(完整版)盾构机选型

1、第1章.第2章.第3章.第4章.第5章.第6章.第7章.第8章.第9章.第10章.盾构、配套设备与管模10.1, 盾构机选型10.1.1, 选型原那么盾构机的性能及其对地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键.本合同段盾构区间工程的盾构机选型根据性能可靠、技术先进、经济适用相统一的原那么,依据招标文件、颐和园站一圆明园站和圆明园站一成府路站区间岩土工程勘察报告等资料, 并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术标准进行.10.1.2, 选型依据盾构机选型具体依据如下：(1)本合同段盾构工程施工条件隧道长度：3032+2044.286单线延米；线路间距：819m；隧道覆土厚度最小：6m,最大：15

2、.4m；平面最小曲线半径：350m；最大坡度：20.801%;隧道衬砌管片内径：5400mm 外径：6000mm(2)工程施工环境特点本工程施工环境具有如下特点对盾构机施工有一定的影响：本合同段区间隧道沿线地下管线、建(构)筑物密集.颐和园一圆明园区间线路下穿颐 和园、圆明园,与万泉河高架桥相交；圆明园成府路站区间线路通过成府小学、化工研究 院,下穿万泉河.区间线路与万泉河高架桥相交时,隧道外轮廓与桩基距离最小为5m,下穿圆明园一座池塘时覆土厚度仅 6m,万泉河底部区域隧道覆土厚度为 9m.本合同段区间线路主要沿颐和园路、清华西路布置,与中关村北大街相交,所经道路尤 其是中关村北大街交通繁忙、

3、车流量大.(3)区间地质特点本合同段区间隧道穿越地层主要有粉质粘土、粉土层,局部夹有砂层、卵石圆砾等.具 体的地质统计表见表10-1-1和图10-1-1.区 间地层编号岩土名称比例(%)颐和园一圆明园站粉土9.3粉质粘土46.02粉土35.2卵石圆砾3.22粉细砂6.3圆明园一成府路站粉土0.8粉质粘土47.21粘土7.02粉土45.0表 10-1-1盾构区间洞身地质统计表口口2口2颐和园一圆明园站区间圆明园一成府路站区间图10-1-1盾构区间隧道洞身主要地质比例图10.1.3, 本工程地质特点对盾构机功能的要求针对以上工程地质条件及特点,盾构应具备以下功能：(1)盾构机对地层条件的适应性要求

4、本合同段隧道地层主要由粉质粘土、粉土层、卵石圆砾层组成,局部夹有砂层,所以盾构对软土地层的适应性应是重点考虑的问题. 盾构在软土地段的施工时应重点考虑以下功能:具备土压平衡掘进功能；足够的推力和刀盘驱动扭矩；良好的加泥、加泡沫等磴土改进水平；合理的刀盘及刀具设计；具有完善的防喷涌功能；能够有效预防中央泥饼的生成；较好的人员仓条件；超前地质钻探及管片壁后同步注浆功能.由于本合同段承压水分布较为普遍,含水层主要为卵石圆砾地层和砂层,所以盾构应具 有平衡水土压力,预防喷砂、涌水,最大限度的减少地表沉降,并有效保护刀盘刀具的水平.(2)特殊地段的通过水平本合同段的特殊地段,主要有以下几种：局部隧道区段

5、较近距离穿越建(构)筑物,且局部隧道覆土厚度仅6米,这样的地段对盾构的施工提出了很高的要求.盾构在通过该类地段时必须能很好的调整与保持土仓压力, 限制地面沉降；区间隧道局部地段含有少量的砂层和卵石圆砾,这就要求盾构机刀盘具有较强的耐磨能 力和有效保护刀具的水平.区间线路曲线段长度占区间总长的 66%,且最小曲线半径仅为350米.要求盾构机具有 小半径曲线施工的水平.且对运输系统、通风系统及测量导向系统均有较高的要求.当盾构机处于含砂地层施工时应具有相应的施工辅助举措及设备,如对土仓压力的限制 与硝土改进等.(3)方向调整与限制水平本合同段盾构隧道线路较长,且曲线段施工及工程接口较多,要求盾构的

6、导向系统具有 很高的精度,以保证线路方向准确.盾构方向的限制包括两个方面：一是盾构本身能够进行 纠偏、转向,二是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确.(4)环境保护与限制水平盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对周围自然环境的保护,即地 面沉降满足设计要求,噪声、震动等满足相关环境保护规定的要求；再者要求盾构施工时使 用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成污染.(5)掘进速度满足方案工期需求根据方案工期安排,盾构的掘进速度必须满足本合同段的方案工期要求.10.1.4, 盾构机型式确实定不同类型的盾构机适用的地质类型也是不同的. 盾构机的选型必须做到针对不同的工程, 不同

