盾構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算方法

1、盾構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算方法盾構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算方法1.1、序言盾構(gòu)是一種專門用于隧道工程的大型高科技綜合施工設(shè)備，它具有一個(gè)可以移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)外殼（盾殼），盾構(gòu)內(nèi)裝有開挖、排土、拼 裝和推進(jìn)等機(jī)械裝置，進(jìn)行土層開挖、碴土排運(yùn)、襯砌拼裝和盾構(gòu)推 進(jìn)等系列操作，使隧道結(jié)構(gòu)施工一次完成。它具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安 全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，從松散軟土、淤 泥到硬巖都可應(yīng)用，在相同條件下，其掘進(jìn)速度為常規(guī)鉆爆法的410倍。較長(zhǎng)地下工程的工期對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境等方面有著重大 影響，而且隧道工程掘進(jìn)工作面又常常受到很多限制，面對(duì)進(jìn)度、安全、環(huán)保、效益等這些問(wèn)題，使用盾構(gòu)機(jī)無(wú)疑是最好的選擇。些外，

2、 對(duì)修建穿越江、湖、海底和沼澤地域隧道，采用盾構(gòu)法施工，也具有 十分明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì) 。采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)的選型及配置是隧道施工中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之 一，盾構(gòu)選型應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)水文情況、工期、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)、 安全等綜合考慮。盾構(gòu)的選型及配置是一種綜合性技術(shù)，涉及地質(zhì)、 工程、機(jī)械、電氣及控制等方面。1.2盾構(gòu)機(jī)選型主要原則盾構(gòu)的選型依據(jù)盾構(gòu)選型主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：1）工程地質(zhì)、水文條件及施工場(chǎng)地大小。2）業(yè)主招標(biāo)文件中的要求。3）管片設(shè)計(jì)尺寸與分塊角度。4）盾構(gòu)的先進(jìn)性、適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性。5）盾構(gòu)機(jī)廠家的信譽(yù)與業(yè)績(jī)。6）盾構(gòu)機(jī)能否按期到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。122盾構(gòu)的型式1）敞開式型盾構(gòu)敞開式型盾構(gòu)是

3、指盾構(gòu)內(nèi)施工人員可以直接和開挖面土層接觸， 對(duì)開挖面工況進(jìn)行觀察，直接排除開挖面發(fā)生的故障。這種盾構(gòu)適用 于能自立和較穩(wěn)定的土層施工，對(duì)不穩(wěn)定的土層一般要輔以氣壓或降 水，使土層保持穩(wěn)定，以防止開挖面坍塌。有人工開挖盾構(gòu)、半機(jī)械開挖盾構(gòu)、機(jī)械開挖盾構(gòu)。2）部分敞開式型盾構(gòu)部分敞開式型盾構(gòu)是在盾構(gòu)切口環(huán)在正面安裝擠壓胸板或網(wǎng)格切削裝置，支護(hù)開挖面土層，即形成擠壓盾構(gòu)或網(wǎng)格盾構(gòu)，施工人員 可以直接觀察開挖面土層工況，開挖土體通過(guò)網(wǎng)格孔或擠壓胸板閘門 進(jìn)入盾構(gòu)。根據(jù)以往大量工程經(jīng)驗(yàn)，通常都將擠壓胸板和網(wǎng)格切削裝 置組合在一起安裝在盾構(gòu)上，形成網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)。這種盾構(gòu)適用于不 能自立、流動(dòng)性在的松軟粘性

4、土層、尤其是對(duì)隧道沿線地面變形無(wú)嚴(yán) 格 要求的工程。當(dāng)盾構(gòu)采用網(wǎng)格開挖時(shí)，應(yīng)將安裝在網(wǎng)格后面的擠 壓胸板部分或大部分拆除，利用網(wǎng)格孔對(duì)土層的摩擦力或粘結(jié)力對(duì)開 挖面土層進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)（一般是盾構(gòu)穿越江湖、海底 或沼澤地區(qū)），應(yīng)將擠壓胸板裝上，盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)，可將土體全部 排擠在外面，不進(jìn)入盾構(gòu)；另外也可根據(jù)具體情況和盾構(gòu)推力在大小 和方向控制要求，選擇和操縱擠壓閘門控制一定的進(jìn)土量， 以使盾構(gòu) 順利掘進(jìn)。有時(shí)在網(wǎng)格裝置和擠壓板后面加裝一道隔艙板形成一道泥土艙， 然后向泥土艙注水并與棄土攪拌形成泥漿，再通過(guò)管道將棄土泥漿排 往地面，可進(jìn)一步提高施工效率，改善隧道內(nèi)施工環(huán)境。3）封閉型

5、盾構(gòu)封閉型是在盾構(gòu)切口環(huán)和支承環(huán)之間增設(shè)一道密封隔艙板，在開挖面的土層和密封隔艙板之間形成密封泥土艙， 盾構(gòu)施工時(shí)，通過(guò)對(duì) 密封泥土艙中的壓力進(jìn)行控制，使其與開挖面土層水、土壓力保持平 衡，從而使開挖面土層保持穩(wěn)定。施工人員不能直接觀察開挖面土層 工況，而是通過(guò)各種檢測(cè)傳感裝置進(jìn)行顯示自動(dòng)控制。 封閉型盾構(gòu)主 要有泥水加壓式和土壓平衡式兩大類型。（1）泥水加壓盾構(gòu)在盾構(gòu)內(nèi)設(shè)一道密封隔艙板，在隔艙板與開挖面土層之間形成密 封泥水艙，在泥水艙內(nèi)充以壓力泥漿支護(hù)開挖面土層， 利用泥漿壓力 平衡開挖面土層水、土壓力，并在土的表面形成一層不透水的泥膜， 同時(shí)泥漿中的細(xì)微粘粒在極短時(shí)間內(nèi)滲入土層， 有利于

6、增強(qiáng)土層自立 能力。由刀盤開挖下的泥土經(jīng)刀盤切削攪拌和攪拌機(jī)攪拌后，形成濃稠泥漿，用管道排送到地面處理場(chǎng)，再通過(guò)分離處理排除土碴，余下 漿液經(jīng)濃度、比重調(diào)整后又重新送入盾構(gòu)循環(huán)使用。泥水加壓盾構(gòu)適用于土層范圍很廣，從軟弱粘土、砂土到砂礫都 可適用。對(duì)一些特定條件下的工程，如大量含水砂礫，無(wú)粘聚力、極 不穩(wěn)定土層和覆土淺的工程，尤其是超大直徑和對(duì)地表變形要求高的 工程都能顯示其優(yōu)越性。另外對(duì)有些場(chǎng)地較寬、有豐富水源和較好排 放條件或泥漿僅需作簡(jiǎn)單沉淀處理排放的工程， 這種方法可較大地降 低施工成本。泥水加壓盾構(gòu)刀盤，多使用面板式結(jié)構(gòu)，進(jìn)土槽口寬度應(yīng)按土質(zhì) 而定，一般槽口寬應(yīng)小于排泥管口徑，以免大

