盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)施工方案

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)施工方案根據(jù)對本區(qū)段地質(zhì)勘探報(bào)告的詳細(xì)分析以及地層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，本區(qū)間最大線路縱坡29‰,最小縱坡為4.154‰，最小豎曲線半徑為3000m。區(qū)間左線覆土9.5m～11m，右線覆土約19m～26m。區(qū)間左線隧道主要穿越圓礫、礫砂<3-5>、中粗砂<3-4>、卵石<3-6>、硬塑狀殘積層<6-2>地層；右線隧道主要穿越殘硬塑狀殘積層<6-2>、變質(zhì)砂巖全風(fēng)化帶<8-1>、變質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶<8-2>地層。結(jié)合XXX地鐵施工眾多工程實(shí)例，認(rèn)為本標(biāo)段隧道通過的圍巖巖質(zhì)大部分強(qiáng)度比較低，適合采用盾構(gòu)法施工。1.1盾構(gòu)選型要求本工程所選的盾構(gòu)機(jī)必須滿足以下要求：（1）為滿足從巖石層到軟土層及復(fù)合地層的切削工作等本工程盾構(gòu)機(jī)采用復(fù)合型土壓平衡式盾構(gòu)，同時(shí)具備土壓平衡掘進(jìn)模式、半敞開式及敞開式掘進(jìn)模式。（2）要求刀盤結(jié)構(gòu)在盡可能大的開口率條件下，強(qiáng)度高、剛性好，既能適應(yīng)粘性土地層中土壓平衡掘進(jìn)時(shí)大扭矩切削排土要求工況，又能適應(yīng)在巖石地層和受力不均勻復(fù)合地層的大推力工況。（3）推進(jìn)油缸和鉸接油缸布置具備良好的糾偏功能，保證在不均勻復(fù)合地層中的軸線控制。（4）具備高精度的盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向測量系統(tǒng)。（5）具有良好可靠的泡沫和添加劑注入系統(tǒng)，用于開挖面、土倉及螺旋機(jī)中土體的改良。（6）盾構(gòu)機(jī)所配置的滾刀必須有足夠的破巖石能力。（9）刀具選擇及布局要求合理，安裝、拆卸方式簡便牢固。（8）具備人員和材料進(jìn)出用的氣壓人行閘，并且配有土倉自動調(diào)壓裝置，以適應(yīng)軟弱圍巖中的換刀要求。（9）螺旋機(jī)出土口須具備防噴涌的設(shè)施及保壓功能，并具有排堵功能。（10）盾構(gòu)機(jī)主機(jī)的密封裝置在壓力狀態(tài)下具有良好的防水功能。1.2盾構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)要求1.2.1針對區(qū)間地質(zhì)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求（1）扭矩、推力設(shè)計(jì)要求大，可以使用于XXX各種粘性大砂土層和各種巖層的盾構(gòu)工程。盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)最大扭矩623t?m，掘進(jìn)推力可達(dá)4000t·f，主軸承直徑D=30000mm，相對較大，完全適應(yīng)該區(qū)間地質(zhì)條件。（2）刀盤驅(qū)動主軸承壽命大于10000小時(shí)，并且須設(shè)計(jì)有對主軸承油溫、主軸承密封泄露監(jiān)測等裝置，能夠隨時(shí)發(fā)現(xiàn)主軸承及主軸承密封的異常情況，以采取必要的保護(hù)措施，提高主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。（3）有改良碴土的設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)須配備有泡沫和膨潤土添加系統(tǒng)，可通過刀盤面板上孔道、土倉隔板上孔道，及螺旋輸送機(jī)筒壁孔道分別或同時(shí)向開挖面、土倉、螺旋輸送機(jī)內(nèi)部多方位地注入泡沫或膨潤土，并且在刀盤背面和土倉隔板上各安裝有攪拌臂，用于改善碴土的塑流性和防止泥餅的產(chǎn)生，刀盤中心。（4）耐磨性的加強(qiáng)刀盤母體須采用耐磨性、焊接性、沖擊韌性極好的16MnR材料制作，在刀盤外緣設(shè)有三圈可更換的耐磨條，面板外緣和正面也須采用高硬度耐磨焊絲拉網(wǎng)堆焊5mm厚的保護(hù)層，極大地提高刀盤母體的耐磨性，同時(shí)，所有刮刀須鑲裝用高強(qiáng)度合金鋼制成的刀頭，能完全滿足本區(qū)間掘進(jìn)中對刀盤耐磨性高的要求。另外，土倉倉壁和螺旋輸送機(jī)的筒壁均采用耐磨材料制作，在螺旋輸送機(jī)的入口處、葉片和軸，盾體切口環(huán)外緣等易磨損部位也都須堆焊有耐磨層，提高這些部位的耐磨性。（5）有良好的應(yīng)對地下水的能力盾構(gòu)機(jī)須采用軸式螺旋輸送器，配備有雙閘門裝置和保壓泵碴裝置，能完全滿足本工程在不良地質(zhì)條件下掘進(jìn)時(shí)發(fā)生涌水、涌泥時(shí)保壓掘進(jìn)的需要。