7、的地质条件进行针对性设计,才能使盾构更好的适应工程.盾构机的主要类型有泥水式、 插刀式(敞开式)盾构、土压平衡式、复合型盾构等.其中土压平衡盾构能够适应较大的地 质范围与地质条件,能用于粘结性、非粘结性、有水或无水、软土和卵石圆砾等多种复杂的 地层,施工速度较高,能有效的限制地表沉降.所以根据本合同段的工程条件、地质特点、 工期及施工要求,结合类似工程盾构的选型经验和北京地铁既有盾构工程的盾构类型,在本 工程宜采用加泥式土压平衡盾构.10.1.5, 土压平衡式盾构机的根本工作原理土压平衡工作原理：土压平衡盾构的开挖土仓由刀盘、切口环、隔板及添加剂注入系统 组成.将刀盘切削下来的磴土填满土仓,在

8、切削刀盘后面装有使土仓内土砂强制混合的搅拌 臂.借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压,产生泥土压,这一压力通过磴土及刀盘作 用于整个作业面,使作业面稳定,同时用螺旋输送机排土,螺旋输送机排土量与盾构推进量 相适应,掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡, 维持土仓内土压力稳定在预定范围内 土仓内的土压力通过土压传感器进行测量,为保证预定的土压力可通过限制推进力、推进速 度、螺旋输送机转速来限制,限制原理见土仓土压力限制示意图10-1-2.土舱土压力与地层水土压力平衡状态地外表Pw水压力 PE 土压力PEPB盾构土仓压力 PW +P E =P EPB图10-1-2 土压平衡工作原理示意图当土仓

9、内的土压力大于地层土压力和水压力时,地表将会隆起；当土仓内的土压力小于 地层土压力和水压力时,地表将会下沉；因此土仓内的土压力应与地层土压力和水压力平衡盾构尾部的空隙通过注浆系统进行同步回填浆液,注浆压力及数量应与地层水土压力及 空隙量相适应,有效限制地表的沉降.磴土改进工作原理：土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为磴土,为维持土仓内土压力 的稳定和磴土的排出,土仓内的磴土必须具有：良好的塑性和流动性、良好的粘一软稠度、 低的内摩擦力、低的透水性.一般情况下磴土不一定具有这些特性,刀盘扭矩较大,磴土流 动困难,在土压力作用下易压实固结,容易产生泥饼或泥团,在透水性土层中,在水的作用 下磴土在螺旋

10、输送机内排出无法形成有效的压力递减,土仓内的土压力难以稳定,因此需要 对开挖后的磴土进行改进,使其具有上述特性.根据地层情况,向开挖土仓内注入泡沫、粘 土或添加剂,进行强制搅拌,使磴土具有可塑性和不透水性,螺旋机排土顺畅,土仓内的压 力容易限制和稳定.10.1.6, 盾构机的主要组成与功能描述(1)概述盾构是一个由不同功能的组件有机结合的综合性施工设备,它集合了盾构施工过程中的 开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能.不同形式的盾构其主机结构特点及配套设施 也是不同的,对盾构来说,盾构法施工的过程也就是这些功能合理运用的过程.土压平衡型盾构在结构上包括刀盘、盾体、人仓、螺旋输送机、管片安装机

11、、管片小车、 皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出磴系统、注浆 系统、油脂系统、液压系统、电气限制系统、激光导向系统及通风、供水、供电系统等.下 面根据这些部件或系统在盾构施工中的不同功能特点来分别进行说明.盾构机主机结构图机后配套总图见图 10-1-3,图10-1-4 (1、2).(2)盾构主机1)刀盘和刀具刀盘结构是根据本合同段的地质适应性要求设计的.刀盘结构如图10-1-5所示,整个刀盘为焊接结构,在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座.刀盘和主驱动通过一个很厚的法兰盘 连接,刀盘反面和法兰盘通过四根600mm,壁厚100mm的钢管焊接在一起,以传递足够的 扭矩

12、和推力.刀盘可以双向旋转.刀盘标称直径6280mm,刀盘总重约57t.为了保证刀盘的整体结构强度和刚度,刀盘的中央部位采用整体铸钢铸造,周边和中央 部件在制造时采用先栓接后焊接的方式连接.刀盘是安装在盾构机前面的旋转局部,在支撑学子面土压的同时进行开挖.通过在不同 形式的刀盘上安装不同的刀具或刀具组合,可以适应不同的地质情况下的施工需要.刀盘采用典型面板式结构,刀盘开口度34%.装有中央刀4把,切刀124把,刮刀16把,刀盘还配备有一把超挖刀,行程 2050mm,由液压操纵伸缩.大多数刀具采用螺栓连 接在刀盘面肋板上,可在土仓室内检查或更换刀具.刀盘的后部开口向内倾斜,便于土磴的 流动.焊接的

