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1、盾构机分类及选型设计,1 盾构的分类,(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,TBM,软土盾构,复合盾构,(2)按盾构机横截面形状分类 半圆形 圆形 椭圆形 马蹄形 双圆搭接形 三圆搭接形 矩形,(3)按盾构机横截面的形状分类 超小型盾构 18m,(4)按掘削面的敞开程度分类全部敞开式：无盖敞开式、有盖敞开式部分敞开式：网格式 封闭式：中心支承式、中间支承式、周边支承式,(5)按掘土出土器械的机械化程度程度分类 人工挖掘式、半机械掘削式、机械掘削式,手掘式盾构 半机械式盾构 网格式盾构,(6)按掘削面的加压平衡方式分类 外加支承式 气压式 泥水式 土压
2、式,(7)按刀盘运动形式分类,(8)按盾构机特殊构造分类 中折盾构球体盾构异径母子盾构重心靠前盾构特殊构造的盾构现场换刀盾构可直接掘削前障碍物盾构机体可分可合盾构固体回收盾构倾斜中空轴全断面机内注浆盾构倾斜中空轴全断面机内注浆+活动前檐盾构,(9)按盾构机的功能、用途分类,(10)按盾构隧道衬砌施工方法分类,(11)综合分类,2 盾构选型,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(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(
3、10)设计路线、线形、坡度（11）电气等其他设备条件,（1）以开挖面稳定为核心，盾构选型应充分把握地层条件；（2）应考虑土的塑性流动性、土的渗透系数；渗透系数10-5m/s是土压平衡盾构作业的经验上限值。（3）应考虑地下水的含量及水压；这涉及到是选用泥水盾构还是土压盾构以及盾尾密封的选型。,2.1盾构机选型的原则,（4）应重视地层中有无砂砾和大卵石；土的渗透性、刀盘的磨耗、地层的扰动范围、刀盘的开口率、对卵石的破碎及其排出方式。（5）应考虑土层的粒径分布；采用土层颗粒曲线来界定不同盾构的适用土层。总的来说，粒径大时宜采用泥水盾构，粒径小时宜采用土压盾构。,（6）隧道的线形和转弯半径也是应考虑的
4、因素；盾构机本体的长度与直径比及盾尾间隙直接影响盾构的转弯及纠偏能力。一般，长度与直径之比（L/D）应不大于1.0，当转弯半径过小时可考虑采用铰接式盾构。（7）盾构选型时，必须根据土质条件决定切削刀的形状、材质和配置。,（8）刀盘的装备扭矩也与盾构选型有关；盾构装备扭矩T=D3（D为盾构外径，为扭矩系数，对泥水盾构=915；土压盾构=823）显然，采用泥水盾构有利于减小刀盘切削阻力，从而减轻主轴承的负荷。（9）盾构施工对周围环境的影响也是盾构选型时应考虑的因素。比如地层变形的许可程度、有无地下构筑物等，再比如泥水处理以及废渣的倾倒是否对环境有污染等。,（10）盾构的选型还应考虑对工作环境的影响
5、。比如，盾构的刀盘驱动是液压驱动还是电动驱动，液压驱动效率低，噪声大，洞内温度上升快，而电动驱动效率高，洞内环境好（噪声小、温度低）。,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,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,3.1 神华新街煤矿斜井双模盾构实例分析1）地质概况 新街台格庙矿区斜井隧道长6505m，最大埋深达684m，隧道坡度为6。斜井沿线地质条件复杂，穿越地层有第四系湖积物、风积沙（约150m）、白垩系砂岩、砂砾岩（约3250m）、侏罗系（含安定组和延安组）砂