另外，主軸承密封、中盾和尾盾鉸接處密封、盾尾密封最大設(shè)計(jì)工作壓力須達(dá)4bar,能完全滿足盾構(gòu)機(jī)在高水壓地質(zhì)條件下掘進(jìn)時(shí)的防水需要。（6）有針對不良地質(zhì)段掘進(jìn)時(shí)加固地層的設(shè)計(jì)和裝置拼裝機(jī)上安裝一臺超前鉆機(jī)用于盾構(gòu)機(jī)前方和殼體四周的地質(zhì)超前鉆探和鉆孔注漿加固。沿盾殼周圈布置6個(gè)鉆孔，在盾殼前部布置2個(gè)鉆孔用于前方的超前鉆探，鉆機(jī)配備1米長鉆桿，對位于盾構(gòu)機(jī)前方的地層進(jìn)行鉆孔和注漿作業(yè)，進(jìn)行地層的加固，確保盾構(gòu)機(jī)安全可靠地通過不良地質(zhì)段。1.2.2適應(yīng)小曲線半徑掘進(jìn)的設(shè)計(jì)和滿足管片拼裝的要求（1）盾構(gòu)的中體和盾尾采用鉸接裝置，可滿足較小半徑曲線的推進(jìn)轉(zhuǎn)彎和糾偏。適用最小半徑可達(dá)250米，滿足在小曲線半徑下掘進(jìn)時(shí)糾偏的需要。（2）推進(jìn)油缸設(shè)計(jì)為可分組或單個(gè)控制伸縮動作，行程為2200mm，管片拼裝機(jī)沿隧道軸線運(yùn)動行程2000mm，旋轉(zhuǎn)角度+/-200o，可保證封頂塊在任何位置時(shí)管片錯(cuò)縫拼裝的需要，須滿足本工程1500mm管片的拼裝要求。1.2.3滿足本區(qū)間掘進(jìn)安全性要求滿足本區(qū)間掘進(jìn)安全性要求，主要從地面沉降控制及隧道掘進(jìn)軸線的精確性兩方面來考慮：（1）滿足地面最大隆陷值控制在+10mm，-20mm范圍內(nèi)。①在土倉中須安裝有4個(gè)土壓傳感器，能準(zhǔn)確地監(jiān)測出開挖面各方位的水土壓力，并實(shí)時(shí)顯示在盾構(gòu)機(jī)控制室的操作面板上，以便使操作人員根據(jù)需要，合理地選擇掘進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)機(jī)在土壓平衡模式下的安全掘進(jìn)。②在注漿管路的末端須安裝有漿液壓力傳感器，能實(shí)時(shí)檢測注漿各部位漿液的壓力變化情況，并將此壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號以數(shù)字形式顯示在注漿機(jī)的控制面板上。以便注漿操作人員根據(jù)注漿壓力的變化情況，通過自動或手動控制注漿量，使管片與隧道的環(huán)向間隙能夠及時(shí)被漿液填充，并達(dá)到足夠飽和度。（2）隧道掘進(jìn)軸線偏差控制在±50mm以內(nèi)。①盾構(gòu)機(jī)須采用先進(jìn)的姿態(tài)測量系統(tǒng)和姿態(tài)顯示系統(tǒng)，直觀地顯示出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，以及自動計(jì)算出實(shí)際值與理想值的偏差。②推進(jìn)油缸分成上、下、左、右4組，各組油缸的壓力可通過操縱控制臺上的電位計(jì)手工調(diào)整，也可單獨(dú)選擇。行程、速度能被檢測和顯示在控制室的操作面板上，速度可以通過控制臺連續(xù)調(diào)整。1.2.4滿足本區(qū)間掘進(jìn)可靠性要求針對本工程施工特點(diǎn)、難點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)須具有以下可靠性，可保證盾構(gòu)機(jī)在本標(biāo)段順利施工。（1）設(shè)計(jì)參數(shù)按照本區(qū)間的工程條件確定。（2）主要部件的設(shè)計(jì)壽命大于10km，主軸承的壽命大于10000小時(shí)。（3）盾構(gòu)機(jī)為復(fù)合型土壓平衡式，在土倉內(nèi)上下左右配置4個(gè)具有高靈敏度的土壓傳感器，通過PLC能將壓力傳送到操作臺上的觸摸顯示屏顯示，并且能自動地與設(shè)定土壓進(jìn)行比較，壓力過高過低都會報(bào)警，其中一個(gè)土壓傳感器安裝在螺旋輸送機(jī)外殼里，以向操作人員顯示螺旋輸送機(jī)沿線的壓降，檢測棄土流動性的變化，能很好地控制土壓平衡，減少地面沉降，適合本工程軟弱及復(fù)合地層掘進(jìn)的需要。（4）刀盤開口率最小為30%，采用較大的主軸承，應(yīng)適應(yīng)XXX復(fù)雜多變地層，同時(shí)須提高中心部位的開口率，中央敞開式可以限制刀盤結(jié)構(gòu)的磨損，既保證了刀盤的強(qiáng)度，又可有效適應(yīng)本標(biāo)段不同地層中的掘進(jìn)。（5）軸承直徑須達(dá)3000mm，連接刀盤和主軸承的結(jié)構(gòu)附件之間留有很大的通道，同時(shí)刀盤開口須設(shè)計(jì)成梯形，外小內(nèi)大，以便棄土能容易地進(jìn)入土倉。（6）刀盤刀具不僅須設(shè)置刮刀，同時(shí)還須配置盤形滾刀，盤形滾刀適當(dāng)超前，以便保護(hù)刮刀。（7）盾構(gòu)機(jī)刀盤采用液壓驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，具有較大的扭矩和轉(zhuǎn)速，可適應(yīng)不同地層的掘進(jìn)需要。（8）刀盤上須焊接網(wǎng)狀耐磨層，防止因刀具的過度磨損而損壞刀盤。