盾构选型及参数计算方法x

1、盾构选型及参数计算方法 1.1、序言 盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备， 它具 有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排土、拼 装和推进等机械装置，进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推 进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。它具有开挖快、优质、安 全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤 泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的 4 10倍。较长地下工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大 影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安 全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。些外， 对修建

2、穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采用盾构法施工，也具有 十分明显的技术和经济优势 。 采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之 一，盾构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、 安全等综合考虑。盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、 工程、机械、电气及控制等方面。 1.2盾构机选型主要原则 1.2.1盾构的选型依据 盾构选型主要应考虑以下几个因素： 1） 工程地质、水文条件及施工场地大小。 2） 业主招标文件中的要求。 3）管片设计尺寸与分块角度。 4） 盾构的先进性、适应性与经济性。 5） 盾构机厂家的信誉与业绩。 6） 盾构机能否按期到达现场。 122盾构的

3、型式 1） 敞开式型盾构 敞开式型盾构是指盾构内施工人员可以直接和开挖面土层接触， 对开挖面工况进行观察，直接排除开挖面发生的故障。这种盾构适用 于能自立和较稳定的土层施工，对不稳定的土层一般要辅以气压或降 水，使土层保持稳定，以防止开挖面坍塌 。有人工开挖盾构、半机 械开挖盾构、机械开挖盾构。 2） 部分敞开式型盾构 部分敞开式型盾构是在盾构切口环在正面安装挤压胸板或网格 切削装置，支护开挖面土层，即形成挤压盾构或网格盾构，施工人员 可以直接观察开挖面土层工况，开挖土体通过网格孔或挤压胸板闸门 进入盾构。根据以往大量工程经验， 通常都将挤压胸板和网格切削装 置组合在一起安装在盾构上，形成网格

4、挤压盾构。这种盾构适用于不 能自立、流动性在的松软粘性土层、尤其是对隧道沿线地面变形无严 格 要求的工程。当盾构采用网格开挖时，应将安装在网格后面的挤 压胸板部分或大部分拆除，利用网格孔对土层的摩擦力或粘结力对开 挖面土层进行支护，当盾构向前推进时（一般是盾构穿越江湖、海底 或沼泽地区），应将挤压胸板装上，盾构向前推进时，可将土体全部 排挤在外面，不进入盾构；另外也可根据具体情况和盾构推力在大小 和方向控制要求，选择和操纵挤压闸门控制一定的进土量， 以使盾构 顺利掘进。 有时在网格装置和挤压板后面加装一道隔舱板形成一道泥土舱， 然后向泥土舱注水并与弃土搅拌形成泥浆，再通过管道将弃土泥浆排 往地

5、面，可进一步提高施工效率，改善隧道内施工环境。 3）封闭型盾构 封闭型是在盾构切口环和支承环之间增设一道密封隔舱板， 在开 挖面的土层和密封隔舱板之间形成密封泥土舱， 盾构施工时，通过对 密封泥土舱中的压力进行控制，使其与开挖面土层水、土压力保持平 衡，从而使开挖面土层保持稳定。施工人员不能直接观察开挖面土层 工况，而是通过各种检测传感装置进行显示自动控制。 封闭型盾构主 要有泥水加压式和土压平衡式两大类型。 （1）泥水加压盾构 在盾构内设一道密封隔舱板，在隔舱板与开挖面土层之间形成密 封泥水舱，在泥水舱内充以压力泥浆支护开挖面土层， 利用泥浆压力 平衡开挖面土层水、土压力，并在土的表面形成一

6、层不透水的泥膜， 同时泥浆中的细微粘粒在极短时间内渗入土层， 有利于增强土层自立 能力。由刀盘开挖下的泥土经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后， 形成浓 稠泥浆， 用管道排送到地面处理场，再通过分离处理排除土碴，余下 浆液经浓度、比重调整后又重新送入盾构循环使用。 泥水加压盾构适用于土层范围很广， 从软弱粘土、 砂土到砂砾都 可适用。对一些特定条件下的工程，如大量含水砂砾，无粘聚力、极 不稳定土层和覆土浅的工程，尤其是超大直径和对地表变形要求高的 工程都能显示其优越性。另外对有些场地较宽、有丰富水源和较好排 放条件或泥浆仅需作简单沉淀处理排放的工程， 这种方法可较大地降 低施工成本。 泥水加压盾构刀盘

7、，多使用面板式结构，进土槽口宽度应按土质 而定，一般槽口宽应小于排泥管口径， 以免大块石堵塞管道， 刀盘开 口率一般在8% 10%左右。 采用泥水加压盾构施工，不需辅以其它（气压、降水）工艺来稳 定开挖面土层，其施工质量好、效率高、安全可靠。然而它需要一套 技术较复杂的泥水分离处理设备，投资较高，占地面积大，尤其是在 城市施工困难较大。 （2） 土压平衡式盾构 在盾构密封泥土舱内利用开挖下的泥土直接支护开挖面土层， 既 具有泥土加压盾构的优点，又消除了复杂的泥水分离处理设施， 受到 工程界的普遍重视。土压平衡式盾构可根据不同的地质条件采取不同 的技术措施，设计成不同的类型，能适应从松软粘性土到

