盾构选型及参数计算方法

盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，它具有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍。较长地下工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。些外，对修建穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采用盾构法施工，也具有十分明显的技术和经济优势 。

采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之一，盾构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。

1.盾构机选型主要原则

1.1盾构的选型依据

盾构选型主要应考虑以下几个因素：

1）工程地质、水文条件及施工场地大小。

2）业主招标文件中的要求。

3）管片设计尺寸与分块角度。

4）盾构的先进性、适应性与经济性。

5）盾构机厂家的信誉与业绩。

6）盾构机能否按期到达现场。

1.2 盾构的型式

1）敞开式型盾构

敞开式型盾构是指盾构内施工人员可以直接和开挖面土层接触，对开挖面工况进行观察，直接排除开挖面发生的故障。这种盾构适用于能自立和较稳定的土层施工，对不稳定的土层一般要辅以气压或降水，使土层保持稳定，以防止开挖面坍塌 。有人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构。

2）部分敞开式型盾构

部分敞开式型盾构是在盾构切口环在正面安装挤压胸板或网格切削装置，支护开挖面土层，即形成挤压盾构或网格盾构，施工人员可以直接观察开挖面土层工况，开挖土体通过网格孔或挤压胸板闸门进入盾构。根据以往大量工程经验，通常都将挤压胸板和网格切削装置组合在一起安装在盾构上，形成网格挤压盾构。这种盾构适用于不能自立、流动性在的松软粘性土层、尤其是对隧道沿线地面变形无严格 要求的工程。当盾构采用网格开挖时，应将安装在网格后面的挤压胸板部分或大部分拆除，利用网格孔对土层的摩擦力或粘结力对开挖面土层进行支护，当盾构向前推进时（一般是盾构穿越江湖、海底或沼泽地区），应将挤压胸板装上，盾构向前推进时，可将土体全部排挤在外面，不进入盾构；另外也可根据具体情况和盾构推力在大小和方向控制要求，选择和操纵挤压闸门控制一定的进土量，以使盾构顺利掘进。

有时在网格装置和挤压板后面加装一道隔舱板形成一道泥土舱，然后向泥土舱注水并与弃土搅拌形成泥浆，再通过管道将弃土泥浆排往地面，可进一步提高施工效率，改善隧道内施工环境。

3）封闭型盾构

封闭型是在盾构切口环和支承环之间增设一道密封隔舱板，在开挖面的土层和密封隔舱板之间形成密封泥土舱，盾构施工时，通过对密封泥土舱中的压力进行控制，使其与开挖面土层水、土压力保持平衡，从而使开挖面土层保持稳定。施工人员不能直接观察开挖面土层工况，而是通过各种检测传感装置进行显示自动控制。封闭型盾构主要有泥水加压式和土压平衡式两大类型。

（1）泥水加压盾构

在盾构内设一道密封隔舱板，在隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱，在泥水舱内充以压力泥浆支护开挖面土层，利用泥浆压力平衡开挖面土层水、土压力，并在土的表面形成一层不透水的泥膜，同时泥浆中的细微粘粒在极短时间内渗入土层，有利于增强土层自立能力。由刀盘开挖下的泥土经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后，形成浓稠泥浆，用管道排送到地面处理场，再通过分离处理排除土碴，余下浆液经浓度、比重调整后又重新送入盾构循环使用。

泥水加压盾构适用于土层范围很广，从软弱粘土、砂土到砂砾都可适用。对一些特定条件下的工程，如大量含水砂砾，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，尤其是超大直径和对地表变形要求高的工程都能显示其优越性。另外对有些场地较宽、有丰富水源和较好排放条件或泥浆仅需作简单沉淀处理排放的工程，这种方法可较大地降低施工成本。

泥水加压盾构刀盘，多使用面板式结构，进土槽口宽度应按土质而定，一般槽口宽应小于排泥管口径，以免大块石堵塞管道，刀盘开口率一般在8%～10%左右。

采用泥水加压盾构施工，不需辅以其它（气压、降水）工艺来稳定开挖面土层，其施工质量好、效率高、安全可靠。然而它需要一套技术较复杂的泥水分离处理设备，投资较高，占地面积大，尤其是在城市施工困难较大。

（2）土压平衡式盾构

在盾构密封泥土舱内利用开挖下的泥土直接支护开挖面土层，既具有泥土加压盾构的优点，又消除了复杂的泥水分离处理设施，受到工程界的普遍重视。土压平衡式盾构可根据不同的地质条件采取不同的技术措施，设计成不同的类型，能适应从松软粘性土到砂砾土层范围各种土层内各种土层施工。

a）普通型的土压平衡式盾构

普通型的土压平衡式盾构适用于松软粘性土，由刀盘切削下的泥土进入泥土舱，再通过螺旋输送机向后排出。由于经过刀盘切削和扰动，会增加泥土的塑流性，在受到刀盘切削和螺旋输送机传送后也会变得更为松软，使泥土舱内的土压力能均匀传递。通过调节螺旋输送机转速或调节盾构推进速度，调节密封泥土舱内的土压力，并使其接近开挖面静止土压，保持开挖面土层的稳定。