（9）管片安裝器為6個(gè)自由度齒圈式，保證管片容易拼裝及拼裝的質(zhì)量。管片拼裝機(jī)的縱向行程可用來更換盾尾前兩道密封刷。（10）螺旋輸送機(jī)配置二道閘門，通過二道閘門的開啟度改變能更好地形成土塞，設(shè)置保壓泵接口，在必要時(shí)起用保壓泵防止螺旋機(jī)噴涌，確保了在地下水較大地層的掘進(jìn)；螺旋輸送機(jī)須具有回縮功能，前端第一節(jié)螺旋部分帶有焊接的耐磨襯墊，前筒體堆焊有網(wǎng)狀耐磨層，增大易磨損部位的耐磨性。（11）設(shè)有自動控制的膨潤土及泡沫添加劑注入設(shè)備和管路，注入到開挖面、土倉、螺旋輸送機(jī)中，充分改良土體。（12）采用盾尾同步注漿系統(tǒng)，可及時(shí)填充管片與開挖直徑之間的間隙，減小沉降。同時(shí)，為防止管片上浮，須配置二次注漿管路及一套注漿設(shè)備。（13）配置超前鉆機(jī)及鉆探口，超前鉆機(jī)可方便地安裝在盾構(gòu)機(jī)的操作平臺上，可以在地質(zhì)復(fù)雜區(qū)段對前方地層進(jìn)行超前鉆探及注漿加固。（14）皮帶輸送機(jī)上須裝有自動秤量系統(tǒng)傳感器，排碴超過上限即報(bào)警。（15）具有應(yīng)對緊急突發(fā)事件的能力。如緊急停電時(shí)，螺旋機(jī)出土閘門可以通過蓄能器（斷電后閥門自動打開）自動關(guān)閉，保持倉內(nèi)土體的穩(wěn)定。（16）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)靈敏可靠，能將盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、推進(jìn)力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，并通過數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)進(jìn)行高效可靠地處理和存儲，最后通過各種數(shù)字或圖表形式顯示出來。當(dāng)以上過程出現(xiàn)故障時(shí)，可通過在其上安裝的故障自動診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障自動檢索和顯示。（17）激光導(dǎo)向系統(tǒng)，有足夠的掘進(jìn)方向檢測能力及糾錯(cuò)能力，能在各種高溫、高濕度、高粉塵，振動等惡劣環(huán)境下高效可靠地運(yùn)行，并具有較高的靈敏度和極小的誤差。完全能夠滿足盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制精確度高的要求。（18）具有雙倉式氣壓人行閘設(shè)計(jì)，設(shè)置土倉自動調(diào)壓裝置，保證更換刀具的便利及人員的安全。（19）盾尾設(shè)置三道鋼絲刷，可通過自動和手動兩種模式向盾尾密封處的環(huán)型空腔中注入專用密封油脂，以及通過改變油脂注入的壓力和數(shù)量，保證盾尾的密封效果及可靠性。1.2.5符合環(huán)境保護(hù)要求的設(shè)計(jì)要求（1）地表建筑物保護(hù)盾構(gòu)機(jī)具有土壓平衡掘進(jìn)模式，可實(shí)現(xiàn)地表沉降控制，保護(hù)地表建筑物。本區(qū)間地表建筑物密集，地表沉降要求高。對于控制地表沉降，盾構(gòu)機(jī)具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①盾構(gòu)機(jī)能夠在土壓平衡模式下掘進(jìn)，能有效的穩(wěn)定開挖面地層，通過同步注漿保證掘進(jìn)后管片外表面與隧道壁的環(huán)向間隙能夠及時(shí)得以填充。②通過在土壓平衡模式下掘進(jìn)時(shí)使用保壓泵碴和螺旋輸送機(jī)雙開門裝置對出土的控制，可以有效防止地層水流失，避免地層水流失造成的地面沉降。③通過土倉密閉設(shè)計(jì)及輔助保壓系統(tǒng)，在刀具更換等情況下也可實(shí)現(xiàn)掌子面的穩(wěn)定。（2）消耗的材料具有環(huán)保特點(diǎn)盾構(gòu)機(jī)使用的主軸承密封油脂、盾尾密封油脂均須具有生物可降解性和無毒性，泡沫劑在使用后的一天內(nèi)即可自行分解，屬于綠色環(huán)保材料，其環(huán)保性能須完全符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。1.3刀盤、刀具的特點(diǎn)和適應(yīng)性要求1.3.1刀盤的特點(diǎn)和適應(yīng)性要求（1）刀盤主體結(jié)構(gòu)刀盤主體結(jié)構(gòu)由面板、側(cè)板、筋板、外緣板、滾刀座、耐磨合金條和支撐臂焊接而成，整體性強(qiáng)。為了便于安裝更多的邊緣刮刀和邊緣滾刀，邊緣區(qū)須采用弧面過渡，使整個(gè)刀盤呈弧拱設(shè)計(jì)，可以在有限的區(qū)域內(nèi)增加刀盤的表面積，從而增加滾刀的數(shù)量，使得滾刀之間的距離縮小，并且弧面過渡的設(shè)計(jì)保證了滾刀與開挖面所形成的角度滿足一定的要求，這樣，改善了滾刀的安裝及受力狀況，提高邊緣滾刀的使用壽命，降低刀具更換頻率。