8、砂砾土层范 围各种土层内各种土层施工。 a）普通型的土压平衡式盾构 普通型的土压平衡式盾构适用于松软粘性土， 由刀盘切削下的泥 土进入泥土舱，再通过螺旋输送机向后排出。由于经过刀盘切削和扰 动，会增加泥土的塑流性，在受到刀盘切削和螺旋输送机传送后也会 变得更为松软，使泥土舱内的土压力能均匀传递。 通过调节螺旋输送 机转速或调节盾构推进速度，调节密封泥土舱内的土压力，并使其接 近开挖面静止土压，保持开挖面土层的稳定。 普通型土压平衡式盾构一般使用面板式刀盘，进土槽口宽在 200500伽左右， 刀盘开口率约为20%- 40%另外在螺旋输送机排 土口装有排土闸门，有利于控制泥土舱内土压和控制排土量。

9、 b）加泥型的土压平式衡盾构 当泥土含砂量超过一定限度时， 土和砂的流动性就差， 靠刀盘切 削扰动，难以使泥土达到足够的塑流状态，有时会压密固结，产生拱 效应。当地下水量丰富时，通过螺旋输送机的泥土，就不能起到止水 作用，无法进行施工。此时，应在普通型土压平衡式盾构基础上增加 特殊泥浆压注系统，即形成加泥型的土压式平衡盾构。对刀盘面板、 泥土舱和螺旋输送机注入特殊粘土泥浆材料，再通过刀盘开挖搅拌作 用，使之与开挖下来的泥土混合，使其转变为流动性好和不透水性泥 土，符合土压平衡式盾构施工要求，符合土压平衡式盾构施工要求。 为了降低刀盘传动功率和减小泥土移动阻力，加泥型土压平衡式盾构 刀盘为有幅条

10、的开放式结构，开口面积接近 100%并在刀盘背面安 装能伸出来若干能对土砂搅拌的叶片 ，以便对土砂进行强力搅拌， 使其变成具有塑流性和不透水性的泥土。另外， 要求注入浓度、粘 性更高的泥浆材料才能改变土砂的功能时， 往往难以用刀盘搅拌达到 目的，这将大大增加刀盘和螺旋输送机的机械负荷， 造成盾构施工困 难。此时应注入发泡剂代替泥浆材料，因为发泡剂材料比重小、搅拌 负荷轻，可使刀盘扭矩降低50噓右。盾构排出土砂中的泡沫会随时 时间自然消失，有时在泥土中加入消泡剂，可加速泡沫的消失，保 持良好的作业环境。 c）加水型土压平衡式盾构 在砂层、 砂砾层透水性较大的土层中， 还可以采用加水型土压平 衡盾

11、构。这种盾构是在普通型土压平衡式盾构基础上，在螺旋输送机 的排土口接上一个排土调整箱，在排土调整箱中注入压力水，并使其 与开挖面土层地下水压保持平衡。经过螺旋输送机将弃土排入调整箱 内与压力水混合后形成泥浆，再通过管道向地面排送。 开挖面的土压， 仍由密封的泥土舱内土压来平衡。 盾构掘进时，刀盘不停地对土层进 行开挖和搅拌，使密封的泥土舱内的土砂处于均匀状态， 土砂颗粒之 间的空隙被水填满， 减少了土砂颗粒之间有效应力，增加了流动性， 从而能顺畅地通过螺旋输送机送入排土调整箱。 在调整箱内通过搅拌 混合，向地面处理场排放。 加水型土压平衡盾构的泥水排放系统与泥水加压盾构相似， 但注 入的主要是

12、清水，无粘粒材料，无需对注入的水进行浓度、比重控制， 泥水分离处理设备和工艺也大为简化。这种盾构刀盘一般使用面板式 结构，进土槽口尺寸可根据土体中砾石最大尺寸来决定， 刀盘开口率 一般在 20%- 60%左右。 d）泥浆型土压平衡式盾构 这种盾构适用于土质松软、透水性、易于崩塌的积水砂砾层覆土 较浅、泥水易喷出地面和易产生地表变形的极差地层的施工。 这种盾 构具有土压平衡盾构和泥水加压盾构的纺织系统双重特征。 盾构掘进 时，应向盾构内注入高浓度泥浆，通过搅拌，使土砂混合成泥土，并 充满泥土舱，支护开挖面。由于从螺旋输送机的排土口装上一个旋转 排土器既可保持泥土舱内土压的稳定，又可不断地从压力区

13、无压区内 顺利排出。但从排土器排出的泥土呈泥浆状，不能用排送干土方式， 排送向地面，同时泥浆浓度较高，无法通过管道排出，从螺旋输送机 排出的泥土，是在泥浆槽中经水稀释后再以流体形式通过管道排往地 面。 这种泥浆型土压平衡盾构机的泥土舱的泥浆供入系统和排出系 统是两个回路，所以从泥浆排出系统操作所造成的压力波动，对泥土 舱内支护压力无大影响，使盾构操作控制更为简便。 这种泥浆型土压平衡盾构机通常采用面板结构，进土槽宽度可按 土层中最大砾石尺寸决定。刀盘开口率一般在 40%- 60注右。由于 泥浆型土压平衡盾构多用于巨砾土层，因此排土多采用带式螺旋输送 机，可比同样大小中心轴式螺旋输送机排出的石块

