土压平衡式盾构管片拼装机负载分析与计算
海瑞克土压平衡式盾构机分析
海瑞克土压平衡式盾构机分析盾构机的工作原理1．盾构机的掘进液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。
2．掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。
3.管片拼装盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN•m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。
盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。
1.盾体盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。
前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。
承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。
前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这30个千斤顶按上下左右被分成A、B、c、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。
盾构管片拼装机原理及结构分析
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盾构管片拼装机原理及结构分析
李 岩 祖 妍
（天津赛瑞机器设备有限公司，天津 300301）
摘 要：管片拼装机又被叫做举重臂，是一种安置在盾尾部、可以快速将管片拼装固定的起重设备。进行开 挖后的隧道需要洞外预制好的钢筋混凝土管片进行长久性保护，管片的拼装机的功能就是将管片快速准确地安装 到刚刚开挖好的隧道表面，用来支护隧道表面，防止地下水的渗透与地表沉降，而管片承担的是盾构前进的推进 反力。盾构管片的拼装机构为一种典型机电液产品，也是组成盾构装配系统的关键子系统。管片拼装机的功能会 直接影响管片拼装质量与隧道的施工效率。 关键词：管片拼装机 盾构 拼装质量
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现代制造技术与装备
２０１７ 第 ６ 期 总第 ２４７ 期
圆管带式输Leabharlann 机的设计要点及其关键技术吕 家
（长园共创电力安全技术股份有限公司，珠海 519085）
摘 要：本文以圆管带式输送机为例，就其设计要点和关键技术进行分析。 关键词：圆管 带式输送机 设计要点 关键技术
近年来，随着社会的飞速发展，工业生产现代化水平 有了很大程度提高，环保问题也受到社会各界的广泛关注。 传统的带式输送机在工作时会产生大量粉尘和散料，进而污 染环境， 而圆管式带式输送机具有减少输送过程污染的优点， 因此对其的设计要点和关键技术进行研究具有重要意义。 １ 圆管带式输送机简介 本文主要研究最常见的六边形布置的托辊组构成的圆管 带式输送机。这类输送机在拥有传统带式输送机优点的基础 上， 还拥有噪声小、 机构紧凑、 不易跑偏、 运行可靠、 体积小、 双向输送物料等优点。圆管带式输送机的工作原理跟普通带 式输送机相同， 主要由滚筒、 拉紧装置、 传动滚筒、 驱动装置、 输送带、机架、托辊组构成，在头、尾过渡位置安装有槽角 不同的托辊组，而中间段安装着六边形的托辊组。 ２ 圆管带式输送机设计要点及其关键技术 就目前我国运用的圆管式输送机现状而言，主要存在 着输送过程稳定性不高等问题，集中体现在输送带断裂、 结构架破坏以及托辊组损害上。此外，还存在着一些线路 设计浪费的情况，其中表现尤其突出的是在设定驱动功率 时，因为设计理念的落后，选择的安全系数值过高，单子 跟其相对的电动机的功率必须要高。基于此，需进一步优 化圆管输送机的设计，从而有效解决上述问题。 ２．１ 圆管带式输送机设计计算方法 关于圆管式带式输送机的设计方法主要是在传统带式 输送机的基础上做进一步优化，主要部件为阻力装置、驱 动装置以及拉紧装置。设计时，首要解决的问题为选择阻 力系数。