盾构机选型规范标准资料

''盾构、配套设备与管模盾构机选型选型原则盾构机的性能及其对地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键。本段盾构区间工程的盾构机选型按照性能可靠、技术先进、经济适用相统一的原则，依据招标文件、颐和园站－圆明园站和圆明园站－成府路站区间岩土工程勘察报告等资料，并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术规范进行。选型依据盾构机选型具体依据如下：（1）本合同段盾构工程施工条件隧道长度：3032+2044.286单线延米；线路间距：8～19m；隧道覆土厚度最小：6m，最大：15.4m；平面最小曲线半径：350m；最大坡度：20.801‰；隧道衬砌管片内径：5400mm外径：6000mm（2）工程施工环境特点本工程施工环境具有如下特点对盾构机施工有一定的影响：本合同段区间隧道沿线地下管线、建（构）筑物密集。颐和园－圆明园区间线路下穿颐和园、圆明园，与万泉河高架桥相交；圆明园～成府路站区间线路通过成府小学、化工研究院，下穿万泉河。区间线路与万泉河高架桥相交时，隧道外轮廓与桩基距离最小为5m，下穿圆明园一座池塘时覆土厚度仅6m，万泉河底部区域隧道覆土厚度为9m。本合同段区间线路主要沿颐和园路、清华西路布置，与中关村北大街相交，所经道路尤其是中关村北大街交通繁忙、车流量大。（3）区间地质特点本合同段区间隧道穿越地层主要有粉质粘土、粉土层，局部夹有砂层、卵石圆砾等。具体的地质统计表见表10-1-1和图10-1-1。表10-1-1盾构区间洞身地质统计表区间地层编号岩土名称比例（％）颐和园－圆明园站③粉土9.3⑥粉质粘土46.0⑥2粉土35.2⑦卵石圆砾3.2⑦2粉细砂6.3圆明园－成府路站③粉土0.8⑥粉质粘土47.2⑥1粘土7.0⑥2粉土45.0圆明园－成府路站区间颐和园－圆明园站区间图10-1-1盾构区间隧道洞身主要地质比例图本工程地质特点对盾构机功能的要求针对以上工程地质条件及特点，盾构应具备以下功能：（1）盾构机对地层条件的适应性要求本合同段隧道地层主要由粉质粘土、粉土层、卵石圆砾层组成，局部夹有砂层，所以盾构对软土地层的适应性应是重点考虑的问。盾构在软土地段的施工时应重点考虑以下功能：具备土压平衡掘进功能；足够的推力和刀盘驱动扭矩；良好的加泥、加泡沫等碴土改良能力；合理的刀盘及刀具设计；具有完善的防喷涌功能；能够有效防止中心泥饼的生成；较好的人员仓条件；超前地质钻探及管片壁后同步注浆功能。由于本合同段承压水分布较为普遍，含水层主要为卵石圆砾地层和砂层，所以盾构应具有平衡水土压力，防止喷砂、涌水，最大限度的减少地表沉降，并有效保护刀盘刀具的能力。（2）特殊地段的通过能力本合同段的特殊地段，主要有以下几种：部分隧道区段较近距离穿越建（构）筑物，且局部隧道覆土厚度仅6米，这样的地段对盾构的施工提出了很高的要求。盾构在通过该类地段时必须能很好的调整与保持土仓压力，控制地面沉降；区间隧道局部地段含有少量的砂层和卵石圆砾，这就要求盾构机刀盘具有较强的耐磨能力和有效保护刀具的能力。区间线路曲线段长度占区间总长的66％，且最小曲线半径仅为350米。要求盾构机具有小半径曲线施工的能力。且对运输系统、通风系统及测量导向系统均有较高的要求。当盾构机处于含砂地层施工时应具有相应的施工辅助措施及设备，如对土仓压力的控制与碴土改良等。（3）方向调整与控制能力本合同段盾构隧道线路较长，且曲线段施工及工程接口较多，要求盾构的导向系统具有很高的精度，以保证线路方向准确。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够进行纠偏、转向，二是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。（4）环境保护与控制能力盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要求，噪声、震动等满足相关环境保护规定的要求；再者要求盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成污染。（5）掘进速度满足工期需求根据计划工期安排，盾构的掘进速度必须满足本合同段的计划工期要求。盾构机型式的确定不同类型的盾构机适用的地质类型也是不同的。盾构机的选型必须做到针对不同的工程，不同的地质条件进行针对性设计，才能使盾构更好的适应工程。盾构机的主要类型有泥水式、插刀式（敞开式）盾构、土压平衡式、复合型盾构等。其中土压平衡盾构能够适应较大的地质范围与地质条件，能用于粘结性、非粘结性、有水或无水、软土和卵石圆砾等多种复杂的地层，施工速度较高，能有效的控制地表沉降。所以根据本合同段的工程条件、地质特点、工期及施工要求，结合类似工程盾构的选型经验和北京地铁既有盾构工程的盾构类型，在本工程宜采用加泥式土压平衡盾构。土压平衡式盾构机的基本工作原理土压平衡工作原理：土压平衡盾构的开挖土仓由刀盘、切口环、隔板及添加剂注入系统组成。