13、搅拌臂可以使磴土改进添加剂和挖出的磴土在刀盘后面进行充分的搅拌.刀盘 安装在主轴承的内齿圈上,通过 8个液压马达驱动.刀盘设计为双向旋转,其转速可无级调 节.刀盘面板上共有8个泡沫注入口,其中包括在刀盘的中央设置的四个泡沫注入口.反面 有3个泡沫注入口备用.泡沫注入口也可以用来加注膨润土和泥浆.通过刀盘的旋转接头, 土质改进用的泡沫、膨润土或水被送到土仓内.另外,仿形刀的液压供给也是通过旋转接头 来连接的.回转中央通过刀盘中央的法兰和刀盘连接.刀盘结构与刀具示意见图10-1-5.刮刀搅拌臂刀盘驱动组件回转中央-中央刀螺旋输送机超挖刀刀注盘入口刮刀切刀图10-1-5刀盘结构与刀具示意图图 10-

14、1-3,图 10-1-42盾壳盾壳包括三个主要组件：前体、中体和盾尾.前体里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构.压力隔板将前体的土仓和主仓别离开 来.隔板上面的门可以让人进入土仓进行保养和检查工作.止匕外,隔板有几个开口,可以作 为磴土改进材料的入口以及作为修理时输电线的接线盒接头.水、膨润土或泡沫被输送至土 仓,通过安装的隔板上的四个搅拌器使土仓内的磴土充分搅拌.在保养和修理时,螺旋输送 机的套筒回收后,通过前体上液压闭合装置,可以关闭螺旋输送机的进磴口.在前体的隔板上安装有土压传感器用以监测土仓内的土压,以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土压进行反应和调节.前体和中体是用螺栓上紧并焊接在

15、一起的.在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架.管片安装机支架通过相应的法兰面和管片 安装机梁连接起来.推进缸和连接盾尾的银接油缸布置在中体.在中体的盾壳上焊接了带球 阀的可在需要时实施超前钻孔的预留孔,当需要时还可以通过这些预留孔注入膨润土等用以 减小盾壳与土层的磨擦,或实施临时止水.中体和盾尾之间通过钱接油缸连接,两者之间可以有一定的夹角,从而使盾构在掘进时 可以方便的转向.正常情况下较接处使用的是预紧密封,并安装有一道气囊密封用于对钱接 密封维修时使用.盾尾安装了三道密封钢丝刷及二个油脂注入管道,在密封刷中注入密封油脂以预防盾构 外面的水或砂浆进入盾构.另外还安装了 8根内置的同步注浆管

16、道.如图10-1-6所示.密封刷 密封刷 密封刷.盾尾前腔油脂图10-1-6同步注浆及盾尾密封示意图3人员仓人员仓是在土仓保压期间,人员出入土仓进行维修和检查的转换通道,出入土仓的工具 和材料也由此通过.其主要目的也是为了在人员和材料进入土仓时能够保持土仓中的土压.人员仓包括主仓和准备仓,它们由压力门隔开.主仓和中间仓之间有法兰连接,而中间 仓直接焊接在压力隔板上.通过隔板上的门就可以进入土仓.准备仓和主仓横向连接,这样从准备仓出来必须要经过主仓.准备仓的作用是在压缩空气工作时和出现紧急情况时的出入.(3)主驱动系统主驱动机构包括主轴承、八个液压马达、八个减速器和安装在后配套拖车上的主驱动液

17、压泵站.刀盘通过螺栓和主轴承的内齿圈联接在一起,主驱动系统通过液压马达驱动主轴承 的内齿圈来带动刀盘旋转.主驱动的配备功率为945KW,标称扭矩为4500KN - m,脱困扭矩为 5300KN - m.主轴承有两套密封系统密：外密封系统负责土仓内的密封,而内密封系统那么负责盾构后 部的大气密封.外密封系统是通过带有永久性失脂润滑油脂润滑和渗漏限制三重唇形密封系 统进行来实现的.密封支撑直接和轴承通过螺纹连接固定在一起,并且作为主轴承结构的一 局部从而充分保证同心度；内密封系统将小齿轮区和空气之间进行密封.主驱动系统机构如图10-1-7所示图10-1-7刀盘驱动示意图图10-1-8推进油缸分区示