6、岩、岩、砂质泥岩等（约3105m），岩石单轴抗压强度2060MPa，同时地层多处呈不整合接触，局部存在小型断层，地层虽发生突水的可能性小，但富水性不均。,盾构选型实例,2）盾构机选型分析工程特点：该斜井隧道工程存在长距离、高埋深、大坡度连续下坡、地质多变等特点。根据新街台格庙矿区地层施工条件对设备选型的特殊要求，就常用的盾构机类型进行工程适应性分析和比较。,盾构机类型适应性分析和比较,根据新街台格庙矿区地质条件，通过各种掘进机类型的特点和适应性比较分析，我们发现只有同时具有单护盾TBM模式和土压平衡模式的双模式盾构能够完全胜任新街台格庙矿区1号矿井主副井的施工要求。在围岩完整、地层稳定的情况下
7、，双模式盾构工作在敞开式TBM模式下，实现隧道的快速开挖和快速出渣；在通过围岩稳定性差的不良地层、破碎带、富水层时改用土压平衡模式，保证隧道的安全稳定掘进。,由于施工条件复杂，无法直接参照地铁施工的经验，因此需要考虑斜井对双模式盾构机的特殊要求（1）刀盘 刀盘适应性：围岩不稳定时，机器工作在在土压平衡模式下，采用介于辐条式与面板式之间的辐板式刀盘，装有滚刀、切刀和刮刀，既保证强度与刚度，又有一个较大的开口率（35%）。围岩稳定时，盾构工作在单护盾TBM模式下，拆除切刀，封闭开口，并且添加盖板，使刀盘转换为面板式刀盘，增大刀盘强度刚度。,3）工程对部分关键部件的特殊要求,刀盘耐磨性：在进入岩石地
8、层与砂卵石地层，使得刀盘刀具磨损十分严重。刀盘冷却装置：由于连续长距离掘进，刀具、刀盘等部件容易产生大量的热，温度的上升会影响润滑和密封的有效性，因此在盾构刀盘上必须配置喷水口和相应的管道，对掌子面进行降温。刀盘防结泥饼：686m深度范围为粉细砂岩与粉砂质泥岩互间层，细颗粒含量高，在盾构刀具挤压、摩擦、高温、离子吸附下极易结泥饼，导致刀具发生偏磨，缩短刀具、刀盘使用寿命。,（2）主轴承 寿命要求斜井长度达到6.3km，盾构机设备的主要部件的设计寿命应大于20km，主轴承寿命设计要求在15000h以上。密封要求沿斜井方向经过多个潜水含水层和承压水含水层，且在埋深约457m时的最大水压力达到3.7
9、5bar，因此主轴承最大承压能力必须大于3.75bar。,a.主轴承的密封分为内密封和外密封，外密封防止土仓中的砂土和泥水进入主轴承，内密封防止土仓中的砂土和泥水等进入传动箱内。b.根据主轴承密封系统的承载和使用寿命要求，可以选择外密封为5道、内密封4道的唇形密封圈。最外一道密封采用密封唇口向外的形式，以防止渣土、砂、地下水等添加剂等进入主轴承内。最内一道密封的密封唇口向里的形式，以防止润滑油的泄漏。,润滑要求主轴承的良好润滑不仅保证主轴承的正常工作，减小滚子和滚道的摩擦，降低发热量，还能减小主轴承的载荷。,（2）盾尾密封盾尾密封的主要作用是密封和润滑，即在管片脱出盾尾时防止外面的砂浆和地下水
10、进入盾构，延长密封件的寿命。对于盾尾密封有以下若干要求：良好的防水性能 一定的承压能力需要密封油脂能在一定的地下水压和地层压力下有效工作 耐磨性隧道长度大，盾尾密封刷的磨损较严重,（3）出渣系统双模盾构配置了两套不同的一级出碴系统：在土压平衡模式下采用螺旋输送机出碴，单护盾TBM模式下，用皮带出碴机出碴，并且在刀盘背面安装接碴斗。长距离大坡度掘进，出碴系统也必须满足的要求：功率要求由于存在6度坡角，皮带出碴与螺旋输送机的功率计算与水平掘进存在一定偏差，故要修正偏差避免功率不足引起的机器故障。,适应性要求施工中盾构要穿越砂质泥岩、细砂岩、灰绿色砂质泥岩以及砂卵石等不同的地层，需要皮带出渣机和螺旋
11、输送机有较广的适应性，以免大直径的渣土堵塞机器。,18号线起于火车南站，经三岔湖片区至天府国际新机场，线路长度（盾构法）：34.77Km最小转弯半径：600m纵坡：最大为26隧道穿越地质种类比较全面：区间范围内表层为人工填土，其下为黏性土、粉质粘土、粉土、粉细砂、卵石土夹粉细砂，下伏基岩为泥岩等。,3.2成都地铁18号线的路线与地质,3 选型举例,A：隧道典型断面一（火车南站环球中心站）：主要为中风化泥岩，局部密实卵石土。,B：隧道典型断面二（环球中心站世纪城站）：主要以密实卵石土为主，部分区域和中风化泥岩互层。,一、卵石地层施工风险：1.卵石层中掘进，刀盘扭矩大，对设备能力要求高；2.富水卵