将刀盘切削下来的碴土填满土仓，在切削刀盘后面装有使土仓内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面，使作业面稳定，同时用螺旋输送机排土，螺旋输送机排土量与盾构推进量相适应，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡，维持土仓内土压力稳定在预定范围内。土仓内的土压力通过土压传感器进行测量，为保证预定的土压力可通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制，控制原理见土仓土压力控制示意图10-1-2。图10-1-2土压平衡工作原理示意图当土仓内的土压力大于地层土压力和水压力时，地表将会隆起；当土仓内的土压力小于地层土压力和水压力时，地表将会下沉；因此土仓内的土压力应与地层土压力和水压力平衡。盾构尾部的空隙通过注浆系统进行同步回填浆液，注浆压力及数量应与地层水土压力及空隙量相适应，有效控制地表的沉降。碴土改良工作原理：土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴土，为维持土仓内土压力的稳定和碴土的排出，土仓内的碴土必须具有：良好的塑性和流动性、良好的粘—软稠度、低的内摩擦力、低的透水性。一般情况下碴土不一定具有这些特性，刀盘扭矩较大，碴土流动困难，在土压力作用下易压实固结，容易产生泥饼或泥团，在透水性土层中，在水的作用下碴土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土仓内的土压力难以稳定，因此需要对开挖后的碴土进行改良，使其具有上述特性。根据地层情况，向开挖土仓内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使碴土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土仓内的压力容易控制和稳定。盾构机的主要组成与功能描述（1）概述盾构是一个由不同功能的组件有机结合的综合性施工设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能。不同形式的盾构其主机结构特点及配套设施也是不同的，对盾构来说，盾构法施工的过程也就是这些功能合理运用的过程。土压平衡型盾构在结构上包括刀盘、盾体、人仓、螺旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、激光导向系统及通风、供水、供电系统等。下面根据这些部件或系统在盾构施工中的不同功能特点来分别进行说明。盾构机主机结构图机后配套总图见图10-1-3，图10-1-4（1、2）。（2）盾构主机1）刀盘和刀具刀盘结构是根据本合同段的地质适应性要求设计的。刀盘结构如图10-1-5所示，整个刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过一个很厚的法兰盘连接，刀盘背面和法兰盘通过四根Ф600mm，壁厚100mm的钢管焊接在一起，以传递足够的扭矩和推力。刀盘可以双向旋转。刀盘标称直径6280mm，刀盘总重约57t。为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘的中心部位采用整体铸钢铸造，周边和中心部件在制造时采用先栓接后焊接的方式连接。刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分，在支撑掌子面土压的同时进行开挖。通过在不同形式的刀盘上安装不同的刀具或刀具组合，可以适应不同的地质情况下的施工需要。刀盘采用典型面板式结构，刀盘开口度34%。装有中心刀4把，切刀124把，刮刀16把，刀盘还配备有一把超挖刀，行程20～50mm，由液压操纵伸缩。大多数刀具采用螺栓连接在刀盘面肋板上，可在土仓室内检查或更换刀具。刀盘的后部开口向内倾斜，便于土碴的流动。焊接的搅拌臂可以使碴土改良添加剂和挖出的碴土在刀盘后面进行充分的搅拌。刀盘安装在主轴承的内齿圈上，通过8个液压马达驱动。刀盘设计为双向旋转，其转速可无级调节。刀盘面板上共有8个泡沫注入口，其中包括在刀盘的中心设置的四个泡沫注入口。背面有3个泡沫注入口备用。泡沫注入口也可以用来加注膨润土和泥浆。通过刀盘的旋转接头，土质改良用的泡沫、膨润土或水被送到土仓内。另外，仿形刀的液压供应也是通过旋转接头来连接的。回转中心通过刀盘中心的法兰和刀盘连接。刀盘结构与刀具示意见图10-1-5。刮刀切刀图10-1-5刀盘结构与刀具示意图图10-1-3，图10-1-42）盾壳盾壳包括三个主要组件：前体、中体和盾尾。前体里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。压力隔板将前体的土仓和主仓分离开来。隔板上面的门可以让人进入土仓进行保养和检查工作。此外，隔板有几个开口，可以作为碴土改良材料的入口以及作为修理时输电线的接线盒接头。水、膨润土或泡沫被输送至土仓，通过安装的隔板上的四个搅拌器使土仓内的碴土充分搅拌。在保养和修理时，螺旋输送机的套筒回收后，通过前体上液压闭合装置，可以关闭螺旋输送机的进碴口。在前体的隔板上安装有土压传感器用以监测土仓内的土压，以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土压进行反馈和调节。