第14讲盾构机分类及选型-

1、机械工程学院机械工程学院1 12022-1-29第十四讲第十四讲大型施工机械大型施工机械盾构机部分盾构机部分 盾构机的分类及选型主讲：郭京波主讲：郭京波 教授教授机械工程学院机械工程学院2 22022-1-29 主要内容 1 盾构机分类 2 盾构机选型 3 盾构机选型举例机械工程学院机械工程学院3 32022-1-291 盾构机分类 (1) 按掘削地层分类 硬岩盾构（TBM） 软岩盾构 软土盾构 硬岩软土盾构双护盾双护盾TBMTBM机械工程学院机械工程学院4 42022-1-29软土盾构软土盾构复合盾构复合盾构机械工程学院机械工程学院5 52022-1-29(2) 按盾构机横截面形状分类n 半

2、圆形n 圆形n 椭圆形n 马蹄形n 双圆搭接形n 三圆搭接形 n 矩形机械工程学院机械工程学院6 62022-1-29机械工程学院机械工程学院7 72022-1-29(3) 按盾构机横截面的形状分类 超小型盾构 18m机械工程学院机械工程学院8 82022-1-29(4) 按掘削面的敞开程度分类n 全部敞开式：无盖敞开式、有盖敞开式n 部分敞开式：网格式 n 封闭式：中心支承式、中间支承式、周边支承式 机械工程学院机械工程学院9 92022-1-29(5)按掘土出土器械的机械化程度程度分类 n人工挖掘式 、半机械掘削式、机械掘削式手掘式盾构手掘式盾构 半机械式盾构半机械式盾构 网格式盾构网格式

3、盾构 机械工程学院机械工程学院10102022-1-29(6)按掘削面的加压平衡方式分类 n 外加支承式n 气压式n 泥水式n 土压式机械工程学院机械工程学院11112022-1-29(7)按刀盘运动形式分类 中 心 支 承 式 中 间 支 承 式 周 边 支 承 式 行 星 游 动 掘 削 式 扇 形 转 动 掘 削 式 矩 形 多 轴 摇 动 掘 削 式 圆 形 多 轴 摇 动 掘 削 式 其 它 断 面 形 状 多 轴 摇 动 掘 削 式 横 向 摆 动 掘 削 式 (矩 形 ) 纵 向 摆 动 掘 削 式 (矩 形 ) 圆 形 转 动 掘 削 式 转 动 掘 削 式 多 轴 摇 动 掘

4、 削 式 摆 动 掘 削 式 机械工程学院机械工程学院12122022-1-29(8)按盾构机特殊构造分类 n 中折盾构n 球体盾构n 异径母子盾构n 重心靠前盾构n 特殊构造的盾构n 现场换刀盾构n 可直接掘削前障碍物盾构n 机体可分可合盾构n 固体回收盾构n 倾斜中空轴全断面机内注浆盾构n 倾斜中空轴全断面机内注浆+活动前檐盾构 机械工程学院机械工程学院13132022-1-29(9)按盾构机的功能、用途分类 直 角 弯 隧 道 盾 构 偏 心 急 弯 曲 线 盾 构 大 坡 度 盾 构 C I D 工 法 M S D 工 法 侧 接 盾 构 站 盾 构 分 岔 盾 构 路 线 可 变 扭

5、 曲 盾 构 上 掘 盾 构 下 掘 盾 构 扩 掘 盾 构 变 径 盾 构 大 深 度 盾 构 长 距 离 盾 构 高 速 掘 进 盾 构 地 中 对 接 盾 构 竖 向 掘 削 盾 构 机械工程学院机械工程学院14142022-1-29(10)按盾构隧道衬砌施工方法分类 二 次 衬 砌 法 （ 管 片 为 一 次 衬 砌 ， 另 行 浇 注 二 次 衬 砌 ） 一 次 衬 砌 法 （ 仅 保 留 管 片 一 次 衬 砌 ， 略 去 二 次 衬 砌 ） 包 缠 保 护 膜 盾 构 工 法 （ 为 提 高 隧 道 衬 砌 的 止 水 性 和 耐 久 性 ， 在 盾 构 机 内 对 管 片 外侧

6、 进 行 包 缠 保 护 膜 施 工 ） 盾 尾 内 空 架 设 钢 筋 浇 注 混 凝 土 做 衬 法 (照 片6.1.12) PC-ECL工 法 边 掘 进 边 组 装 管 片 盾 构 工 法 衬砌施工方法不同 的 盾 构 方 法 现场浇注混凝土衬 砌 法 (ECL工 法 ) 施 工 方 法 不 同 的 盾 构 机械工程学院机械工程学院15152022-1-29(11)综合分类机械工程学院机械工程学院16162022-1-292 盾构机选型 盾构掘进机选型依据盾构掘进机选型依据 (1) 土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成分等个参数）(2) 开挖面稳定（自立性能）(3) 隧道埋深、地下水位