传统的输送机给出了大致范围，但是因为不同的 设计人员设计思路不尽相同，所以还有待进一步统一。针 对上述问题，笔者建议可以对现有的设备进行测量，以获 得准确的数据。由于目前我国关于输送机的曲线段设计计 算方法依然无统一规定，计算结果误差较大，因此还需要 相关人员先推导出具体的计算公式，方面设计人员直接运 用，但当前分析多是基于理想工作情况的假想 [1]。 ２．２ 传输带设计 鉴于圆管式带式输送机在输送过程中需要持续重复关 闭和张开的动作，所以较传统的带式输送机而言，它的设 计要求更高。通常情况下，在设计传输带时，必须同时具 备以下四个条件。第一，传输带拥有较高的柔韧性，即便 在小半径曲线段弯曲工作时也不会出现故障；第二，传输 带具有良好的成槽性，以提高输送机在运行过程中的稳定 性；第三，输送带具备具较好的封闭性，从而让柔性边缘 形成良好的搭接，避免了环境污染；第四，传输带无论是 张开还是闭合，均应该具有稳定的动态连续负载，以延长 输送带的使用时间。传统的槽形输送机中不会涉及交迭摩 擦的情况，因此在计算圆管带式输送机载荷时，还需要将 传输机对托辊受力带来的影响纳入考虑范围，不可忽视摩 擦力的大小。为了达到降低摩擦力的作用，可以在交迭的 部位涂上润滑��
土压平衡盾构机械结构及功能介绍
中心回转接头
刀盘泡沫注入口结构
刀盘的主要分类
按结构形式分，一般分为两类：辐条 式刀盘和面板式刀盘。
按功能分，一般分为两类：软土刀盘 和复合式刀盘。
开口率的定义
• 开口率是指开口面积占整个刀盘面积的 百分比。一般在20%～65%不等，开口率 对土压平衡盾构有着重要意义，开口是否 合适直接影响到压力控制。
主驱动
液压驱动典型结构（以中铁2号为例）
主要组成：
1）液压马达/8台 2) 减速机/8台 3）小齿轮及其两端的调心滚子轴承/8套 4）主轴承/1个 5）驱动箱及其它环类零件/1套 6）主轴承外密封/3道 7）主轴承内密封/2道
驱动参数
1）驱动形式：液压驱动 2）速度：0～3.34rpm，连续可调 3）最大扭矩：5060KN·m 4）脱困扭矩：6030KN·m 5）最大速度下的扭矩：
• 3、多样化 • 随着城市建设的加快，土地资源越来越珍贵，为了节省空间，越来越
多的异形盾构出现，刀盘也随之变得各式各样。
刀盘主要结构
1、主驱动连接法兰（连接主驱动） 2、扭腿（传递扭矩及轴向力） 3、外圈梁（加强结构强度） 4、刀梁（安装刀具） 5、搅拌棒（渣土改良） 6、渣土改良注入口（渣土改良、回转接头）
中国中铁
土压平衡盾构机
机械结构及功能介绍
中铁隧道装备制造有限公司
目录
一、土压平衡盾构机介绍（结合总装图） 二、主驱动系统 三、出渣系统 四、管片拼装系统 五、设备桥拖车 六、人员仓
一、土压平衡盾构机介绍
• 土压平衡就是在盾构开挖时， 利用土仓内的土压或加注辅助
材料产生的压力来平衡开挖面
的土压及地下水压力，以避免
先行刀
鱼尾刀
• 在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改 善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一 把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀的设计和布置技术如下：其 一让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小 圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设 计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置， 保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥 形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径 向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中 心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大 提高盾构整体掘进效果。
土压平衡盾构技术
