1、土压平衡盾构设备选型技术

土压平衡盾构设备选型技术1 前言盾构法施工由于具有施工速度快、安全、质量好、对周围环境影响小等优点，已越来越多地在城市地铁隧道施工中得到广泛的应用。盾构机作为盾构隧道施工的最主要的设备，盾构选型及设备参数选择直接关系到隧道施工的成败。如果盾构机选型不合适或设备参数设计不当，轻则影响施工进度，拖延工期，造成经济损失；重则引起重大安全事故，甚至人员伤亡。因此，盾构选型及设备参数选择具有重要的意义。2 适用范围 目前地铁施工中常用的土压平衡盾构机，其中包括软土盾构机、复合盾构机。3 盾构机选型的原则 盾构选型一般按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行，这几个方面互为补充、相互统一。3.1 适用性原则根据工程水文地质要求和施工行业要求、环境接口要求来进行选型。3.2 可靠性原则根据工程施工要求如地表沉降要求、施工防水要求、管片衬砌要求和环境保护要求，选择施工可靠的设备。3.3 先进性原则根据盾构行业发展情况，综合比较选择先进性的盾构设备，以利于施工企业集中管理和工人的人性化操作。3.4 综合性原则结合工程特点，根据市场比较，选择综合性价比高的盾构设备，满足工程造价的需要。4 盾构机选型的要点由于盾构推进的不可逆转性，一旦推进开始，一般不应出现较大的机电故障及缺陷问题，这既是施工进度方面的需要，也牵扯了很大的质量、安全问题，因此盾构机的可靠性设计显得十分重要。在选型时以下几个方面需要予以重点考虑：4.1 盾构机主轴承寿命大小设计；4.2 刀盘开口率及耐磨性设计，刀具的类型、数量及在面板上的分布方式。盾构机在复合地层中掘进时，应重点考虑刀具的破岩能力、换刀方式；4.3 刀盘驱动方式、扭矩大小的设计；4.4 铰接的设计方式，能否满足曲线施工、方向修正时的需要；4.5 螺旋输送机的输送能力、扭矩及密封性设计；4.6 人闸的密封性设计；4.7 盾尾密封刷的密封能力设计、同步注浆管路在盾尾上的位置及分布设计。5 盾构机选型及参数计算5.1 软土盾构机选型及主要参数计算（以西安项目部适用管片外径为6000mm的土压平衡盾构机为例）5.1.1 盾体及盾壳5.1.1.1 盾构机外径尺寸选择盾体使用钢板焊接而成的圆形筒体，为了更好地适应软弱地质情况，防止地面的沉降，减少同步注浆的注浆量，前盾、中盾、盾尾直径相同。盾构直径是盾构机的外径，盾构直径必须根据管片外径及盾尾间隙和盾壳厚度进行确定，计算公式如下：D=d+2(x+d,)式中：D：盾构机外径（mm） d：隧道外径(mm) x：盾尾间隙(mm) d,: 盾尾钢板厚度(mm)西安地铁盾构内径为5400mm，盾构管片厚度为300mm。为了满足盾构机转弯及同步注浆的需要，根据经验，选取盾尾间隙为30mm，盾壳厚度为40mm，经过计算，得出盾构机外径为6140mm。5.1.1.2 盾尾注浆壳及油脂管路选择盾尾壳体上设置同步注浆管路和盾尾油脂注入管路，并设置3道盾尾密封刷，形成了两个空腔，通过6处12根盾尾油脂注入管路注入盾尾密封油脂，防止地下水和注浆材料进入隧道，保持压力稳定，控制地面沉降。因盾构机在软土地层中掘进时，摩擦阻力较小，可考虑将注浆壳设置在盾壳外部，高于盾构机壳体120mm。一方面满足同步注浆的需要，另一方面当盾构机出洞后，方便拆下注浆壳对堵塞的注浆管路进行疏通。盾尾同步注浆管路和盾尾密封刷布置见下图：图1 盾尾同步注浆管路和盾尾密封刷布置图5.1.2 刀盘及刀具布置5.1.2.1 刀盘选择刀盘结构的设计要充分考虑盾构机在黄土、软土中的掘进，同时防止渣土在开挖面及刀盘之间形成泥饼，在设备选型时可考虑增大刀盘开口率，让渣土进入土仓，根据同类地质的施工实例以及以往的施工经验，选择面板型刀盘，同时将刀盘的开口率设定为40%。盾构机在软土地层中掘进速度较快，为了对渣土进行充分的改良，必须在刀盘以及土仓内设置泡沫及添加剂注入口，使经过改良的土体具有充分的流动性及合宜性。