盾构技术系列专题讲座--刀盘和驱动

1、盾构技术系列专题讲座-刀盘和驱动一、基本概念及结构二、刀盘及驱动载荷分析三、设计实例米土压平衡盾构四、盾构发展趋势目 录通过土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。通过螺旋输送机排放渣土。土压平衡、土介质和设备的要求 1.1 土压平衡盾构机一、基本概念及结构一、基本概念及结构 1.2 泥水平衡盾构机通过泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的渣土以泥浆形式输送到地面，经过分离再循环至开挖面。一、基本概念及结构 1.2 泥水平衡盾构 泥水平衡盾构通过配置不同的刀盘类型，可以兼顾软土地层和复合地层隧道施工，主要应用在富水地层、透水系数高的砂、卵石层等。 一、基本概念及结构一

2、、基本概念及结构1.3 刀盘及刀盘驱动 是盾构机的核心和关键盾构机的适应性，很大程度上取决于刀盘和驱动的设计一、基本概念及结构1.3.1 刀盘形式及结构 一、基本概念及结构一、基本概念及结构一、基本概念及结构 驱动系统一、基本概念及结构一、基本概念及结构一、基本概念及结构主驱动-马达一、基本概念及结构主 轴 承一、基本概念及结构一、基本概念及结构一、基本概念及结构1.4 实际中，刀盘存在哪些问题呢？土仓中心泥饼面板泥饼泥饼一、基本概念及结构刀盘中心泥饼一、基本概念及结构严重的盘面泥饼一、基本概念及结构1.4.2 刀盘刀具失效刀盘断裂等一、基本概念及结构 1.4.3 刀盘刀具失效磨损、偏磨、断裂

3、一、基本概念及结构 1.4.3 刀盘刀具失效一、基本概念及结构轴承失效模式：破损或是滚道划出沟槽，疲劳点蚀磨损或是轴承保持架破损，滚子损坏，压坑/震蚀 1.4.3 刀盘刀具失效轴承一、基本概念及结构二、刀盘及驱动载荷分析2.1 刀盘设计解决的问题 刀盘主要具有开挖、稳定掌子面、搅拌碴土等三大功能。 刀盘结构形式有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。 泥水盾构采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。27 面板式刀盘与辐条式刀盘比较辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强；但由于不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层，宜采

4、用面板式刀盘。二、刀盘及驱动载荷分析28 软土型土压平衡盾构机 主要用于软土、砂土、杂填土、粘土、粉质粘土、砂质粘土、淤泥质粘土、粉土、交杂少量砾石等地层，如北京。 对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口进入土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，且压力降的大小受面板刀开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。二、刀盘及驱动载荷分析2.2 刀盘结构的设计（1）开口率 ：是刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值，刀盘切削 来的碴土通过刀盘的开口槽流往土仓。刀盘的开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。对于泥水

5、盾构，刀盘的开口率一般取1030；士压平衡盾构开口率范围较宽。对于高粘附性土质，宜加大开口率；刀盘开口位置应尽量靠近刀盘中心，以防止碴土在刀盘的中心部位流动不畅而形成泥饼。二、刀盘及驱动载荷分析（2） 泡沫管的布置 土压平衡盾构主要适用于粘稠土壤的施工，当含砂量超过某一限度时，泥土的塑流性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致碴土难以排送。此时可向土仓内注水或泡沫、膨润土等，然后进行强制搅拌，使流塑化。泡沫除具有改善井挖土体的塑流性外，还具有润滑刀盘、刀具、螺旋输送机，降低刀盘扭矩，保持开挖面稳定，提高开挖土体的止水性的作用。二、刀盘及驱动载荷分析刀盘倒角及边滚刀的布置 刀盘切削直径最

6、终由安装在刀盘外周上的刀具来实现。在软土地层掘进时，由周边刮刀实现；在硬岩地层掘进时，由边滚刀来实现。边滚刀的径向与刀盘的面板需成一定的角度，刀盘形状在边缘处需倾斜一定的角度，从而形成刀盘倒角。在刀盘切削过程中，由于边滚刀靠近刀盘的边缘，其旋转速度比靠近中心部位的滚刀要快，且切削岩层的直线距离较长，因此边滚刀的磨损量大于中心滚刀和正滚刀，在设计时应增加边滚刀的布置数量。（4）搅拌棒 在刀盘的背面设计搅拌棒，对于土压平衡盾构可通过搅拌改善土仓内切削土体的塑流性，对于泥水盾构，则可通过搅拌改善泥浆的均匀性。搅拌棒一般伸出刀盘后端面约700mm。（5）耐磨设计 通过采用适宜的材料与合理的工艺来提高