D、掘进技术参数与盾构机控制失误
① 掘进模式选择错误、土压等参数未及时调整适应、 未同步足量注浆和及时二次注浆 ② 盾构机姿态不当、盾构机较长时间停顿且措施不当
（3） 基本对策 首先把握盾构施工的特点、盾构机自身特点与 能力， 去克服问题。 ①通过实验确定适宜的土压力、掘进速度等 掘进参数 ②加强同步注浆、适时二次注浆以弥补地层 损失；
点位
D=6m D 表示隧道外径 隧道
（2） 盾构掘进中地层沉降原因分析：
A、地层损失
① 盾构机开挖土体体积大于隧道实体体积。 ② 对地层扰动后的土体主、次固结。
B、特殊部位
① 始发与到达掘进时土压尚未建立或失压。 ② 隧道与洞门结合部薄弱易发生水土流失。
沉降原因分析
C、不良地质条件
① 上软下硬。 ② 富水砂层、断裂破碎带易发生喷涌。
剪切区 挤压区
滑裂面
隧道管片
盾构机身
B、掌子面平衡状态分析
PT-掌子面极限状态临界力；PD-盾构刀盘压力 ① PT＝PD 平衡状态，但棱柱体S-BB′C′CDD′G′G具有下滑趋势，作用于楔形体SABC
地面
刀盘压力
② PT＜PD
地面沉降曲线
剪切面
剪切面
刀盘压力
③ PT＞PD
地面沉降曲线 剪切面 剪切面
D86531-D865312 横断面地面沉降曲线
3D3D
3
五、盾构施工的地层隆降
1）与掌子面稳定的相关问题
A、地层应力状态
主动土压力 剪切区 挤压区 被动土压力
卸荷区
扰动土再固结
隧道
隧道管片
盾构机身 刀盘 主动土压力
滑裂面
A、地层应力状态
地面荷载
盾构机的关键参数计算方法8
盾构机的关键参数计算方法1.1.1.1盾构机总推力计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进行计算。
根据招标文件和地质堪察报告按盾顶埋深22m，地下水位埋深按2m，盾构穿越地层按粉质粘土地层进行核定。
1、计算参数管片内径：Φ5500mm管片外径：Φ6200mm管片厚度：350mm管片宽度：1500mm覆土厚度：20m水头压力：200kPa土容重：粘土γ＝19.1kN/m3,粉土γ＝19.9kN/m3土的侧压力系数：0.5盾构机重量：331.7t盾构机盾壳长度：9.55m管片外径：Φg=6200mm盾构尾部的外径为：Φ6390mm盾体直径为：D 0＝6410mm钢与土的摩擦系数μ1＝0.3车轮与钢轨之间的摩擦系数μ2＝0.2每一先行刀的容许负荷pr＝150kN后配套系统G1＝160t最大推力F：42,000kN额定扭矩：5316 kNm脱困扭矩：6934 kNm2、盾构荷载计算松动圈土压，见图2.1.6-1。
按覆土厚度H0=22m计算,H1=1m,H2=12m.H3=9m①Pe1=（γ-10）H2+（γ-10）H3 +γ*H1=219.3kPa ②Pe2=Pe1-64.5=153.8kPa③④ ⑤⑥ ⑦ ⑧ ⑨图2.1.6-1 荷载计算简图3、盾构机总推力计算盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。
包括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力（正面阻力）、由先行刀挤压阻力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。
1.1.1.2盾壳与土体的摩擦力(1)、盾构外围与土的摩擦力)4()(221101011w q p q p LD w Lp D F e e e e w ++++=+=πμπμkN 6.11047）331742.1481048.1533.21955.9*41.6*14.3(3.0＝=++++kPa p q e e 1045.0*208*11===λkPa Pe q e 2.1485.0*2195.0*45.6*12*)145.6*)10((2=+=+-=λγkPaL D G p g 02.62)0.8*45.6/(10*320*/0===11e e q qf =22e e q qf =kpa qf w 2101=kpa qf w 2752=(2)、盾构推进阻力（正面阻力）kNqf qf qf qf D F w e w e 1383922752108.1533.219*40881.41*14.32*42211202=+++=+++π＝(3)、由先行刀挤压产生的阻力kN