普通型土压平衡式盾构一般使用面板式刀盘，进土槽口宽在200～500㎜左右，刀盘开口率约为20%～40%。另外在螺旋输送机排土口装有排土闸门，有利于控制泥土舱内土压和控制排土量。

b）加泥型的土压平式衡盾构

当泥土含砂量超过一定限度时，土和砂的流动性就差，靠刀盘切削扰动，难以使泥土达到足够的塑流状态，有时会压密固结，产生拱效应。当地下水量丰富时，通过螺旋输送机的泥土，就不能起到止水作用，无法进行施工。此时，应在普通型土压平衡式盾构基础上增加特殊泥浆压注系统，即形成加泥型的土压式平衡盾构。对刀盘面板、泥土舱和螺旋输送机注入特殊粘土泥浆材料，再通过刀盘开挖搅拌作用，使之与开挖下来的泥土混合，使其转变为流动性好和不透水性泥土，符合土压平衡式盾构施工要求，符合土压平衡式盾构施工要求。 为了降低刀盘传动功率和减小泥土移动阻力，加泥型土压平衡式盾构刀盘为有幅条的开放式结构，开口面积接近100%，并在刀盘背面安装能伸出来若干能对土砂搅拌的叶片 ，以便对土砂进行强力搅拌，使其变成具有塑流性和不透水性的泥土。另外，　要求注入浓度、粘性更高的泥浆材料才能改变土砂的功能时，往往难以用刀盘搅拌达到目的，这将大大增加刀盘和螺旋输送机的机械负荷，造成盾构施工困难。此时应注入发泡剂代替泥浆材料，因为发泡剂材料比重小、搅拌负荷轻，可使刀盘扭矩降低50%左右。盾构排出土砂中的泡沫会随时时间自然消失 ，有时在泥土中加入消泡剂，可加速泡沫的消失，保持良好的作业环境。

c）加水型土压平衡式盾构

在砂层、砂砾层透水性较大的土层中，还可以采用加水型土压平衡盾构。这种盾构是在普通型土压平衡式盾构基础上，在螺旋输送机的排土口接上一个排土调整箱，在排土调整箱中注入压力水，并使其与开挖面土层地下水压保持平衡。经过螺旋输送机将弃土排入调整箱内与压力水混合后形成泥浆，再通过管道向地面排送。开挖面的土压，仍由密封的泥土舱内土压来平衡。盾构掘进时，刀盘不停地对土层进行开挖和搅拌，使密封的泥土舱内的土砂处于均匀状态，土砂颗粒之间的空隙被水填满，减少了土砂颗粒之间有效应力，增加了流动性，从而能顺畅地通过螺旋输送机送入排土调整箱。在调整箱内通过搅拌混合，向地面处理场排放。

加水型土压平衡盾构的泥水排放系统与泥水加压盾构相似，但注入的主要是清水，无粘粒材料，无需对注入的水进行浓度、比重控制，泥水分离处理设备和工艺也大为简化。这种盾构刀盘一般使用面板式结构，进土槽口尺寸可根据土体中砾石最大尺寸来决定，刀盘开口率一般在20%～60%左右。

d）泥浆型土压平衡式盾构

这种盾构适用于土质松软、透水性、易于崩塌的积水砂砾层覆土较浅、泥水易喷出地面和易产生地表变形的极差地层的施工。这种盾构具有土压平衡盾构和泥水加压盾构的纺织系统双重特征。盾构掘进时，应向盾构内注入高浓度泥浆，通过搅拌，使土砂混合成泥土，并充满泥土舱，支护开挖面。由于从螺旋输送机的排土口装上一个旋转排土器既可保持泥土舱内土压的稳定，又可不断地从压力区无压区内顺利排出。但从排土器排出的泥土呈泥浆状，不能用排送干土方式，排送向地面，同时泥浆浓度较高，无法通过管道排出，从螺旋输送机排出的泥土，是在泥浆槽中经水稀释后再以流体形式通过管道排往地面。

这种泥浆型土压平衡盾构机的泥土舱的泥浆供入系统和排出系统是两个回路，所以从泥浆排出系统操作所造成的压力波动，对泥土舱内支护压力无大影响，使盾构操作控制更为简便。

这种泥浆型土压平衡盾构机通常采用面板结构，进土槽宽度可按土层中最大砾石尺寸决定。刀盘开口率一般在40%～60%左右。由于泥浆型土压平衡盾构多用于巨砾土层，因此排土多采用带式螺旋输送机，可比同样大小中心轴式螺旋输送机排出的石块粒径大一倍左右。

（3）复合型盾构（盾构掘进机）

采用盾构掘进长距离隧道，会遇到复杂多变的地质条件，往往用一种类型的盾构难以完成施工任务，因此出现了复合型盾构。

所谓复合型盾构，就是在软土盾构的刀盘上安装切削岩层的各式刀具，有的还在盾构内安装碎石机，这种硬岩开挖工具与软土隧道盾构机械相结合，能在硬岩和软土地层交替作业。复合型盾构刀盘上安装的刀具，应根据不同岩层条件而定。