前体和中体是用螺栓上紧并焊接在一起的。在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法兰面和管片安装机梁连接起来。推进缸和连接盾尾的铰接油缸布置在中体。在中体的盾壳上焊接了带球阀的可在需要时实施超前钻孔的预留孔，当需要时还可以通过这些预留孔注入膨润土等用以减小盾壳与土层的磨擦，或实施临时止水。中体和盾尾之间通过铰接油缸连接，两者之间可以有一定的夹角，从而使盾构在掘进时可以方便的转向。正常情况下铰接处使用的是预紧密封，并安装有一道气囊密封用于对铰接密封维修时使用。盾尾安装了三道密封钢丝刷及二个油脂注入管道，在密封刷中注入密封油脂以防止盾构外面的水或砂浆进入盾构。另外还安装了8根内置的同步注浆管道。如图10-1-6所示。图10-1-6同步注浆及盾尾密封示意图3）人员仓人员仓是在土仓保压期间，人员出入土仓进行维修和检查的转换通道，出入土仓的工具和材料也由此通过。其主要目的也是为了在人员和材料进入土仓时能够保持土仓中的土压。人员仓包括主仓和准备仓，它们由压力门隔开。主仓和中间仓之间有法兰连接，而中间仓直接焊接在压力隔板上。通过隔板上的门就可以进入土仓。准备仓和主仓横向连接，这样从准备仓出来必须要经过主仓。准备仓的作用是在压缩空气工作时和出现紧急情况时的出入。（3）主驱动系统主驱动机构包括主轴承、八个液压马达、八个减速器和安装在后配套拖车上的主驱动液压泵站。刀盘通过螺栓和主轴承的内齿圈联接在一起，主驱动系统通过液压马达驱动主轴承的内齿圈来带动刀盘旋转。主驱动的配备功率为945KW，标称扭矩为4500KN·m，脱困扭矩为5300KN·m。图10-1-7刀盘驱动示意图主轴承有两套密封系统密：外密封系统负责土仓内的密封，而内密封系统则负责盾构后部的大气密封。外密封系统是通过带有永久性失脂润滑油脂润滑和渗漏控制三重唇形密封系统进行来实现的。密封支撑直接和轴承通过螺纹连接固定在一起，并且作为主轴承结构的一部分从而充分保证同心度；内密封系统将小齿轮区和空气之间进行密封。主驱动系统机构如图10-1-7所示。（4）推进系统图10-1-8推进油缸分区示意图盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力。推进机构包括30个推进油缸和推进液压泵站。能够提供34210KN的推力。推进油缸在圆周方向上划分为五组区域，每组区域可单独进行控制。通过调整每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。推进系统油缸的分组如图10-1-8所示，其中红色位置的油缸安装有位移传感器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。（5）出碴系统1）螺旋输送机螺旋输送机安装于前体的底部，螺旋输送机从隔板到拖车沿中心线的上仰角为23°。在掘进时，开挖的碴土在底部，螺旋输送机伸往碴仓的一段为可更换的耐磨片。螺旋输送机内部为一个带轴的螺杆，螺旋输送机的螺旋片能够在碴土中伸缩。螺旋输送机的螺旋片分为两段，中间部分有一段没有螺旋片，这样可以在软土中形成土塞，以有效防止喷涌现象。螺旋输送机通过一个液压马达带一个减速机驱动，其转速范围可以在0~22rpm内无级调速，从而也可以很好的控制出土量。调节螺旋输送机的出土速度是控制土仓压力的重要方法之一。螺旋输送机的后料门可以关闭，这样在需要时可以关闭后门以处理喷涌等紧急情况。为了提高碴土的流动性，可以向螺旋输送机圆周的孔注入膨润土或泡沫。螺旋输送机机构示意如图10-1-9。图10-1-9螺旋输送机结构示意图在圆砾卵石层遇到大粒径卵石情况下，位满足输送大粒径卵石的要求，螺旋输送机的最大输送粒径为300mm。2）皮带输送机皮带机用于将螺旋输送机输出的碴土传送到盾构后配套的碴车上。皮带机布置在后配套拖车的上面。（6）管片安装机构管片安装机安装在盾尾，由一对举重油缸、大回转机构、抓取机构和平移机构等组成。管片安装机的控制方式有遥控和线控两种方式，均可对每个动作进行单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协同动作把管片安装到准确的位置。管片安装机由单独的液压系统供应动力，管片安装机的泵站安装在盾壳内，和推进系统共用一个油箱。管片安装机机构如图10-1-10。图10-1-10管片安装机结构示意图（7）铰接系统为了减少盾构的长径比，使盾构在掘进时能够灵活的进行姿态调整，特别是为了能够顺利通过较小的线路弯道，盾尾通过铰接系统和中体相连接。铰接系统包括十四个铰接油缸和铰接密封。在直线段掘进时铰接油缸一般处于锁定位置，盾尾在主机的拖动下被动前进。当盾构需要转弯时，将油缸处于浮动位置，盾尾可以根据调向的需要自动调整位置。（8）拖车盾构的拖车用以安放液压泵站、注浆泵、砂浆罐及电气设备等。拖车行走在钢轨上，拖车之间用拉杆相连。每节拖车上的安装设备如下表10-1-2。表10-1-2拖车设备表拖车号主要安装设备1控制室、注浆泵、砂浆罐、小配电柜、泡沫发生装置2主驱动系统泵站、膨润土罐及膨润土泵3主配电柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站4两台空压机、风包、主变压器、电缆卷筒5内燃空压机、水管卷筒、通风机皮带机从五节拖车的上面通过，在5号拖车的位置出卸碴。