18、意图(4)推进系统盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力.推进机 构包括30个推进油缸和推进液压泵站.能够提供 34210KN的推力.推进油缸在圆周方向上划分为五组区 域,每组区域可单独进行限制.通过调整每组油缸的不 同推进速度来对盾构进行纠偏和调向.油缸的后端顶在 管片上以提供盾构前进的反力.推进系统油缸的分组如图10-1-8所示,其中红色位 置的油缸安装有位移传感器,通过油缸的位移传感器我 们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态.(5)出磴系统1)螺旋输送机螺旋输送机安装于前体的底部,螺旋输送机从隔板到拖车沿中央线的上仰角为 23布掘进时,开挖的石查土在底部,螺旋输送机伸往石查仓的一段为可

19、更换的耐磨片.螺旋输送机内部 为一个带轴的螺杆,螺旋输送机的螺旋片能够在磴土中伸缩.螺旋输送机的螺旋片分为两段, 中间局部有一段没有螺旋片,这样可以在软土中形成土塞,以有效预防喷涌现象.螺旋输送机通过一个液压马达带一个减速机驱动,具转速范围可以在022rpm内无级调速,从而也可以很好的限制出土量.调节螺旋输送机的出土速度是限制土仓压力的重要方法 之一.螺旋输送机的后料门可以关闭,这样在需要时可以关闭后门以处理喷涌等紧急情况.为了提升磴土的流动性,可以向螺旋输送机圆周的孔注入膨润土或泡沫.螺旋输送机机 构示意如图10-1-9.在圆砾卵石层遇到大粒径卵石情况下,位硒四送大粒径卵石的要求,螺旋输送机

20、的最大输送粒辔为300mm.2)皮带输送机20211817.5图10-1-9螺旋输送机结构示意图皮带机用于将螺旋输送机输出的磴土传送到盾构后配套的磴车上.皮带机布置在后配套 拖车的上面.(6)管片安装机构管片安装机安装在盾尾,由一对举重油缸、大回转机构、抓取机构和平移机构等组成. 管片安装机的限制方式有遥控和线控两种方式,均可对每个动作进行单独灵活的操作限制. 管片安装机通过这些机构的协同动作把管片安装到准确的位置.管片安装机由单独的液压系统供给动力,管片安装机的泵站安装在盾壳内,和推进系统 共用一个油箱.管片安装机机构如图10-1-100(7)较接系统为了减少盾构的长径比,使盾构在掘进时能够

21、灵活的进行姿态调整,特别是为了能够顺 利通过较小的线路弯道,盾尾通过较接系统和中体相连接.较接系统包括十四个较接油缸和 校接密封.在直线段掘进时较接油缸一般处于锁定位置,盾尾在主机的拖动下被动前进.当 盾构需要转弯时,将油缸处于浮动位置,盾尾可以根据调向的需要自动调整位置.(8)拖车盾构的拖车用以安放液压泵站、注浆泵、砂浆罐及电气设备等.拖车行走在钢轨上,拖 车之间用拉杆相连.每节拖车上的安装设备如下表10-1-2.表10-1-2拖车设备表拖车号主要安装设备1限制室、注浆泵、砂浆罐、小配电柜、泡沫发生装置2主驱动系统泵站、膨润土罐及膨润土泵3主配电柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站4两台空压机、风包、

22、主变压器、电缆卷筒5内燃空压机、水管卷筒、通风机皮带机从五节拖车的上面通过,在 5号拖车的位置出卸磴.绝大局部的液压管、水管、 泡沫管及油脂管从拖车内通过到过盾构主机.在拖车的一侧铺设有人员通过的通道.拖车和主机之间通过一个连接桥连接,拖车在主 机的拖动下前进.(9)液压系统盾构的液压系统包括主驱动、推进系统(包括较接系统)、螺旋输送机、管片安装机及辅 助液压系统.主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站,安装在二号拖车上.主驱动系统和螺 旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统,这样可以保证液压系统的高效率及系统 的清洁.推进系统和管片安装机泵站安装在盾壳内.盾构的液压系统元器件全部采

23、用国际知名品牌的产品,泵和马达绝大局部采用力士乐的 产品,阀主要采用力士乐、哈威等国际知名公司的产品.合理的设计系统及可靠的元器件质 量,充分保证了液压系统的可靠性.(10)注脂系统注脂系统包括三大局部：主轴承密封系统,盾尾密封系统和主机润滑系统.三局部都以 压缩空气为动力源,靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位.主轴承密封可以通过限制系统设定油脂的注入量,并可以从外面检查密封系统是否正常. 盾尾密封可以通过PLC系统根据压力模式或行程模式进行自动限制和手动限制,对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在限制面板上进行监控.当油脂泵站的油脂用完后油脂限制系统可以向操作室发出指示信号,并锁定操