7、塊石堵塞管道，刀盤開 口率一般在8% 10%左右。采用泥水加壓盾構(gòu)施工，不需輔以其它（氣壓、降水）工藝來(lái)穩(wěn) 定開挖面土層，其施工質(zhì)量好、效率高、安全可靠。然而它需要一套 技術(shù)較復(fù)雜的泥水分離處理設(shè)備， 投資較高，占地面積大，尤其是在 城市施工困難較大。（2）土壓平衡式盾構(gòu)在盾構(gòu)密封泥土艙內(nèi)利用開挖下的泥土直接支護(hù)開挖面土層，既具有泥土加壓盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又消除了復(fù)雜的泥水分離處理設(shè)施， 受到 工程界的普遍重視。土壓平衡式盾構(gòu)可根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取不同 的技術(shù)措施，設(shè)計(jì)成不同的類型，能適應(yīng)從松軟粘性土到砂礫土層范 圍各種土層內(nèi)各種土層施工。a）普通型的土壓平衡式盾構(gòu)普通型的土壓平衡式盾構(gòu)適用于松軟

8、粘性土， 由刀盤切削下的泥 土進(jìn)入泥土艙，再通過(guò)螺旋輸送機(jī)向后排出。由于經(jīng)過(guò)刀盤切削和擾 動(dòng)，會(huì)增加泥土的塑流性，在受到刀盤切削和螺旋輸送機(jī)傳送后也會(huì) 變得更為松軟，使泥土艙內(nèi)的土壓力能均勻傳遞。 通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸送 機(jī)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)速度，調(diào)節(jié)密封泥土艙內(nèi)的土壓力，并使其接 近開挖面靜止土壓，保持開挖面土層的穩(wěn)定。普通型土壓平衡式盾構(gòu)一般使用面板式刀盤，進(jìn)土槽口寬在 200500伽左右，刀盤開口率約為 20%- 40%另外在螺旋輸送機(jī)排 土口裝有排土閘門，有利于控制泥土艙內(nèi)土壓和控制排土量。b）加泥型的土壓平式衡盾構(gòu)當(dāng)泥土含砂量超過(guò)一定限度時(shí)，土和砂的流動(dòng)性就差，靠刀盤切 削擾動(dòng)，難以使泥土

9、達(dá)到足夠的塑流狀態(tài)， 有時(shí)會(huì)壓密固結(jié)，產(chǎn)生拱 效應(yīng)。當(dāng)?shù)叵滤控S富時(shí)，通過(guò)螺旋輸送機(jī)的泥土，就不能起到止水 作用，無(wú)法進(jìn)行施工。此時(shí)，應(yīng)在普通型土壓平衡式盾構(gòu)基礎(chǔ)上增加 特殊泥漿壓注系統(tǒng)，即形成加泥型的土壓式平衡盾構(gòu)。對(duì)刀盤面板、 泥土艙和螺旋輸送機(jī)注入特殊粘土泥漿材料，再通過(guò)刀盤開挖攪拌作 用，使之與開挖下來(lái)的泥土混合，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)性好和不透水性泥 土，符合土壓平衡式盾構(gòu)施工要求，符合土壓平衡式盾構(gòu)施工要求。 為了降低刀盤傳動(dòng)功率和減小泥土移動(dòng)阻力，加泥型土壓平衡式盾構(gòu) 刀盤為有幅條的開放式結(jié)構(gòu)，開口面積接近 100%并在刀盤背面安 裝能伸出來(lái)若干能對(duì)土砂攪拌的葉片 ，以便對(duì)土砂進(jìn)行強(qiáng)力攪

10、拌， 使其變成具有塑流性和不透水性的泥土。 另外， 要求注入濃度、粘 性更高的泥漿材料才能改變土砂的功能時(shí)， 往往難以用刀盤攪拌達(dá)到 目的，這將大大增加刀盤和螺旋輸送機(jī)的機(jī)械負(fù)荷，造成盾構(gòu)施工困 難。此時(shí)應(yīng)注入發(fā)泡劑代替泥漿材料， 因?yàn)榘l(fā)泡劑材料比重小、攪拌 負(fù)荷輕，可使刀盤扭矩降低50噓右。盾構(gòu)排出土砂中的泡沫會(huì)隨時(shí) 時(shí)間自然消失，有時(shí)在泥土中加入消泡劑，可加速泡沫的消失，保 持良好的作業(yè)環(huán)境。c）加水型土壓平衡式盾構(gòu)在砂層、砂礫層透水性較大的土層中，還可以采用加水型土壓平 衡盾構(gòu)。這種盾構(gòu)是在普通型土壓平衡式盾構(gòu)基礎(chǔ)上，在螺旋輸送機(jī) 的排土口接上一個(gè)排土調(diào)整箱，在排土調(diào)整箱中注入壓力水，并

11、使其 與開挖面土層地下水壓保持平衡。經(jīng)過(guò)螺旋輸送機(jī)將棄土排入調(diào)整箱 內(nèi)與壓力水混合后形成泥漿，再通過(guò)管道向地面排送。開挖面的土壓， 仍由密封的泥土艙內(nèi)土壓來(lái)平衡。 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤不停地對(duì)土層進(jìn) 行開挖和攪拌，使密封的泥土艙內(nèi)的土砂處于均勻狀態(tài)， 土砂顆粒之 間的空隙被水填滿，減少了土砂顆粒之間有效應(yīng)力，增加了流動(dòng)性， 從而能順暢地通過(guò)螺旋輸送機(jī)送入排土調(diào)整箱。 在調(diào)整箱內(nèi)通過(guò)攪拌 混合，向地面處理場(chǎng)排放。加水型土壓平衡盾構(gòu)的泥水排放系統(tǒng)與泥水加壓盾構(gòu)相似，但注入的主要是清水，無(wú)粘粒材料，無(wú)需對(duì)注入的水進(jìn)行濃度、比重控制， 泥水分離處理設(shè)備和工藝也大為簡(jiǎn)化。這種盾構(gòu)刀盤一般使用面板式 結(jié)構(gòu)，進(jìn)

12、土槽口尺寸可根據(jù)土體中礫石最大尺寸來(lái)決定， 刀盤開口率 一般在 20% 60%左右。d）泥漿型土壓平衡式盾構(gòu)這種盾構(gòu)適用于土質(zhì)松軟、透水性、易于崩塌的積水砂礫層覆土 較淺、泥水易噴出地面和易產(chǎn)生地表變形的極差地層的施工。這種盾構(gòu)具有土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)的紡織系統(tǒng)雙重特征。盾構(gòu)掘進(jìn) 時(shí)，應(yīng)向盾構(gòu)內(nèi)注入高濃度泥漿，通過(guò)攪拌，使土砂混合成泥土，并 充滿泥土艙，支護(hù)開挖面。由于從螺旋輸送機(jī)的排土口裝上一個(gè)旋轉(zhuǎn) 排土器既可保持泥土艙內(nèi)土壓的穩(wěn)定，又可不斷地從壓力區(qū)無(wú)壓區(qū)內(nèi) 順利排出。但從排土器排出的泥土呈泥漿狀，不能用排送干土方式， 排送向地面，同時(shí)泥漿濃度較高，無(wú)法通過(guò)管道排出，從螺旋輸送機(jī) 排