14、粒径大一倍左右。 (3) 复合型盾构(盾构掘进机) 采用盾构掘进长距离隧道，会遇到复杂多变的地质条件，往往用 一种类型的盾构难以完成施工任务，因此出现了复合型盾构。 所谓复合型盾构，就是在软土盾构的刀盘上安装切削岩层的各式 刀具，有的还在盾构内安装碎石机， 这种硬岩开挖工具与软土隧道盾 构机械相结合，能在硬岩和软土地层交替作业。复合型盾构刀盘上安 装的刀具，应根据不同岩层条件而定。 软土地层：主要采用割刀。安装在刀盘进土槽口两侧。 硬岩地层：主要采用盘式滚刀，对于更坚硬的地层，应安装牙轮 形和镶嵌碳化钨珠形的滚轮刀。 软硬混合交替夹层：应采用不同形式的刮刀取代滚刀，其开挖方 法是刮下块状石块，

15、使其对软塑土层更有效地进行开挖。 上述各种刀具，应能相互调换，以便随岩层的变化进行有效选择。 复合型盾构主要有以下三种类型： a） 泥水加压型复合盾构 以泥水加压盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，对大块卵石、 块石应在盾构内安装碎石机。当盾构地软土层施工时，可按封闭型泥 水加压盾构进行施工；当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的 硬岩切削刀具即能快速转换成敞开型机械盾构施工， 而碴土排送仍采 用水力管道排送。 b） 土压平衡型复合盾构 以土压平衡盾构为基础，与硬岩开挖技术相结合，当盾构在软土 层施工时，可按封闭型土压平衡盾构进行施工； 而当遇到 硬岩地层 施工时，在刀盘上安装不同刀具就能快速

16、转换成敞开型机械盾构施 工，为了排送尺寸较大的石块，可选用带式螺旋输送机。 c） 敞开型复合盾构 以普通机械开挖盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，施工时只 要根据遇到的不同土层条件，及时转换安装适当的刀具，就能使施工 继续进行。 由于盾构掘进机，适应性较广，主要以它为例。 1.3盾构掘进机的工况的转换 盾构掘进机具有土压平衡状态和非土压平衡状态两种工况， 能够 适应软、硬两种地层的施工。根据地质情况，能够实现两种工作状态 的互换。盾构掘进机从非平衡状态向土压平衡状态下的过渡： 根据地 质超前预报的信息，在前方遇到围岩不稳定的软土地带、 断层带及涌 水几率较高的地段时，及时关闭螺旋输送机的闸门，

17、在盾构掘进机的 密封隔板与开挖面形成的密封碴舱和螺旋输送机内充满刀盘切削下 来的碴土，在盾构掘进机推进油缸的推动作用下， 给泥土仓内的碴土 施加压力，通过控制出土量，保持泥土仓的土压力与开挖面的土压相 平衡，从而起到稳定开挖面地层，防止地表变形的作用，来实现从非 土压平衡状态向土压平衡状态的转换。 盾构掘进机从平衡状态向非土压平衡状态下的过渡： 在岩石稳定 性好的地段，盾构掘进机可以在非土压平衡下进行隧道施工， 不需要 维持泥土仓的压力来稳定开挖面， 可排空碴仓，此时因为碴仓内没有 土压力，盾构掘进机有较高的掘进速度并且易于操作。 1.4、盾构掘进机的功能描述 1.4.1、推进特点 1) 土压

18、平衡盾构的推进 盾构掘进机具有土压平衡功能，在通过地层断裂带及工作面不稳 定时，可以建立土压平衡，确保工程安全和工程质量； 土压平衡盾构适应在残积层、 全风化层、强风化层等软弱围岩中 进行掘进，根据碴土的塑性和流动性，在刀盘前和土仓内注入膨润土、 高浓度泥浆、发泡剂等，与刀盘切削下来的岩土在土仓内进行搅拌， 使其变为塑性的土体，通过控制掘进速度和调节螺旋机的转速两个方 面来控制出土量，以调整切削腔室的土压的稳定，达到保持开挖面的 稳定和控制地面沉降的目的，土仓内的土压力需在施工中根据地面的 沉降量不断修正，土压力过小会引起地表沉降，土压力过大会引起地 表隆起。 2）非土压平衡盾构的推进 当工作

19、面岩土稳定时，也可以加大排土量，排空泥土仓的土碴， 在泥土仓的压力处于不平衡状态下进行正常掘进。 非土压平衡盾构适应于在中风化层、微风化层等硬岩中进行掘 进，因岩石的稳定性好，尤其是微风化层天然单轴极限抗压强度最高 达44.645.8 MPa，盾构可以在非土压平衡状态下进行隧道施工，不 需要靠泥土仓的压力来稳定开挖面， 可将土仓内的碴土排空，用管片 衬砌背后及时注浆的方法来控制地面沉降。 盾构主要依靠盘形滚刀来 破碎岩石，滚刀在盾构掘进机的推进作用下压入岩体，碾碎岩石。滚 刀在刀盘上按螺旋线排列，使得在整个工作面上的岩石均被破碎。 在掘进的同时，注入泥浆及添加剂，一方面泥水可降低切割岩石 的摩

20、擦力，减小刀盘扭矩，同时也起到辅助破岩的作用。 当切削刀盘旋转开挖，盾构掘进机有一个自然趋势滚向相反的方 向，为确保盾构掘进机的稳定，在盾构掘进机的前部设有一对撑靴， 当在开挖较硬的地层而出现滚动时，将撑靴伸出，撑在隧道周边上， 它能抵抗这种滚动趋势。 3） 盾构掘进机在软、硬不均断面地层中的推进 盾构掘进机在穿越残积层、全风化层与微风化层的混合断面时， 盾构掘进机姿态可能会向软弱地层的方向偏移。 可以采取将偏移方向 的推进油缸的工作油压提高，同时降低相反方向推进油缸的工作油 压，使盾构的掘进机推进力形成纠偏力矩， 依此来调整盾构掘进机的 姿态。 4） 盾构掘进机穿越断层带的推进 比如，在广州