7、(4) 设计隧道的断面(5) 环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性）(6) 衬砌类型(7) 工期(8) 造价(9) 宜用的辅助工法(10) 设计路线、线形、坡度（11）电气等其他设备条件 机械工程学院机械工程学院17172022-1-29盾构掘进机选型的一般程序 机械工程学院机械工程学院18182022-1-29不同地质条件下全断面掘进机选型不同地质条件下全断面掘进机选型SlurryEPB粒径粒径分布曲线分布曲线400,006颗粒直径颗粒直径 d单位mm筛分通过率 d %00,0011030200,0020,020,060,2泥土粒径7060508090100600,62,06,0

8、60,020,010090807050403020100筛分粒径砂砂粉质土粉质土粘土粘土细中粗砾石砾石粗细中粗粗细中粗粗Foam机械工程学院机械工程学院19192022-1-29不同地质条件下全断面掘进机选型不同地质条件下全断面掘进机选型 泡沫 EPB盾构泥水盾构弃土容重弃土容重 粘土粘土粉土粉土粘稠度系数 IC柔软软硬0,25坚硬0,501,000,75EPB模式 EPB敞开模式添加剂防止堵塞添加剂增加塑性高渗透性砂砂砾石砾石渗透系数 k m/s很高渗透性一般渗透性10-210-310-410-5复合式盾构EPB + 添加剂高浓度膨润土工作舱内土体容重t/m1,401,051,502,002

9、,20机械工程学院机械工程学院20202022-1-29盾构掘进机选型的其他条件（1）工期条件的制约 （2）造价因素的制约 （3）环境因素的制约 （4）基地条件的制约（5）设计路线、平面竖向曲线形状的制约 机械工程学院机械工程学院21212022-1-29二号线穿越汉口和武昌，隧二号线穿越汉口和武昌，隧道穿越地质种类比较全面：道穿越地质种类比较全面：粘土、粉质粘土、粘土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉细砂、中粗砂、粉细砂、中粗砂、砂砂 岩、粉砂岩岩、粉砂岩、石英砂岩、炭质灰岩、石英砂岩、炭质灰岩、钙质泥岩、强风化泥岩、钙质泥岩、强风化泥岩、强风化含碳硅质页岩强风化含碳硅质页岩等。

10、等。3.武汉地铁的路线与地质武汉地铁的路线与地质3 盾构机选型举例机械工程学院机械工程学院22222022-1-29n 偏软地层导致的地表沉降n 由于硬质附着性粘土导致的刀盘与土仓的堵塞n 丰富的地下水与水压的问题n 软质风化岩砂岩泥岩半固结粘土淤泥的掘进n 膨胀性陈旧粘土导致的盾构机推力增加n 附着性粘土与基岩的掘进n 掘进途中的刀具更换3.2 3.2 本工程重点本工程重点/ /难点难点机械工程学院机械工程学院23232022-1-293.3 3.3 隧道管片参数隧道管片参数项 目参 数备注管片类型普通预制增强水泥管片安装衬砌，包括纵向封顶块 分块形式5 +1个封顶块 外径(O.D.)6.0

11、0 m内径(I.D.)5.40 m厚度300mm管片宽度1.5m单片管片最大重量约4t 机械工程学院机械工程学院24242022-1-293.3. 盾构机总体参数盾构机总体参数（方案）（方案）盾构机总体设计范围及主要尺寸盾构机总体设计范围及主要尺寸开挖直径开挖直径：6280 mm前护盾直径：前护盾直径：6250 mm主机长度：主机长度： 约约 9.0m（含刀盘）（含刀盘）总长度包括后配套：总长度包括后配套： 约约 82 m 总重量包括后配套：总重量包括后配套：420 t最小曲线半径：最小曲线半径： 250m盾构机总体设计范围盾构机总体设计范围最大掘进速率最大掘进速率 8 cm/min平均掘进速

12、率平均掘进速率 3.5 cm/min管片平均安装时间管片平均安装时间 30 min/环环管片宽度管片宽度 1500 mm根据上述计算每班次掘进速率根据上述计算每班次掘进速率 6环环 / 8 hours每日双班工作时掘进速率每日双班工作时掘进速率 12环环 / 16 hours机械工程学院机械工程学院25252022-1-293.3.主要机械性能（方案）主要机械性能（方案）刀盘驱动驱动形式电驱动 2级调速式 （装备动力：600kw）刀盘转速 高速转动 ： 2.0 rpm 低速转动 ： 1.0 rpm刀盘扭矩常用最大 ： 5,844 kN-m 高速转动：2,922 kN-m 脱困扭矩 7,000