绝大部分的液压管、水管、泡沫管及油脂管从拖车内通过到过盾构主机。在拖车的一侧铺设有人员通过的通道。拖车和主机之间通过一个连接桥连接，拖车在主机的拖动下前进。（9）液压系统盾构的液压系统包括主驱动、推进系统（包括铰接系统）、螺旋输送机、管片安装机及辅助液压系统。主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站，安装在二号拖车上。主驱动系统和螺旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统，这样可以保证液压系统的高效率及系统的清洁。推进系统和管片安装机泵站安装在盾壳内。盾构的液压系统元器件全部采用国际知名品牌的产品，泵和马达绝大部分采用力士乐的产品，阀主要采用力士乐、哈威等国际知名公司的产品。合理的设计系统及可靠的元器件质量，充分保证了液压系统的可靠性。（10）注脂系统注脂系统包括三大部分：主轴承密封系统，盾尾密封系统和主机润滑系统。三部分都以压缩空气为动力源，靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位。主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量，并可以从外面检查密封系统是否正常。盾尾密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制，对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控。当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号，并锁定操作系统，直到重新换上油脂。这样可以充分保证油脂系统的正常工作。（11）碴土改良系统盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者共用一套输送管路，在1号拖车处相接。1）泡沫系统盾构机配有一套泡沫发生系统，用于对碴土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成，2）膨润土系统盾构机还配有一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。（12）注浆系统盾构机采用同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。图10-1-11超前注浆系统示意图超前钻机注浆孔盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，它将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据。（13）超前钻探系统在盾构中体上半园处有六个钻孔供超前钻机钻孔及注浆用，如图10-1-11所示。根据地质情况和需要，可在管片安装机头部安装超前钻机，对盾构前方进行钻孔和注浆作业，加固地层。（14）SLS-T激光导向系统盾构机安装了一套VMT公司的SLS-TAPD导向系统。本系统能够对盾构在掘进中的各种姿态、以及盾构的线路和位置关系进行精确的测量和显示。操作人员可以及时的根据导向系统提供的信息，快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整，保证盾构掘进方向的正确。图10-1-12SLS-T激光导向系统示意图SLS-TAPD导向系统和隧道掘进软件全天侯提供盾构机的三维坐标和定向的连续的动态信息。隧道掘进软件是SLS-TAPD的核心。通过其附带的通信装置接收数据，由隧道掘进软件计算盾构机的方位和坐标，并以图表和数字表格显示出来，使盾构机的位置一目了然。SLS-T导向系统见图10-1-12。（15）PDV数据采集系统PDV数据采集系统可采集、处理、储存、显示、评估与盾构机有关的数据。所有测量数据都通过被时钟脉冲控制的测量传感器连续的采集和显示。所有必须的测量值都以图形的形式显示在PDV的监测器上。图10-1-13盾构掘进数据传输系统示意图PDV数据采集系统工作示意图10-1-13。通过PDV数据采集系统收集到的信息，可以实现对盾构机状态的实时信息化管理。通过互联网、电话拔号网以及PDV的计算机可以将当前的盾构机掘进状态数据传送至业主、监理、设计及施工等相关部门，为整个工程的信息化管理提供重要信息来源。盾构机关键参数计算（1）推力计算1）盾构外荷载的确定由于盾构工程沿线的隧道埋深差别很大，盾构从洞中通过时的时间相对较短，根据常用算法，盾构的外部荷载将按照最大埋深处的松动土压和两倍盾构直径的全土柱高产生的土压计算，并取其中的最大值作为盾构计算的外部荷载。在K24+360处隧道的最大埋深为15.4米，但此处围岩为6号地层，主要由粉土及粉质粘土组成。所以对盾构计算取此断面埋深为最大埋深值。