刀盤的開口率（30%），刀盤主體結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度高剛性設(shè)計(jì)可以保證刀盤能在本工程施工期間不變形、不損壞，適宜大扭矩和大推力的作業(yè)工況。（2）刀盤對開挖面的支護(hù)性能刀盤設(shè)計(jì)的開挖直徑為6280mm，最小開口率30%。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)其原理主要是依靠土倉中的受壓渣土與開挖面水土壓力保持平衡，但刀盤面也可以起到一定的平衡開挖面穩(wěn)定的作用，因此，剩余90％的面積可用于支撐開挖面的穩(wěn)定，適應(yīng)本工程軟土地層較多、沉降控制嚴(yán)格的要求。但當(dāng)開挖面失穩(wěn)時(shí)刀盤面積只是起到有限的支撐作用，并不能真正支撐開挖面的穩(wěn)定，所以必須要在土倉XX立土壓以平衡開挖面的土壓。（3）刀盤良好的進(jìn)碴性能采用較大的主軸承，提高中心部位的開口率，刀盤排碴口處的的開口設(shè)計(jì)須成梯形結(jié)構(gòu)型式，外小內(nèi)大，有利于使碴土平滑順暢地進(jìn)入土倉，防止在面板上產(chǎn)生泥餅現(xiàn)象，提高掘進(jìn)效率。（4）刀盤防泥餅性能由于本工程盾構(gòu)機(jī)通過<6-2>、〈6-3〉、〈8-1〉、〈8-2〉等地層，在此類地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤中心區(qū)和土倉中心區(qū)容易粘泥而形成“泥餅”，產(chǎn)生堵倉現(xiàn)象，造成刀盤轉(zhuǎn)動負(fù)荷加大，排土不暢，甚至停止轉(zhuǎn)動，同時(shí)造成土倉內(nèi)溫度升高，影響主軸承密封的壽命，嚴(yán)重時(shí)會造成主軸承密封破壞，“泥餅”現(xiàn)象往往會堵塞滾刀，使?jié)L刀發(fā)生偏磨。如果地下水較豐富，螺旋機(jī)由于排土不暢而無法形成土塞，排土口就會產(chǎn)生噴涌，從而開挖面失穩(wěn)發(fā)生坍塌。為了防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，采用以下措施：①刀盤產(chǎn)生“泥餅”現(xiàn)象與刀具的布置、形式及刀盤的開口率、形狀等有關(guān)，為了防止“泥餅”現(xiàn)象的發(fā)生，刀盤的刀座設(shè)計(jì)須充分考慮在不同的地質(zhì)情況下同一位置可安裝與不同地層相適應(yīng)的刀具。②在刀盤面板上設(shè)置添加劑注入孔，配置自動泡沫和添加劑注入系統(tǒng)，可根據(jù)需要向開挖面噴射水、泡沫和膨潤土，改善碴土的流動性，減小開挖面泥餅生成的機(jī)會。③為了防止“泥餅”產(chǎn)生，本工程中將采用注入泡沫，來有效改善碴土的流動性，防止粘性土附著在刀盤上。④刀盤上須設(shè)有攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動，輔以倉壁上的固定攪拌棒可起到攪拌破碎碴土的功能。（5）刀盤的抗磨損性能刀盤設(shè)計(jì)須充分考慮本標(biāo)段部分?jǐn)嗝娴牡撞繋r石強(qiáng)度，使用土壓平衡式掘進(jìn)的特點(diǎn)，在刀盤外周磨損機(jī)會較多的部位堆焊大量的網(wǎng)格狀耐磨合金層，如刀盤面板正面及外周、攪拌棒、刀盤邊緣板和滾刀刀座等處；此外，還須在刀盤外緣板上設(shè)計(jì)若干道耐磨合金環(huán)和硬質(zhì)合金刀具，從而大大提高刀盤的耐磨性能，延長其使用壽命。1.3.2刀具的特點(diǎn)和適應(yīng)性要求考慮本區(qū)段的地質(zhì)情況，在此種地層將采用滾刀和刮刀的組合來完成掘進(jìn)施工。盾構(gòu)機(jī)主要采用盤型滾刀、普通刮刀、片式刮刀三種刀具來完成本標(biāo)段的盾構(gòu)施工。（1）盤型滾刀的選擇依據(jù)盤型滾刀廣泛用于復(fù)合型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，具有很好的破碎能力和壽命。盤型滾刀有3種形式：輪轂上有1個(gè)刀環(huán)的單刃盤型滾刀，輪轂上有2個(gè)刀環(huán)的雙刃盤型滾刀，輪轂上有3個(gè)刀環(huán)的三刃盤型滾刀。這3種形式的盤型滾刀在刀盤上的不同組合，可以切削各種不同抗壓強(qiáng)度的巖盤。盤型滾刀系列技術(shù)參數(shù)見表8-1。表8-1盤型滾刀系列技術(shù)參數(shù)表盤型滾刀直徑(英寸)1215.51919礫層掘進(jìn)時(shí)容許荷載（單刃）(tf)405990100巖石掘進(jìn)時(shí)容許荷載（單刃）(tf)12.8182232刀刃寬度(mm)16162222礫層掘進(jìn)時(shí)刀刃容許磨損量(mm)18202530各種單軸抗壓強(qiáng)度的巖盤與盤型滾刀之間的選擇關(guān)系見圖8-1。圖8-1巖盤抗壓強(qiáng)度與盤型滾刀之間關(guān)系在巖石中掘進(jìn)時(shí)，在布置盤型滾刀時(shí)應(yīng)盡可能的多增加盤型滾刀數(shù)量使其切削軌跡間距變小，減少每一滾刀所受的荷載，提高其壽命。將刀盤的邊緣形狀設(shè)計(jì)成弧形，增加刀盤的表面積，使配置盤型滾刀數(shù)量增加，并且由于在刀盤外周設(shè)計(jì)成弧形，有利于刀盤外周盤型滾刀的布置和受力狀況。