24、作系统, 直到重新换上油脂.这样可以充分保证油脂系统的正常工作.(11)磴土改进系统盾构机配有两套磴土改进系统：泡沫系统和膨润土系统.两者共用一套输送管路,在 1 号拖车处相接.1)泡沫系统盾构机配有一套泡沫发生系统,用于对磴土进行改进.泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成,2)膨润土系统盾构机还配有一套膨润土注入系统. 在确定不使用泡沫剂的情况下,关闭泡沫输送管道, 同时将膨润土输送管道翻开,通过输送泵将膨润土压入刀盘、磴仓和螺旋输送机内,到达改 良磴土地目的.根据实际需要,可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内.(12)注浆系统盾构机采用同步注浆系统,这

25、样可以使管片后面的间隙及时得到充填,有效的保证隧道 的施工质量及预防地面下沉.盾构机配有两台液压驱动的注浆泵,它将砂浆泵入相应的注浆点,通过盾尾的注浆管道 将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙.注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而 在可调范围内实现连续调整,并通过注浆同步监测系统监测其压力变化.单个注浆点的注入 量和注浆压力信息可以在主控室看到.在数据采集和显示程序的帮助下,随时可以储存和检 索砂浆注入的操作数据.(13)超前钻探系统在盾构中体上半园处有六 个钻孔供超前钻机钻孔及注浆 用,如图10-1-11所示.根据地 质情况和需要,可在管片安装机 头部安装超前钻机,对盾构前方进行钻孔和

26、注浆作业,加固地层.(14) SLS-T激光导向系统盾构机安装了一套VMT公司的SLS-T APD导向系统.本系统能够对盾构在掘进中的各 种姿态、以及盾构的线路和位置关系进行精确的测量和显示.操作人员可以及时的根据导向 系统提供的信息,快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整,保证盾构掘进方向的正 确.SLS-T APD导向系统和隧道掘进软件全天侯提供盾构机的三维坐标和定向的连续的动态信息.隧道掘进软件是SLS-T APD的核心.通过其附带的通信装置接收数据,由隧道掘进 软件计算盾构机的方位和坐标,并以图表和数字表格显示出来,使盾构机的位置一目了然.SLS-T导向系统见图10-1-12.图1

27、0-1-12 SLS-T激光导向系统示意图(15) PDV数据采集系统PDV数据采集系统可采集、处理、储存、显示、评估与盾构机有关的数据.所有测量数 据都通过被时钟脉冲限制的测量传感器连续的采集和显示.所有必须记录的测量值都以图形 的形式显示在PDV的监测器上.PDV数据采集系统工作示意图10-1-13.当前盾构状态数据如转速、扭矩、压力设定值如极限值、设定参数、修正系数Internet或 拔号网盾构机PLC地面P东集、处理、显示、打印业主监理设计技术部门通过PDV数据采集系统收集到的信息,可以实现对盾构机状态的实时信息化治理.通过 互联网、 拔号网以及PDV的计算机可以将当前的盾构机掘进状态

28、数据传送至业主、监理、 设计及施工等相关部门,为整个工程的信息化治理提供重要信息来源.10.1.7.盾构机关键参数计算(1)推力计算1)盾构外荷载确实定由于盾构工程沿线的隧道埋深差异很大,盾构从洞中通过时的时间相对较短,根据常用 算法,盾构的外部荷载将根据最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压 计算,并取其中的最大值作为盾构计算的外部荷载.在K24+360处隧道的最大埋深为15.4米,但此处围岩为6号地层,主要由粉土及粉质粘 土组成.所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值.软土计算中地质参数均根据此断面的地层选取如下：岩土容重：岩土的内摩擦角:土的粘结力：覆盖层厚度：地面荷载：

29、水平侧压力系数:盾构外径：盾构主机长度：盾构主机重量：经验土压力系数:20.9KN /m329.5c 39 KN /m2Hmax 15.4mP0 20KN /m20.5D 6.25mL 7.5mW 370tKo 1松动土压泰沙基公式计算：B1c/ B1K0tg H/BiK0tg H/BiPSi ePd e154oKo tg其中BiD/2 ctg 45/2 /2B15.44 m代入上式得-5.4420.939/5.44,1 tg 29.5 15.4/5.44-1 tg 29.5 15.4/5.44PS 1 e20 etg29.5Ps132.025 0.798 20 0.798 121.32 KN

30、 /m2计算两倍掘进机直径的全土柱土压:2Pq 2 D 261.25 KN/m2Ps Pq兄作为计算的数据.再加上地面荷载得盾构上部的土压为:Pv 261.25 20 281.25 KN/m2盾构底部的土压为：PPv W/ D LPv1360.2 KN /m2那么盾构上部和下部的侧压力应分别为:_ 2Ph PV140.625 KN /mPh1 PV1180.1 KN /m22盾构的推力盾构的推力应包含以下几个局部：在土压平衡模式下：Ff EPB FFFF FMF BAF S F NL F SP140.625KPa180.1KPa281.25KPa360.2KPa图10-1-15 盾构主体外荷载