n p F r 2700150*18*3=== (4)、管片与盾尾的密封阻力kN W M F S C 8.1418.92.51.55.5)5.5-6.22.6(41416.323.04=⨯⨯⨯⨯⨯⨯÷⨯⨯=⨯=MC -管件与钢板刷之间的摩擦阻力，取0.3 WS-压在盾尾内部2环管片的自重 (5)、后方台车的牵引阻力kN G F 3201600*2.0*＝125==μ 所需最大推力kN F F F F F F 4.280483208.1412700138396.1104754321max =++++=++++=安全系数5.14.28048/42000/＝max ==F F α 根据分项计算推力的安全系数达到1.5，可以满足掘进的需要。
土压平衡盾构施工若干方面的探讨
土压平衡盾构施工若干方面的探讨一、盾构机机身滚动问题盾构机机身滚动是由于刀盘切削开挖面土体产生的扭矩大于盾构机壳体与土体的摩擦力矩而产生的，当摩擦力矩无法平衡刀盘切削土体扭矩时将引起盾构壳体滚动，过大的滚动会影响管片拼装，也会引起隧道轴线偏移，一般情况下当滚动值超过5时（0.5°），采用以下方法纠正：1.针对性的加注泡沫降低刀盘扭矩。
2.及时注浆，确保注浆量，增大盾构周边的摩擦力。
3.改变刀盘旋转方向，放慢推进速度。
二、盾构机穿越砂层、粘土层的技术措施问题1.粘性土层粘性土层过多的细颗粒含量使其具有较强的粘附作用被粘附在刀盘和土仓内壁，一般会堆积在土仓左下、右下底部搅拌棒不能触及到的地方，造成刀盘扭矩增大，铰接压力变大，推进压力变大，推进速度降低，由于压力较大，粘土被压密固化造成掘进和出土困难，由于不能很好地融合搅匀单独排出造成土仓内温度升高更不利于排土，造成不良循环，存在风险性、材料浪费等。
2.砂性土层砂性土层内摩擦角大，渣土流动性差，排土困难，容易造成地面沉降。
通过砂层、粘性土层主要技术措施如下：（1）在即将进入砂层推进时严密注意开挖面和土仓压力变化，注意螺旋机出土口渣土的形状、流态和温度变化。
（2）严格控制出土量，确保土仓压力，以稳定工作面控制地表沉降。
（3）推进过程中向土仓内及刀盘面板注入泡沫或膨润土泥浆进行渣土改良，提高渣土流动性和止水性，防止涌水涌沙发生喷涌现象，利于螺旋输送机排土。
（4）选择合理的推进参数快速通过，将施工引起的对地层的影响减到最小。
（5）控制好盾构姿态，防止盾构上抬。
（6）适当缩短水泥浆的胶凝时间保证同步注浆的质和量，减少地层损失以控制地表沉降。
（7）当通过砂层时尽量避免不正常停机，缩短停机时间；根据推进压力、铰接压力、铰接行程、推进速度和出土情况，土质和土体温度从而判断分析和处理所出现的问题。
（8）在粘性土层中推进利用隔板上泡沫孔和水孔向土仓内注入泡沫和水，利于渣土排出，当刀盘结泥饼可高速空转刀盘利用离心力的作用脱落。
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置(精)
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。
在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。
控制原理土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。
土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。
以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。
主要参数抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。
过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。
比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。
积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E, 也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。