（2）刀具類型及其作用本次將選用的滾刀為單刃滾刀、雙刃滾刀，主要用于破碎巖石和軟土中的孤石，須分別被安裝在刀盤邊緣、正面及中心區(qū)域。用于泥質(zhì)巖層切削的刀具主要為刮刀，須分布在刀盤邊緣及開口兩側(cè)?？紤]到本工程在巖石層和軟弱的土質(zhì)中使用，刀具母體須采用耐沖擊性及耐磨性優(yōu)越的E5材質(zhì)，切刀和刮刀配有碳鎢合金刀齒。并且考慮到盾構(gòu)機(jī)的重復(fù)使用及切削刀磨損而需進(jìn)行更換的情況，在結(jié)構(gòu)安裝上考慮采用螺栓聯(lián)接的形式，以便在維修及切削刀具磨損較嚴(yán)重時(shí)，可以更換。（3）刀具的更換滾刀的安裝須采用背裝式螺栓連接，刮刀的安裝采用輻條兩側(cè)螺栓連接，均可在切削倉內(nèi)進(jìn)行刀具更換，無需暴露在沒有支撐的開挖面上，充分保證換刀人員的安全。與在刀盤正面安裝的形式相比，背裝式的設(shè)計(jì)也為刀具的更換提供了較大的作業(yè)空間，使刀具的更換速度得以明顯的提高。刀具的更換時(shí)間可參考切削刀盤累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)表的顯示值，求出滾刀掘削距離，以及通過掘進(jìn)過程中推進(jìn)力、扭矩增大，推進(jìn)速度極低，開挖聲音異常等來判定，但是由于XXX地層的復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確地從上述原因中判定刀具的磨損狀況。適時(shí)檢查滾刀（特別是最外周）的磨損情況，及時(shí)更換。1.4各種掘進(jìn)模式對不同地層的適應(yīng)性復(fù)合型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)模式主要有土壓平衡掘進(jìn)模式、敞開式掘進(jìn)模式以及介于兩者之間的半敞開模式三種，各有其工作特點(diǎn)和適用的地質(zhì)條件。所選的盾構(gòu)機(jī)可在掘進(jìn)過程中根據(jù)不同的地質(zhì)情況選擇不同的掘進(jìn)模式以便達(dá)到最好的掘進(jìn)效果。1.4.1土壓平衡掘進(jìn)模式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理，就是盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)掘削開挖面土體的同時(shí)，使開挖室里充滿了泥土、天然水或添加的水和泡沫的混合物。該混合物被刀盤梁以及固定的和運(yùn)動的拌和棒進(jìn)行攪拌。開挖過程中，通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速以平衡進(jìn)渣與排渣量，使混合物保持在要求的土壓力。開挖室里的土壓每時(shí)每刻都受到控制并保持，水土壓力實(shí)現(xiàn)動態(tài)平衡，從而保持開挖面的穩(wěn)定性，減少地面的沉降。在開挖過程中，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著土壓傳感器的指示會作相應(yīng)的調(diào)整。如果其它運(yùn)行參數(shù)（如推力、注入量）之一發(fā)生變化，螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速會調(diào)整使得壓力與要求值一致。泥土與螺旋輸送機(jī)外殼和螺旋葉片的摩擦?xí)a(chǎn)生必要的壓降，從而保持入口和出口的壓力差。（參見圖8-2）圖8-2土壓平衡模式示意圖盾構(gòu)機(jī)壓力控制操作一般有兩種模式，根據(jù)前方土體情況適當(dāng)采用。（1）推進(jìn)油缸速度不變，通過改變螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，改變排土量來保持開挖面的穩(wěn)定。（2）螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通過改變推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度，改變掘削土量來保持開挖面的穩(wěn)定。1.4.2敞開式掘進(jìn)模式敞開式掘進(jìn)模式一般用于地層自穩(wěn)條件比較好的場合，即使不對開挖面進(jìn)行連續(xù)壓力平衡，在短時(shí)間內(nèi)也可保證開挖面不失穩(wěn)，土體不坍塌。本盾構(gòu)機(jī)在敞開式模式掘進(jìn)時(shí)，破碎下來的巖土能夠盡快落入土倉下部，并由螺旋輸送機(jī)迅速地排出。敞開模式掘進(jìn)中，可間斷打開倉門，觀察破巖、出土和刀具磨損情況，以便及時(shí)準(zhǔn)備更換刀具、調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和及時(shí)轉(zhuǎn)換掘進(jìn)模式。參見圖8-3。圖8-3敞開式模式示意圖1.4.3半敞開模式如果掘進(jìn)中遇到雖然圍巖穩(wěn)定、但富含地下水的地層；或者施工斷面上大部分圍巖穩(wěn)定，僅有局部會出現(xiàn)失壓崩潰的地層，此時(shí)應(yīng)采用半敞開模式（參見圖8-4）。增大推進(jìn)速度以求得快速通過，并暫時(shí)停止螺旋機(jī)出土。