13、出的泥土，是在泥漿槽中經(jīng)水稀釋后再以流體形式通過(guò)管道排往地 面。這種泥漿型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的泥土艙的泥漿供入系統(tǒng)和排出系 統(tǒng)是兩個(gè)回路，所以從泥漿排出系統(tǒng)操作所造成的壓力波動(dòng)， 對(duì)泥土 艙內(nèi)支護(hù)壓力無(wú)大影響，使盾構(gòu)操作控制更為簡(jiǎn)便。這種泥漿型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通常采用面板結(jié)構(gòu)，進(jìn)土槽寬度可按 土層中最大礫石尺寸決定。刀盤開口率一般在 40%- 60%左右。由于 泥漿型土壓平衡盾構(gòu)多用于巨礫土層，因此排土多采用帶式螺旋輸送 機(jī)，可比同樣大小中心軸式螺旋輸送機(jī)排出的石塊粒徑大一倍左右。(3) 復(fù)合型盾構(gòu)(盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī))采用盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)距離隧道，會(huì)遇到復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，往往用 一種類型的盾構(gòu)難以完成施工任務(wù)

14、，因此出現(xiàn)了復(fù)合型盾構(gòu)。所謂復(fù)合型盾構(gòu)，就是在軟土盾構(gòu)的刀盤上安裝切削巖層的各式 刀具，有的還在盾構(gòu)內(nèi)安裝碎石機(jī)，這種硬巖開挖工具與軟土隧道盾 構(gòu)機(jī)械相結(jié)合，能在硬巖和軟土地層交替作業(yè)。 復(fù)合型盾構(gòu)刀盤上安 裝的刀具，應(yīng)根據(jù)不同巖層條件而定。軟土地層：主要采用割刀。安裝在刀盤進(jìn)土槽口兩側(cè)。硬巖地層：主要采用盤式滾刀，對(duì)于更堅(jiān)硬的地層，應(yīng)安裝牙輪 形和鑲嵌碳化鎢珠形的滾輪刀。軟硬混合交替夾層：應(yīng)采用不同形式的刮刀取代滾刀， 其開挖方 法是刮下塊狀石塊，使其對(duì)軟塑土層更有效地進(jìn)行開挖。上述各種刀具，應(yīng)能相互調(diào)換，以便隨巖層的變化進(jìn)行有效選擇。復(fù)合型盾構(gòu)主要有以下三種類型：a）泥水加壓型復(fù)合盾構(gòu)以泥

15、水加壓盾構(gòu)為基型，與硬巖開挖技術(shù)相結(jié)合，對(duì)大塊卵石、塊石應(yīng)在盾構(gòu)內(nèi)安裝碎石機(jī)。當(dāng)盾構(gòu)地軟土層施工時(shí)，可按封閉型泥 水加壓盾構(gòu)進(jìn)行施工；當(dāng)遇到硬巖地層施工時(shí)，在刀盤上安裝不同的 硬巖切削刀具即能快速轉(zhuǎn)換成敞開型機(jī)械盾構(gòu)施工， 而碴土排送仍采 用水力管道排送。b）土壓平衡型復(fù)合盾構(gòu)以土壓平衡盾構(gòu)為基礎(chǔ)，與硬巖開挖技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)盾構(gòu)在軟土 層施工時(shí)，可按封閉型土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工； 而當(dāng)遇到 硬巖地層 施工時(shí)，在刀盤上安裝不同刀具就能快速轉(zhuǎn)換成敞開型機(jī)械盾構(gòu)施 工，為了排送尺寸較大的石塊，可選用帶式螺旋輸送機(jī)。c）敞開型復(fù)合盾構(gòu)以普通機(jī)械開挖盾構(gòu)為基型，與硬巖開挖技術(shù)相結(jié)合，施工時(shí)只 要根據(jù)遇到的不

16、同土層條件，及時(shí)轉(zhuǎn)換安裝適當(dāng)?shù)牡毒?，就能使施?繼續(xù)進(jìn)行。由于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，適應(yīng)性較廣，主要以它為例。1.3盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的工況的轉(zhuǎn)換盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)具有土壓平衡狀態(tài)和非土壓平衡狀態(tài)兩種工況，能夠適應(yīng)軟、硬兩種地層的施工。根據(jù)地質(zhì)情況，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種工作狀態(tài) 的互換。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)從非平衡狀態(tài)向土壓平衡狀態(tài)下的過(guò)渡：根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的信息，在前方遇到圍巖不穩(wěn)定的軟土地帶、 斷層帶及涌 水幾率較高的地段時(shí)，及時(shí)關(guān)閉螺旋輸送機(jī)的閘門，在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的 密封隔板與開挖面形成的密封碴艙和螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿刀盤切削下 來(lái)的碴土，在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)油缸的推動(dòng)作用下， 給泥土倉(cāng)內(nèi)的碴土 施加壓力，通過(guò)控制出土量，保持泥土倉(cāng)的土壓力

17、與開挖面的土壓相 平衡，從而起到穩(wěn)定開挖面地層，防止地表變形的作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)從非 土壓平衡狀態(tài)向土壓平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)從平衡狀態(tài)向非土壓平衡狀態(tài)下的過(guò)渡： 在巖石穩(wěn)定 性好的地段，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)可以在非土壓平衡下進(jìn)行隧道施工， 不需要 維持泥土倉(cāng)的壓力來(lái)穩(wěn)定開挖面， 可排空碴倉(cāng)，此時(shí)因?yàn)椴陚}(cāng)內(nèi)沒有 土壓力，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)有較高的掘進(jìn)速度并且易于操作。1.4、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的功能描述、推進(jìn)特點(diǎn)1) 土壓平衡盾構(gòu)的推進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)具有土壓平衡功能，在通過(guò)地層斷裂帶及工作面不穩(wěn) 定時(shí)，可以建立土壓平衡，確保工程安全和工程質(zhì)量；土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)在殘積層、 全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層等軟弱圍巖中 進(jìn)行掘進(jìn)，根據(jù)碴土的塑

18、性和流動(dòng)性，在刀盤前和土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土、 高濃度泥漿、發(fā)泡劑等，與刀盤切削下來(lái)的巖土在土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行攪拌， 使其變?yōu)樗苄缘耐馏w，通過(guò)控制掘進(jìn)速度和調(diào)節(jié)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速兩個(gè)方 面來(lái)控制出土量，以調(diào)整切削腔室的土壓的穩(wěn)定，達(dá)到保持開挖面的 穩(wěn)定和控制地面沉降的目的，土倉(cāng)內(nèi)的土壓力需在施工中根據(jù)地面的 沉降量不斷修正，土壓力過(guò)小會(huì)引起地表沉降，土壓力過(guò)大會(huì)引起地 表隆起。2）非土壓平衡盾構(gòu)的推進(jìn)當(dāng)工作面巖土穩(wěn)定時(shí)，也可以加大排土量，排空泥土倉(cāng)的土碴， 在泥土倉(cāng)的壓力處于不平衡狀態(tài)下進(jìn)行正常掘進(jìn)。非土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)于在中風(fēng)化層、微風(fēng)化層等硬巖中進(jìn)行掘 進(jìn)，因巖石的穩(wěn)定性好，尤其是微風(fēng)化層天然單軸極限抗壓強(qiáng)度最