13、kN-m盾构机千斤顶总推力38,500 kN单位面积推力：1,255 kN / 数量 1,750kN22根最大伸长速度 8.0 cm/min铰接装置总推力24,000 kN 数量 2,000kN12根铰接操作 全方向（上下、左右、倾斜方向）机械工程学院机械工程学院26262022-1-293.3.主要机械性能（方案）主要机械性能（方案）螺旋出渣机驱动驱动形式 液压驱动方式 （装备动力：110 kw）排土量 280 m3 / h （最大排出粒径：250mm500mmL）直径 700mm（带轴式螺旋机）转速 1.0 24 rpm 驱动扭矩 常用最大： 55.7 kN-m 脱困时最大：65,0 kN

14、-m 管片拼装装置形 式 型方式（管片拼装作业空间大） 操作方式 无线遥控操作 转动速度 高速：1.5rpm低速：0.3rpm两级调速 （高速低速无线遥控切换） 调 节 可实现微调、微动操作机械工程学院机械工程学院27272022-1-29防止粘土附着对策（）防止粘土附着对策（） 在刀盘进土口位置装备高压水喷射管机械工程学院机械工程学院28282022-1-29防止粘土附着对策（）防止粘土附着对策（） 扩大刀盘中央部分的开口，重视泥土从刀盘中心部进入土仓机械工程学院机械工程学院29292022-1-29防止粘土附着对策（）防止粘土附着对策（）在土仓内隔壁上装备前后滑动式固定搅拌翼，并可从其前端

15、添加泥浆在土仓内隔壁上装备前后滑动式固定搅拌翼，并可从其前端添加泥浆机械工程学院机械工程学院30302022-1-29防止粘土附着对策（）防止粘土附着对策（）装备在刀盘内侧可以覆盖整个区域的搅拌翼装备在刀盘内侧可以覆盖整个区域的搅拌翼机械工程学院机械工程学院31312022-1-29防止粘土附着对策（）防止粘土附着对策（）固定土仓隔壁中心部分，防止转动脚中心部分泥土堵塞固定土仓隔壁中心部分，防止转动脚中心部分泥土堵塞机械工程学院机械工程学院32322022-1-29泥浆注入口的配置泥浆注入口的配置 刀盘面板前面 ：3处 固定隔板一侧 ：4处 固定搅拌翼前端：1处 螺旋出渣机 ：3处 可选择泥浆

16、、泡沫和聚合物3种类型喷出口阀门构造照片机械工程学院机械工程学院33332022-1-29对应复合地层的刀具配置对应复合地层的刀具配置机械工程学院机械工程学院34342022-1-29复合地层的刀具装备与对策复合地层的刀具装备与对策 可更换滚刀与强化先行刮刀可更换滚刀与强化先行刮刀 如岩石强度在如岩石强度在30Mpa以下可使用强化先行刮刀进行掘进以下可使用强化先行刮刀进行掘进 如岩石强度为如岩石强度为30250Mpa则应适用滚刀进行掘进则应适用滚刀进行掘进机械工程学院机械工程学院35352022-1-29滚刀的形状与特点滚刀的形状与特点尺寸 ：17英寸 允许磨损量 ：20 mm允许负荷： 25

17、0 kN 允许线速度 ： 150 m / min材质 ：特殊工具钢转动力：70 Nm机械工程学院机械工程学院36362022-1-29刀盘耐磨损对策刀盘耐磨损对策刀盘外周堆焊钉状耐磨物外周进行硬化耐磨层堆焊耐磨板机械工程学院机械工程学院37372022-1-29刀盘驱动部土砂密封刀盘驱动部土砂密封特点土砂密封：3条唇形密封1段V型密封 ：3 段迷路密封：拉比利斯（迷宫）式检测 ：温度检测传感器供油脂 ：自动供脂其他 ：密封接触面采用硬质 材料机械工程学院机械工程学院38382022-1-29铰接构造铰接构造铰接装置总推力24,000 kN 数量 2,000kN12根 铰接方向全方向（上下、左右

18、、倾斜方向）机械工程学院机械工程学院39392022-1-29铰接密封铰接密封形式：型密封2 段、灰尘密封1 段耐压：1.0 Mpa润滑：自动供脂机械工程学院机械工程学院40402022-1-29盾尾密封盾尾密封形式： 3段金属刷浆液逆流 ：注浆液逆流防止板润 滑：盾尾油脂自动注入供脂位置 ：每列6处 （共计12处）耐水压 ： 0.4 Mpa机械工程学院机械工程学院41412022-1-29螺旋出渣机的特点螺旋出渣机的特点驱动方式液压驱动方式（装备动力：110 kw）出土量280 m3 / h（最大排出粒径：250mm500mmL）直径700mm（带轴式出渣机）转速 1.0 24 rpm 驱动扭矩 常用最大 ： 55.7 kN-m 脱困时最大：65,0