为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。
6米土压盾构液压设计计算书
6.15m土压平衡型地铁盾构机（液压系统）计算书拼装机驱动液压系统1、基本参数拼装机转速： n = 0.3rpm/1.5rpm拼装机转动范围： =±210°马达-减速机速比： i1 = 19.56减速机-大齿圈速比：i2 = 200/15回转力矩： T=87.2KN²m2、马达扭矩：T马达= T/ i1 / i2= 87.2/19.56/(200/15)= 334.36 N²m3、马达转速：n马达=n³i1³i2=1.5³19.56³(200/15)= 392r/min。
4、马达排量马达的工作压力初选12MPaV = 6.28³T马达/12/ηm= 6.28³334.36/12=174.98mL/min5、流量：Q = V²n马达/ηv= 175³392/1000/0.98= 70L/min考虑到泄漏量：单马达的所需流量初选75/min.根据上述参数：选配：马达： MB175AP080马达额定扭矩： T额定=765 N²m马达排量： q =175cm3/rev额定压力： 27.5Mpa额定转速： 600rpm油源与螺旋机系统共用。
拼装机油缸液压系统1、提升油缸工作负载：210KN；提升速度：5cm/s；油缸数量：21） 液压缸内径D 的计算 初选液压缸的工作压力为21MPamm P F D 79.79102114.31000105446=⨯⨯⨯⨯==π 根据国家标准GB/T2348-1993液压缸内径系列将所计算的值圆整为标准值，取D=80mm2）活塞杆直径D 的计算mm Dd 9.4446.1146.1801=-⨯=-=ϕϕ 根据国家标准GB/T2348-1993活塞杆直径系列将所计算的值圆整为标准值，取d=45mm其中ϕ—速度比。
222d D D -=ϕ下面给出了不同速度比时活塞杆直径d 和液压缸内径D 得关系d 和D 的关系设计中，根据工作压力的大小，选用速度比时可参考ϕ和p 的关系表ϕ和p 的关系本，应尽量选用标准系列值。
φ6140mm土压平衡盾构机土压盾构机设计计算书
φ6140mm土压平衡盾构机型号 TM614PMX设计计算书目录页数1、计算条件 (2)1.1工程条件 (2)1.2地质条件 (2)1.3盾构机主要参数计算 (3)2、盾构机刀盘所需扭矩计算 (4)3、盾构机掘进时所需推力计算 (6)4、盾构机壳体强度计算 (8)4.1 盾尾壳体强度计算 (8)4.2 铰接壳体强度计算 (12)5、切削刀具寿命的计算 (12)5.1计算条件 (12)5.2计算方法 (12)5.3计算结果 (14)6、三排园柱滚子轴承计算 (14)6.1 盾构机规格 (14)6.2 正常掘进载荷及三排园柱滚柱轴承强度计算 (15)7、刀盘驱动部传动齿轮强度计算 (17)7.1 齿轮弯曲强度计算 (17)7.2 齿面接触强度计算 (18)8、螺旋输送机规格计算 (19)9.1、输送能力 (19)9.2、驱动力矩 (19)1、计算条件：1.1、工程条件：(1) 隧道长度 2676.471mm(2) 隧道最小转弯半径 250m(3) 盾构机开挖直径φ6160m m(4) 管片外径φ6000m m(5)管片内径φ5400m m(6)管片宽度 1200mm(7)管片厚度 300mm(8)分块数 5+1块(9)隧道坡度坡度 35 ‰1.2、地质条件：本工程隧道地质条件主要为：隧道主要穿越第四纪粉土、粉质粘土、粉细砂层及卵石圆砾地层，最大砾径140mm，透水系数在6号细砂层中最大：1.2×10-3~6.0×10-3。
2图 1-1注：关于地面荷载，在不清楚的情况下假定9.8kN/m2(1.0tf/m2)进行计算。
对于粘土、砂、砂砾土层，根据小松公司的长期经验，切削刀的切削阻力系数在粘土（水土不分离）中最大，见表1-1。
因此本工程采用粘土层（水土不分离）以及隧道上方的土体松弛高度以全覆土来计算盾构机各主要参数。
表1-1切削阻力系数地质的一般条件：(1)土质粘土、砂、砂砾(2)隧道覆土厚度 20 m(3)地下水位GL- 7~8 m(4)透水系数 cm/sec(5)标准贯入值（maxN值） 57(6)内摩擦角 deg(7)粘着力 kN/cm2(8)含水率（W%） %(9)地面负荷 1 tf/m2(10)地层反力系数 kN/m21.3、盾构机计算的主要参数：本计算书主要计算以下盾构机参数（如表1-2所示）。