12、石中换刀困难，短距离卵石层掘进前需提前换刀，长距离卵石层中掘进则需要降水施工和频繁换刀；3.大颗粒卵石中掘进有形成冲击荷载对刀具损害；卵石石英含量高，磨损性强，对刀盘、刀具和螺旋机磨损，造成损坏；4.卵石粒径20-150mm，粒径较大者难以进入刀盘，完整性好，造成对刀具的反复磨损；5.卵石层渗透系数大，地层若富水，涌水危险大；6.卵石坚硬，抗压强度大，因松散分布，刀盘前难以固定碾碎；,3.2.2工程地质重难点,1）砂卵石地层掘进主驱动扭矩问题中密、密实卵石层细颗粒成分含量少，渣土的摩擦阻力大，当渣土改良不佳时，土仓一旦建立压力则刀盘扭矩急剧增大，要求设备具有较大的驱动扭矩。,应对设计方案：1）
13、刀盘驱动系统具有足够的扭矩储备，最大扭矩系数28，脱困扭矩系数35；2）配备9路单管单泵泡沫系统以及膨润土系统对卵石地层进行渣土改良；,2）砂卵石地层掘进刀盘、刀具磨损及换刀困难问题在砂卵石地层掘进，对刀盘刀具磨损严重，且整个刀盘盘体及刀体本身直接与卵石接触，卵石不仅对刀具刃口有磨损，甚至对整个刀体和刀盘盘体产生磨损。由于砂卵石层细颗粒含量少，透气性好，在需要带压进仓换刀时很难保住气压，产生换刀困难的问题。,设计解决方案：刀盘面板及大圆环采用加强型耐磨措施，刀盘安装加强型18寸刀圈的滚刀，刮刀及边刮刀采用大合金耐冲击重型刀具；配备SAMSON保压系统，一用一备，增加可靠性。,3）螺旋机的磨损及
14、卡螺旋机问题盾构在砂卵石含量高地层掘进，渣土对螺旋轴叶片和螺旋机筒体的磨损作用强烈。大量卵石通过螺旋输送机，可能会造成螺旋轴的卡滞，甚至会对螺旋轴造成严重的损伤。,设计解决方案：螺机前端筒体设有可更换耐磨套，筒节内敷设耐磨复合钢板，螺旋输送机叶片焊接耐磨合金块；在密实砂卵石地层，可根据地层卵石粒径大小，通过在刀盘开口部位增加格栅的方法，限制卵石通过粒径使之与螺旋输送机通过粒径相匹配，防止螺机卡滞。,4）强透水地层的喷涌问题区间穿越的砂卵石层为强透水层，由于地层细颗粒成分含量少，不能自然形成能够止水的流塑状渣土，在渣土改良不到位时极易发生喷涌，导致土仓失压引起地层沉降，严重时会发生“塌坑”现象；
15、渣土含水量大，皮带机角度大会对文明施工造成较大影响。,设计解决方案：配备能力足够的渣土改良系统，预留聚合物改良系统接口；螺旋输送机出渣口处配置2道闸门以及保压泵接口；皮带机倾斜段采用10小倾角设计，驱动采用变频调速设计，提高携渣能力。,二、泥岩地层的施工风险成都地区泥岩抗压强度不高，破岩难度较小，但泥岩粘性大，易糊刀盘刀具，造成偏磨，开挖困难；泥岩中掘进，开挖的细小颗粒，易在刀盘、土舱、螺旋机结成泥饼，致使出土困难，刀盘、螺旋机扭矩增大，掘进不畅，甚至喷涌发生。泥岩对渣土改良的要求高，改良材料的消耗较大；泥岩对刀盘刀具的设计，其他部分的配置有较高要求；泥岩层开挖后的渣土，流动性强，粘附性强，对
16、隧道的文明施工，设备清洁保养带来较大影响；,1）刀盘泥饼问题泥岩地层粘粒成分含量大，渣土改良效果不佳时刀盘特别是中心位置可能会发生结泥饼现象；,设计解决方案：增大刀盘中心开口，提高中心渣土流动性能；土仓中心配有固定搅拌棒及高压水冲刷通道，提高土仓中心渣土流动性能；配置9路单管单泵泡沫系统。,2）皮带机打滑现象风化程度高的泥岩，往往容易形成大块状渣土，在水、泡沫的作用下，其表面光滑，会在皮带机倾斜段出现打滑现象。设计解决方案：皮带机倾斜段采用10设计，驱动采用变频调速，提高携渣能力。,3）管片上浮问题泥岩地层隧道成型相对较好，同步浆液凝结时间较长，管片上浮问题突出，造成管片错台破裂等不良影响，同
17、时影响掘进速度。设计解决方案：泥岩地层可通过垫块厚度调整边刀高度，减小开挖直径，可有效减少管片上浮量；配置同步双液注浆系统以及二次双液注浆系统，控制管片上浮。,4）上软下硬地层，盾构主机存在上漂问题设计方案：刀盘配备2把仿形刀，可实现掌子面底部超挖，有效抑制上漂；配置2s精度等级的激光全站仪。,砂岩地层的施工风险砂岩的强度较高，为较硬硬岩，对设备的破岩能力要求较高；砂岩的石英含量高，对设备磨损较大；砂岩裂隙密集区，易形成局部储水结构，有突然涌水的危险；砂岩为泥质胶结形成，使之遇水后具有流动性，便于排渣，但也因泥质胶结需针对渣土情况，进行渣土改良；,盾构机的构造及针对性设计,土压平衡盾构机构成：