21、火车站至三元里站区间，走马岗断裂带在隧道底部 通过；在越秀公园附近有一广从断裂带，这些断裂破碎带富水性较好， 施工时可能出现涌水现象，在该段地层中，采用土压平衡工况掘进是 非常可靠的。 5） 盾构掘进机穿越火车站的推进 比如， 盾构掘进机在穿越广州火车站时， 为保障铁路不减速的运 行安全，主要应满足轨道的沉降要求。可以采取以下措施： a）在铁路两侧设沉降观测点，进行跟踪测量，及时通知开挖面 优化盾构掘进参数，切实保证开挖面的土压平衡，使土仓压力波动控 制在最小的幅度，尽可能减少盾构掘进机对周围土体的扰动。 b) 采用及时和二次注浆， 及时对管片衬砌盾尾间隙进行充填注 浆，10m后再进行补压浆。

22、 c) 在穿越铁路时，进行管片外23m的径向压力劈裂注浆；控 制地层沉降引起的轨道下沉，保证列车安全运行。 1.5.主要机构的功能描述 此次投标选用的是盾构掘进机，主要由盾壳、刀盘、推进系统、 螺旋输送机、盾尾密封、铰接装置、管片拼装机、撑靴、后配套设备 等机构组成。 1) 盾壳 盾壳是一个用厚钢板焊接的圆柱形筒体， 是盾构受力支撑的主体 结构。其作用： (1) 承受地下水、土压力，盾构千斤顶的推力及各种施工荷载； (2) 支承和安装各类机电设备及管片； (3) 保护操作人员的安全。 盾壳沿长度方向分切口环、支承环、盾尾三部分。盾尾后端安装 有盾尾密封。 2) 刀盘 刀盘用来开挖土体，同时具有

23、搅拌泥土的功能。刀盘是幅条式结 构，几十把盘形滚刀以螺旋线布置在幅条上，能够全断面的破碎围岩。 滚刀设计成背装式，实现在泥土仓内对损坏的滚刀进行更换， 消除了 在盾构掘进机刀盘前端维修保养刀具的危险。切割刀对称安装在幅条 的两侧，刀盘用螺栓、螺母固定，可以更换。 装在泥土仓内的压力传感器，可以使操作人员随时察看舱内的土 压力，以便及时并准确地调整开挖参数。 比如，广州地铁二号线越秀公园站三元里站盾构法施工地段既 有软土，又有硬岩，还有软土和硬岩的混合断面的地质特点，我们采 用盘形滚刀和割刀组合布置的刀盘。 这种方式的刀盘具有较强的地质 适应能力，割刀用以开挖砂土层、粘土和强风化岩层等软弱围岩，

24、盘 形滚刀则用来对较硬的中、微风化岩层进行全断面破碎开挖。 3） 刀盘驱动系统 刀盘驱动系统用以驱动刀盘旋转， 对土体进行挤压和切削。主要 由大轴承、大齿圈、密封圈、减速器及马达等组成。 刀盘用高强度螺栓与大齿圈连接，大齿圈即为大轴承的回转环， 马达带动减速器输出轴上的小齿轮， 小齿轮与大齿圈啮合，从而驱动 刀盘旋转。大轴承既承受刀盘的自重，又承受盾构掘进机的推进力， 是盾构掘进机的主要组成部件。为了获得最大的主轴承寿命，设置有 密封装置，密封由加压润滑油系统来润滑。 盾构掘进机在开挖软弱围岩时，采用高扭矩，低转速的工况；当 盾构切削硬岩时，增大流量，采用低扭矩、高转速的工况。 4） 铰接装置

25、 比如，广州地铁二号线越秀公园站三元里站盾构法施工地段的 线形条件：最小平面曲线半径为 350m最小竖曲线半径2000m为了 使盾构掘进机适应曲线段的推进，能够灵活转向，把盾掘进机设计成 铰接式，从而易于转弯，减小曲线超挖量；并能减少顶进时管片的偏 压，提高隧道施工质量，也易于对掘进方向随时进行修正。 铰接装置使盾构掘进机分成前后两段，两段之间通过铰接千斤顶 操作，可使盾构掘进机前后两段绕铰接中心沿圆弧面上下、 左右回转， 满足盾构掘进机顺利转弯和坡度的要求， 使盾构掘进机转弯方便，减 少曲线超挖量及对土体的扰动。 盾构掘进机铰接处设有机械限位，以保证盾构掘进机推进时前后 节绝对不会脱开，并保

26、证达到设计转角位移要求。 铰接装置设内外两 道密封，以防泥水进入。 5） 人行闸门 在盾构掘进机密圭寸隔板处设有一道人行闸门，闸门处有一气压 仓。在土压平衡工况下施工需要进入泥土密封仓内排除障碍或调换切 削刀具时，先将泥土仓内充以压缩空气，用以疏干并支护开挖面土体， 然后人员再通过气压仓的加、减压过渡而出入泥土仓。 6） 推进系统 盾构掘进机是通过沿支承环周边布置的盾构掘进机千斤顶支撑 在已安装好的管片衬砌上所产生的反作用力而前进的。 为了不使千斤 顶端部承受管片的集中荷载，造成偏心荷重，支座设计成铰接式，并 设置支板均匀地将力传递到管片的环面上。 把盾构千斤顶分成掘进机若干扇区，每个扇区由一