土压平衡盾构穿越已建地铁隧道时的共和正面土压力分析
土压平衡盾构穿越已建地铁隧道时的共和正面土压力分析摘要：随着地铁建设规模的不断扩大以及地下空间利用的条件限制，盾构法施工地铁面临必须从已建地下构筑物(特别是已建地铁隧道)下方穿越的现状。
如何在盾构法施工的同时保护好已建的地下构筑物，本文通过上海地铁M 4线在未经加固的软土地层中，用寸：压平衡盾构近距离在运营中的地铁2号线隧道下穿越并且获得成功的实例对正面土压力的控制进行分析。
从而对今后的类似工程提供参考。
关键词：土压平衡盾构、正面土压力、控制1 工程概况过去，当盾构要穿越地铁隧道时往往要提出对穿越区段的土体进行地基加固。
但是对盾构机近距离穿越位于未加固软土地层的地下构筑物和正在运营地铁隧道，仍缺乏理论研究与施工经验。
本工程上行线在盾构机到达张杨路站调头后，向南推进1 3 0余米，斜向穿越世纪大道，从地铁2号线区间隧道下方通过。
上行线隧道在穿越区段的线形为，平曲线R=379.851m，竖曲线R=2995m。
隧道交叠的投影长度约为96米(137—217环)，两隧道间投影交叉点的垂直距离为1.045米和1.375米。
与地铁2号线隧道轴线交点处的盾构中心标高为-16.140m和-17.392m，地面标高+3.91m。
本区间采用土压平衡式盾构，盾构机外径①6340mm，盾构机长8650mm。
本工程穿越区段的地铁2#线隧道位于灰色淤泥质粘土④层，下穿的M 4线隧道断面为灰色淤泥质粘土④层、灰色粘土⑤1—1层、灰色粉质粘土⑤1—2层，详见表1。
2 正面土压力的计算根据土压平衡盾构的设计原理，盾构土仓中的压力须与开挖面的正面土压力平衡，以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。
一般情况下，由土力学原理，正面土压力的理论值：P0=k0(∑γihi+P′)其中：K0=1-Sinφ′φ′——H处土的有效摩擦角γi——成层土的容重hi——成层土的厚度P′——地面超载在H处引起的竖向压力表1 土层物理力学性质参数表考虑到盾构近距离穿越地铁2号线隧道，盾构土压力与一般条件下的土压力不同，要计算由于上方地铁隧道产生的土压力损失值ΔPΔP=k∑γi hi-2γcDk——隧道对盾构的投影系数γi——隧道范围内成层土的容重hi——隧道范围内成层土的厚度γc——钢筋混凝土的重度D——隧道管片的厚度盾构机的土压力理论设定值P=P0-ΔP本工程计算的理论土压力设定值如图1所示：本区间所采用的土压平衡式盾构，土仓内安装有4只土压力计，分别在盾构面板上、下、左和右的位置，土压力设定以中部土压力为准，取左右计算的平均值。
土压平衡式盾构机
土压平衡式盾构机——刀盘土压平衡盾构是以20世纪70年代刀盘切削机械为基础发展起来的一种新型盾构方法，其施工方法是为保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封腔内充填开挖下来的土砂，并保持一定压力，并由螺旋输送机出土。
土压平衡盾构机就是依据该原理生产的，其原理是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。
土压平衡式盾构机主要有盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备九大部分组成。
以下我们主要介绍土压平衡式盾构机的刀盘系统：土压平衡式盾构机刀盘刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度都直接影响到施工掘进的速度和成本，并且出了故障维修处理困难。
不同的地质情况和不同的制造厂家，刀盘的结构也不相同，其常见的结构有：平面圆角刀盘、平面斜角刀盘、平面直角刀盘。
盾构机刀盘应满足以下要求：（1）刀盘应有足够的强度和刚度。
（2）刀盘应有较大的开口率。
（3）针对地层的变化，能够方便地更换硬岩滚刀和软岩齿刀。
（4）刀盘结构应有足够的耐磨强度。
（5）刀盘上应配置足够的渣土搅拌装置。
（6）刀盘上应配置足够的注入口，各口并装有单向阀，以满足刀具的冷却、润滑和渣土改良。
要满足这些条件，就要从刀具的配置和生产工艺上都下功夫。