软土地层：主要采用割刀。安装在刀盘进土槽口两侧。

硬岩地层：主要采用盘式滚刀，对于更坚硬的地层，应安装牙轮形和镶嵌碳化钨珠形的滚轮刀。

软硬混合交替夹层：应采用不同形式的刮刀取代滚刀，其开挖方法是刮下块状石块，使其对软塑土层更有效地进行开挖。

上述各种刀具，应能相互调换，以便随岩层的变化进行有效选择。

复合型盾构主要有以下三种类型：

a）泥水加压型复合盾构

以泥水加压盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，对大块卵石、块石应在盾构内安装碎石机。当盾构地软土层施工时，可按封闭型泥水加压盾构进行施工；当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具即能快速转换成敞开型机械盾构施工，而碴土排送仍采用水力管道排送。

b）土压平衡型复合盾构

以土压平衡盾构为基础，与硬岩开挖技术相结合，当盾构在软土　层施工时，可按封闭型土压平衡盾构进行施工；而当遇到　硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同刀具就能快速转换成敞开型机械盾构施工，为了排送尺寸较大的石块，可选用带式螺旋输送机。

c）敞开型复合盾构

以普通机械开挖盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，施工时只要根据遇到的不同土层条件，及时转换安装适当的刀具，就能使施工继续进行。

由于盾构掘进机，适应性较广，主要以它为例。

2.盾构掘进机的工况的转换

盾构掘进机具有土压平衡状态和非土压平衡状态两种工况，能够适应软、硬两种地层的施工。根据地质情况，能够实现两种工作状态的互换。盾构掘进机从非平衡状态向土压平衡状态下的过渡：根据地质超前预报的信息，在前方遇到围岩不稳定的软土地带、断层带及涌水几率较高的地段时，及时关闭螺旋输送机的闸门，在盾构掘进机的密封隔板与开挖面形成的密封碴舱和螺旋输送机内充满刀盘切削下来的碴土，在盾构掘进机推进油缸的推动作用下，给泥土仓内的碴土施加压力，通过控制出土量，保持泥土仓的土压力与开挖面的土压相平衡，从而起到稳定开挖面地层，防止地表变形的作用，来实现从非土压平衡状态向土压平衡状态的转换。

盾构掘进机从平衡状态向非土压平衡状态下的过渡：在岩石稳定性好的地段，盾构掘进机可以在非土压平衡下进行隧道施工，不需要维持泥土仓的压力来稳定开挖面，可排空碴仓，此时因为碴仓内没有土压力，盾构掘进机有较高的掘进速度并且易于操作。

3.盾构掘进机的功能描述

3.1、推进特点

1）土压平衡盾构的推进

盾构掘进机具有土压平衡功能，在通过地层断裂带及工作面不稳定时，可以建立土压平衡，确保工程安全和工程质量；

土压平衡盾构适应在残积层、全风化层、强风化层等软弱围岩中进行掘进，根据碴土的塑性和流动性，在刀盘前和土仓内注入膨润土、高浓度泥浆、发泡剂等，与刀盘切削下来的岩土在土仓内进行搅拌，使其变为塑性的土体，通过控制掘进速度和调节螺旋机的转速两个方面来控制出土量，以调整切削腔室的土压的稳定，达到保持开挖面的稳定和控制地面沉降的目的，土仓内的土压力需在施工中根据地面的沉降量不断修正，土压力过小会引起地表沉降，土压力过大会引起地表隆起。

2）非土压平衡盾构的推进

当工作面岩土稳定时，也可以加大排土量，排空泥土仓的土碴，在泥土仓的压力处于不平衡状态下进行正常掘进。

非土压平衡盾构适应于在中风化层、微风化层等硬岩中进行掘进，因岩石的稳定性好，尤其是微风化层天然单轴极限抗压强度最高达44.6~45.8 MPa，盾构可以在非土压平衡状态下进行隧道施工，不需要靠泥土仓的压力来稳定开挖面，可将土仓内的碴土排空，用管片衬砌背后及时注浆的方法来控制地面沉降。盾构主要依靠盘形滚刀来破碎岩石，滚刀在盾构掘进机的推进作用下压入岩体，碾碎岩石。滚刀在刀盘上按螺旋线排列，使得在整个工作面上的岩石均被破碎。

在掘进的同时，注入泥浆及添加剂，一方面泥水可降低切割岩石的摩擦力，减小刀盘扭矩，同时也起到辅助破岩的作用。

当切削刀盘旋转开挖，盾构掘进机有一个自然趋势滚向相反的方向，为确保盾构掘进机的稳定，在盾构掘进机的前部设有一对撑靴，当在开挖较硬的地层而出现滚动时，将撑靴伸出，撑在隧道周边上，它能抵抗这种滚动趋势。

3）盾构掘进机在软、硬不均断面地层中的推进

盾构掘进机在穿越残积层、全风化层与微风化层的混合断面时，盾构掘进机姿态可能会向软弱地层的方向偏移。可以采取将偏移方向的推进油缸的工作油压提高，同时降低相反方向推进油缸的工作油压，使盾构的掘进机推进力形成纠偏力矩，依此来调整盾构掘进机的姿态。

4)盾构掘进机穿越断层带的推进

比如，在广州火车站至三元里站区间，走马岗断裂带在隧道底部通过；在越秀公园附近有一广从断裂带，这些断裂破碎带富水性较好，施工时可能出现涌水现象，在该段地层中，采用土压平衡工况掘进是非常可靠的。