27、只电磁比例减 压阀控制， 用来调节各组扇区千斤顶的工作压力， 从而纠正或控制盾 构推进的方向，使符合设计轴线的要求。 7） 撑靴 撑靴的主要作用是防止盾构掘进机的滚动。 当切削刀盘旋转对硬 岩切削开挖时，机器有一个滚向相反的方向自然趋势， 尤其是在硬岩 地层中，盾壳构的外壳与洞壁之间的摩擦力较小，这种滚动更加明显， 在盾构掘进机前部设有一对撑靴，可能出现较大滚动时，将撑靴伸出， 撑在隧道壁上，它能产生抵抗这种滚动的反力矩。 撑靴主要是由支撑 靴板、支撑油缸和支撑座组成。不需要时，可以收回撑靴。 8） 泥浆及添加剂的注入机构 为了改善开挖下来的碴土的塑性化流动， 注入设备必须将足够数 量的泥浆及

28、添加剂注到适当的位置。泥浆及添加剂的注入机构主要由 搅拌土箱、压注泵组、输送管路、注入口组成。 穿越软土时，在泥土仓内加注泥浆或发泡剂等添加剂， 可以改善 碴土的和易性，确保螺旋输送机的出土顺畅，有效地调节土仓内的压 力。 当盾构掘进机穿越较硬的岩层时，泥水可降低刀盘面板与岩土摩 擦力，减小刀盘扭矩，同时起到冷却滚刀，延长刀头的寿命和辅助破 岩的作用。 9） 螺旋输送机 螺旋输送机的主要功能是：一是排土；二是通过调节转速控制出 土量，保持密封仓内土压稳定；三是螺旋输送机为密闭式的输送装置， 可防止水渗漏到盾构内。 螺旋输送机由螺旋叶片、外壳、排土闸门等部件组成。螺旋输送 机变速可逆转。泥土入口

29、端装在盾构泥土舱底部，穿过密圭寸隔板固定， 倾斜安装。螺旋输送机出碴口安装滑动式闸门，用以防水。 螺旋输送机为可伸缩式，当在土压平衡状态时，泥土具有可塑性， 螺旋输送机的叶片和集料斗缩回，泥土可顺利排出；在非土压平衡状 态时为便于集料，螺旋输送机叶片和集料斗向前伸出。 由于螺旋输送机能排出岩碴的最大粒径是有限的， 为防止螺旋输 送机被卡死，采用二次破碎的方式，对进入泥土舱内大的石块进行破 碎，以适应裂隙发育的硬岩地层。 10） 密封盾尾 密封盾尾，用以防止地层中的泥土、泥水、地下水和衬砌外围注 浆材料从盾尾的间隙中漏入盾构。由三道钢丝刷和一道弹簧钢板组 成。在每两道密封之间注入密封材料、油脂等

30、，作为防高压水措施， 以提高密封效果，并可减少钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的磨 擦，延长密封件的寿命。 11） 背衬充填与注浆系统 采用盾构法施工的隧道，是沿着盾构掘进机的外壳进行开挖的， 而作为衬砌的管片则是在盾尾组装起来的，所以当盾构掘进机推进 时，围岩与管片间由于盾尾的抽脱及超挖等原因就形成了空隙， 这一 空隙如不加处理地搁置，不可避免的上面的围岩要向下沉降， 其结果 是发生波及地表的地面沉陷，严重的会危及地表建筑物的安全，因此, 及时地进行背衬充填与注浆可以起到压实松动的围岩 ，以防地表沉陷，提高隧道防水性，防止管片漏水，将管片与围岩一体化，确保管 片衬砌的稳定。 12) 管片拼装

31、机构 拼装机的功能是安全且迅速地把管片组装成所定形式， 它具有伸 缩臂、夹具前后移动以及臂回转的功能。 拼装机回转由马达驱动；管片的轴向平移和封顶块的轴向移动， 由平移千斤顶操作夹持器来完成；管片的提升由液压油泵操纵。这些 液压缸和马达由一个独立的液压泵站供油， 简化了管线布置，避免了 管线的机械运动。 由于管片的自重造成管片安装位置不准确， 严重影响下一环管片 的安装和管片环的受力状态，为此，在组装管片时，可用真圆度保持 器对管片进行位置矫正，保持管片的真圆度。真圆度保持器具有前后 移动和径向顶压的功能。 1.6、盾构机的主要性能 用于西班牙马德里工程的盾构机 地质：石灰石、泥灰岩、粘土 ；

32、刀盘切削直径 6140mm ; 抗压强度 3501050Kg/cmf (35MPar 105MPa ; 刀盘扭矩：154 t m; 推力：584t。 用于美国尤克利得隧道工程的盾构机 地质：页岩、粘土 ； 刀盘切削直径： 5970mm;抗压强度：141Kg/c (14.1MPa); 刀盘扭矩：111 t - m; 推力：2268t 用于新加坡隧道工程的盾构掘进机 地质：砂岩、泥岩、粘土、冲积土 ； 刀盘直径： 6550mm 刀盘功率：945Kw;掘进速度1883m/周 用于英格兰某工程的盾构掘进机 地质：砂岩、石灰石、淤泥、粘土 ； 刀盘直径： 7350mm;掘进速度：7.537.5m/周 1