31、示意图3盾壳和土层的摩擦力FmFmD L RP71PlPh1 /4Fm0.256.25 7.5 281.25360.2140.625 181.1 /4Fm8865 KN其中n为盾壳和土体间的摩擦系数,根据经验值取 0.25.4刀盘推进力Fba刀盘上共安装了 124把切刀和16把刮刀根据经验计算,16把刮刀的推力相当于96把 切刀的推力,根据经验值每把切刀在软土中的推进力约为5.6 KN ;fBT 128 96 5.6 1254.4 KN5盾尾密封的摩擦力Fs1 10KN/m经验值,周向每米密封的摩擦力% 6.010 189KN 管片外径 6m6拖拉后配套的力 Fnl 经验值Fnl 750 KN

32、7磴仓土压引起的前隔板反力2 6.252Fsp 300KN /m 9204KN 土仓压力按 3bar 计算48总推力计算F Fm f BAFs fNL F SPF 8865 1254.4 189 750 9204 20262.4KN在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的1.5倍考虑,盾构的实际推力应为：F 20262.4 1.5 30393.6KN盾构机实际配备推力为34210KN,能够满足盾构的实际需要.2扭矩计算盾构掘进机在软土中推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受推力荷 载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦 力矩、刀盘开口的

33、剪切力矩、土压腔内的搅动力矩.随着土仓及掌子面磴土改进技术的开展, 在软土开挖中刀盘的扭矩可以得到大幅度的降低.这里计算的只是在没有改进的情况下一种 近似的理论扭矩,实际情况下一般要小于计算值.1刀具切削扭矩推进速度：Vmax 4.8m/h刀盘转速：n 1.2rpm 根据类似工程选取经验值刀盘每转切深：hmax V/n 6.67cm岩土的抗压强度：qu 157 KPa ;选用粉质粘土的抗压强度为计算依据刀盘直径:Dd 6.28mFC LCC L2T10.5qu hmaxDd0.5T10.5 157 0.0667 6.28 0,5 251.7KN /m2刀盘自重产生的主轴承旋转反力矩:T2GR1

34、g 其中:刀盘自重：G 5700KN主轴承滚动半径：R 1.3m滚动摩擦系数：g 0.004T2 5700 1.3 0,004 29.6KN .m3刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩T3PtR g 其中:推力载荷PdPhR2Pd刀盘不开口率:Ph1 /2 160.36KN /mPt0.663.14 160.36 1044 KN10441.3 0.004 5.43KN .m4)密封装置摩擦力矩T42 m Fm nRm166% 0.66 .刀盘半径R23.14m;式中：密封与钢之间的摩擦系数：m 0.2 ；密封的推力：FmKPa ；密封数：n密封的安装半径:Rm11.25mT420.2 1,5 3 1.

35、25m1 8.8KN .m5刀盘前外表的摩擦力距pR23Pd;其中土层和刀盘间的摩擦系数:p 0.15.?T52 0.660.15 3.143 160.361029.4KN .m36刀盘圆周的摩擦反力矩T6 2Dd B Pzp；其中刀盘边缘宽度：B 0.45m；刀盘圆周土压力：PzPh1 Ph Pv1 Pv /4 240.55KPaT626.28 0.45 240.55 0.15 640.7KN .m7刀盘反面的摩擦力矩刀盘反面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生,假定土腔室内的土压力为PdT7 2R3PB 1029.4 KN .m38刀盘开口槽的剪切力矩t82 cr； 13其中土的抗剪应力：C

36、C咖 15 160.3695 29KPa在切削腔内,由于磴土含有水,取 C=15KPa,内摩擦角为523T829 3.141 0.66 639KN .m39刀盘土腔室内的搅动力矩T9 b Lz Pdr1 r2 /2 nb其中刀盘支撑柱直径：b 0.6m;刀盘支撑柱长度Lz 1.1m;支撑柱数量nb 4刀盘支撑柱外端半径：r2 1.4m ;刀盘支撑柱内端半径：r1 0.7mT9 0.6 1.1 160.36 1.4 0.7 /2 4 444.5KN.m10刀盘总扭矩 9T Ti 51.7 29.6 5.43 8.8 1029.4 640.7 1029.4 639 444.5 3878.53KN