7、刀盘及刀具的耐磨性：二、刀盘及驱动载荷分析2.3 刀具种类及应用特点(1) 切刀(2) 滚刀 (3) 先行刀 (4) 中心（鱼尾）刀 (5) 超挖刀（或仿形）刀 二、刀盘及驱动载荷分析刀具布置 刀盘的结构既要考虑刀盘的开挖性能，又要考虑碴土的流动性及掌子面的稳定性。碴土的流动性取决于刀盘的开口槽与结构形状以及配置碴土改良材料的注人口及刀盘背面搅拌棒。刀盘开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好二、刀盘及驱动载荷分析二、刀盘及驱动载荷分析二、刀盘及驱动载荷分析2.4 刀盘上推力构成F =

8、A (F1 +F2 +F3 +F4 +Fs +F6) A一一安全系数; F1 一一盾壳摩擦系数; F2一一刀盘正面推进阻力; F3一一管片与盾尾的摩阻力; F4一一切口环贯人地层阻力; F5 一一变向阻力; F6 -后配套台车牵引阻力。2.5 刀盘扭矩计算原理T=T1+T2+T3+T4+T5+T6式中：T1土砂切削阻力的扭矩 （kN-m） T2刀盘前方的摩擦阻力的扭矩（kN-m）T3刀盘外围的摩擦阻力的扭矩（kN-m）T4刀盘搅拌的排出阻力的扭矩（kN-m）T5刀盘密封的摩擦的扭矩（kN-m）T6机械摩擦阻力的扭矩（kN-m）二、刀盘及驱动载荷分析装备旋转扭矩 （kN-m）式中：T0 装备旋转

9、扭矩Nm刀盘转动用马达台数， （台）Tm常用时刀盘旋转用马达扭矩， （N-m）i减速比二、刀盘及驱动载荷分析主驱动中，大小齿轮的强度的校核。接触强度和弯曲疲劳强度二、刀盘及驱动载荷分析 齿面接触疲劳强度计算2.6 直齿圆柱齿轮传动的强度计算1、原始计算公式二、刀盘及驱动载荷分析 强度条件设计公式 由两式可见：齿轮传动的接触疲劳强度取决于齿轮的直径（和中心距）。模数大小需由弯曲疲劳强度确定。3二、刀盘及驱动载荷分析 齿根弯曲疲劳强度计算 斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式为二、刀盘及驱动载荷分析 斜齿圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度得校核公式和设计公式：3 弹性系数ZE 节点区域系数ZH 二、刀

10、盘及驱动载荷分析三、设计实例-土压平衡盾构机3.1 选型 盾构类型与颗粒级配的关系 一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。 盾构类型与颗粒级配的关系图 卵石 砂砾 粗砂 细砂 淤泥 粘土 三、设计实例-土压平衡盾构机盾构类型与渗透性的关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。根据施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4

11、m/s时，宜选用泥水盾构 。三、设计实例-土压平衡盾构机盾构类型与渗透性的关系图三、设计实例-土压平衡盾构机14号线试验段地质断面图三、设计实例-土压平衡盾构机3.1 选型-地质分析北京地铁14号线试验段主要通过粉土、粉质粘土、粉细砂，隧道区间细颗粒较多，通过渣土改良系统，渣土可形成很好的流塑体，隧道上部为上层滞水，下部位潜水，隧道基本处于无水或少水状态，结合日立造船大盾构制造及使用经验，同时，考虑环境、使用采购成本等因素，北京地铁14号线试验段适合采用土压平衡盾构机。3.1 选型-地质分析三、设计实例-土压平衡盾构机3.2 刚度及强度分析三、设计实例-土压平衡盾构机 土压平衡盾构机特点刀盘设