刀具的配置：盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
（1）刀具种类：单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀（双刃以上的一般都是中心滚刀）、齿刀、切刀、刮刀和方形刀（超挖刀）。
为适应不同的地层，滚刀和齿刀可以互换，所以它们的刀座相同。
切刀（齿刀，刮刀）：切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。
盾构机土压力计算
城市地铁盾构施工土压力选择随着北京2008年申奥成功，我国的城市地铁施工必将走向了一个崭新的一页。
城市地铁盾构施工具有快速、安全、对地面建筑物影响小等诸多优点，已经被越来越多的人们所认可。
在城市地铁盾构施工中，如何设置合理的土压，对于控制地表沉降有着至关重要的意义。
一、土压平衡复合式盾构机三种工况的简要介绍土压平衡复合式盾构有三种工况，即敞开式、半敞开式、土压平衡三种掘进模式。
地层围岩条件较好时，螺旋输送机伸入土仓，螺旋输送机的卸料口完全打开，土仓内不保持土压，维持刀盘、土仓、螺旋输送机之间的完全敞开，实现敞开式模式掘进。
当围岩稳定性变坏，工作面有坍塌时或有坍塌的可能，或地下涌水不能得到有效控制时，缩回螺旋输送机，关闭螺旋输送机的卸料口，压入压缩空气，土仓会被压力封闭，控制地下水的涌出，防止坍塌的进一步发生，即可实现半敞开式掘进模式；若水压力大或工作面不能达到稳定状态，则先停止螺旋输送机的出碴，切削下来的碴土充满土仓。
与此同时，用螺旋输送机排土机构，进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中，始终维持开挖土量与排土量的平衡来维持仓内碴土的土压力。
以土仓内的碴土压力抗衡工作面的土体压力和水压力，以保持工作面的土体的稳定，防止工作面的坍塌和地下水的涌出，从而使盾构机在不松动的围岩中掘进，确保不产生地层损失，实现土压平衡掘进模式。
二、掘进土压力的设定在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力。
2.1地层施工土压在我国铁路隧道设计规范中，根据大量的施工经验，在太沙基土压力理论的基础上，提出以岩体综合物性指标为基础的岩体综合分类法，根据隧道的埋资深度不同，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道。
再根据隧道的具体情况采用不同的计算方式进行施工土压计算。
2.1.1深埋隧道与浅埋隧道的确定深、浅埋隧道的判定原则一般以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。
深埋隧道围岩松动压力值是根据施工坍方平均高度（等效荷载高度）确定的。
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３ 基本结构
管片拼装机设置在盾构尾部。主要由平移机构、
回转机构及升降机构等组成 ， 可实现平移 、 回转及升 降等动作 ， 如图 ｌ 所示。 陡坡施工倾斜状况下，由于支撑管片拼装机的 支撑方向和重力方向会发生偏移 ，通常支重轮的旋
一
图２ 管片最高位置状态受 力
４ ． １ ． １ 自重状 态
片进行永久性支护 。管片拼装机是盾构的重要组成 部分 ，它主要负责将管片安装到刚开挖好的隧道表 面， 形成衬砌 ， 使隧道一次成型。管片安装的质量籽 直接对地下水土的渗透和地表沉降产生影响。因此 管片拼装机必须具有高可靠性和 良 好的操作性 。
图１ 盾构管片拼装机结构
１ ． 支重轮 伸缩油缸 ３ ． 伸缩杆 ４ ． 管片拼装机旋转体 ５ ． 防倾倒轮 ６ ． 管片拼装机 吊装梁 ７ ． 滑动架
一
式中：
一
一
管片拼装机上部支重轮反力， ｋ Ｎ ， 管片拼装机上部支重轮反力 ， ｋ Ｎ ；
根据图 ２ 所示 ， 在伸缩油缸上推状态时 ， 管片拼 装机下部两个支重轮受力相同， 则支重轮受力：
（ 一＋ ＋ ＋ ＋ ） ， （ ２ ｃ ｏ ｓ ｊ ）
防倾倒 轮受力 ：
ｘＬ８ ＝ ｘＬｌ ＋ ｘＬ２ ＋Ｆ３ ｘ Ｌ３ ＋Ｆ４ ｘＬ４ ＋ ×Ｌ５
式中 ：
一
４ ． ２ ． ２ 伸缩油 缸下推状态