37、.m 1根据日外乡压平衡盾构扭矩估算公式计算T D3计算盾构的扭矩,其中a为土压平衡盾构系数,根据盾构直径的大小不同一般取值 14-23, 这里取20计算扭矩得3T 20 6.284953KN .m此扭矩值应为盾构机的脱困扭矩值盾构实际的刀盘驱动扭矩为4500KN m,脱因扭矩为5300KN m,大于前面的计算值, 所以既有盾构配备的扭矩足够.(2)功率计算1)主驱动功率根据实际工况,取刀盘的驱动扭矩为3878KNm,刀盘最大扭矩时的刀盘转速取 1.2rpm, 计算刀盘驱动的实际需要功率为：W0 T 3878 1.2 2 /60 487.3Kw主驱动系统的效率为：d mc pm pv l mm

38、 mv mr其中：mc联轴器机械效率；pm液压泵的机械效率；pv液压泵的容积效率l系统回路效率；mm液压马达机械效率；mv液压马达容积效率mr减速器机械效率d 0.95 0.98 0.95 0.90 0.95 0.98 0.983 70%所以盾构的实际主驱动功率应为：W W./ d 696Kw盾构机的实际配备功率为945kw.2)推进系统功率由前面计算知,盾构推进时的最大推力取32693KN ,推进速度取80mm/min ,计算推进功率为：W0 F vW0 32693 0.08/60m/s 44Kw推进系统应配备的功率应为：W W./W./ pm pv c其中：pm液压泵的机械效率；pv液压泵

39、的容积效率；c联轴器机械效率W 44/ 0.95 0.97 0.95 50Kw推进系统实际配备功率为75kw.10.1.8.盾构机主要技术参数盾构机主要技术参数详见表10-1-3.表10-1-3盾构机主要技术参数盾构机最大工作压力3bar最大设计压力4.5bar盾构机的标称直径 6,250mm总长度包括拖1车75m总重量5,200kN最大掘进速度80mm/min最大掘进力34,210kN盾壳除刀盘外的盾壳总长度7,565mm钢结构的钢材型号S355J2G3盾壳总重量钢结构2,050kN预注浆注入口6St.前体除耐磨层以外的外径 6,250mm耐磨层200mm 2St. 160/90mm 1,0

40、00mm 160bar2St. 80/45mm800mm300bar 2St. 130/70mm 400mm齿轮油供给齿轮油流量主驱动齿轮油注入注入一半 行星齿轮驱动齿轮油注入12ltr./min220ltr.8X12ltr.液压油供给油箱容量刀盘驱动流量补油泵流量推进缸流量螺旋输送机马达流量管片安装机流量辅助设施流量砂浆注入泵流量盾壳内油箱过滤/冷却回路流量主驱动油箱过滤/冷却回路流量3.000ltr. 3X1,088ltr./min 1,213ltr./min 180ltr./min 1,088ltr./min 200ltr./min 63ltr./min 145ltr./min 190l

41、tr./min 900ltr./min管片输送小车负裁管片水平 管片运输小车拖动缸 油缸行程 纵向移动缸 油缸行程 抬升油缸 油缸冲程 总长度 总宽度 高度 滑动行程3St. 100/56mm 150mm 100/70mm 1.860mm 65/57mm 50mm5,220mm 1.660mm481mm 1,860mm管片吊机轨道安装吊机上升功率 下降功率 ,负载忐力4kw 0.5kw 45kN驱动速度V1驱动速度V2 起吊速度 定位速度10m/min 40m/min 6.3m/min 1.5m/min皮带机功率运输速度 运输水平 皮带宽度 皮带长度30kw 2.5m/s 750t/h 800

42、mm 45m油脂供给密封油脂驱动油脂供给/HBW Condat受寸油月用驱动刀盘和螺旋输送机的油脂消耗量驱动油脂量盾尾油脂消耗量盾尾油月旨量ltr./h 60ltr. 1.6ltr./h 200ltr. 36kg/Ring200ltr.注浆和砂浆运输注浆泵数量 功率注浆口数量 输送泵数量功率砂浆罐容量 搅拌器功率2St.30kw 4St.1St.11kw 6m3 11kw膨润土供给功率运输水平工作压力膨润土管路数量 膨润土罐容量30kw 30m3/h8bar 9St.4m3工业空气压缩机功率空气压力 压缩机水平 压缩空气罐2 X55kw 7.5bar 2X10m3/min 1m3土质改进用的泡