33、.7方案实例 针对工程标段的地质条件、线路条件、周边环境以及施工、工期 要求，我们先后同罗宾斯、川崎、海瑞克、小松等盾构生产厂家进行 多次技术交谈，他们所提供的设备方案，都选用了复合式盾构掘进机, 其结构特点如表3-4所示。 盾构掘进机结构特点比较表3-4 项目 罗宾斯 川崎 小松 海瑞克 适应的 地质条 件 砂土、泥土、软岩、强、中、 微风化岩，岩石抗压强度 208 OMPa 同左。岩石抗压强度 57 MPa 同左。岩石抗压强度 3 460MPa 砂土、泥土、软岩、强、中、 微风化岩， 刀盘与 切削原 理 采用混合型刀盘，其上安装了 用于岩石切割的盘型滚刀和用 于软土开挖的切刀，其中 17

34、吋 的盘型滚刀37 个，切刀与边刀 共 84 把。当开挖面处于岩层时， 盾构以敞口开挖方式进行切削 推进。当开挖面处于软土和不 稳定地层时，则以保持开挖面 稳定的土压平衡方式进行切削 开挖。 混合型刀盘，其上安装 了 17 吋的正滚刀 35 把， 15.5 吋的中心刀、边刀、 超挖刀各 2 把，切刀 48 把，切削原理同左。 混合型刀盘，其上安装了 17吋的单刃盘刀 25把， 双刃盘刀 8把，切刀 140 把，边刀 17 把，切削原 理同左。 混合型刀盘，其上安装了 1 7吋的双刃盘刀 21把，切 刀64 把，边刀 8 把，超挖 刀 1把，切削原理同左。 螺旋输 送机 螺旋输送机为中心轴式，进

35、口 端位于泥土舱的底部，以利于 排空土舱内的土碴。最大通过 粒径为 300mm 螺旋输送机为中心轴 式，进口端不在底部， 当进行敞口开挖岩层 时，螺旋机和导料板即 可伸入泥土舱内，有利 于岩碴的输岀，并由螺 旋机的中段岀料口岀 碴。当处于软土和不稳 定地层时，螺旋机又缩 回原位，以利于泥土舱 内水、土压力的控制， 最大粒径 250300mm 螺旋机为带状式，其结构 较小，最大排岀粒径可达 450mm 进口端位于泥土 舱的底部，以利于排空舱 内的土碴。 螺旋输送机为中心轴式，螺 杆可伸缩， 当处于岩层时， 螺杆伸入泥土舱内的底部， 有利于岩碴的排岀，有利于 两种不同切削过程的转换。 最大排出粒径

36、为 250mm 主要性 能参数 刀盘切肖憧径 6200mm 刀盘最大 转速 3rpm，刀盘扭矩（功率）5 850KNm（ 900KW 总推力 3300T 刀盘切肖 U 直径 6200mm 刀盘最大转速 3rpm，刀 盘扭矩（功率）5732KNm （900KW，总推力 3234 T 刀盘最大转速 3.8rpm，刀 盘扭矩 4876KNm 功率（9 00KV）总推力 3600T 刀盘切削直径 6320mm 刀 盘最大转速 6rpm，刀盘扭矩 （功率）4860KNm（ 945KV） 总推力 3058T 从盾构掘进机的使用实例，对比各盾构掘进机生产厂家提供的方 案，综合我们自己进行的盾构性能对比和盾构

37、掘进机参数的计算， 选 取具有复合式性能的盾构掘进机，完全可以达到业主要求的沉降指 标、工期要求，确保施工安全。盾构掘进机方案如图所示。 1.7.1盾构机直径的确定(计算盾尾间隙) 盾尾间隙的计算(如右图) D管片外径D=6000mrp L 盾尾端至第一环管片前端的距离 L=1850mm Ro隧道曲线半径 Ro =350m; R隧道管片内侧曲线半径， R= Ro D/2=347m 盾尾端部至第一环长度L;管片前端对应的圆心角 =sin-1 (L/R) = sin-1 (1.85/347 ) =0.3050 b第一环管片前端相对于盾尾端部的移出量； b=R (1 cos ) =347X( 1 c

38、os0.3050 ) =0.005m=5mm b=5mn是曲线半径350m时，管片在盾尾内的最小极限间隙值， 考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等，通常要在 这一极限间隙量上增加相应的富裕值，按照各国常用的盾尾间隙计算 公式及盾构机外径对应的常用富裕值 (K=30mm,需要的盾尾间隙为： C=(b + K) /2= (5+30) /2=18mm 选取盾尾间隙x =25mm因为C=25mm18mmfe曲线半径为350m 时，是完全能满足施工要求的。 2)盾构机直径D的确定 D二 d+ 2 (x +1) d衬砌管片外径；x 盾尾间隙，x =25mm t 盾尾外壳钢板 厚度选取t= 4