在设计时刀盘面板设置沿径向设置5个注入口，土仓内设置4个，掘进过程中充分、全面的向开挖面和土仓注入泡沫及添加剂，改良渣土。5.1.2.2 超挖刀选择因注浆壳体高于盾壳120mm，盾构机在出入洞门及过加固区时，超挖要对4个注浆壳体部位进行超挖，防止推力过大及盾构机被卡死。超挖刀只需一个即可，但为了安全起见，设置了两个，最大超挖量为125mm。5.1.2.3 刀具选择盾构机在软土地层中掘进，土体的抗压强度低，只需选择用于软土层切削的刀具即可，结合地层情况及施工经验，刀盘刀具布置如下图：图2 刀盘刀具布置图其中，主切削刀76把（80mm高），周边刮刀12把（80mm高），51把先行刀，高于面板110mm，周边双刃刮刀4把，超挖刀2把。5.1.3 刀盘扭矩选择5.1.3.1计算条件 水、土分离计算，全覆土 土质 软土、黄土 覆土 H 约15m水头 Hw 约3m土的单位体积质量 水位上部 W0 1.95t/m3土的单位体积质量 水位下部 W1 0.95t/m3水的单位体积质量 W2 1t/m3标准贯入试验值 N 内摩擦角 22.4deg地面载荷 S 1t/m2土压系数 K1 0.7铁和土的摩擦系数 f 0.3盾构机外径 d 6.14 m盾构机半径 r 3.07m壳体长 L 8.18 m盾构机质量 G 223 t掘削断面积 A 29.61m2刀盘开口率 40%刀盘半径 rc 3.065 m刀盘幅度 Ds 0.45 m切削抵抗系数（见下表） es 0.12切削刀刃宽度 B0 12 cm切深 t 3 cm切削刀刃的前角 0.087 rad主刀具数量 （安装总数的一半） n 45个主刀具平均安装半径 Rk 1.585m5.1.3.2各参数的计算作用在壳体上的土压为上部土压P1、侧压P2及下部土压P3的平均值。上部土压P1P1 = （HHw）×W0 + Hw×W1 +S 271516.7 Pa 27.7/m2 侧压P2P2 = K1×（P1+r×W1） 210082.5 Pa 21.4tf/m2 下部土压P3 P3 = P1+G/（d·L） 314390.2 Pa 32.1tf/m2 平均土压PP = （P1+2·P2+P3）/4 251518Pa 25.6tf/m2 5.1.3.3所需扭矩计算盾构机刀盘扭矩由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩、刀具的运转阻力矩等组成。（1）刀具的切削阻力矩 表1 不同土质阻力矩表es松弛干燥砂0.0080.01松弛湿润砂0.010.02密实湿润砂0.020.04粘土0.40.12 一个切削刀刃所需的阻力矩H根据村山·田经验公式计算 H = 9.81×1.8×es×B0×t2×10（-0。56·） 2046 N 208.5kgf T1 = n·H·Rk 141302 N.m 14403.8kgf.m（2）刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩 T2 T2 = 2/3××P2×f×（1-）×rc3 1445 kN.m 147.3tf.m（3）刀盘面板外周与地层间的摩擦阻力矩 T3 T3 = 2××P×f×l×rc2 2005kN.m 204.4tf.m（4）所需扭矩 T T = T1+T2+T3 3591kN.m 366.0 tf.m盾构机选择扭矩T0为5147KN.m 安全率SO=T0/T=5147/3591=1.43由计算可知，盾构机扭矩选择为5147KN.m留有了一定的余量，可以完全满足软土地层掘进的需要。通过选择比较电机驱动和液压驱动两种刀盘驱动方式，在满足5147KN.m的基础上，变频电机驱动具有传动效率高，发热少，噪音小等特点，故选用变频电机驱动。5.1.4 推进系统选型5.1.4.1 推进计算条件土质 黄土、软土覆土 H 约15m水头 Hw 约3m土的单位体积质量 水位上部 W0 1.95t/m3土的单位体积质量 水位下部 W1 0.95t/m3水的单位体积质量 W2 1t/m3标准贯入试验值 N 50