5）盾构掘进机穿越火车站的推进

比如，盾构掘进机在穿越广州火车站时，为保障铁路不减速的运行安全，主要应满足轨道的沉降要求。可以采取以下措施：

a）在铁路两侧设沉降观测点，进行跟踪测量，及时通知开挖面优化盾构掘进参数，切实保证开挖面的土压平衡，使土仓压力波动控制在最小的幅度，尽可能减少盾构掘进机对周围土体的扰动。

b）采用及时和二次注浆，及时对管片衬砌盾尾间隙进行充填注浆， 10m后再进行补压浆。

c）在穿越铁路时，进行管片外2～3m的径向压力劈裂注浆；控制地层沉降引起的轨道下沉，保证列车安全运行。

4.主要机构的功能描述

此次投标选用的是盾构掘进机，主要由盾壳、刀盘、推进系统、螺旋输送机、盾尾密封、铰接装置、管片拼装机、撑靴、后配套设备等机构组成。

1）盾壳

盾壳是一个用厚钢板焊接的圆柱形筒体，是盾构受力支撑的主体结构。其作用：

（1）承受地下水、土压力，盾构千斤顶的推力及各种施工荷载；（2）支承和安装各类机电设备及管片；

（3）保护操作人员的安全。

盾壳沿长度方向分切口环、支承环、盾尾三部分。盾尾后端安装有盾尾密封。

2）刀盘

刀盘用来开挖土体，同时具有搅拌泥土的功能。刀盘是幅条式结构，几十把盘形滚刀以螺旋线布置在幅条上，能够全断面的破碎围岩。滚刀设计成背装式，实现在泥土仓内对损坏的滚刀进行更换，消除了在盾构掘进机刀盘前端维修保养刀具的危险。切割刀对称安装在幅条的两侧，刀盘用螺栓、螺母固定，可以更换。

装在泥土仓内的压力传感器，可以使操作人员随时察看舱内的土压力，以便及时并准确地调整开挖参数。

比如，广州地铁二号线越秀公园站～三元里站盾构法施工地段既有软土，又有硬岩，还有软土和硬岩的混合断面的地质特点，我们采用盘形滚刀和割刀组合布置的刀盘。这种方式的刀盘具有较强的地质适应能力，割刀用以开挖砂土层、粘土和强风化岩层等软弱围岩，盘形滚刀则用来对较硬的中、微风化岩层进行全断面破碎开挖。

3）刀盘驱动系统

刀盘驱动系统用以驱动刀盘旋转，对土体进行挤压和切削。主要由大轴承、大齿圈、密封圈、减速器及马达等组成。

刀盘用高强度螺栓与大齿圈连接，大齿圈即为大轴承的回转环，马达带动减速器输出轴上的小齿轮，小齿轮与大齿圈啮合，从而驱动刀盘旋转。大轴承既承受刀盘的自重，又承受盾构掘进机的推进力，是盾构掘进机的主要组成部件。为了获得最大的主轴承寿命，设置有密封装置，密封由加压润滑油系统来润滑。

盾构掘进机在开挖软弱围岩时，采用高扭矩，低转速的工况；当盾构切削硬岩时，增大流量，采用低扭矩、高转速的工况。

4）铰接装置

比如，广州地铁二号线越秀公园站～三元里站盾构法施工地段的线形条件：最小平面曲线半径为350m，最小竖曲线半径2000m，为了使盾构掘进机适应曲线段的推进，能够灵活转向，把盾掘进机设计成铰接式，从而易于转弯，减小曲线超挖量；并能减少顶进时管片的偏压，提高隧道施工质量，也易于对掘进方向随时进行修正。

铰接装置使盾构掘进机分成前后两段，两段之间通过铰接千斤顶操作，可使盾构掘进机前后两段绕铰接中心沿圆弧面上下、左右回转，满足盾构掘进机顺利转弯和坡度的要求，使盾构掘进机转弯方便，减少曲线超挖量及对土体的扰动。

盾构掘进机铰接处设有机械限位，以保证盾构掘进机推进时前后节绝对不会脱开，并保证达到设计转角位移要求。铰接装置设内外两道密封，以防泥水进入。

5）人行闸门

在盾构掘进机密封隔板处设有一道人行闸门，闸门处有一气压仓。在土压平衡工况下施工需要进入泥土密封仓内排除障碍或调换切削刀具时，先将泥土仓内充以压缩空气，用以疏干并支护开挖面土体，然后人员再通过气压仓的加、减压过渡而出入泥土仓。

6）推进系统

盾构掘进机是通过沿支承环周边布置的盾构掘进机千斤顶支撑在已安装好的管片衬砌上所产生的反作用力而前进的。为了不使千斤顶端部承受管片的集中荷载，造成偏心荷重，支座设计成铰接式，并设置支板均匀地将力传递到管片的环面上。

把盾构千斤顶分成掘进机若干扇区，每个扇区由一只电磁比例减压阀控制，用来调节各组扇区千斤顶的工作压力，从而纠正或控制盾构推进的方向，使符合设计轴线的要求。

7）撑靴

撑靴的主要作用是防止盾构掘进机的滚动。当切削刀盘旋转对硬岩切削开挖时，机器有一个滚向相反的方向自然趋势，尤其是在硬岩地层中，盾壳构的外壳与洞壁之间的摩擦力较小，这种滚动更加明显，在盾构掘进机前部设有一对撑靴，可能出现较大滚动时，将撑靴伸出，撑在隧道壁上，它能产生抵抗这种滚动的反力矩。撑靴主要是由支撑靴板、支撑油缸和支撑座组成。不需要时，可以收回撑靴。