管片距支撑点的距离 ， ｍ；
￡ 一滑动架距支撑点的距离 ， ｍ； Ｌ ｓ 一 管片拼装机吊装梁距支撑点的距离 ， ｍ，
４ ． １ 管片最 高位 置状态
当管片处于最高位置状态时，负载分为两种形 式： 伸缩油缸上推时的推力作用和拼装机 自重， 如图 ２所示 。
和滑动油缸的不同步伸缩进行微调定位 ，当螺栓连 接管片的螺栓孔沿环间和块间全部对齐后，再把螺
栓按一定的力矩进行连接， 即成一块管片的拼装。反 复进行这一系列的作业 ， 直到拼装完一环。
＝ ＝
一
一
图３ 管片 最低位 置 状 态受 力
一
４ ． ２ ． １ 自重 状态
一
根据图 ３ 所示 ， 在 自重状态时， 管片拼装机下部
两个 支重轮受力且 相 同， 则支重 轮受力 ：
ｎ
一
一
Ｑ 一 管片拼装机下部两个支重轮夹角。 防倾倒轮受力 ：
ｘ Ｌ ８ ＝ ｘ Ｌ１ ＋ ｘ Ｌ ２ ＋ ｘ Ｌ ３ ＋ Ｆ ４ ｘ Ｌ ４ ＋ Ｆ ５ ｘ Ｌ ５
摘 要： 概述了土压平衡式盾构管片拼装机的工作原理 及整
体结构 ， 并对其负载进行分析与计算。 关键词： 土压 平衡 式盾 构机 ； 管 片拼 装机 ， 支重 轮 ； 防倾倒
轮； 导 向套
１ 引言
＾
氅
随着国内地下项 目的不断增加，土压平衡式盾 构机市场的需求量 日 益扩大。 在盾构施工过程中， 随 着盾 构机 的开挖 、 推 进和 出碴 ， 开 挖后 隧道需要 用管
厶
式 中：
一
管片重量 ， ｋ Ｎ ｌ 管片拼装机滑动架重量 ， ｋ Ｎ ， 管片拼装机 吊装梁重量， ｋ Ｎ ； 管片拼装机旋转体重量， ｋ Ｎ ； 管片拼装机配重重量 ， ｋ Ｎ ； 管片拼装机下部支重轮反力 ， ｋ Ｎ ｌ 管片拼装机下部支重轮反力 ， ｋ Ｎ ，
８ ． 防摇摆油缸 ９ ． 管片 １ Ｏ ． 滑动油缸 １ １ ． 配重 ｌ ２ ． 液压马达
转部会产生变形导致旋转动作不畅，甚至发生倾翻。
因此 ， 针对盾构机的倾斜角， 设置防止倾翻的防倾倒
轮装置 ， 保证管片拼装机能够安全地抓举、 旋转并安 装管片。
２ 管片拼装机工作原理
２ ０ １ ３年第 ２期 总第 ３ ８期
重 工与起 重技 术
ＨＥＡ ＶＹ Ｉ ＮＤＵ Ｓｒ 】 ＵＡＬ ＆ Ｈ０Ｉ ｎＮＧ ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＲＹ
ＮＯ ． ２ ２ ０ １ ３
Ｓｅ ｄ ａ ｌ Ｎｏ． ３８
土压 平 衡 式 盾构 管片 拼 装机 负载 分析 与计 算
大连 华锐重 工 集 团股份 有 限公 司设计研 究院 曲明 月 张丽 华
Ｌ 一 管 片拼装机旋转 体距支撑 点的距离 ， ｍ，
根据 图 ３ 所示 ， 在伸缩油缸下推状态 时， 管片拼 装机上部两个支重轮受力 ， 而且受力相同， 则支重轮
受力 ：
ｎ
＝ 。 ＝ ： （ ＋ 一 ∑Ｆ ） ／ （ ２ ｃ ０ ｓ ）
厶
ｓ 一配重距支撑点的距离 ， ｍｌ Ｌ ｓ 一 防倾倒轮受力点的距离 ， ｍ； 防倾倒轮反力 ， ｋ Ｎ 。 ４ ． １ ． ２ 伸缩油 缸上推状态
根据图 ２ 所示， 自重状态时管片拼装机下部两个
４ 一
重 工与 起重 技术
ＨＥ ＡＶＹ Ｉ ＮＤＵＳ Ｔ ＲＩ ＡＬ＆ Ｈ０Ｉ Ｓ ｒ Ｉ １ ＮＧ ＭＡＣ ＨＩ Ｎ ＥＲＹ
支重轮受力相同， 则支重轮受力 ：
ｎ
＝ ＝ ＋ ＋ ＋ ＋ ） ／ （ ２ ｃ ０ ｓ ）
４ 负载分析 与计算
根据管片拼装机的工作原理 ， 将管片拼装状态分
为四种 ： 管片最高位置状 态、 管片最低 位置状态 、 管片
水平位置状态及拼装机旋转状态。拼装状态不同， 管 片拼装机的支重轮和防倾倒轮的受力也不同。 设计时 如果结构受力分析不准确， 支重轮和防倾倒轮选型错 误， 会造成管片拼装机的倾翻。 为了确保施工安全， 必 须准确对管片拼装机的负载进行正确分析与计算。
管片运送小车先将管片运至喂片机 ，喂片机将 管片运送到管片拼装机的抓取区域。管片拼装机进 行管片安装时，管片定位大致分为粗定位和微调定 位两个阶段 ，粗定位是粗略移动到预先确定的位置 上 ，微调定位是指使待装管片的螺栓孔与已装管片 的螺栓孔对合 。拼装管片时 ， 先粗定位 ， 即用夹具抓 住管片， 伸缩油缸将其升降， 滑该管片旋 转到相应的径向位置； 然后再用支撑油缸、 伸缩油缸