39、5mm 因此盾构掘进机的直径为： D=600(+ 2 (25+ 45) =6140mm 1.7.2盾构机长度的确定(计算最小转弯半径的超挖量) 由于盾构掘进机的最小转弯半径为 350m所以在盾构掘进机的 方案结构长度决定后，需计算盾构掘进机较长的那段在最小转弯半径 处的扩挖量，以确定盾构掘进机能否顺利通过最小曲线段。 1) 扩挖量的计算(如下图) 图中：La盾构掘进机前端到铰接中心的长度， La =4650mm Lb盾构掘进机后体长，Lb=3400mm Rs盾构掘进机内曲线半径， Rs =346.9m 计算条件： 每一开挖循环盾构掘进机体的转弯角度，取 St=10 线路曲线半径，R0=350m

40、 A、B C三点的坐标计算 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 理论计算表明：在半径为350m的曲线段上推进，当盾构掘进机 前体长度为4.6m，每次推进偏转10时，扩挖量为3.74mm即可以满 足要求。但是，在实际施工中，考虑施工、盾构掘进机本身的误差等， 实际的扩挖量远比理论计算值要大， 参考有关的资料，取盾构掘进机 的最大超挖值为：0C=100mm 1.7.3盾构掘进机计算依据和计算内容 1)计算依据盾构掘进机选型主要性能参数的计算根据业主所提供的地铁的 工程和水文地质情况，参考有关资料进行。 2）计算内容 盾构掘进机的主要参数计算包括硬岩和软岩两种情况进行。 1.7.4硬岩中推进时盾构掘进机推力和扭矩的计

42、算 1） 地质参数按照微风化岩层选取。 岩石的抗压强度 Ry: Ry=56.6MPa=566kg/cm2 盘型滚刀的参数： 盘型滚刀的直径：d=1080px, R=540px ; 盘型滚刀刃角a =60 刀具每转切深：h=25px; 盘型滚刀刀间距：Bm=2htg /2 ; 刀盘直径：D=6.18m 式中：h为刀具每转的切深； 为岩石的自然破碎角，查表选取 =150 Bm=2htg /2=2 x 1tg1500/2=186.5px 疋 187.5px 2） 在硬岩中盾构掘进机推力计算 （1）硬岩中盾构掘进时刀盘的滚压推力 a）每个盘型滚刀的推力F力 根据力平衡原理和能量守恒原理计算刀盘的滚压推

43、力，每个滚刀 的滚压推力F力为:- x x x (J1 4 力3 41、 为 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：岩石的自然破碎角； h刀具每转切深，单位为厘米； R盘型滚刀的半径， 单位为厘米； Ry 岩石的抗压强度，单位为 MPa。 kd 岩石的滚压系数，其与岩石性质有关，查表取 kd=0.55 ； ri 为盘型滚刀的刃角半径，单位为厘米； 0 i 为盘型滚刀的半刃角； 为岩石的自然破碎角，查表选取 =1500 b）盘刀的滚动力F 7応一 式中：E与被滚

44、压岩石自由面条件和形状有关的换算系数， E =0.8 ; m刀盘上安装的盘型滚刀数量， P力二F力 F =-x0.8x J- X18.6 4 W2x2L6-l c) 滚刀数量的计算 m=D/ (2X Bn) =6.14/ (2X 0.075) =40.9 因此刀盘上安装的盘型滚刀数量取为： m=41 根据经验公式m=7D d) 刀盘的滚压推力F推： F推二mF力 =41 X 18.6 =762.6t (2) 盾构主机外壳与泥土之间的摩擦阻力 F1 式中:u 土与钢之间的摩擦系数，u=0.3 ; L盾构掘进机长度，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) 盾尾与管片之间的摩擦阻力 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为 两环管片的重量，Wc=40) 卩c管片与盾尾之间的摩擦系数口 c=0.3 (4) 后续设备所需的牵引力F5 F5=(1 qGF1=g (5) 硬岩中盾构掘进所需的总推力 F 总二 F 推 + F1 + F4 + F5 3）硬岩掘进时所需的刀盘扭矩 T: a） 刀盘滚动阻力矩计算T1 可=FR 阿 41 丁、=L73xO.O75ym. 辺 =114.4t.in| 式中： Bm滚刀间

46、距，Bm =187.5px; F盘刀滚动力；由前面的计算，F=1.73t 式中：Bm滚刀间距，Bm =187.5px； F盘刀滚动力；由前面的计算，F=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刀盘系数，卩1=0.618 ; c） 克服刀盘自重所需要的扭矩 T3: T3=W1 1.R =50X 0.618 X 3.09 =95.5t.m 式中：W1刀盘自重，W仁50t d） 硬岩掘进所需要的力矩T总： T 总二 T1

47、+T2+ T3 = 114.4 + 1.1 + 95.5 =211t.m e） 盾构掘进机在硬岩中推进时所需要的推力和扭矩 F 总=762.6t T 总=211t.m 取 F 总=763t ； T总=211t.m 1.7.5软土中的推力和扭矩计算 通常，盾构在硬岩中掘进时的刀盘扭矩小于在软土的扭矩, 盾构在软土中推进时的扭矩进行计算。 1）地质参数选取： 岩土容重丫 =1.99t/m3 ; 岩土内摩擦角 =19.50 ; 土的粘结力 C=49Kpa=4.9t/m2 ; 覆盖层厚度：Hmax=26m Hmin=8m 地面上置荷载P0=2t/ m2 ; 水平侧压力系数入=0.49 ; 盾构掘进机外