19、高 達(dá)44.645.8 MPa盾構(gòu)可以在非土壓平衡狀態(tài)下進(jìn)行隧道施工，不 需要靠泥土倉(cāng)的壓力來(lái)穩(wěn)定開挖面， 可將土倉(cāng)內(nèi)的碴土排空，用管片 襯砌背后及時(shí)注漿的方法來(lái)控制地面沉降。盾構(gòu)主要依靠盤形滾刀來(lái) 破碎巖石，滾刀在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)作用下壓入巖體， 碾碎巖石。滾 刀在刀盤上按螺旋線排列，使得在整個(gè)工作面上的巖石均被破碎。在掘進(jìn)的同時(shí)，注入泥漿及添加劑，一方面泥水可降低切割巖石 的摩擦力，減小刀盤扭矩，同時(shí)也起到輔助破巖的作用。當(dāng)切削刀盤旋轉(zhuǎn)開挖，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)有一個(gè)自然趨勢(shì)滾向相反的方 向，為確保盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定，在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的前部設(shè)有一對(duì)撐靴， 當(dāng)在開挖較硬的地層而出現(xiàn)滾動(dòng)時(shí)，將撐靴伸出，撐在隧

20、道周邊上， 它能抵抗這種滾動(dòng)趨勢(shì)。3）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在軟、硬不均斷面地層中的推進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在穿越殘積層、全風(fēng)化層與微風(fēng)化層的混合斷面時(shí)， 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)可能會(huì)向軟弱地層的方向偏移。 可以采取將偏移方向 的推進(jìn)油缸的工作油壓提高，同時(shí)降低相反方向推進(jìn)油缸的工作油 壓，使盾構(gòu)的掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力形成糾偏力矩， 依此來(lái)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的 姿態(tài)。4）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)穿越斷層帶的推進(jìn)比如，在廣州火車站至三元里站區(qū)間，走馬崗斷裂帶在隧道底部 通過(guò)；在越秀公園附近有一廣從斷裂帶，這些斷裂破碎帶富水性較好， 施工時(shí)可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，在該段地層中，采用土壓平衡工況掘進(jìn)是 非?？煽康?。5）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)穿越火車站的推進(jìn)比如，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)

21、在穿越廣州火車站時(shí)，為保障鐵路不減速的運(yùn) 行安全，主要應(yīng)滿足軌道的沉降要求?？梢圆扇∫韵麓胧篴）在鐵路兩側(cè)設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行跟蹤測(cè)量，及時(shí)通知開挖面 優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，切實(shí)保證開挖面的土壓平衡，使土倉(cāng)壓力波動(dòng)控 制在最小的幅度，盡可能減少盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。b) 采用及時(shí)和二次注漿，及時(shí)對(duì)管片襯砌盾尾間隙進(jìn)行充填注 漿，10m后再進(jìn)行補(bǔ)壓漿。c) 在穿越鐵路時(shí)，進(jìn)行管片外23m的徑向壓力劈裂注漿；控 制地層沉降引起的軌道下沉，保證列車安全運(yùn)行。1.5.主要機(jī)構(gòu)的功能描述此次投標(biāo)選用的是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，主要由盾殼、刀盤、推進(jìn)系統(tǒng)、 螺旋輸送機(jī)、盾尾密封、鉸接裝置、管片拼裝機(jī)、撐靴、后配套設(shè)

22、備 等機(jī)構(gòu)組成。1) 盾殼盾殼是一個(gè)用厚鋼板焊接的圓柱形筒體， 是盾構(gòu)受力支撐的主體 結(jié)構(gòu)。其作用：(1) 承受地下水、土壓力，盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏案鞣N施工荷載；(2) 支承和安裝各類機(jī)電設(shè)備及管片；(3) 保護(hù)操作人員的安全。盾殼沿長(zhǎng)度方向分切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分。盾尾后端安裝 有盾尾密封。2) 刀盤刀盤用來(lái)開挖土體，同時(shí)具有攪拌泥土的功能。刀盤是幅條式結(jié) 構(gòu)，幾十把盤形滾刀以螺旋線布置在幅條上，能夠全斷面的破碎圍巖。 滾刀設(shè)計(jì)成背裝式，實(shí)現(xiàn)在泥土倉(cāng)內(nèi)對(duì)損壞的滾刀進(jìn)行更換， 消除了 在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤前端維修保養(yǎng)刀具的危險(xiǎn)。切割刀對(duì)稱安裝在幅條 的兩側(cè)，刀盤用螺栓、螺母固定，可以更換。裝在泥

23、土倉(cāng)內(nèi)的壓力傳感器，可以使操作人員隨時(shí)察看艙內(nèi)的土 壓力，以便及時(shí)并準(zhǔn)確地調(diào)整開挖參數(shù)。比如，廣州地鐵二號(hào)線越秀公園站三元里站盾構(gòu)法施工地段既 有軟土，又有硬巖，還有軟土和硬巖的混合斷面的地質(zhì)特點(diǎn)， 我們采 用盤形滾刀和割刀組合布置的刀盤。這種方式的刀盤具有較強(qiáng)的地質(zhì) 適應(yīng)能力，割刀用以開挖砂土層、粘土和強(qiáng)風(fēng)化巖層等軟弱圍巖， 盤 形滾刀則用來(lái)對(duì)較硬的中、微風(fēng)化巖層進(jìn)行全斷面破碎開挖。3）刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用以驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)， 對(duì)土體進(jìn)行擠壓和切削。主要 由大軸承、大齒圈、密封圈、減速器及馬達(dá)等組成。刀盤用高強(qiáng)度螺栓與大齒圈連接，大齒圈即為大軸承的回轉(zhuǎn)環(huán)， 馬達(dá)帶動(dòng)減速器輸出軸上的小齒輪，

24、 小齒輪與大齒圈嚙合，從而驅(qū)動(dòng) 刀盤旋轉(zhuǎn)。大軸承既承受刀盤的自重，又承受盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)力， 是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的主要組成部件。為了獲得最大的主軸承壽命，設(shè)置有 密封裝置，密封由加壓潤(rùn)滑油系統(tǒng)來(lái)潤(rùn)滑。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在開挖軟弱圍巖時(shí)， 采用高扭矩，低轉(zhuǎn)速的工況；當(dāng) 盾構(gòu)切削硬巖時(shí)，增大流量，采用低扭矩、高轉(zhuǎn)速的工況。4）鉸接裝置比如，廣州地鐵二號(hào)線越秀公園站三元里站盾構(gòu)法施工地段的 線形條件：最小平面曲線半徑為350m最小豎曲線半徑2000m為了 使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)曲線段的推進(jìn)，能夠靈活轉(zhuǎn)向，把盾掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)成 鉸接式，從而易于轉(zhuǎn)彎，減小曲線超挖量；并能減少頂進(jìn)時(shí)管片的偏 壓，提高隧道施工質(zhì)量，也易于對(duì)掘進(jìn)方