關(guān)閉螺旋機(jī)出土閘門，使土倉的下部充滿碴石，向開挖面和土倉中注入適量的添加材料（如膨潤土、泥漿或添加劑）和壓縮空氣，使土倉內(nèi)碴土的密水性增加，同時(shí)也使添加材料在壓力作用下滲進(jìn)開挖面地層，在開挖面上產(chǎn)生一層致密的“泥膜”。通過氣壓和泥膜阻止開挖面涌水和坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，再控制螺旋機(jī)低速轉(zhuǎn)動以保證在螺旋機(jī)中形成“土塞”，是完全可以安全快速地通過這類不良地層的。使用這種掘進(jìn)模式，既可維持開挖面穩(wěn)定，又可達(dá)到較高的掘進(jìn)速度。圖8-4半敞開模式示意圖1.4.4各種模式的比較對掘進(jìn)過程中需要采用的土壓平衡模式、半敞開模式、敞開式模式等三種掘進(jìn)模式的掘進(jìn)功耗、對設(shè)備配置要求、掘進(jìn)速度、適用地層進(jìn)行比較。表8-2各種掘進(jìn)模式比較表項(xiàng)目土壓平衡模式半敞開模式敞開式模式掘進(jìn)功耗大較大小對設(shè)備配置要求具有土壓傳感器，較高的控制精度，添加注入系統(tǒng)，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)能提供較大的扭矩，刀盤牢固剛性好。除了具有土壓平衡掘進(jìn)的配置以外，還應(yīng)具有壓氣系統(tǒng)。要求設(shè)備的推力足夠大，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)能提供較大的轉(zhuǎn)速，刀具承載力高且耐磨性能好。掘進(jìn)速度慢較快快1.5主要參數(shù)計(jì)算針對本標(biāo)段線路的埋深、地質(zhì)和水文特點(diǎn)，結(jié)合有關(guān)理論和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，我公司對盾構(gòu)機(jī)的有關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。1.5.1盾殼直徑要求及曲線施工能力（1）管片所能達(dá)到的線路最小轉(zhuǎn)彎半徑R見圖8-5。圖8-5最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算圖∴＝236843mm≈239m管片設(shè)計(jì)尺寸能夠使隧道達(dá)到的最小轉(zhuǎn)彎半徑R≈239m。（2）最小盾尾內(nèi)徑D0現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑R＝350000mm計(jì)算最小盾尾筒體內(nèi)徑D0(見圖8-6中的CD)：圖8-6盾尾最小內(nèi)徑計(jì)算圖上圖顯示了盾構(gòu)機(jī)在曲線段及曲線轉(zhuǎn)直線段兩個(gè)階段掘進(jìn)中的盾尾的軌跡情形。紅線顯示的是在第③管片掘進(jìn)完畢后盾尾筒體內(nèi)徑的理論位置，其軸線沿著線路的切線方向。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)第③管片過程中，為了依靠尾刷封堵地下水和注入的砂漿，最少要有一段管片②遮蓋住尾刷，本盾構(gòu)設(shè)計(jì)為半環(huán)長度（940.5mm），筒體與管片的接觸控制點(diǎn)為B。根據(jù)管片尺寸和先前計(jì)算，圖中：R=236843mmGF=1500/2=950(mm)HA=1519/2=959.5(mm)ME=1481/2=940.5(mm)故，θ=sin－1（GF/R）=sin－1(950/236843)=0.1814362°OB=OE=ME/tgθ=940.5/tg0.1814362°=233841.88OC=OB?cos2θ=233841.88×cos0.3628924°=233839.19OD=OH=HA/sinθ=959.5/sin0.1814362°=239843.08D0=CD=OD－OC=6005.89≈6006（mm）（3）間隙裕量考慮到管片和盾尾承受土壓之后會發(fā)生變形及偏移、掘進(jìn)方向控制有一定誤差、管片安裝存在誤差、管片拼裝過程需要安裝及調(diào)整空間、管片不能過度壓縮盾尾密封而使密封元件過早失效等諸多因素，在確定盾尾直徑時(shí)，必須再加上一定的間隙裕量。盾尾間隙裕量：C＝δ1＋δ2＋δ3其中：δ1：盾尾內(nèi)管片的傾斜量δ2：管片的真圓度公差。δ3：管片拼裝時(shí)的余量。由計(jì)算得：當(dāng)隧道曲率半徑R＝250時(shí)，δ1＝4.6mm管片橢圓度公差：δ2根據(jù)隧道標(biāo)準(zhǔn)真圓度公差：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)外徑φ6m≤D<φ8mδ2＝15mm/2＝9.5mm管片拼裝時(shí)的余量：δ3根據(jù)施工實(shí)績一般取8～10mm基于以上考慮，盾尾間隙裕量（C）:C≥δ1＋δ2＋δ3＝4.6+9.5+(8～10)＝20.1～22.1因此，根據(jù)以上計(jì)算,考慮地質(zhì)的不均勻性所造成的盾構(gòu)機(jī)偏移軸線，本工程盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙要求為C=45mm。