18、1.盾壳、盾构推进千斤顶、盾尾密封、铰接装置2.刀盘和刀盘驱动支承机构3.螺旋输送机4.管片拼装机5.后配套设备。,盾体（盾壳）：安全保护作用承受荷载作用是盾构各机构的支承和安装基础盾体系统由前盾、中盾、尾盾等组成。,盾构机的构造及针对性设计,前盾由主驱动连接法兰、螺旋输送机连接座、盾壳、土仓隔板、人舱连接座等组成。土仓隔板上设有被动搅拌棒；土仓隔板上配置有向土仓添加渣土改良材料的注入口。土仓隔板上配置有高灵敏度的土压力传感器。此外隔板上还设有预留的电液通道、水气通道、保压孔等。,前盾（切口环）,前盾,推进机构,盾构调向表,铰接构造,铰接装置总推力24,000 kN 数量 2,000kN12根
19、 铰接方向全方向（上下、左右、倾斜方向）,超前注浆孔及布置在特殊工况下，需要对地质进行加固，防止开挖面坍塌造成地表沉陷。根据超前注浆的影响区域，沿中盾盾壳圆周设计有超前注浆管，可对地质进行超前钻探、注浆加固。同时在前盾隔板上布置有铰接式超前注浆管，可通过刀盘开口往隧道正前方钻孔及加固。,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,针对成都地铁18号线工程，盾体需解决以下几个问题：盾体的结构刚度满足工程需要；具备顶部超挖的趋势预警；具备连续有效的超前加固能力（用于处理飘石和掌子面加固）。,盾体的针对性设计,刀
20、盘驱动机构：驱动刀盘旋转，对土体进行挤压和切削，其位于盾构支承环的中部。前端与刀盘的法兰相连，后部和四周与压力壁法兰以螺栓联接。刀盘支承方式：有中心支承式、中间支承式和周边大轴承支承式,刀盘驱动机构,刀盘轴承构造,形式：3列圆柱滚子轴承寿命：10,000小时检测：温度监视系统润滑：自动润滑系统检查：油脂取样,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,中密、密实卵石层细颗粒成分含量少，渣土的摩擦阻力大，刀盘需要较大的搅拌力矩。当渣土改良不佳时，土仓一旦建立压力则刀盘扭矩急剧增大
21、，导致堵转。,主驱动设计,刀盘扭矩-转速对照表（12组3000kW）,配置的主轴承直径4800mm，采用12组变频电机驱动，驱动功率3000kW，最大18000kNm，脱困扭矩22500kNm。扭矩系数28，脱困扭矩系数35，扭矩储备较大。,主驱动的针对性设计,针对成都地铁18号线的地质情况，主驱动方面的针对性设计,大直径土压平衡盾构机刀盘要重点考虑以下几个问题：刀盘中心区域结构强度不足；刀盘如何承受高扭矩的强度和刚度；边缘滚刀数量如何保证较长的有效掘进距离；如何减少刀盘后续改造的工作量；,刀盘的针对性设计,刀盘的针对性设计,中心整厚板结构,辐条和面板的厚板,边缘滚刀,4道加强型传力环,刀盘的
22、针对性设计,中心块,边块,砂卵石地层的针对性设计：,镶嵌合金耐磨,中心大开口,正面及外周开口,正面复合耐磨板,泥岩地层的针对性设计：,搅拌棒,立体式喷嘴布置,中心正面喷嘴,高压冲洗,刀盘设计：刀盘的基本结构为辐条面板式，6个主梁+6个副梁，可安装滚刀，滚刀的刀座可实现滚刀与撕裂刀互换，为复合式刀盘，刀盘开口整个盘面均匀分布，开口率34%/36%，同时具备泥岩地层和砂卵石地层掘进能力。在泥岩地层刀盘开口率36%，利于进渣，防止泥饼产生。,卵石地层限制周边开口,设计为螺栓连接，可根据地层调整开口,刀盘设计,采用中心隔板固定设计，配有中心固定搅拌棒及高压水冲刷通道，固定搅拌棒可以与随刀盘转动的渣土形