25、向隨時(shí)進(jìn)行修正。鉸接裝置使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)分成前后兩段，兩段之間通過(guò)鉸接千斤頂 操作，可使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前后兩段繞鉸接中心沿圓弧面上下、 左右回轉(zhuǎn)， 滿足盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)順利轉(zhuǎn)彎和坡度的要求， 使盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)彎方便，減 少曲線超挖量及對(duì)土體的擾動(dòng)。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)鉸接處設(shè)有機(jī)械限位，以保證盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)前后 節(jié)絕對(duì)不會(huì)脫開，并保證達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角位移要求。鉸接裝置設(shè)內(nèi)外兩 道密封，以防泥水進(jìn)入。5）人行閘門在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)密圭寸隔板處設(shè)有一道人行閘門，閘門處有一氣壓 倉(cāng)。在土壓平衡工況下施工需要進(jìn)入泥土密封倉(cāng)內(nèi)排除障礙或調(diào)換切 削刀具時(shí)，先將泥土倉(cāng)內(nèi)充以壓縮空氣，用以疏干并支護(hù)開挖面土體， 然后人員再通過(guò)氣壓倉(cāng)的加、減壓

26、過(guò)渡而出入泥土倉(cāng)。6）推進(jìn)系統(tǒng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是通過(guò)沿支承環(huán)周邊布置的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)千斤頂支撐 在已安裝好的管片襯砌上所產(chǎn)生的反作用力而前進(jìn)的。 為了不使千斤 頂端部承受管片的集中荷載，造成偏心荷重，支座設(shè)計(jì)成鉸接式，并 設(shè)置支板均勻地將力傳遞到管片的環(huán)面上。把盾構(gòu)千斤頂分成掘進(jìn)機(jī)若干扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由一只電磁比例減 壓閥控制，用來(lái)調(diào)節(jié)各組扇區(qū)千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫Γ?從而糾正或控制盾 構(gòu)推進(jìn)的方向，使符合設(shè)計(jì)軸線的要求。7）撐靴撐靴的主要作用是防止盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的滾動(dòng)。 當(dāng)切削刀盤旋轉(zhuǎn)對(duì)硬 巖切削開挖時(shí)，機(jī)器有一個(gè)滾向相反的方向自然趨勢(shì)， 尤其是在硬巖 地層中，盾殼構(gòu)的外殼與洞壁之間的摩擦力較小，這種滾動(dòng)更加明顯

27、， 在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前部設(shè)有一對(duì)撐靴，可能出現(xiàn)較大滾動(dòng)時(shí)，將撐靴伸出， 撐在隧道壁上，它能產(chǎn)生抵抗這種滾動(dòng)的反力矩。 撐靴主要是由支撐 靴板、支撐油缸和支撐座組成。不需要時(shí)，可以收回?fù)窝ァ?）泥漿及添加劑的注入機(jī)構(gòu)為了改善開挖下來(lái)的碴土的塑性化流動(dòng)， 注入設(shè)備必須將足夠數(shù) 量的泥漿及添加劑注到適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｄ酀{及添加劑的注入機(jī)構(gòu)主要由 攪拌土箱、壓注泵組、輸送管路、注入口組成。穿越軟土?xí)r，在泥土倉(cāng)內(nèi)加注泥漿或發(fā)泡劑等添加劑， 可以改善 碴土的和易性，確保螺旋輸送機(jī)的出土順暢，有效地調(diào)節(jié)土倉(cāng)內(nèi)的壓 力。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)穿越較硬的巖層時(shí)，泥水可降低刀盤面板與巖土摩 擦力，減小刀盤扭矩，同時(shí)起到冷卻滾刀，延長(zhǎng)

28、刀頭的壽命和輔助破 巖的作用。9）螺旋輸送機(jī)螺旋輸送機(jī)的主要功能是：一是排土；二是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制出 土量，保持密封倉(cāng)內(nèi)土壓穩(wěn)定；三是螺旋輸送機(jī)為密閉式的輸送裝置， 可防止水滲漏到盾構(gòu)內(nèi)。螺旋輸送機(jī)由螺旋葉片、外殼、排土閘門等部件組成。螺旋輸送 機(jī)變速可逆轉(zhuǎn)。泥土入口端裝在盾構(gòu)泥土艙底部，穿過(guò)密圭寸隔板固定， 傾斜安裝。螺旋輸送機(jī)出碴口安裝滑動(dòng)式閘門，用以防水。螺旋輸送機(jī)為可伸縮式，當(dāng)在土壓平衡狀態(tài)時(shí)，泥土具有可塑性， 螺旋輸送機(jī)的葉片和集料斗縮回，泥土可順利排出；在非土壓平衡狀 態(tài)時(shí)為便于集料，螺旋輸送機(jī)葉片和集料斗向前伸出。由于螺旋輸送機(jī)能排出巖碴的最大粒徑是有限的， 為防止螺旋輸 送機(jī)被

29、卡死，采用二次破碎的方式，對(duì)進(jìn)入泥土艙內(nèi)大的石塊進(jìn)行破 碎，以適應(yīng)裂隙發(fā)育的硬巖地層。10）密封盾尾密封盾尾，用以防止地層中的泥土、泥水、地下水和襯砌外圍注 漿材料從盾尾的間隙中漏入盾構(gòu)。由三道鋼絲刷和一道彈簧鋼板組 成。在每?jī)傻烂芊庵g注入密封材料、油脂等，作為防高壓水措施， 以提高密封效果，并可減少鋼絲刷密封件與隧道管片外表面之間的磨 擦，延長(zhǎng)密封件的壽命。11）背襯充填與注漿系統(tǒng)采用盾構(gòu)法施工的隧道，是沿著盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的外殼進(jìn)行開挖的， 而作為襯砌的管片則是在盾尾組裝起來(lái)的，所以當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn) 時(shí)，圍巖與管片間由于盾尾的抽脫及超挖等原因就形成了空隙，這一空隙如不加處理地?cái)R置，不可避免的上

30、面的圍巖要向下沉降， 其結(jié)果 是發(fā)生波及地表的地面沉陷，嚴(yán)重的會(huì)危及地表建筑物的安全，因此, 及時(shí)地進(jìn)行背襯充填與注漿可以起到壓實(shí)松動(dòng)的圍巖 ，以防地表沉 陷，提高隧道防水性，防止管片漏水，將管片與圍巖一體化，確保管 片襯砌的穩(wěn)定。12) 管片拼裝機(jī)構(gòu)拼裝機(jī)的功能是安全且迅速地把管片組裝成所定形式，它具有伸縮臂、夾具前后移動(dòng)以及臂回轉(zhuǎn)的功能。拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；管片的軸向平移和封頂塊的軸向移動(dòng)， 由平移千斤頂操作夾持器來(lái)完成；管片的提升由液壓油泵操縱。這些 液壓缸和馬達(dá)由一個(gè)獨(dú)立的液壓泵站供油，簡(jiǎn)化了管線布置，避免了管線的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。由于管片的自重造成管片安裝位置不準(zhǔn)確， 嚴(yán)重影響下一環(huán)管片

31、的安裝和管片環(huán)的受力狀態(tài)，為此，在組裝管片時(shí)，可用真圓度保持 器對(duì)管片進(jìn)行位置矯正，保持管片的真圓度。真圓度保持器具有前后 移動(dòng)和徑向頂壓的功能。1.6、盾構(gòu)機(jī)的主要性能用于西班牙馬德里工程的盾構(gòu)機(jī)地質(zhì)：石灰石、泥灰?guī)r、粘土 ；刀盤切削直徑 6140mm ;抗壓強(qiáng)度 3501050Kg/cmf (35MPar 105MPa ;刀盤扭矩：154 t m; 推力：584t。用于美國(guó)尤克利得隧道工程的盾構(gòu)機(jī)地質(zhì)：頁(yè)巖、粘土 ；刀盤切削直徑： 5970mm;抗壓強(qiáng)度：141Kg/cmi (14.1MPa);刀盤扭矩：111 t - m; 推力：2268t用于新加坡隧道工程的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)地質(zhì)：砂巖、泥巖、