48、径D=6.14m; 盾构掘进机总长L=8.05m ; 只对 盾构掘进机总重W=250t（假定）； 管片每环的重量 Wg=20； 水平与垂直土压之比 K0=1 2) 土压力计算 按照常规算法，盾构的外部荷载将分别按照最大覆土厚度处的松 动土压力和两倍盾构直径的全土柱高计算所产生的土压力， 中的最大值作为盾构计算的外部荷载。即 P外=maxps a) 松动土压力计算： (a) 松动高度计算： 15 篷( 2 ” KflPFF =7, 9m (b) 松动土压PS Ps= Y h0 =1.99 x 7.9 =15.72t/m2 并取两者 pq . 寻) S1 ) + b) 两倍盾构机直径的全土柱土压力

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计算。 c) 盾构受土压力的计算 (a) 盾构上部土压力 P0 = Pq +2 =24.4+2 0=26.4 t/m2 (b) 盾构底部土压力 P01= PO+W/(D L) =26.4+250/ / 6.14 x 8.05 ) =31.5 t/m2 / c )盾构顶部侧压力 P1 二P0 入 =31.5 x 0.49 =15.4t/m2 / d)盾构底部侧压力 P2 = / P0+Y D 入 =(26.4+1.99 X 6.14 )

50、 X 0.49 =18.9t/m2 3) 盾构机的推力计算： 盾构掘进机的推力由盾构掘进机的外壳与土体之间的摩擦阻力、 刀盘承受的主动水平压力引起的推力、土的粘结力引起的刀盘推力、 盾尾与管片之间的摩擦阻力几部分组成。 (a) 盾构外掘进机外壳与土体之间的摩擦阻力 F1: F1 = 1/4 X( P0+ P01+ P1+ P2) . n DLu 式中:u 土与钢之间的摩擦系数，u=0.3 ; L盾构机长度，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) 刀盘水平压力引起的推力F2: 水

51、平主动土压力Pd HO二hO+R = 12.28 + 3.07 =15.4m 水平主动土压力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) 土的粘结力引起的刀盘推力 F3 F3 = n /4 ( D2C =n /4 X( 6.182 X 4.9 ) = 147.0t (d) 盾尾与管片之间的摩擦阻力 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为 两环管片的重量，Wc=40) 卩c管片与盾尾之间的摩擦系数口 c=0.3 (e) 后续设备所需的牵引力F5 F5= ii qG (f )盾构机掘进需要的总推力F F= F1 + F2+ F3+ F4+ F5 = 1254.3 + 462.0 + 147.0 + 12.0 = 1875.3t (4) 曲线段推力计算 在曲线段推进时，盾构机的推力为正常推进时的 150%因此， 盾构掘进机实际应备的推力为： F 推=1.5F = 1.5 X 1875.3 =2813.0t 取F推为2813.0 t 4) 软土推进时盾构掘进机扭矩计算 盾构掘进机在软土中推进时的扭矩包含切削扭

53、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、刀盘开口的剪切力 矩、土压腔内的搅动力矩。 (1) 切削土体的扭矩Ti 计算参数： 推进速度v: 般情况下v=1.8m/h，Vma=3m/h;刀盘转速n: n=1rpm 刀盘每转切深 h: h=v/n=75px ， hmax= Vmax /n=125px ; 土的抗压强度qu : q u =12.2t/m 2 刀盘直径：Dd =6.18m，半径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) 刀盘自重产生的旋转反力矩 T2： T2=G. R1 .u g 式中：G刀盘自重，假定 G=50t; R滚动接触半径，R=2.05 ; Ug滚动摩擦系数，Ug =0.004 ; T2 =50 X 2.05 X 0.004 =0.4t.m (3) 刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩 Ta 推力荷载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刀盘开口率，a =0.65; d2刀盘支撑梁外径，d2=4.8m di刀盘支撑梁内径，di

55、=3.84m T3 = Pt Ri g, g =330.2 X 2.05 X 0.004 =2.7t.m (4) 密封装置摩擦力矩T4 2 2 =2XnX 0.2 X 0.i5 X( 3X i.84 + 3X 2.26 ) =4.8t .m 式中：Um密封与钢之间的摩擦系数，um=0.2 Fm密圭寸的推力，Fm =0.i5t/m 2;密圭寸数ni= n 2=3, R mi、R m2密封的安装半径，R m=i.84m, R m2=2.26m T4=2 n UmFm (ni Rmi + n2Rni ) (5) 刀盘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土层和刀盘之间的摩擦系数，Up =0.15; a 刀盘开口率，a =0.65 Pd刀盘中心的土压力，由前面的计算， Pd =15.3t/m 2 (6) 刀盘圆周的摩擦反力矩忑 刀盘圆周土压力PZ Pz = ( R + P0i + R + P2) /4 =(26.4 + 31.5 + 22.7 + 27.8 ) /4 2 =27.1t/m 式中：D盾构机直径，D=6.18m Lk刀盘宽度，Lk =0.45 2 T6=2 n LkRd PZUp (7) 刀盘背面的摩擦力矩T7 刀盘背面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生， 假

57、定土腔室内的 土压力为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) 刀盘开口槽的剪切力矩T8 土的抗剪应力G,在切割腔内，由于碴土含有水，取C=1.0t/m 2, 内摩擦角取为 =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) 刀盘土腔室内的搅动力矩 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刀盘支撑梁的内径，r 1= di/2=1.92m ; r 2刀盘支撑梁的外径， 2= d 2/2=2.4m ；