软土计算中地质参数均按照此断面的地层选取如下：岩土容重：岩土的内摩擦角：土的粘结力：覆盖层厚度：地面荷载：图10-1-14区间最大埋深示意图15.4m水平侧压力系数：盾构外径：盾构主机长度：盾构主机重量：经验土压力系数：松动土压（泰沙基公式）计算：其中代入上式得计算两倍掘进机直径的全土柱土压：作为计算的数据。再加上地面荷载得盾构上部的土压为：281.25KPa140.625KPa140.625KPa180.1KPa180.1KPa图10-1-15盾构主体外荷载示意图盾构底部的土压为：则盾构上部和下部的侧压力应分别为：360.2KPa2）盾构的推力盾构的推力应包含以下几个部分：在土压平衡模式下：3）盾壳和土层的摩擦力FM其中μ为盾壳和土体间的摩擦系数，根据经验值取0.25。4）刀盘推进力FBA刀盘上共安装了124把切刀和16把刮刀（按照经验计算，16把刮刀的推力相当于96把切刀的推力），根据经验值每把切刀在软土中的推进力约为5.6KN；5）盾尾密封的摩擦力(经验值，周向每米密封的摩擦力)（管片外径6m）6）拖拉后配套的力FNL（经验值）7）碴仓土压引起的前隔板反力（土仓压力按3bar计算）8）总推力计算在盾构上坡和转弯时盾构的推力按直线水平段的1.5倍考虑，盾构的实际推力应为：盾构机实际配备推力为34210KN，能够满足盾构的实际需要。（2）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。随着土仓及掌子面碴土改良技术的发展，在软土开挖中刀盘的扭矩可以得到大幅度的降低。这里计算的只是在没有改良的情况下一种近似的理论扭矩，实际情况下一般要小于计算值。1）刀具切削扭矩推进速度：刀盘转速：（根据类似工程选取经验值）刀盘每转切深：岩土的抗压强度：；选用粉质粘土的抗压强度为计算依据刀盘直径：2）刀盘自重产生的主轴承旋转反力矩：其中：刀盘自重：主轴承滚动半径：滚动摩擦系数：3）刀盘推力荷载产生的旋转阻力矩其中：推力载荷刀盘不开口率：；刀盘半径；4）密封装置摩擦力矩式中：密封与钢之间的摩擦系数：；密封的推力：；密封数：密封的安装半径：5）刀盘前表面的摩擦力距；其中土层和刀盘间的摩擦系数：；6）刀盘圆周的摩擦反力矩；其中刀盘边缘宽度：；刀盘圆周土压力：7）刀盘背面的摩擦力矩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Pd8）刀盘开口槽的剪切力矩其中土的抗剪应力：在切削腔内，由于碴土含有水，取C=15KPa，内摩擦角为9）刀盘土腔室内的搅动力矩其中刀盘支撑柱直径：；刀盘支撑柱长度；支撑柱数量刀盘支撑柱外端半径：；刀盘支撑柱内端半径：10）刀盘总扭矩按照日本土压平衡盾构扭矩估算公式计算计算盾构的扭矩，其中α为土压平衡盾构系数，根据盾构直径的大小不同一般取值14~23，这里取计算扭矩得此扭矩值应为盾构机的脱困扭矩值。盾构实际的刀盘驱动扭矩为4500KN·m，脱因扭矩为5300KN·m，大于前面的计算值，所以既有盾构配备的扭矩足够。（2）功率计算1）主驱动功率根据实际工况，取刀盘的驱动扭矩为3878KN·m，刀盘最大扭矩时的刀盘转速取1.2rpm，计算刀盘驱动的实际需要功率为：主驱动系统的效率为：其中：联轴器机械效率；液压泵的机械效率；液压泵的容积效率系统回路效率；液压马达机械效率；液压马达容积效率减速器机械效率所以盾构的实际主驱动功率应为：盾构机的实际配备功率为945kw。2）推进系统功率由前面计算知，盾构推进时的最大推力取32693KN，推进速度取80mm/min，计算推进功率为：推进系统应配备的功率应为：其中：液压泵的机械效率；液压泵的容积效率；联轴器机械效率推进系统实际配备功率为75kw。盾构机主要技术参数盾构机主要技术参数详见表10-1-3。表10-1-3盾构机主要技术参数盾构机最大工作压力最大设计压力盾构机的标称直径总长度（包括拖车）总重量最大掘进速度最大掘进力3[bar]4.5[bar]Φ6,250[mm]75[m]5,200[kN]80[mm/min]34,210[kN]盾壳除刀盘外的盾壳总长度钢结构的钢材型号盾壳总重量（钢结构）预注浆注入口7,565[mm]S355J2G32,050[kN]6St.前体除耐磨层以外的外径耐磨层前体长度盾壳厚度隔板厚度土压传感器隔板门数量隔板门尺寸搅拌臂数量Φ6,250[mm]2×5[mm]ca.1,700[mm]60[mm]80[mm]5St.1St.Φ600[mm]4St.中部盾壳外径长度盾壳钢厚度（钢结构）重量Φ6,240[mm]2,580[mm]40[mm]314[kN]盾尾外径长度重量盾壳钢厚度密封刷数量油脂注入点数量注浆口数量Φ6,230[mm]3,285[mm]260[kN]40[mm]3排2×4St.DN254St.DN50人员仓形式长度直径操作压力容纳人数双仓2000[mm]1600[mm]3bar2人推进油缸油缸油缸行程推进油缸数量（10×双油缸，10×单油缸）每个油缸的最大推力全部油缸的最大推力推进油缸方向控制行程测量系统数量油缸的伸出速度油缸的回收速度Φ220/180[mm]2,000[mm]30St.1,140[kN]34,210[kN]5组5St.80[mm/min]1,400[mm/min]前部稳定装置油缸油缸行程油缸数量推力Φ140/80[mm]100[mm]2St.600[kN]铰接油缸油缸数量油缸油缸行程行程测量油缸数量总拉力14St.