23、成相对运动，对渣土进行搅拌，使之不能形成泥饼。,1）刀盘土仓中心防泥饼结构设计,相对运动区域,无相对运动区域,防止粘土附着和结泥饼对策（）,在刀盘进土口位置装备高压水喷射管,防止粘土附着和结泥饼对策（）,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,防止粘土附着和结泥饼对策（）,在土仓内隔壁上装备前后滑动式固定搅拌翼，并可从其前端添加泥浆,防止粘土附着和结泥饼对策（）,装备在刀盘内侧可以覆盖整个区域的搅拌翼,防止粘土附着和结泥饼对策（）,固定土仓隔壁中心部分，防止转动脚中心部分泥土堵塞,2）刀盘受力结构设计及刚度强度刀盘的6主梁结构可设置6个牛腿，结构受力合理，通过有限元分析，大应力部
24、位均配置足够的材料，刀盘强度和刚度均能满足各种地层的施工需要。,3）刀具设计:滚刀刀圈尺寸为18寸，刃宽30mm，高度187.7mm，增大了滚刀刀圈的允许磨损量，延长了换刀距离。滚刀的安装通过两个楔形块、拉紧块和长螺栓锁紧刀轴，能实现刀具的快速安装和拆卸。刀盘最外轨迹布置2把滚刀，能够更好的保证开挖直径，延长边刀的使用寿命，减少边刀更换的次数。边刮刀：边刮刀为弧形结构，数量12把，高度130mm，刀头材料采用KE13类材料（钨钴类硬质合金），具备良好的耐磨和抗冲击性能。,仿形超挖刀：超挖刀具有仿形功能，可直接通过主控室控制仿形刀伸出量，主要有以下三个作用：a.当遇到盾构机上漂时，仿形刀可在底部
25、伸出调整盾构姿态；b.作为最外轨迹刀具，当最外轨迹滚刀磨损之后，仿形刀可代替掘进一定距离；c.最外轨迹滚刀更换时，仿形刀伸出扩挖一部分,仿形仿形刀实物图,刮刀,4）长距离扩挖方式在硬岩地层小曲线半径长距离扩挖掘进时，采用加厚L型块加高边刀方式进行扩挖。,5）刀具互换性滚刀刀座上安装可更换式撕裂刀，满足局部软弱地层配刀需求。,6）刀盘耐磨设计刀盘前面板表面敷设6.4+6.4复合钢板，耐磨材料硬度为HRC58-62，刀盘外圈梁镶焊两圈耐磨合金块，可降低刀盘在卵石和砂砾层掘进时渣土对刀盘外圈梁的磨损。,耐磨复合钢板,耐磨合金块,7）刀盘磨损检测刀盘设置有4个液压式磨损检测装置，能够通过液压油泄漏后的
26、报警及时发现刀盘或刀具的磨损。,8）刀盘泡沫及膨润土喷口,磨损检测点,9路泡沫，其中两路与膨润土共用,2路膨润土（与泡沫共用）,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、泡沫和聚合物3种类型,喷出口阀门构造照片,喷口总成可以从刀盘背面抽出，完全损坏或阻塞不能疏通时可在土仓内抽出维修或更换。,安装及工作状态,洞内抽出维修或更换,刀具形状及特点,高100宽150,刀具形状及特点,特点总结 大型、坚固 适用土质的选择 可在土仓中更换 钎焊时温度管理和热处理,对应复合地层的刀具配置,复合地层的刀具装备与对策,可更换滚刀与强化先行刮刀
27、如岩石强度在30Mpa以下可使用强化先行刮刀进行掘进 如岩石强度为30250Mpa则应适用滚刀进行掘进,滚刀的形状与特点,尺寸：17英寸 允许磨损量：20 mm允许负荷：250 kN 允许线速度：150 m/min材质：特殊工具钢转动力：70 Nm,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,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 kN-m前端部 耐磨对策（套筒与
28、螺旋桨硬化堆焊）,耐磨措施的针对性设计：成都地区的砂卵石多是花岗岩风化冲击形成具有非常强的磨损性能，经常出现螺旋机筒体磨穿，螺旋叶片磨光的情况。,螺旋机的针对性设计,螺旋机耐磨措施方面针对设计：,结构组成螺旋输送机由螺旋轴，连接筒体，伸缩节，出渣节，驱动装置组成。,耐磨设计主要是叶片耐磨设计和筒体耐磨设计。1）叶片耐磨设计：叶片轴前部外圆镶焊合金耐磨块，在螺旋叶片迎渣方向堆焊耐磨网格。2）筒体耐磨设计：前盾螺旋输送机筒体内套表面贴有耐磨复合钢板，前端两节筒体内表面贴复合耐磨钢板。,螺旋机防止水喷涌对策（旋转出渣机）,隔壁螺旋机闸门构造,在隔壁处装备螺旋机前端闸门,管片拼装机和吊运系统应重点解决
