīng)驗值)。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，土壓平衡式盾構分為兩種掘進模式：一是土壓平衡(EPB)模式：推力按切刀及刮刀的貫入阻力進行計算：F=(64+96+31)35．6≈l070kN3二是硬巖敞開掘進(TBM)模式：推力按滾刀的貫入阻力進行計算：F=313250=7750kN3(4)盾構機正面的阻力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為盾構正面的投影面積。2hw計算得：F=8218kN4(5)拖拉后配套臺車的力F5F=μ3G5t式中：μ為摩擦系數(shù)，一般采用0．05；G為后方臺車重量。約4450kN。t計算得：F=222kN52.5總推力計算(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，在盾構上坡和轉(zhuǎn)彎時盾構的推力按直線水平段的1．5倍考慮，盾構需要的推力應為：F=32601kN3推進油缸的選型和配置推進油缸的選型和配置應根據(jù)盾構的操作性、管片組裝施工方便性等確定。根據(jù)盾構各管片分布方位和受力點布置各油缸的最佳位置。推進油缸選型、配置時，必須滿足下列要求：①推進系統(tǒng)不僅要考慮滿足盾構設備在掘進中推力的需要，同時還要根據(jù)管片拼裝的要求進行布置；②推進油缸的推力和數(shù)量應根據(jù)盾構外徑、總推力、管片結構和隧道路線等因素確定；③推進油缸應選用重量輕、耐久性好、結構緊湊的油缸，一般選用高壓油缸；④推進油缸一般情況下等間距配置在盾構殼板內(nèi)側(cè)附近，位置的確定要兼顧管片的強度；⑤推進油缸配置時，應使推進油缸軸線平行于盾構軸線。3.1推進油缸的推力F計算0F=P3πD420式中：P為液壓系統(tǒng)壓力，設計為300bar；D為推進油缸的內(nèi)徑。首先根據(jù)盾構外徑、盾尾鉸接和超前注漿機等設備的安裝要求，計算推進油缸的外徑。為了推進油缸的安裝不和盾尾鉸接部分發(fā)生干擾，設計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，為了保證管片的受力點，油缸的推力中心應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。計算得F=1140kN03.2推進缸個數(shù)n=F/F0式中：F為油缸的總推力，F(xiàn)=32601kN；計算得n=28．6≈30個3.3推進油缸的長度計算確定推進油缸的長度是確定盾構殼體的長度及其它結構設計布置的前提條件。推進油缸的長度為：L=S+L+L+Lgd式中：S為推進油缸行程，mmL485mmL,LL=180mm，d鉸接端安裝尺寸L=275mm。推進油缸行程為管片環(huán)寬、封頂塊搭接懸出長度、預留間隙之和。即S=L+a+LL為管片環(huán)寬，設計為1500mm；L為ppxx封頂塊搭接懸出長度，為15003(1—4/5)=300mma為預留間隙，考慮盾構轉(zhuǎn)彎時兩側(cè)行程差及安裝管片空間需要，取200mml。代入數(shù)值計算得：S=2000mm。推進油缸長度在滿足行程要求的情況下，應盡量短，以減少盾構的長度，有利于盾構的轉(zhuǎn)向。相應的，油缸的安裝尺寸和導向尺寸在滿足油缸伸出的強度、剛度、穩(wěn)定性的條件下，根據(jù)液壓油缸外形尺寸的設計規(guī)范進行設計。計算得推進油缸的長度為：L=2940mmg3.4推進油缸的布置原則盾構推進時，由于推進油缸直接作用于管片上，因此推進油缸的布置主要考慮管片的結構形式、分布方位、受力點布置、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，設計將油缸沿盾體周向成圓形均勻布置，油缸的軸線設計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)設計為由123個標準塊組成，采用錯縫拼裝，環(huán)間采用10個M24螺栓進行聯(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°。為了保證無論管片如何錯動，每塊管片所受推進力總是相等，并且在整個襯砌環(huán)上受力均勻，確保管片的貼合均勻密實，要求36°的倍數(shù)，根據(jù)這個原則推理，在整圓范圍內(nèi)，油缸總數(shù)為l0的倍數(shù)，與計算的油缸總數(shù)30個相適應。(3)考慮管片在整個襯砌環(huán)受力均勻，油缸布置應沿垂直軸線、水平軸線均勻?qū)ΨQ布置。3.5推進油缸的布置方案綜上所述，30個油缸的布置方式可以有以下幾種：(1)30個單油缸均勻分布在繪圖中，油缸的調(diào)節(jié)機構與鉸接油缸支座發(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。在錯縫拼裝時，封頂塊偏離正上方36°、72°時，推進油缸與管片能夠相適應，因此這種油缸布置方案可行。見圖1。圖1推進油缸的布置(mm)4盾構推進系統(tǒng)的控制4.1土壓的控制盾構在土壓平衡工作狀態(tài)下，刀盤開挖下來的土碴充滿土倉，在推進油缸的推力作用下，通過土倉隔板進行加壓，產(chǎn)生土壓，土壓作用于整個開挖面，抵抗開挖面的土壓和水壓，使開挖面保持穩(wěn)定。因此，土壓倉內(nèi)的土壓的控制是保證開挖面穩(wěn)定的關鍵因素?？刂扑璧男畔?。土倉內(nèi)土壓的控制可通過控制開挖量、排碴量、推力和推進速度來實現(xiàn)，在保持開挖量、排碴量一定的情況下，通過控制推進油缸的推力和推進速度來調(diào)節(jié)土倉內(nèi)的土壓，推進速度加快，則土倉內(nèi)的土壓上升，反之則下降，從而使土壓倉內(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。在推進油缸上安裝速度傳感器，連續(xù)地調(diào)整推進油缸的推進速度，土倉內(nèi)的土壓可隨改變盾構千斤頂?shù)耐七M速度而增減。4.2盾構姿態(tài)控制由于地層變化頻繁、軟硬交錯，盾構機經(jīng)常通過掌子面軟硬不均地層，造成刀盤受力不均，從而使盾構姿態(tài)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、抬頭、低頭的現(xiàn)象，導致盾構的掘進軸線與隧道設計軸線發(fā)生偏離。為了糾正盾構姿態(tài)，將30個推進油缸分組，