Φ180/80[mm]150[mm]4St.7,340[kN]拖车拖动油缸油缸数量油缸油缸行程2St.Φ130/70[mm]250[mm]刀盘整个刀盘标称直径重量旋转方向刀盘进碴口搅拌臂数量旋转接头管道刀盘上的注入口开口率Φ6,280[mm]570[kN]右/左8St.4St.4St./DN508St./DN5034％刀具切刀切刀数量刀具伸出刀盘的高度刮刀双向旋转刮刀数量中心刀中心刀数量超挖刀超挖刀数量行程124St.140[mm]16St4St1St50[mm]回转接头数量泡沫和膨润土注入管道液压管道1St4St./DN502St./DN50刀盘驱动功率（3×315kW）旋转速度范围标称扭矩第一档第二档脱捆扭矩945[kN]0-6[rpm]4,500[kNm]1,970[kNm]5,300[kNm]主驱动带双轴承的小齿轮数量主轴承直径水冷却行星齿轮数量内唇形密封系统外唇形密封系统使用寿命8St.Φ2,600[mm]8St.3times2times10,000h管片安装机管片安装机液压伸缩臂带机械锁紧系统的全液压比例自由度数量纵向移动伸缩长度旋转区域旋转安装机头倾斜安装机头倾斜工作力纵向驱动吊起/挤压最大扭矩功率重量伸缩油缸油缸行程倾斜移动油缸油缸行程旋转移动油缸油缸行程抓取油缸油缸行程6St2,000[mm]1,000[mm]+/-200º+/-2.5º+/-2º+/-2.5º50[kN]120[kN]150[kNm]55[kw]186[kN]Φ130/80[mm]1,200[mm]Φ63/36[mm]40[mm]Φ63/36[mm]40[mm]Φ130/70[mm]50[mm]螺旋输送机功率螺旋输送机标称宽度可连续调节最大转速范围最大扭矩螺旋管道上的注入口可控制开关门出碴能力容许工作压力测试压力旋转方向螺旋出碴口伸缩油缸数量油缸尺寸伸缩长度工作压力后门开关油缸数量油缸尺寸油缸行程工作压力前部螺旋门数量油缸尺寸油缸行程315[kw]Φ900[mm]22.4rpm215[kNm]6St.1St.300[m3/h]3[bar]4.5[bar]左/右500×600[mm]2St.Φ160/90[mm]1,000[mm]160[bar]2St.Φ80/45[mm]800[mm]300[bar]2St.Φ130/70[mm]400[mm]齿轮油供应齿轮油流量主驱动齿轮油注入（注入一半）行星齿轮驱动齿轮油注入12[ltr./min]220[ltr.]8×12[ltr.]液压油供应油箱容量刀盘驱动流量补油泵流量推进缸流量螺旋输送机马达流量管片安装机流量辅助设施流量砂浆注入泵流量盾壳内油箱过滤/冷却回路流量主驱动油箱过滤/冷却回路流量3.000[ltr.]3×1,088[ltr./min]1,213[ltr./min]180[ltr./min]1,088[ltr./min]200[ltr./min]63[ltr./min]145[ltr./min]190[ltr./min]900[ltr./min]管片输送小车负载管片能力管片运输小车拖动缸油缸行程纵向移动缸油缸行程抬升油缸油缸冲程总长度总宽度高度滑动行程3St.Φ100/56[mm]150[mm]Φ100/70[mm]1.860[mm]Φ65/57[mm]50[mm]5,220[mm]1.660[mm]481[mm]1,860[mm]管片吊机（轨道安装吊机）上升功率下降功率负载能力驱动速度V1驱动速度V2起吊速度定位速度4[kw]0.5[kw]45[kN]10[m/min]40[m/min]6.3[m/min]1.5[m/min]皮带机功率运输速度运输能力皮带宽度皮带长度30[kw]2.5[m/s]750[t/h]800[mm]45[m]油脂供应密封油脂驱动油脂供应/HBWCondat密封油脂量驱动刀盘和螺旋输送机的油脂消耗量驱动油脂量盾尾油脂消耗量盾尾油脂量[ltr./h]60[ltr.]1.6[ltr./h]200[ltr.]36[kg/Ring]200[ltr.]注浆和砂浆运输注浆泵数量功率注浆口数量输送泵数量功率砂浆罐容量搅拌器功率2St.30[kw]4St.1St.11[kw]6[m3]11[kw]膨润土供应功率运输能力工作压力膨润土管路数量膨润土罐容量30[kw]30[m3/h]8[bar]9St.4[m3]工业空气压缩机功率空气压力压缩机能力压缩空气罐2×55[kw]7.5[bar]2×10[m3/min]1[m3]土质改良用的泡沫、水或膨润土注浆点数量/刀盘注浆点数量/土仓注浆点数量/螺旋输送机8St.4St.6St.泡沫生产泡沫喷枪数量泡沫储存罐泡沫剂注入泵运输量/tenside泡沫剂注入泵功率水泵运输量水泵功率4St.1[m3]5-300[l/h]0.5[kw]133[l/min]11[kw]工业供水系统工地工业水供应管路断面最高允许水温盾壳区域抽水气动泵50m³/hDN8025[℃]通风风管储存箱数量每箱储存能力风管标称直径2St.100[m]DN1000二次通风功率消音器数量管路断面11[kW]2St.