（4）盾構(gòu)機(jī)的盾尾內(nèi)徑確定盾尾內(nèi)徑D由最小盾尾內(nèi)徑D0、間歇裕量所決定：D＝D0+2×C＝6006+2×30＝6066（mm）由上述計(jì)算可得出結(jié)論：只要盾尾內(nèi)徑大于6066mm，即可使得盾構(gòu)機(jī)能夠轉(zhuǎn)過半徑在239m以上的彎道。本工程中的最小轉(zhuǎn)彎半徑為350m，實(shí)際所選盾構(gòu)機(jī)的盾尾內(nèi)徑尺寸應(yīng)大于6066mm，比理論要求的要大。因此，即使實(shí)際轉(zhuǎn)彎半徑遠(yuǎn)比500m小，只要大于239m，均可以實(shí)現(xiàn)急劇調(diào)整方向的目的，滿足地層軟硬分布不均或操作不當(dāng)?shù)惹闆r下的施工要求的。1.5.2總推力的計(jì)算計(jì)算本隧道時(shí)的土壓力可按全覆土計(jì)算。（1）盾體受力分析該斷面處有關(guān)土力學(xué)參數(shù)及由地表至隧道底部的地層構(gòu)造如下表8-3。表8-3巖土力學(xué)參數(shù)表地層代號巖土名稱天然密度ρ(g/cm3)凝聚力c(kPa)內(nèi)摩擦角φ靜止側(cè)壓力系數(shù)λ<11-1>全風(fēng)化花崗巖片麻巖1.9419.219.40.39<11-1-2>全風(fēng)化花崗巖片麻巖1.9618210.39盾構(gòu)機(jī)的推力考慮在軟巖層<11-1>和<11-1-2>中進(jìn)行。（2）在軟巖層中掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的推力的計(jì)算根據(jù)本標(biāo)段的埋深條件、地層的土質(zhì)、地下水及管片襯砌環(huán)的特征等條件，參照巖土工程詳勘報(bào)告，可能出現(xiàn)的最不利受力情況的斷面進(jìn)行計(jì)算。盾構(gòu)機(jī)所受荷載見圖8-7。在確定盾構(gòu)機(jī)拱頂處的圍巖豎向壓力P時(shí)，取最不利斷面的圍巖的力學(xué)指標(biāo)為計(jì)算依據(jù)，對于深埋斷面首先按太沙基卸拱理論計(jì)算上覆土地層壓力，當(dāng)深埋但小于2倍隧道直徑高度取2倍隧道直徑高度的上覆土體自重作為上覆土地層壓力。當(dāng)埋深大于2倍隧道直徑高度時(shí)，按實(shí)際埋深來計(jì)算，所取斷面埋深為21m。a.按太沙基卸拱理論計(jì)算圖8-7盾構(gòu)受力圖松動高度h0式中：φ為土的內(nèi)摩擦角，φ=21°γ為土的容重，γ=2t/m3C為土的粘結(jié)力，C=3.1t/m2H為最大覆土厚度，H=21mP0為地面上置荷載，P0=1t/m2K0為水平與垂直土壓之比，選取K0=1B1為自然拱跨度，式中:R為開挖半徑，R=3.14m，故:P=γh=2×21=42t/m2b.計(jì)算截面處隧道上覆土體自重作為上覆土地層壓力Pe=λh+P0h隧道覆土高度h=21mPe=0.45×21+1=10.45t/m2綜上所述:因Pe=10.45t/m2＜P=42t/m2，盾構(gòu)機(jī)所受壓力：Pe=λh+P0P01=Pe+G/DLP1=Pe×λP2=(Pt+γ.D)λ式中：λ為水平側(cè)壓力系數(shù)，λ=0.45h為上覆土厚度，h=21mγ為土容重，γ=2t/m3G為盾構(gòu)機(jī)重，G=450tD為盾構(gòu)機(jī)外徑，D=6.25mL為盾構(gòu)機(jī)長度，L=9.5mP0為地面上置荷載，P0=1t/m2P01為盾構(gòu)機(jī)底部的均布壓力P1為盾構(gòu)機(jī)拱頂處的側(cè)向土壓力。P2為盾構(gòu)機(jī)底部的側(cè)向土壓力。Pe=10.45t/m2P01=10.45+450/（6.25×9.5）=18.03t/m2P1=10.45×0.45=4.9t/m2P2=(42+2×6.25)×0.45=24.5t/m2②盾構(gòu)機(jī)推力計(jì)算盾構(gòu)的推力主要由以下五部分組成：式中：F1為盾構(gòu)外殼與土體間的摩擦力F2為刀盤上的水平推力F3為切土所需要的推力F4為盾尾與管片之間的摩阻力F5為后方臺車的阻力式中：：土與鋼之間的摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)?。?.3式中，為水平土壓力，.f式中：C為土的粘結(jié)力，C=3.1t/m2.f式中：WC為兩環(huán)管片的重量（計(jì)算時(shí)假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)，當(dāng)管片容重為2.5t/m3，管片寬度按1.5m計(jì)時(shí)，每環(huán)管片的重量為24.1t），兩環(huán)管片的重量為48.2t考慮。μC=0.3式中：Gh為盾尾臺車的重量，Gh≈500t；θ為坡度，tgθ=0.021μg為滾動摩阻，μg=0.05推進(jìn)時(shí)所需推力：FF=F1+F2+F3+F4＋F5=1626kN{1626tf}③推力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算按照《MechanisedShieldTunneling》一書（作者：BernhardMaidl;MartinHerrenknecht；LotharAnheuser等）介紹的經(jīng)驗(yàn)公式Fj=β·D2（kN）式中，β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按下圖8-8取500～1200；D——盾構(gòu)外徑。