32、粘土、沖積土 ；刀盤直徑： 6550mm刀盤功率：945Kw;掘進(jìn)速度1883m倜用于英格蘭某工程的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)地質(zhì)：砂巖、石灰石、淤泥、粘土 ；刀盤直徑： 7350mm;掘進(jìn)速度：7.537.5m/周1.7方案實(shí)例針對(duì)工程標(biāo)段的地質(zhì)條件、 線路條件、周邊環(huán)境以及施工、工期 要求，我們先后同羅賓斯、川崎、海瑞克、小松等盾構(gòu)生產(chǎn)廠家進(jìn)行 多次技術(shù)交談，他們所提供的設(shè)備方案，都選用了復(fù)合式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)， 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表3-4所示。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較表3-4項(xiàng)目羅賓斯川崎小松海瑞克適應(yīng)的地質(zhì)條件砂土、泥土、軟巖、強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖，巖石抗壓強(qiáng)度20 8OMPa同左。巖石抗壓強(qiáng)度 57MPa同左。巖石抗

33、壓強(qiáng)度 34 60MPa砂土、泥土、軟巖、強(qiáng)、中、微風(fēng)化巖，刀盤與切削原理采用混合型刀盤，其上安裝了 用于巖石切割的盤型滾刀和用 于軟土開挖的切刀，其中17吋 的盤型滾刀37個(gè)，切刀與邊刀 共84把。當(dāng)開挖面處于巖層時(shí)， 盾構(gòu)以敞口開挖方式進(jìn)行切削 推進(jìn)。當(dāng)開挖面處于軟土和不 穩(wěn)定地層時(shí)，則以保持開挖面 穩(wěn)定的土壓平衡方式進(jìn)行切削 開挖?；旌闲偷侗P，其上安裝 了 17吋的正滾刀35把， 15.5吋的中心刀、邊刀、 超挖刀各2把，切刀48 把，切削原理同左?；旌闲偷侗P，其上安裝 了 17吋的單刃盤刀 25 把，雙刃盤刀8把，切 刀140把，邊刀17把， 切削原理同左?；旌闲偷侗P，其上安裝了 1

34、7吋的雙刃盤刀21把，切 刀64把，邊刀8把，超挖 刀1把，切削原理同左。螺旋輸送機(jī)螺旋輸送機(jī)為中心軸式，進(jìn)口 端位于泥土艙的底部，以利于 排空土艙內(nèi)的土碴。最大通過(guò)粒徑為300mm螺旋輸送機(jī)為中心軸 式，進(jìn)口端不在底部， 當(dāng)進(jìn)行敞口開挖巖層 時(shí)，螺旋機(jī)和導(dǎo)料板即 可伸入泥土艙內(nèi)，有利 于巖碴的輸岀，并由螺 旋機(jī)的中段岀料口岀 碴。當(dāng)處于軟土和不穩(wěn) 定地層時(shí)，螺旋機(jī)又縮 回原位，以利于泥土艙 內(nèi)水、土壓力的控制，最大粒徑250300mm螺旋機(jī)為帶狀式，其結(jié) 構(gòu)較小，最大排岀粒徑 可達(dá)450mm進(jìn)口端位于 泥土艙的底部，以利于 排空艙內(nèi)的土碴。螺旋輸送機(jī)為中心軸式，螺 桿可伸縮，當(dāng)處于巖層時(shí)，

35、螺桿伸入泥土艙內(nèi)的底部， 有利于巖碴的排岀，有利于 兩種不同切削過(guò)程的轉(zhuǎn)換。 最大排出粒徑為 250mm主要性能參數(shù)刀盤切肖U直徑6200mm刀盤最 大轉(zhuǎn)速3rpm，刀盤扭矩（功率）5850KNm（ 900K0 總推力 3300T刀盤切削直徑 6200mm刀盤最大轉(zhuǎn)速3rpm，刀盤扭矩（功率）5732KNm（900K0，總推力 3234T刀盤最大轉(zhuǎn)速3.8rpm，刀盤扭矩4876KNm功率（900KW總推力3600T刀盤切削直徑 6320mm刀 盤最大轉(zhuǎn)速6rpm，刀盤扭矩（功率）4860KNm（ 945K0總推力3058T從盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的使用實(shí)例，對(duì)比各盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家提供的方 案，綜合我們

36、自己進(jìn)行的盾構(gòu)性能對(duì)比和盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)參數(shù)的計(jì)算， 取具有復(fù)合式性能的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，完全可以達(dá)到業(yè)主要求的沉降指 標(biāo)、工期要求，確保施工安全。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)方案如圖所示。盾構(gòu)機(jī)直徑的確定(計(jì)算盾尾間隙)1) 盾尾間隙的計(jì)算1)盾尾間隙的計(jì)算盾尾間隙的計(jì)算(如右圖)D管片外徑D=6000mm L 盾尾端至第一環(huán)管片前端的距離L=1850mm Ro隧道曲線半徑 Ro =350m;R隧道管片內(nèi)側(cè)曲線半徑，R= Ro D/2=347m盾尾端部至第一環(huán)長(zhǎng)度L;管片前端對(duì)應(yīng)的圓心角 =sin-1(L/R) = sin-1 (1.85/347 ) =0.3050b第一環(huán)管片前端相對(duì)于盾尾端部的移出量；b=R (1 c

37、os) =347X( 1 cos0.3050 ) =0.005m=5mmb=5mn是曲線半徑350m時(shí)，管片在盾尾內(nèi)的最小極限間隙值，考慮到管片本身的尺寸誤差、拼裝的精度、盾尾的偏移等，通常要在 這一極限間隙量上增加相應(yīng)的富裕值，按照各國(guó)常用的盾尾間隙計(jì)算 公式及盾構(gòu)機(jī)外徑對(duì)應(yīng)的常用富裕值 (K=30mm,需要的盾尾間隙為：C=(b + K) /2= (5+30) /2=18mm選取盾尾間隙x =25mm因?yàn)镃=25mm18mm在曲線半徑為350m時(shí)，是完全能滿足施工要求的。2) 盾構(gòu)機(jī)直徑D的確定D二d+ 2 (x+1)d襯砌管片外徑；x 盾尾間隙，x =25mm t 盾尾外殼鋼板厚度選取t

38、= 45mm因此盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的直徑為：D=600(+ 2 (25+ 45) =6140mm盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度的確定(計(jì)算最小轉(zhuǎn)彎半徑的超挖量)由于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為 350m所以在盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的方案結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度決定后，需計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)較長(zhǎng)的那段在最小轉(zhuǎn)彎半徑 處的擴(kuò)挖量，以確定盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能否順利通過(guò)最小曲線段。1)擴(kuò)挖量的計(jì)算(如下圖)圖中：La盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)前端到鉸接中心的長(zhǎng)度，La =4650mmLb盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)后體長(zhǎng)，Lb=3400mmRs盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)曲線半徑，Rs =346.9m計(jì)算條件：每一開挖循環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎角度，取St=10 線路曲線半徑，R0=350mA、B C三點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算XA=-(