Φ600[mm]供电初级电压二级电压驱动电压照明应急灯阀电压保护设施（电机）补偿装置变压器能力频率高压电缆长度高压电缆断面10,000[V]380[V]24/230[V]230[V]24[V]24[V]IP55cos0.92,000[kVA]50[Hz]200[m]3×50[mm²]盾构施工主要配套设备配置说明盾构法施工除了正确选择合适类型的盾构外，还需合理的配置工作能力与盾构匹配的辅助施工设备，发挥整体效能，主要包括：轨道运输设备、垂直提升设备、砂浆搅拌设备、通风设备、供电设备、供水系统等。轨道运输设备盾构掘进时所需要的运输主要为碴土、管片、砂浆料及其它辅助材料，每循环掘进出碴材料运输由1列车完成，每列车由1节交流变频机车、4节碴车、1节砂浆车、2节管片车组成。盾构掘进每环出碴量：其中：－刀盘开挖直径，6.28m；－管片宽度，1.2m；－松散系数，1.5。每节矿车容量为：，取18。每循环注浆量为：取砂浆罐车容量为：Q罐≥Q注浆＝6m3一环管片为六块拼装，计划用两台管片车运送，每台管片车运输能力为：3块由此得出列车最大运输重量包括：两台管片车自重8t，一台砂浆车自重5t，四台矿车自重40t，每环碴土重量90t，合计143t。隧道最大坡度为：2.1％，列车受到最大阻力为坡度2.1％时，重载上坡，坡度阻力系数为：坡道阻力系数：0.21kN/t，滚动阻力系数0.08kN/t，总阻力系数0.29kN/t。列车总阻力：F＝143t×0.29kN/t＝41.47kN。采用一台变频机车牵引，机车的粘重为：机车最大粘着系数为0.2，交直流变频机车牵引力的粘着系数按0.18考虑，机车实际重量应大于粘着重量，机车粘着重量取为35t。列车制动距离已考虑机车和碴车都有制动机构，能够保证制动性能的可靠性。35t电瓶车主要技术参数见表10-2-1。表10-2-135t电瓶车主要技术参数表项目技术参数项目技术参数机车型号JXK-35持续牵引力72kN粘着重量35t持续速度10.5km/h变频器额定容量300kVA最高速度30km/h传动方式交流传动轨距900mm电池容量600AH最小曲线半径25m额定功率220kw外型尺寸6.6×1.6×2.4m起动牵引力98kN电瓶连续工作时间10h充电机的选择应根据机车电瓶容量确定，每台机车有3箱电瓶及3箱备用电瓶，4台机车共有12箱电瓶，电瓶充电时间为8小时，充电电流最大150A，因此需要充电机的数量为9台，充电机规格为KCA100A/300V。根据盾构供应商提供的盾构技术参数，平均掘进速度为40mm/min，那么一环的掘进时间为30min，加上一环管片的安装时间45min，盾构正常掘进一环的时间为75min，取正常日掘进时间为20h，则日掘进进度为L=20×60÷75＝16环＝19.2m，可满足工程施工总体进度要求。列车循环工作时间：装碴时间为掘进时间30min，重载列车出洞15min，轻载列车进洞10min，装卸材料时间为30min，合计列车循环工作时间为70min，列车循环时间与盾构掘进循环时间匹配。垂直提升设备隧道盾构掘进过程中，掘进的碴土、管片及材料供应从地面与隧道之间需要通过提升设备进行垂直运输及装卸，考虑碴斗除提升要求外还需要进行翻转作业，因此垂直提升设备采用专用门吊，同时具有碴斗翻转功能和小型材料起吊功能。材料提升运输时最大提升重量为矿车碴斗自重5t加平均每车碴土重量：总重量为25t，考虑门吊应具备安装盾构后配套拖车，后配套拖车重量最大为35t，所以门吊的最大提升能力选择为40t。盾构循环掘进工作时间为75min，门吊每循环需要提升次数为：出碴4次。初略取垂直提升高度H=25m平均提升和下降速度V提升=6.5m/min、V下降=13m/min提升时间T1=25m÷6.5m/min＝3.8min下降时间T2=25m÷13m/min＝1.9min门吊移动定位时间T3=1min×2＝2min碴斗翻碴时间T4=0.5min列车定位及挂钩时间T5=2min合计提升循环工作时间T总=T1+T2+T3+T4+T5＝10.2min每循环提升次数N＝75÷10.2＝7.3次40t门吊每循环75min时间内提升能力为7.3次，完全能够满足盾构正常掘进循环对提升设备的要求，40t门吊技术参数见表10-2-2。表10-2-240t门吊主要技术参数表项目技术参数项目技术参数型号40t/9.42副钩起升速度10.8m/min起重量40t小车运行速度1.25-12.5m/min工作级别A5大车运行速度23.485m/min跨度9.42m轴距-主钩起升速度6.5m/min（满载）13m/min（空载）总功率80kW主钩起升高度32.2m长×宽×高17.32×7.776×15.966m卸料高度4.8m总重量144T砂浆搅拌设备砂浆搅拌设备由一台JS-1000搅拌机和一台PLD-1500配料机。配料机有两个料斗能自动称量砂及粉煤灰，然后通过梭槽进入搅拌机搅拌仓内，控制方式为自动计量控制，袋装水泥和膨润土直接加进搅拌仓内，生产能力为30m3/h；考虑到工地的生产环境，搅拌机每天工作20小时，每月工作25天，则月生产能力为：Q=30×20×25=15000m3。每循环需要砂浆量为5～6m3，计划最高月进度为510单线延米，配备的砂浆搅拌机的月生产能够达到完全能够满足施工的需求。在碴车卸碴的同时进行砂浆的搅拌，保证盾构掘进所需的砂浆生产。通风设备通风方式根据地铁隧道盾构施工情况选用机械压入式通风方式，风管采用φ1m的拉链式软风管。施工通风设备见图10-2-1。