29、的问题有：真空吸盘如何适应同时适应1800mm和1500mm，两类环宽管片的吊装需求；拼装和吊运系统如何在喷涌地层，保证正常的管片吊运和拼装作业；如何提高管片运输环节的卸载和运输效率。,管片拼装机和吊运系统的针对性设计,“双轮廓”真空吸盘,管片搬运装置,形式：双臂搬运方式吊具：双起重机方式结构：开挖面作业空间宽敞、简洁,渣土改良系统这对本工程需要重点考虑的问题有：具备强大的注入能力用以适应多种地层对于渣土改良系统的需求；具备防堵和通堵的能力；具备对掌子面、土仓和螺旋机等多点位多层次的改良能力。,渣土改良系统的针对性设计,盾构参数表,第一节 盾构机基本参数的确定盾壳外径刀盘直径主机长度盾构机重量
30、,第二章 盾构机关键参数及计算,盾壳外径 盾构的外径由管片外径、保证管片安装所需要的富余量、盾构的结构形式、盾尾壳体厚度以及修正蛇行时的最小余量等确定。式中：Ds管片外径；t盾尾壳体的厚度；盾尾间隙。盾尾间隙在实际使用数据中大多为2045mm,刀盘直径为了防止盾构被卡，刀盘直径D0一般大于前盾直径D11020mm。一般有前盾直径中盾直径盾尾直径的关系从而使盾构外形形成一锥形，进一步减小盾构由于地层沉降而被卡的风险。,主机长度盾构主机主要位于盾壳内，因此主机长度L可由前盾、中盾、盾尾三部分组成。前盾L1根据刀盘厚度、刀盘后面搅拌装置的纵向长度、土仓的容量（长度）等条件确定。中盾L2取决于盾构推进
31、油缸、排土装置、管片拼装机举重臂支承机构等设备的规格大小。盾尾长度L3,盾尾长度L3可按下式确定：式中：LD盾构推进油缸撑档的长度，m；B管片的宽度，m；CF组装管片的余度，m，通常取CF=（0.250.33）B；CR包括安装尾封材在内的后部余度，m。,盾构主机长度L与盾构直径D的比值一般称作盾构的灵敏度系数。L/D的比值大小可以反映出盾构主机在开挖曲线隧道时的方向控制能力。L/D越小，操作越方便。大直径盾构D6m时，取L/D=0.70.8（多取0.75）；中直径盾构（3.5mD6m）时，取L/D=0.81.2（多取1.0）；小直径盾构（D3.5m）时，取L/D=1.21.5（多取1.5）。,
32、盾构的灵敏度系数,盾构机重量盾构重量是指刀盘、盾壳、推进油缸、管片拼装机和其他安装在盾壳内的所有设备的重量的总和。,ZTE8600土压平衡盾构机重量、尺寸参数表,土压力是盾构承受荷载的主要部分，因此如何恰当地计算作用在盾构上的土压力的大小及分布，就成为了盾构设计和研究的首要问题。盾构隧道土压力的计算理论常用有两种，一种是假定作用在盾构上的土压力为盾构上全覆土重，另一种是考虑土体抗剪强度的松弛土压力理论，包括太沙基理论、普氏土压理论、谢家烋理论、比尔鲍曼理论等。,第二节 土压力计算方法及理论,全覆土理论认为盾构上的垂直土体压力是上覆土体土柱的重力式中：土体容重；h埋深。全覆土理论适用于浅埋隧道，
33、未考虑岩土拱效应的影响,全覆土理论,太沙基理论,计算洞顶岩层中任意深度一点垂直土压力T为：,图24 太沙基理论计算结果,图23 太沙基理论计算模型,比尔鲍曼理论,式中：B断面宽度；ht断面高度。,当埋深较小时，随埋深增加垂直土压力逐渐增大；当埋深较大时，计算结果出现负值，与实际完全不符，因此不适合于深埋隧道,隧道开挖后，上部土体形成压力拱，以压力拱作为滑移面，滑移面下部的土体将松动塌陷，滑移面上部的土体不受扰动影响,普氏理论,h0 压力拱的拱高，m；b自然拱的半跨度，b=bt+httan(/4-/2)；f岩石的坚固系数（无量纲），按普式系数取值表或可根据f=tan计算；ht隧道高度，m；bt隧
34、道半宽度，m。,普氏理论计算模型,土压力计算理论适用性归纳,盾构在结构设计和关键参数（推力、扭矩）的确定时，需要解决盾构上作用的载荷问题。主要包括：盾构周围的水、土压力载荷，盾构正面的水、土压力载荷，盾构本身自重，变向载荷，上覆载荷。松动高度h0可由计算得到的垂直土压力v换算得到,第三节 盾构上作用的载荷及分布,盾构周围作用的垂直土压力始终竖直向下，当盾构水平时，垂直土压力与盾构周围外法线方向呈角（0）盾构周围外法线方向上作用的土压力可由垂直土压力乘以外法线方向上的土压力系数K得到。,盾构周围作用的土压力载荷,式中：K水平土压力系数。,则盾构上半部分周围外法线方向作用的土压力为：盾构下半部分受