39、 Lb L)=(3400 1850)=1550mmYA= R0=350mXB=X陽(yáng) La cos St二一1550-4650 cos10 二6129.37mmYB二Y La sin St=350000 4650 x sin 10 =349192.5mmXC=XB( D/2) sin St=6129.37+ (6140/2 ) x sin10=5596.27mmYC二Y( D/2) cos St=349192.5 ( 6140/2 ) x cos10=346169.3mmCa=ta n-1| XC/ YC|=tan-1| 5596.27/ 349192.5| =0.9181理論計(jì)算表明：在半徑為

40、350m的曲線段上推進(jìn)，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī) 前體長(zhǎng)度為4.6m,每次推進(jìn)偏轉(zhuǎn)10時(shí)，擴(kuò)挖量為3.74mm即可以滿 足要求。但是，在實(shí)際施工中，考慮施工、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)本身的誤差等， 實(shí)際的擴(kuò)挖量遠(yuǎn)比理論計(jì)算值要大，參考有關(guān)的資料，取盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的最大超挖值為：0C=100mm盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)計(jì)算依據(jù)和計(jì)算內(nèi)容1)計(jì)算依據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)選型主要性能參數(shù)的計(jì)算根據(jù)業(yè)主所提供的地鐵的 工程和水文地質(zhì)情況，參考有關(guān)資料進(jìn)行。2）計(jì)算內(nèi)容盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)計(jì)算包括硬巖和軟巖兩種情況進(jìn)行。硬巖中推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推力和扭矩的計(jì)算1）地質(zhì)參數(shù)按照微風(fēng)化巖層選取。巖石的抗壓強(qiáng)度 Ry: Ry=56.6MPa=566kg/cm2盤型

41、滾刀的參數(shù)：盤型滾刀的直徑：d=1080px,R=540px ;盤型滾刀刃角a =60刀具每轉(zhuǎn)切深：h=25px;盤型滾刀刀間距：Bm=2htg /2 ;刀盤直徑：D=6.18m式中：h為刀具每轉(zhuǎn)的切深；為巖石的自然破碎角，查表選取=150Bm=2htg /2=2 x 1tg1500/2=186.5px 疋 187.5px2）在硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)推力計(jì)算（1）硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤的滾壓推力a）每個(gè)盤型滾刀的推力F力根據(jù)力平衡原理和能量守恒原理計(jì)算刀盤的滾壓推力，每個(gè)滾刀 的滾壓推力F力為:- x Ke x x (二)心 5 x J1 4 x x /2 x Rx h- h* x 10 x =xO.

42、55 x5.dxl0 x( ) c 3 x f -) x 1 x J? x 2i _6 x 1 1 丄 Fg 器二 3 15 35 -=18. 6t式中：巖石的自然破碎角；h刀具每轉(zhuǎn)切深，單位為厘米；R盤型滾刀的半徑，單位為厘米；Ry 巖石的抗壓強(qiáng)度，單位為 MPa。kd 巖石的滾壓系數(shù)，其與巖石性質(zhì)有關(guān)，查表取kd=0.55 ；ri 為盤型滾刀的刃角半徑，單位為厘米；0 i 為盤型滾刀的半刃角；為巖石的自然破碎角，查表選取=1500b) 盤刀的滾動(dòng)力F式中：E與被滾壓巖石自由面條件和形狀有關(guān)的換算系數(shù)，E=0.8 ; m刀盤上安裝的盤型滾刀數(shù)量，P力二F力F =-x0.8x JX18.64|

43、2x2L6-lc) 滾刀數(shù)量的計(jì)算m=D/ (2X Bn)=6.14/ (2X 0.075)=40.9因此刀盤上安裝的盤型滾刀數(shù)量取為：m=41根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式m=7Dd) 刀盤的滾壓推力F推：F推二mF力=41 X 18.6=762.6t(2) 盾構(gòu)主機(jī)外殼與泥土之間的摩擦阻力F1式中:u 土與鋼之間的摩擦系數(shù)，u=0.3 ;L盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)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(3) 盾尾與管片之間的摩擦阻力 F4F4=Wqi c=40 X 0.3= 12.0t式中：W作用于盾尾的管片的

44、重量(假定作用于盾尾的重量為兩環(huán)管片的重量，Wc=40t)卩c管片與盾尾之間的摩擦系數(shù)口 c=0.3(4) 后續(xù)設(shè)備所需的牽引力F5F5=(1 qGF1和(5) 硬巖中盾構(gòu)掘進(jìn)所需的總推力F 總二 F 推 + F1 + F4 + F53）硬巖掘進(jìn)時(shí)所需的刀盤扭矩 T:a）刀盤滾動(dòng)阻力矩計(jì)算T1 堆丁眄41丁、=1/73x0075 工尬i-i=H4.4tm|式中：Bm滾刀間距，Bm =187.5px ；F盤刀滾動(dòng)力；由前面的計(jì)算，F(xiàn)=1.73t式中：Bm滾刀間距，Bm =187.5px；F盤刀滾動(dòng)力；由前面的計(jì)算，F(xiàn)=1.73tb）石碴提升所需要的扭矩 T2;T2 =q n R2h 1R式中：q

45、石碴容重，q=1.99t/m3 ;口 1刀盤系數(shù)，卩1=0.618 ;c）克服刀盤自重所需要的扭矩 T3:T3二W1.a 1.R=50 X 0.618 X 3.09式中：W1刀盤自重，W仁50td）硬巖掘進(jìn)所需要的力矩T總：T 總二 T1 +T2+ T3= 114.4 + 1.1 + 95.5=211t.me）盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在硬巖中推進(jìn)時(shí)所需要的推力和扭矩F 總=762.6tT 總=211t.m取 F 總=763t ； T總=211t.m軟土中的推力和扭矩計(jì)算只對(duì)通常，盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)時(shí)的刀盤扭矩小于在軟土的扭矩, 盾構(gòu)在軟土中推進(jìn)時(shí)的扭矩進(jìn)行計(jì)算。1）地質(zhì)參數(shù)選?。簬r土容重丫 =1.99t/m3

46、 ;巖土內(nèi)摩擦角 =19.50 ;土的粘結(jié)力 C=49Kpa=4.9t/m2 ;覆蓋層厚度：Hmax=26m Hmin=8m地面上置荷載P0=2t/ m2 ;水平側(cè)壓力系數(shù)入=0.49 ;盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)外徑D=6.14m;盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)總長(zhǎng)L=8.05m ;盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)總重W=250t（假定）；管片每環(huán)的重量Wg=20t;水平與垂直土壓之比K0=12) 土壓力計(jì)算按照常規(guī)算法，盾構(gòu)的外部荷載將分別按照最大覆土厚度處的松 動(dòng)土壓力和兩倍盾構(gòu)直徑的全土柱高計(jì)算所產(chǎn)生的土壓力，并取兩者中的最大值作為盾構(gòu)計(jì)算的外部荷載。即P外=maxps , pq .a) 松動(dòng)土壓力計(jì)算:(a) 松動(dòng)高度計(jì)算:jEzr沖45-