圖8-8推力Fj與盾構(gòu)外徑D關(guān)系曲線計(jì)算出Fj=(500～1200)×6.252=19530～46895kN1.5.3掘進(jìn)速度的計(jì)算根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)油泵的排量，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1480rpm時(shí)的輸出流量：Q泵=1480×85=125800cm3/min推進(jìn)千斤頂?shù)氖芰γ娣e為：S千斤頂=π·D2/4=3.14×222÷4=380cm2推進(jìn)千斤頂可達(dá)到的最大推進(jìn)速度（無荷載）：Vmax=Q泵÷(20×S千斤頂)=181250÷(20×380)=16cm/min1.5.4盾構(gòu)機(jī)刀盤所需扭矩的計(jì)算（1）敞開式掘進(jìn)時(shí)所需的扭矩隧道通過硬巖地層時(shí)，一般采用敞開式掘進(jìn)模式，盾構(gòu)機(jī)刀盤所受的阻力矩主要是全部滾刀轉(zhuǎn)動破巖時(shí)所受的摩擦阻力的力矩。最大扭矩TC發(fā)生在最大推力的時(shí)候，可用下式求得：TC=ψ·Pd·r1+ψ·Pd·r2+…+ψ·Pd·rn=ψ·Pd·Σrn式中，ψ——單把滾刀的摩擦阻力系數(shù)。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，取0.12；Pd——單把滾刀的最大容許荷載，230kN；N滾——滾刀的總數(shù)，36；rn——每個(gè)滾刀的相應(yīng)安裝半徑；Σrn——所有滾刀安裝半徑的累計(jì)總和，根據(jù)廠家的設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出其值為55.456m。TC=0.12×230×55.456=1663.68≈1664kNm（2）土壓平衡掘進(jìn)時(shí)所需的扭矩軟巖層掘進(jìn)，多采用土壓平衡掘進(jìn)模式，土倉充滿碴土，刀盤轉(zhuǎn)動需要較大的扭矩。此時(shí)一般均向土倉加入大量的泡沫、泥漿類土壤改性物質(zhì)。碴土的性質(zhì)與開挖面的土體相比，有明顯的改變。一般地，改良后碴土的內(nèi)摩擦角φ＝5?。盾構(gòu)配備的扭矩主要由以下九部分組成。在進(jìn)行刀盤扭矩計(jì)算時(shí)：式中：M1為刀具的切削扭矩；M2為刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩；M3為刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；M4為密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩；M5為刀盤前表面上的摩擦力矩；M6為刀盤圓周面上的摩擦力矩；M9為刀盤背面的摩擦力矩；M8為刀盤開口槽的剪切力矩；M9為刀盤土腔室內(nèi)的攪動力矩。a．刀具的切削扭矩M1式中：Cг：土的抗剪應(yīng)力，Cг=C+Pd×Mgφ=3.1+22×tg21°=10.3t/m2hmax：刀盤每轉(zhuǎn)的最大切削深度，hmax=6cm/轉(zhuǎn)R0：最外圈刀具的半徑，R0=3.14mb．刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩M2M2=GRμg式中：G：刀盤自重，刀盤重量為G=45tR：軸承的接觸半徑，為R=1.6mμg：滾動摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)取為μg=0.004M2=45×1.6×0.004=0.29t.mc．刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩M3M3=WpRgμzWp=απRc2Pd式中：Wp：推力荷載α：刀盤封閉系數(shù)，α=0.9Rg：軸承推力滾子接觸半徑，Rg=1.6mRc：刀盤半徑，Rc=3.14μz：滾動摩擦系數(shù)，μz=0.004Pd：水平土壓力，Pd=22t/m2Wp=0.9π×3.142×22=499t.fM3=499×1.6×0.004=3.1t.md．密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩M4M4=2πμmF（n1Rm12+n2Rm22）式中：μm：密封與鋼之間的摩擦系數(shù)，μm=0.2F：密封的推力，F(xiàn)=0.15t/mn1、n2：密封數(shù)，n1=3n2=3Rm1、Rm2：密封的安裝半徑，Rm1=1.84mRm2=2.26mM4=2π×0.2×0.15×（3×1.84+3×2.26）=23t·me．刀盤前表面上的摩擦力矩M5式中：α：刀盤開口率，α=0.30μP：土層與刀盤之間的摩擦系數(shù)，μP=0.15R：刀盤半徑，R=3.14mf．刀盤圓周面上的摩擦力矩M6M6=2πR2BPZμP式中：R：刀盤半徑，R=3.