12、计三、设计实例-土压平衡盾构机安装刀具，土体流动要求刀盘结构满足：刚度、强度要求。力学要求： 力平衡 FX=0, FY=0, FZ=F 力矩平衡 MX=0, MY=0, MZ=M,应力和应变图三、设计实例-土压平衡盾构机采用有限元分析方法，实现刀盘结构参数优化。三、设计实例-土压平衡盾构机 10.22m 土压平衡盾构机三、设计实例-土压平衡盾构机3.3 方案盾构机总体设计开挖直径： 10260 mm盾壳直径： 10220 mm最大掘进速度： 8.5 cm/min主机长度： 11.5 mm（含刀盘）总长度包括后配套： m 最小曲线半径： 250 m三、设计实例-土压平衡盾构机刀盘驱动驱动形式变频

13、电驱动 ，无级调速式装机功率： 18*90 = 1620kw 功率预留: 2*90=180kw刀盘转速高速转动：0.45 rpm 低速转动： rpm刀盘扭矩最大 ：34,344 KNm 高速转动：22,751 KNm 扭矩系数 三、设计实例-土压平衡盾构机盾构机千斤顶总推力 108,000 kN 单位面积推力 1317 kN / 数量 3,000 kN 36根最大伸长速度 8.5 cm/min铰接装置总推力84,000 kN 数量 3,000 kN28根铰接操作 上下、左右、倾斜方向三、设计实例-土压平衡盾构机螺旋出渣机驱动 驱动形式液压驱动方式 螺旋机形式 轴式 装备动力 90 kW3 排土

14、量 800 m3/h 直径 1200 mm 转速 0 15 rpm 驱动扭矩 230 kN-m三、设计实例-土压平衡盾构机管片拼装装置形式 型方式 操作方式无线遥控操作 转动速度高速： 低速：控制形式 无线遥控 + 线控 调节 可实现微调、微动操作三、设计实例-土压平衡盾构机双环+12辐条刀盘结构圆柱型辐条，利于渣土顺利进入土仓。刀盘采用辐条式，开口率达65%，可有效防止泥饼的形成。三、设计实例-土压平衡盾构机采用大尺寸耐磨刀具，增加刀具使用寿命。刮刀采用双刃结构，增强反向耐磨性。刀具易磨损处堆焊耐磨材料，保证刀体耐磨性。合理进行刀差设计，增强刀具整体耐磨性。三、设计实例-土压平衡盾构机刀盘辐

15、条表面、辐条间进土槽、刀盘支撑环、搅拌棒均进行耐磨堆焊处理。刀盘焊接周边刀及刀盘外周保护刀，增强刀盘外周耐磨性。刀盘辐条的合理位置布置6个添加剂注入口（与中心回转接头管路一一对应），满足渣土改良的需要。三、设计实例-土压平衡盾构机刀盘驱动刀盘采用变频电机驱动，驱动效率高。配置18台90kW变频电机，驱动扭矩可达34344kN-m（恒扭矩状态），并预留2台电机安装位置，便于功率扩展。采用直径为6m的三排圆柱滚子轴承，轴承使用寿命更长。三、设计实例-土压平衡盾构机主轴承采用4条唇型密封一道，3道V型密封，可承受静压，动压。采用浸脂式润滑，结构简单。刀盘支撑采用受力均匀的中间支撑。驱动扭腿所在环相对

16、刀盘中心旋转，可有效防止泥饼形成。三、设计实例-土压平衡盾构机铰接系统采用前置铰接，转弯更灵活。可实现8个方向转弯。可实现250m的曲线转弯半径。铰接系统推力大（总推力84000kN）。铰接密封采用一道防尘密封，两道V型密封，可承受水土压力。三、设计实例-土压平衡盾构机采用1200mm大内径螺旋输送机，可输出420mm或420mm 720mm的渣石。配置双闸门（前闸门及出土闸门）。具备伸缩功能。采用双前筒体结构对螺旋输送机叶片、内筒进行耐磨处理。预留螺旋出渣器接口。螺旋输送机三、设计实例-土压平衡盾构机其他特点配备单双液同步注浆系统，并具有自动清洗功能。同步注浆率在200%以上。人闸系统空气调节装置为全气动控制，避免电力伤害或无电动力时的操作局限性。配置大能力添加剂注入系统，可实现泡沫、膨润土、水等添加剂的单独注入与混合注入。三、设计实例-土压平衡盾构机刀盘中心处配置搅拌装置，加速土仓中心处土体的搅拌，改善土体流塑性，防止土仓中心形成泥饼。拼装机具有微调微动功能，实现高精度拼装。配置整圆器，提高管片拼装的合格率。管片输送系统采用上下双梁结构，无斜坡设计，更为安全可靠