47、 + 11L 姒L-)49193(1-)十寸溫%= 47川站-7- 9ni(b) 松動(dòng)土壓PSPs= y h0=1.99 x 7.9=15.72t/m2b) 兩倍盾構(gòu)機(jī)直徑的全土柱土壓力:Pq=Y h0式中：hO=2D=2X 6.14=12.28mPq=Y h0=1.99 x 12.28=24.4 t/m2由于Pq Ps所以，取Pq計(jì)算。c) 盾構(gòu)受土壓力的計(jì)算(a) 盾構(gòu)上部土壓力P0 = Pq +2=24.4+20=26.4 t/m2(b) 盾構(gòu)底部土壓力P01=P0+W/(D- L)=26.4+250/ (6.14 x 8.05 )=31.5 t/m2(c )盾構(gòu)頂部側(cè)壓力P1 二P0

48、入=31.5 x 0.49=15.4t/m2(d)盾構(gòu)底部側(cè)壓力P2 = ( P0+y D)入=(26.4+1.99 X6.14 ) X 0.49=18.9t/m23) 盾構(gòu)機(jī)的推力計(jì)算：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的推力由盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的外殼與土體之間的摩擦阻力、 刀盤承受的主動(dòng)水平壓力引起的推力、土的粘結(jié)力引起的刀盤推力、 盾尾與管片之間的摩擦阻力幾部分組成。(a) 盾構(gòu)外掘進(jìn)機(jī)外殼與土體之間的摩擦阻力F1:F1 = 1/4 X( P0+ P01+ P1+ P2) . n DLu式中:u 土與鋼之間的摩擦系數(shù)，u=0.3 ;L盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度，L=8.05m;F1 = 1/4 X( 26.4+31.5+22.7+27

49、.8 ) XnX 6.14 X 8.05 X 0.3= 1254.3t(b) 刀盤水平壓力引起的推力F2:水平主動(dòng)土壓力PdHO二hO+R= 12.28 + 3.07=15.4m水平主動(dòng)土壓力PdPd = y H0tg2 (450- /2 )=1.99 X 15.4 X tg2 (450-19.50/2 )=15.3t/m2F2 = n /4 (D2. Pd )=n /4 X( 6.182 X 15.3 )=462.0t(c) 土的粘結(jié)力引起的刀盤推力 F3F3 = n /4 (D2C=n /4 X( 6.182 X 4.9 )= 147.0t(d) 盾尾與管片之間的摩擦阻力 F4F4=Wqx

50、 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為 兩環(huán)管片的重量，Wc=40t)卩c管片與盾尾之間的摩擦系數(shù)口 c=0.3(e) 后續(xù)設(shè)備所需的牽引力F5F5= ii qG(f )盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)需要的總推力FF= F1 + F2+ F3+ F4+ F5= 1254.3 + 462.0 + 147.0 + 12.0= 1875.3t(4) 曲線段推力計(jì)算在曲線段推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的推力為正常推進(jìn)時(shí)的150%因此,盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際應(yīng)備的推力為：F 推= 1.5F= 1.5 X 1875.3=2813.0t取F推為2813.0 t4) 軟土推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)扭矩計(jì)算盾構(gòu)

51、掘進(jìn)機(jī)在軟土中推進(jìn)時(shí)的扭矩包含切削扭矩、刀盤的旋轉(zhuǎn)阻 力矩、刀盤所受推力荷載產(chǎn)生的反力矩、密封裝置所產(chǎn)生的摩擦力矩、 刀盤的前端面的摩擦力矩、刀盤后面的摩擦力矩、刀盤開口的剪切力 矩、土壓腔內(nèi)的攪動(dòng)力矩。(1) 切削土體的扭矩Ti計(jì)算參數(shù)：推進(jìn)速度v: 般情況下v=1.8m/h，vmax=3m/h；刀盤轉(zhuǎn)速n:n=1rpm刀盤每轉(zhuǎn)切深 h: h=v/n=75px ， hmax= Vmax /n=125px ；土的抗壓強(qiáng)度qu : q u =12.2t/m 2刀盤直徑：Dd =6.18m，半徑Rd =3.09m2=1/2(qu h max R d )=1/2 X( 12.2 X 0.05 X 3

52、.092(2) 刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩 T2：T2=G. R1 .u g式中：G刀盤自重，假定 G=50t;R滾動(dòng)接觸半徑，R=2.05 ;Ug滾動(dòng)摩擦系數(shù)，Ug =0.004 ;T2 =50 X 2.05 X 0.004(3) 刀盤推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)阻力矩 Ta推力荷載Pt22R = an RPd+n /4 (ck di ) C=0.65 XnX 3.092 X 15.3 + n /4 X( 4.82 2 3.842 2)X 4.9=330.2t式中：a刀盤開口率，a =0.65; d2刀盤支撐梁外徑，d2=4.8mdi刀盤支撐梁內(nèi)徑，di =3.84mT3 = P t Ri g, g=3

53、30.2 X 2.05 X 0.004(4) 密封裝置摩擦力矩T4T4=2 n UmFm ( n iRmi+ n2 Rni )22=2XnX 0.2 X0.15 X(3X 1.84 + 3X2.26 )=4.8t .m式中：Um密封與鋼之間的摩擦系數(shù)，um=0.2Fm密圭寸的推力，F(xiàn)m =0.15t/m 2;密圭寸數(shù)ni= n 2=3,R mi、R m2-密封的安裝半徑，R mi=i.84m, R m2=2.26m(5) 刀盤前表面上的摩擦力矩T5T5=2/3 (an UpRFd)=2/3 X( 0.65 XnX 0.15 X 3.09、15.3)式中：up土層和刀盤之間的摩擦系數(shù),Up =0

54、.15;a 刀盤開口率，a =0.65Pd刀盤中心的土壓力，由前面的計(jì)算,2Fd =15.3t/m(6) 刀盤圓周的摩擦反力矩忑刀盤圓周土壓力PzPz = ( Pd + P01 + Pi + P2) /4=(26.4 + 31.5 + 22.7 + 27.8 ) /42=27.1t/m式中：D盾構(gòu)機(jī)直徑，D=6.18mLk刀盤寬度，Lk =0.452T6=2 n LkRi PzUp(7) 刀盤背面的摩擦力矩T7刀盤背面的摩擦力矩由土腔室內(nèi)的壓力所產(chǎn)生， 假定土腔室內(nèi)的 土壓力為0.8PdT7=2/3 X(an RUx 0.8Pd)=2/3 X( 0.65 XnX 3.09 3X 0.15 X 0.8 X 15.3 )(8) 刀盤開口槽的剪切力矩T土的抗剪應(yīng)力G,在切割腔內(nèi)，由于碴土含有水，取C=1.0t/m2, 內(nèi)摩擦角取為 =50Ct =1+ 15.3 Xtg5=2.3t/mT8=2/3. n Ct Rd3 (1a)=2/3 XnX 2.3 X 3.093 X( 1 0.65 )=49.7 t.m(9) 刀盤土腔室內(nèi)的攪動(dòng)力矩 T9T9=2n( r22+ri2) Lz C=2