35、到的载荷为：盾构主机自重产生的地层反力pg,Wg盾构主机自重；D盾构机直径；L盾构主机长度。,盾构周围作用的水压力载荷为：hw盾首顶部水头高度；w水的容重；q渗透系数，对于砂土q=0.51.0；粘性土q=0.10.5，风化岩层q=00.5。,盾构周围作用的水压力载荷,刀盘正面作用的载荷为开挖面的水平土压力载荷：式中：r刀盘正面上任意一点距刀盘中心的距离。,刀盘正面作用的土压力载荷,盾构水平掘进时刀盘正面作用的土压力,水压力方向始终垂直于刀盘面板，同样考虑到渗透系数的影响，盾构刀盘正面作用的水压力为：,刀盘正面作用的水压力载荷,式中：hw盾首顶部水头高度。,盾构进行曲线施工或修正方向时，会受到来
36、自周围围岩与其偏心推力相平衡的地基抗力的作用。称此抗力为变向荷载。,变向载荷,考虑变向荷载的盾构荷载模型,在土木学会、日本下水道协会制定的盾构用标准管片中规定，当在道路下面修筑隧道时，应考虑路面载荷，将其视为上覆载荷，可取10kPa。,上覆载荷,从盾构的载荷模型可知，盾构承受着来自开挖面和盾壳周围的土压力和水压力的作用，因此，随着盾构的推进，盾构推进力必须克服盾壳与周围地层的摩阻力、盾构机推进时的正面推进阻力、管片与盾尾间的摩阻力以及后接台车的牵引阻力。一般盾构机推进力（简称推力）按下式计算：,第四节 盾构机推力计算,式中：F1盾构推进时刀盘正面的水土压力产生的阻力；F2盾构与周围土体产生的摩
37、擦阻力；F3盾尾与管片的摩擦阻力；F4切口环贯入阻力；F5盾构变向阻力；F6牵引后配套台车阻力；F7刀具贯入土体产生的阻力；FX盾构下坡掘进时自重沿掘进轴线的分量，为主动力。,在实际的推力配置过程中，为保证推力充足以及脱困时的推力，总推力应大于计算得到的推力F，并留有安全系数：式中：A安全系数，一般可取23。,盾构机的总装备推力的检验值可按下式计算：,在刀盘正面取一微元进行受力分析该微元受到的水土压力产生的作用力为：,刀盘正面的水土压力产生的阻力F1,考虑刀盘开口率的影响,式中：刀盘开口率,细小长条矩形受到周围土体的正压力为：则土体对盾构上半部分产生的正压力N1为：盾构下半部分受到土体的正压力
38、N2为：,盾构与周围土体产生的摩擦阻力F2,盾构壳体与周围土体产生的摩擦阻力F2为：,1盾壳与周围土体的摩擦系数。,主机自重为Wz,尾与管片的摩擦力F3：式中：n4盾尾内管片环数；Ws每环管片的自重；D0管片外径；b每道盾尾密封刷与管环的接触长度；PT盾尾密封刷的压强；n5盾尾密封刷的层数；3盾尾密封刷与管片的摩擦系数。,盾尾与管片的摩擦阻力F3,由管片与盾尾内壁间摩擦阻力和盾尾密封刷引起的摩擦阻力两部分组成,切口环阻力F4为：式中：De盾构外径；Di盾构内径；q切口环插入处地层土的平均抗压强度；Z切口环插入地层深度；pe切口环插入处地层的摩阻力强度。,切口环贯入阻力F4,盾构切口环未凸出刀盘
39、时，无切口环阻力,盾构直线掘进时，没有变向阻力；盾构蛇形或曲线掘进时，此时变向阻力F5为：其中，式中：lJ推进油缸的安装半径；Bg管片宽度；RC曲线施工半径；L盾构主机长度；D盾构机直径；k地基抗力系数,盾构变向阻力F5,牵引后配套台车阻力F6式中：2后配套聚氨酯轮与仰拱面的滚动摩擦系数，或后配套台车钢轮与轨道的滚动摩擦系数；Wp为后配套台车自重。,牵引后配套台车阻力F6,刀具贯入土体产生的阻力F7为：式中：n1滚刀的数目；FV1滚刀破岩的垂直力n2正切刀的数目FV2切刀破岩的垂直力,刀具贯入土体产生的阻力F7,当盾构上下坡掘进时，主机自重与后配套台车自重将产生沿着轴线方向的分量：Wp为后配套