43、沫、水或膨润土注浆点数量/刀盘注浆点数量/土仓注浆点数量/螺旋输送机8St.4St.6St.泡沫生产泡沫喷枪数量泡沫储存罐泡沫剂注入泵运输量/tenside泡沫剂注入泵功率水泵运输量水泵功率4St. 1m3 5-300l/h 0.5kw 133l/min 11kw工业供水系统工地工业水供给管路断面最图允许水温盾壳区域抽水气动泵50m3h DN80 25C通风风管储存箱数量2St,每箱储存水平100m风管标称直径DN1000二次通风功率11kW量 数 口占 音 肖2St.管路断面 600mm供电初级电压10,000V二级电压380V驱动电压24/230V照明230V应急灯24V阀电压24V保护设

44、施电机IP55补偿装置cos 0,9变压器水平2,000kVA频率50Hz高压电缆长度200m高压电缆断面3X50mmZ10.2, 盾构施工主要配套设备配置说明盾构法施工除了正确选择适宜类型的盾构外,还需合理的配置工作水平与盾构匹配的辅 助施工设备,发挥整体效能,主要包括：轨道运输设备、垂直提升设备、砂浆搅拌设备、通 风设备、供电设备、供水系统等.10.2.1, 轨道运输设备盾构掘进时所需要的运输主要为磴土、管片、砂浆料及其它辅助材料,每循环掘进出磴 材料运输由1列车完成,每列车由1节交流变频机车、4节做车、1节砂浆车、2节管片车组 成.22盾构掘进每环出磴量： Qd1 L-6281,2 1,

45、5 56m344其中：一刀盘开挖直径,6,28m；L一管片宽度,1.2m ;松散系数,1.5.Q 56 q 一 q每下矿车谷重为： V矿车二一 一 14m,取18 m .44每循环注浆量为：Q注浆di2 d2 1.2 1.6 5.18m343块5t,四台矿车自坡度阻力系数取砂浆罐车容量为：Q罐Q注浆=6m 3一环管片为六块拼装,方案用两台管片车运送,每台管片车运输水平为：由此得出列车最大运输重量包括：两台管片车自重8t, 一台砂浆车自重 重40t,每环硝士重量 90t,合计143t.隧道最大坡度为：2.1%,列车受到最大阻力为坡度2.1%时,重载上坡,为：坡道阻力系数：0.21 kN/t,滚动

46、阻力系数0.08 kN/t,总阻力系数0.29 kN/t.列车总阻力：F=143t X0.29 kN/t = 41.47kN. 41 47米用一台变频机车牵引,机车的粘重为：G 28.33t9.8 0.18 0.3机车最大粘着系数为0.2,交直流变频机车牵引力的粘着系数按0.18考虑,机车实际重量应大于粘着重量,机车粘着重量取为35to列车制动距离已考虑机车和磴车都有制动机构,能够保证制动性能的可靠性.35t电瓶车 主要技术参数见表10-2-1.表10-2-135t电瓶车主要技术参数表工程技术参数工程技术参数机车型号JXK-35持续牵引力72 kN粘着重量35t持续速度10.5 km/h变频器

47、额定容量300 kVA最高速度30 km/h传动方式交流传动轨距900 mm电池容量600 AH最小曲线半径25 m额定功率220 kw外型尺寸6.6 X1.6 X2.4 m起动牵引力98 kN电瓶连续工作时间10h充电机的选择应根据机车电瓶容量确定,每台机车有3箱电瓶及3箱备用电瓶,4台机车共有12箱电瓶,电瓶充电时间为8小时,充电电流最大150A,因此需要充电机的数量为 9台,充电机规格为 KCA100A/300V.根据盾构供给商提供的盾构技术参数,平均掘进速度为40mm/min,那么一环的掘进时间 为30min,加上一环管片的安装时间45min,盾构正常掘进一环的时间为 75min,取正

48、常日掘进时间为20h,那么日掘进进度为L=20X60+75= 16环=19.2m,可满足工程施工总体进度要求.列车循环工作时间：装石查时间为掘进时间 30min,重载列车出洞15min,轻载列车进洞 10min,装卸材料时间为30min,合计列车循环工作时间为70min,列车循环时间与盾构掘进 循环时间匹配.10.2.2. 垂直提升设备隧道盾构掘进过程中,掘进的磴土、管片及材料供给从地面与隧道之间需要通过提升设 备进行垂直运输及装卸,考虑磴斗除提升要求外还需要进行翻转作业,因此垂直提升设备采 用专用门吊,同时具有磴斗翻转功能和小型材料起吊功能.材料提升运输时最大提升重量为 矿车做斗自重5t加平均每车做土重量：6.282 1.2 2.13 20t4 4总重量为25t,考虑门吊应具备安装盾构后配套拖车,后配套拖车重量最大为35t,所以门吊的最大提升水平选择为40%盾构循环掘进工作时间为75min,门吊每循环需要提升次数为：出磴 4次.初略取垂直提升高度H = 25 m平均提升和下降速度V提升=6.5 m/min、V下降=13