工作面需要的风量：Q需≥Vmin×S＝0.25×30.83×60＝462.45m3/min。其中：Vmin最小断面风速取0.25m/s，S为开挖端面面积约30.83m2。通风机风量考虑通风管的漏风，风机风量为：Q机＝（Q需+Q漏）×η=（462.45+462.45×2.5%×1516/100）×1.5＝956.58m3/h其中：L为掘进长度，L100为百米漏风率，1000m＜L＜2000m，L100=2.5%，η—风量储备系数1.5。选用SDF-N10轴流式通风机，其主要参数为：风量1100m3/h，风压3140Pa，功率37×2kw。图10-2-1隧道通风系统示意图37×2kw供电设备供电系统由高压供电及低压供电系统组成，配置预装式户外箱式变电站。变电站应具有高压进线、计量、出线综合开关柜和过流、速断等保护功能。10KV高压出线进洞供盾构机使用，高压电通过电缆送入洞内，XBW-1000kVA、630KVA10/0.4kV箱式变压器为洞外各设备供电，备1台250kw发电机组以备应急使用，详见第7章第3节“施工用水、用电供应计划”。碴土二次运输设备碴土二次运输采用挖掘机及自卸汽车，在盾构始发井设存碴池，碴土为夜间运输，挖掘机斗容量选用0.8m3，规格为PC200，自卸汽车为15t，设防护措施防止碴土沿线外漏。其它设备盾构施工还需要配置其它设备，如端头加固设备、盾构组装及调头设备、供水及排水设备、冷却设备、二次注浆设备、管片生产设备、维修保养设备等，具体设备配置见第7章。管片模具配备数量与组合型式的确定管片模具数量与组合型式主要需考虑如下几方面：（1）生产与使用技术要求。管片蒸养脱模时间受气候条件影响时间为6～15小时不等，根据北京其后条件，各季节每套模具单日生产量暂定为：冬季为1环，春秋季为1.5环，夏季为2环。根据混凝土结构要求，管片必须进行养护至少28天后才能使用。（2）掘进技术要求。本合同段盾构区间包含多段半径不等的左右转曲线，必须根据曲线半径确定环、左右转弯环管片的选型比例，以满足拟合线型要求。（3）必须满足掘进进度要求。（4）经济合理要求。尽量减少模具购买成本投入。减小生产过程中的库存量，减小生产场地压力。模具数量比选见表10-3-1。表10-3-1不同管片模具数量生产情况对比表项目六套模具七套模具模具组合型式标准环右转弯左转弯标准环右转弯左转弯标准环右转弯左转弯模具数量（套）411312412总生产时间（月）1817.517.518.51616.5181616.5管片库存量及库存管片占地面积900环9000m21010环10100m2865环8650m2满足进度情况满足标准环生产压力大满足成本投入多一套模具经上表的比较，以标准环4套、左右转弯各1套的组合型式合数量配备管片模具比较合理。因此，拟配备标准环4套、左右转弯各1套管片模具供本合同段盾构区间工程管片生产使用。结构特点管片：外径：6000mm，内径：5400mm。组成及结构：由焊接金属板和大量机加工模具元件构成的整体式模具。本批模具是由各类型钢、钢板经自动焊接机焊接成各总成件。总成件经过时效处理后再在机床上进行相关部位的机加工，最后由各类销轴和螺栓联接成整体。每块模具包括：底模；两个侧模（脱模时可打开）；两个前（端）模（脱模时可打开）；用于环向接缝侧模的加紧和打开装置（其中包括一打开和关闭装置，四个夹紧装置）；两个模具盖（脱模时打开）；以及把侧模、端模和底模定位锁固成标准管片尺寸腔体的松脱、定位、夹紧锁固的机构装置。模具定位采用了锥形轴套无间隙定位，锥轴锥套除具有定位作用外，还具有锁固受力的作用。端、底、侧模间采用橡胶密封条密封，便于更换损坏和失效的密封组件。模具盖利用拉伸式弹簧帮助关闭和开启以减轻操作力，其上设置有与侧、端部件相配合的密封条。底模底座上预留有开口便于人员进入底座内部对模具和振动器进行检查。模具本身预留有四个悬挂点，便于运输时的吊装和定位。为减轻工人劳动强度，提高混凝土的浇筑质量，模具底部设置有风动振动器。本批模具的机构形式有利于减少管片生产中的操作工序和操作劳动强度。对制造（包括组焊成整体时）的精度要求极高，尺寸精度的调整难度较大。但在完成制造并检验合格后能较长时间的保持尺寸精度，不易变形。结构本身的刚度合理，既能保证振捣效果又能保证结构的稳定性。精度要求盾构施工难点之一就是防水，需要从管片自防水、管片接缝防水、嵌缝防水、螺栓孔防水和隧道渗漏处理等来综合加强止水效果，而管片精度及拼装质量就直接与防水效果息息相关。管片模具精度是保证管片加工精度的前提条件。钢模设计精度如下（环境温度130C时）：宽±0.5mm厚±2.0mm内／外径±2.0mm直径衬垫±1.0mm弧长±1.0mm纵向接缝的平度±0.5mm环向接缝的平度±0.5mm质量保证措施为保证本工程使用过程中钢模的精度，拟采取如下措施：（1）正确的运输和使用。模具应在—水平、无压力的状态下运输。运吊中应注意勿使起吊工具（绳、链、带）损伤模具内表面。任何情况下，起吊绳和物都不能缠绕在凸出螺栓或钢模板上，管片模具放置地面必须能使模具完全固定，此外，基底应稳固且不受振动干扰；（2）定期进行检查和调整。基于模具的特点，在生产过程中建立动态的监控管片模具精度的制度，每周对所有模具初检一遍，每个钢模生产完100块后进行全面检修，调换易损件。并且根据测出的出厂管片的精度变化，对模具的操作和精度变化进行跟踪。