8）泥浆及添加剂的注入机构

为了改善开挖下来的碴土的塑性化流动，注入设备必须将足够数量的泥浆及添加剂注到适当的位置。泥浆及添加剂的注入机构主要由搅拌土箱、压注泵组、输送管路、注入口组成。

穿越软土时，在泥土仓内加注泥浆或发泡剂等添加剂，可以改善碴土的和易性，确保螺旋输送机的出土顺畅，有效地调节土仓内的压力。

当盾构掘进机穿越较硬的岩层时，泥水可降低刀盘面板与岩土摩擦力，减小刀盘扭矩，同时起到冷却滚刀，延长刀头的寿命和辅助破岩的作用。

9）螺旋输送机

螺旋输送机的主要功能是：一是排土；二是通过调节转速控制出土量，保持密封仓内土压稳定；三是螺旋输送机为密闭式的输送装置，可防止水渗漏到盾构内。

螺旋输送机由螺旋叶片、外壳、排土闸门等部件组成。螺旋输送机变速可逆转。泥土入口端装在盾构泥土舱底部，穿过密封隔板固定，倾斜安装。螺旋输送机出碴口安装滑动式闸门，用以防水。

螺旋输送机为可伸缩式，当在土压平衡状态时，泥土具有可塑性，螺旋输送机的叶片和集料斗缩回，泥土可顺利排出；在非土压平衡状态时为便于集料，螺旋输送机叶片和集料斗向前伸出。

由于螺旋输送机能排出岩碴的最大粒径是有限的，为防止螺旋输送机被卡死，采用二次破碎的方式，对进入泥土舱内大的石块进行破碎，以适应裂隙发育的硬岩地层。

10）密封盾尾

密封盾尾，用以防止地层中的泥土、泥水、地下水和衬砌外围注浆材料从盾尾的间隙中漏入盾构。由三道钢丝刷和一道弹簧钢板组成。在每两道密封之间注入密封材料、油脂等，作为防高压水措施，以提高密封效果，并可减少钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的磨擦，延长密封件的寿命。

11）背衬充填与注浆系统

采用盾构法施工的隧道，是沿着盾构掘进机的外壳进行开挖的，而作为衬砌的管片则是在盾尾组装起来的，所以当盾构掘进机推进时，围岩与管片间由于盾尾的抽脱及超挖等原因就形成了空隙，这一空隙如不加处理地搁置，不可避免的上面的围岩要向下沉降，其结果是发生波及地表的地面沉陷，严重的会危及地表建筑物的安全，因此，及时地进行背衬充填与注浆可以起到压实松动的围岩,以防地表沉陷，提高隧道防水性，防止管片漏水，将管片与围岩一体化，确保管片衬砌的稳定。

12）管片拼装机构

拼装机的功能是安全且迅速地把管片组装成所定形式，它具有伸缩臂、夹具前后移动以及臂回转的功能。

拼装机回转由马达驱动；管片的轴向平移和封顶块的轴向移动，由平移千斤顶操作夹持器来完成；管片的提升由液压油泵操纵。这些液压缸和马达由一个独立的液压泵站供油，简化了管线布置，避免了管线的机械运动。

由于管片的自重造成管片安装位置不准确，严重影响下一环管片的安装和管片环的受力状态，为此，在组装管片时，可用真圆度保持器对管片进行位置矫正，保持管片的真圆度。真圆度保持器具有前后移动和径向顶压的功能。

5、盾构机的主要性能

用于西班牙马德里工程的盾构机

地质：石灰石、泥灰岩、粘土;刀盘切削直径φ6140mm ;

抗压强度350～1050Kg/cm2（35MPa～105MPa）;

刀盘扭矩：154 t·m ； 推力：584t 。

用于美国尤克利得隧道工程的盾构机

地质：页岩、粘土 ;

刀盘切削直径：φ5970mm ；抗压强度：141Kg/cm2（14.1MPa） ；

刀盘扭矩：111 t ·m ； 推力：2268t

用于新加坡隧道工程的盾构掘进机

地质：砂岩、泥岩、粘土、冲积土;

刀盘直径：φ6550mm；

刀盘功率：945Kw; 掘进速度18～83m/周

用于英格兰某工程的盾构掘进机

地质：砂岩、石灰石、淤泥、粘土;

刀盘直径：φ7350mm; 　掘进速度：7.5～37.5m/周

6、方案实例

针对工程标段的地质条件、线路条件、周边环境以及施工、工期要求，我们先后同罗宾斯、川崎、海瑞克、小松等盾构生产厂家进行多次技术交谈，他们所提供的设备方案，都选用了复合式盾构掘进机，其结构特点如表3-4所示。

盾构掘进机结构特点比较 表3-4

从盾构掘进机的使用实例，对比各盾构掘进机生产厂家提供的方案，综合我们自己进行的盾构性能对比和盾构掘进机参数的计算，选取具有复合式性能的盾构掘进机，完全可以达到业主要求的沉降指标、工期要求，确保施工安全。盾构掘进机方案如图所示。

6.1盾构机直径的确定（计算盾尾间隙）

1）盾尾间隙的计算

盾尾间隙的计算（如右图）

D—管片外径 D=6000mm； L—盾尾端至第一环管片前端的距离

L=1850mm； Ro—隧道曲线半径 Ro =350m；

R—隧道管片内侧曲线半径，

R= Ro－D/2=347m；

盾尾端部至第一环长度L；管片前端对应的圆心角φ；

φ=sin-1（L/R）= sin-1 （1.85/347）=0.3050

b—第一环管片前端相对于盾尾端部的移出量；

b=R（1－cosφ）=347×（1－cos0.3050）=0.005m=5mm

b=5mm是曲线半径350m时，管片在盾尾内的最小极限间隙值，考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等，通常要在这一极限间隙量上增加相应的富裕值，按照各国常用的盾尾间隙计算公式及盾构机外径对应的常用富裕值（K=30mm）,需要的盾尾间隙为：