40、台车自重。Wz为主机自重 为坡角,盾构机自重产生的下滑力FX,土压平衡式盾构机在掘进过程中，作用于刀盘上的载荷主要有：刀盘正面的土压力、刀盘侧面的土压力以及渣土仓的渣土压力。随着刀盘的旋转，刀盘与土体发生剪切和摩擦，从而产生各个阻力扭矩。,盾构机扭矩计算,在实际盾构施工中发现装备扭矩与盾构机的外径有很大的相关性，通常可用下式表示：式中：Te装备扭矩；D盾构机外径；1刀盘支承方式决定系数，简称为支承系数；2土质系数；0稳定掘削扭矩系数。,0扭矩装备系数，一般取823,就中心支承式刀盘而言，1=0.81；对中间支承方式而言，1=0.91.2；对周边支承式而言，1=1.11.4。对密实砂砾、泥岩而言
41、，2=0.81；对固结粉砂、粘土而言，2=0.80.9；对松散砂而言，2=0.70.8；对软粉砂土而言，2=0.60.7。对土压盾构而言，0=1423 kN/m2；对泥水盾构而言，0=918kN/m2；对开放式盾构而言，0=815kN/m2,式中T1 刀具切削地层时的地层抗力扭矩 kNm；T2 刀盘正面与土体之间的摩阻力扭矩 kNm；T3 刀盘背面摩阻力扭矩 kNm；T4 刀盘开口内土柱的剪切摩阻力扭矩 kNm；T5 刀盘外围与土层的摩阻力扭矩 kNm；T6 刀盘构造柱和搅拌臂搅拌阻力扭矩 kNm；T7 刀盘密封的摩阻力扭矩 kNm；T8 轴承的摩阻力扭矩 kNm；T9 减速装置摩擦损耗扭矩
42、kNm。,盾构机刀盘设计扭矩Td的构成如下：,刀具切削土体时的切削阻力矩：滚刀的切削扭矩为：式中，m滚刀的数量；m刀盘上滚刀的数目；FR盘形滚刀滚动力；Rq盘形滚刀平均安装半径，一般可取Rq=0.59(D/2)。切刀的切削扭矩为：式中：m 刀盘上切刀的数目；F1i第i把切刀上受到的切削阻力；Ri第i把切刀与刀盘中心的距离。,刀具切削土体时的切削阻力矩T1,取刀盘面板上一微元进行受力分析刀盘正面转动摩擦阻力矩为：式中 K侧向土压力系数；摩擦系数 刀盘开口率；DC盾构掘进机刀盘外径m；,刀盘正面与开挖面土体之间的摩擦阻力矩T2,刀盘旋转切削，刀盘除了正面和侧面与周围地层有摩擦外，刀盘的背面与土压舱
43、内的渣土也存在相互摩擦,对于面板式刀盘，计算刀盘背面摩擦阻力扭矩时要去掉开口部分面积。,刀盘背面的摩阻力扭矩T3,刀盘切削下来的渣土从刀盘（面板式）开口挤进泥土压力舱，开口内土柱将随着刀盘的转动一同旋转，并与开挖面和渣土舱内的土体产生剪切摩擦,刀盘开口内土柱的剪切摩阻力扭矩计算如下：,刀盘开口内土柱的剪切摩阻力扭矩T4,刀盘开口率,渣土仓内初始平均渣土压力,在刀盘转动切土过程中其外围与土体发生摩擦，产生作用于刀盘外围的摩擦阻力扭矩对于无粘性土T5计算式如下：,刀盘外围的摩擦阻力扭矩T5,刀盘切削下来的碴土通过刀盘的开口进入泥土仓内，再通过刀盘构造柱和搅拌臂的搅拌成为均匀的流塑态土体。刀盘构造柱
44、和搅拌臂搅拌阻力扭矩T6,刀盘构造柱和搅拌臂搅拌阻力扭矩T6,刀盘构造柱的搅拌扭矩,刀盘搅拌臂的搅拌扭矩,1)刀盘密封装置的摩擦阻力扭矩T7,刀盘上作用的其它摩阻力扭矩计算,轴承的摩擦阻力扭矩T8 轴承摩阻力决定的扭矩可用下式表示：,3)减速装置摩擦损耗扭矩T9 驱动机械的摩耗系数；一般可取为不大于0.02。常用装备扭矩(KNm),以上9项扭矩值中T1T6，6项的扭矩值与地层中的土体参数密切相关；T7、T8、T9，3项的扭矩值系盾构机自身的摩擦损失。实践发现，T1T6项扭矩值的和占9项总和的90以上。,成都地铁1号线地质参数计算结果,土压平衡盾构掘进时影响刀盘扭矩的因素包括：(1)盾构隧道线型和施工地质条件的影响；(2)刀盘结构形式及尺寸参数的影响；(3)刀具结构形式、分布、数量的影响(4)刀具切削深度的影响；(5)辅助材料的添加的影响；,(1)地质条件对刀盘扭矩的影响,土体参数对扭矩的影响,土质条件对刀盘扭矩的影响,隧道埋深和地下水位的影响,隧道埋深对刀盘扭矩的影响（砂砾土层）,土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩与刀盘开口率成2次关系，且随着刀盘开口率的增大刀盘扭矩减小,切削面和刀盘结构形式不同对刀盘扭矩的影响,刀盘的扭矩随着刀盘直径的增大而增大,刀盘尺寸与刀具参数对扭矩的影响,随着切削深度的增加，刀盘扭矩也相应增大,THE END 谢谢!,