C=（b＋K）/2=（5+30）/2=18mm

选取盾尾间隙x =25mm，因为C=25mm>18mm，在曲线半径为350m时，是完全能满足施工要求的。

2）盾构机直径D的确定

D=d＋2（x＋t）

d—衬砌管片外径； x—盾尾间隙，x =25mm； t—盾尾外壳钢板厚度选取t= 45mm

因此盾构掘进机的直径为：

D=6000＋2（25＋45）=6140mm

6.2盾构机长度的确定（计算最小转弯半径的超挖量）

由于盾构掘进机的最小转弯半径为350m，所以在盾构掘进机的方案结构长度决定后，需计算盾构掘进机较长的那段在最小转弯半径处的扩挖量，以确定盾构掘进机能否顺利通过最小曲线段。

1）扩挖量的计算（如下图）

图中：La—盾构掘进机前端到铰接中心的长度，La =4650mm；

Lb—盾构掘进机后体长，Lb=3400mm

Rs—盾构掘进机内曲线半径，

Rs =346.9m

计算条件：

每一开挖循环盾构掘进机体的转弯角度，取St=10°

线路曲线半径，R0=350m

A、B、C三点的坐标计算

XA=－（Lb－L）

=－（3400－1850）

=－1550mm

YA= R0=350m

XB=XA＋La cos St

=－1550－4650 cos10°

=－6129.37mm

YB=YA－La sin St

=350000－4650×sin10°

=349192.5mm

XC=XB+（D/2）sin St

=－6129.37+（6140/2） ×sin10°

=－5596.27mm

YC=YB－（D/2）cos St

=349192.5－（6140/2）× cos10°

=346169.3mm

Ca=tan-1| XC/ YC|

= tan-1|－5596.27/ 349192.5| =0.9181

理论计算表明：在半径为350m的曲线段上推进，当盾构掘进机前体长度为4.6m，每次推进偏转10时，扩挖量为3.74mm，即可以满足要求。但是，在实际施工中，考虑施工、盾构掘进机本身的误差等，实际的扩挖量远比理论计算值要大，参考有关的资料，取盾构掘进机的最大超挖值为：OC=100mm

6.3盾构掘进机计算依据和计算内容

1）计算依据

盾构掘进机选型主要性能参数的计算根据业主所提供的地铁的工程和水文地质情况，参考有关资料进行。

2） 计算内容

盾构掘进机的主要参数计算包括硬岩和软岩两种情况进行。

6.4硬岩中推进时盾构掘进机推力和扭矩的计算

1）地质参数按照微风化岩层选取。

岩石的抗压强度Ry：Ry=56.6MPa=566kg/cm2

盘型滚刀的参数：

盘型滚刀的直径：d=1080px，

R=540px ；

盘型滚刀刃角α=60°

刀具每转切深：h=25px；

盘型滚刀刀间距：Bm=2htgφ/2 ；

刀盘直径：D=6.18m

式中：h为刀具每转的切深；

φ为岩石的自然破碎角，查表选取φ=150°

Bm=2htgφ/2=2×1tg1500/2=186.5px≈187.5px

2）在硬岩中盾构掘进机推力计算

（1）硬岩中盾构掘进时刀盘的滚压推力

a）每个盘型滚刀的推力F力

根据力平衡原理和能量守恒原理计算刀盘的滚压推力，每个滚刀的滚压推力F力为：

式中：φ—岩石的自然破碎角;

　 h—刀具每转切深,单位为厘米;

R—盘型滚刀的半径， 单位为厘米;

　 Ry—岩石的抗压强度，单位为MPa 。　

kd —岩石的滚压系数，其与岩石性质有关，查表取kd=0.55；

ri—为盘型滚刀的刃角半径，单位为厘米；

θi—为盘型滚刀的半刃角；　

φ—为岩石的自然破碎角，查表选取φ=1500

b）盘刀的滚动力F

式中：ξ—与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，ξ=0.8； m—刀盘上安装的盘型滚刀数量，

P力= F力

c）滚刀数量的计算

m=D/（2×Bm）

=6.14/（2×0.075）

=40.9

因此刀盘上安装的盘型滚刀数量取为：m=41

根据经验公式m=7D

d）刀盘的滚压推力F推:

F推=mF力

=41×18.6

=762.6t

（2）盾构主机外壳与泥土之间的摩擦阻力F1

式中:u—土与钢之间的摩擦系数，u=0.3；

L—盾构掘进机长度，L=8.05m；

F1=1/4×（26.4+31.5+22.7+27.8）×π×6.14×8.05×0.3

=1254.3t

（3） 盾尾与管片之间的摩擦阻力F4

F4=Wcμc

=40×0.3

=12.0t

式中：Wc—作用于盾尾的管片的重量（假定作用于盾尾的重量为两环管片的重量，Wc=40t）

μc—管片与盾尾之间的摩擦系数μc=0.3

（4） 后续设备所需的牵引力F5

F5=μqGF1=μ

（5） 硬岩中盾构掘进所需的总推力

F总= F推 + F1 + F4 + F5

3） 硬岩掘进时所需的刀盘扭矩T:

a）刀盘滚动阻力矩计算T1

式中：

Bm—滚刀间距，Bm =187.5px；

F—盘刀滚动力；由前面的计算，F=1.73t

式中：Bm—滚刀间距，Bm =187.5px；

F—盘刀滚动力；由前面的计算，F=1.73t

b） 石碴提升所需要的扭矩T2；

T2 =qπR2hμ1R

=1.99×π×3.092×0.01×0.618×3.09

=1.1t.m

式中：q—石碴容重，q=1.99t/m3；

μ1—刀盘系数，μ1=0.618；

c） 克服刀盘自重所需要的扭矩T3：

T3=W1.μ1.R

=50×0.618×3.09

=95.5t.m

式中：W1=刀盘自重，W1=50t

d） 硬岩掘进所需要的力矩T总:

T总= T1＋T2＋T3

=114.4＋1.1＋95.5

=211t.m

e）盾构掘进机在硬岩中推进时所需要的推力和扭矩

F总=762.6t

T总=211t.m

取F总=763t；T总=211t.m

6.5软土中的推力和扭矩计算

通常，盾构在硬岩中掘进时的刀盘扭矩小于在软土的扭矩，只对盾构在软土中推进时的扭矩进行计算。

1） 地质参数选取：

岩土容重γ=1.99t/m3；

岩土内摩擦角 φ=19.50；

土的粘结力 C=49Kpa=4.9t/m2；

覆盖层厚度: Hmax=26m， Hmin=8m；

地面上置荷载 P0=2t/ m2；

水平侧压力系数λ=0.49；

盾构掘进机外径 D=6.14m；

盾构掘进机总长 L=8.05m；

盾构掘进机总重W=250t（假定）；

管片每环的重量Wg=20t； 水平与垂直土压之比 K0=1

2）土压力计算

按照常规算法，盾构的外部荷载将分别按照最大覆土厚度处的松动土压力和两倍盾构直径的全土柱高计算所产生的土压力，并取两者中的最大值作为盾构计算的外部荷载。即P外＝max{ps , pq }.

a） 松动土压力计算：

（a）松动高度计算：

（b）松动土压PS

Ps=γh0

=1.99×7.9

=15.72t/m2

b）两倍盾构机直径的全土柱土压力：

Pq=γh0

式中：h0=2D=2×6.14=12.28m

Pq=γh0

=1.99×12.28

=24.4 t/m2

由于Pq＞Ps

所以，取Pq计算。

c） 盾构受土压力的计算

（a） 盾构上部土压力

P0 = Pq +2

=24.4+2

0=26.4 t/m2

（b） 盾构底部土压力

P01=P0+W/（D·L）

=26.4+250/（6.14×8.05）

=31.5 t/m2

（c）盾构顶部侧压力

P1 =P0λ

=31.5×0.49

=15.4t/m2

（d）盾构底部侧压力

P2 =（P0+γD）λ

=（26.4+1.99×6.14）×0.49

=18.9t/m2

3）盾构机的推力计算：

盾构掘进机的推力由盾构掘进机的外壳与土体之间的摩擦阻力、刀盘承受的主动水平压力引起的推力、土的粘结力引起的刀盘推力、盾尾与管片之间的摩擦阻力几部分组成。

（a） 盾构外掘进机外壳与土体之间的摩擦阻力F1:

F1=1/4×（P0+ P01+ P1+ P2）.πDLu

式中:u—土与钢之间的摩擦系数，u=0.3；

L—盾构机长度，L=8.05m；

F1=1/4×（26.4+31.5+22.7+27.8）×π×6.14×8.05×0.3

=1254.3t

（b）刀盘水平压力引起的推力F2：

水平主动土压力Pd

H0=h0+R

=12.28＋3.07

=15.4m

水平主动土压力Pd

Pd =γH0tg2（450-φ/2）

=1.99×15.4×tg2（450-19.50/2）

=15.3t/m2

F2 =π/4（D2. Pd）

=π/4×（6.182×15.3）

=462.0t

（c） 土的粘结力引起的刀盘推力F3

F3 =π/4（D2C）

=π/4×（6.182×4.9）

=147.0t

（d）盾尾与管片之间的摩擦阻力F4

F4=Wcμc

=40×0.3

=12.0t

式中：Wc—作用于盾尾的管片的重量（假定作用于盾尾的重量为两环管片的重量，Wc=40t）

μc—管片与盾尾之间的摩擦系数μc=0.3

（e） 后续设备所需的牵引力F5

F5=μqG

（f）盾构机掘进需要的总推力F

F= F1＋F2＋F3＋F4+ F5

=1254.3＋462.0＋147.0＋12.0

=1875.3t

（4）曲线段推力计算

在曲线段推进时，盾构机的推力为正常推进时的150%，因此，盾构掘进机实际应备的推力为：

F推=1.5F

=1.5×1875.3

=2813.0t

取F推为2813.0 t

4）软土推进时盾构掘进机扭矩计算

盾构掘进机在软土中推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受推力荷载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的搅动力矩。

（1）切削土体的扭矩T1

计算参数：

推进速度v: 一般情况下v=1.8m/h，vmax=3m/h；刀盘转速n: n=1rpm

刀盘每转切深h: h=v/n=75px，hmax= Vmax /n=125px；

土的抗压强度qu : qu =12.2t/m2

刀盘直径：Dd =6.18m，半径Rd =3.09m

T1=1/2（qu hmax R2d ）

=1/2×（12.2×0.05×3.092） =2.91t.m

（2）刀盘自重产生的旋转反力矩T2:

T2=G. R1 .ug

式中：G—刀盘自重，假定G=50t；

R1—滚动接触半径，R1=2.05；

ug—滚动摩擦系数，ug =0.004；

T2 =50×2.05×0.004

=0.4t.m

（3）刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩T3

推力荷载Pt

Pt =απR2Pd＋π/4（d22－d12）C

=0.65×π×3.092×15.3＋π/4×（4.822－3.8422）×4.9

=330.2t

式中:α—刀盘开口率，α=0.65; d2—刀盘支撑梁外径，d2=4.8m

d1—刀盘支撑梁内径，d1 =3.84m

T3 = Pt R1 μg

=330.2×2.05×0.004

=2.7t.m

（4） 密封装置摩擦力矩T4

T4=2πumFm （n1R2m1＋n2Rm12）

=2×π×0.2×0.15×（3×1.842＋3×2.262）

=4.8t.m

式中：um—密封与钢之间的摩擦系数，um=0.2

Fm—密封的推力，Fm =0.15t/m2; 密封数n1= n2=3，

R m1 、R m2—密封的安装半径，R m1=1.84m，R m2=2.26m

（5） 刀盘前表面上的摩擦力矩T5

T5=2/3（απupR3Pd）

=2/3×（0.65×π×0.15×3.093×15.3）

=92.2t.m

式中：up—土层和刀盘之间的摩擦系数，up =0.15;

α—刀盘开口率，α=0.65

Pd—刀盘中心的土压力，由前面的计算，Pd =15.3t/m2

（6） 刀盘圆周的摩擦反力矩T6

刀盘圆周土压力Pz

Pz =（P0＋P01＋P1＋P2）/4

=（26.4＋31.5＋22.7＋27.8）/4

=27.1t/m2

式中：D—盾构机直径，D=6.18m

Lk—刀盘宽度，Lk =0.45

T6=2πLkRd2Pzup

（7）刀盘背面的摩擦力矩T7

刀盘背面的摩擦力矩由土腔室内的压力所产生，假定土腔室内的土压力为0.8Pd

T7=2/3×（απR3up×0.8Pd）

=2/3×（0.65×π×3.093×0.15×0.8×15.3）

=73.7t.m

（8） 刀盘开口槽的剪切力矩T8

土的抗剪应力Cτ，在切割腔内，由于碴土含有水，取C=1.0t/m2, 内摩擦角取为φ=50

Cτ=1＋15.3×tg50

=2.3t/m2

T8=2/3.πCτRd3 （1－α）

=2/3×π×2.3×3.093×（1－0.65）

=49.7 t.m

（9） 刀盘土腔室内的搅动力矩T9

T9=2π（r22+r12）Lz Cτ

=2×π×（2.42+1.922）×0.8×2.3

=109.2t.m

式中：r1—刀盘支撑梁的内径，r1= d1/2=1.92m；

r2—刀盘支撑梁的外径，

r2= d2/2=2.4m ；

Lz—刀盘支撑梁的长度，假定Lz =0.8m；

（10）刀盘总扭矩T

=2.91＋0.4＋2.7＋4.8＋92.2＋71.0＋73.7＋49.7＋24.0

=321.4t.m

取T=322 t.m

5）推力和扭矩的经验计算公式

（1） 推力的经验计算公式

a） 推力的经验计算公式1

Fj=βD2

式中：β＝50～120t/m2

b） 推力的经验计算公式2

FJ=π/4×D2×Pj

式中： Pj=70～100t/m2

按照盾构掘进机刀盘扭矩的常用算法M=αD3，

对机械式，α=0.5～1.2; 泥水加压式，α=1.0～1.5;

对于土压平衡盾构，取α= 1.5～2.0;

M=2×6.183

=472 t.m

根据理论公式和经验公式分别计算推力和扭矩，再考虑足够储备，最后，综合确定推力和扭矩。

6.6刀盘功率P/

1）刀盘功率P/

N=Nmax×0.7

P/=TcN/9550

式中：刀盘最大扭矩为Tc，单位为t.m；刀盘最大扭矩所对应转速N=Nmax×0.7，单位为r/min .

6.7刀盘驱动机功率P

刀盘驱动机功率P

P= P’/η

式中：传动总效率、包括机械传动总效率、液压传动总效率，取η=0.75.

1.6.7盾构推进功率

PT = F V

式中：F—盾构总推力，单位为N；V—最大推进速度，单位为m/s;

PT单位为w.

6.8螺旋输送机的参数确定

1）螺旋输送机输送量Q

盾构机的开挖直径 D=6.18m；

开挖速度：V=1.8m/h

Vmax=3m/h，计算螺旋输送机的参数时取Vmax

（1）盾构掘进机的理论挖掘量ql:

ql =π/4.（D2Vmax）

=π/4×（6.182×3）

=90.0m3/h

（2） 螺旋输送机的理论出土量q

土的松动系数取为1.6

q=90.0×1.6=144 m 3/h

（3） 螺旋输送机的实际输送能力Q

螺旋输送机的实际输送能力应大于盾构的理论出土量，查表取

Q=2q

=2×144

=288 m3/h

取Q=320 m3/h

2）螺旋输送机的主要参数的确定

选定螺旋输送机的参数：

螺旋外径： Ds =800mm;

螺旋节距： Ls =700mm;

转速: n=0～15rpm;

根据选定的参数重新验算螺旋输送机的输送量：

每转输送量为：<