盾构推进系统设计

盾构推进系统设计

隧道网 https://www.360docs.net/doc/0d4397388.html,(2006-8-4) 来源：隧道建设

摘要：分析了盾构推进系统的设计需要满足的功能要求，对盾构设计推力进行了详细的计算，结合盾构的结构及尺寸，确定了推进油缸的规格参数、外形尺寸和数量，分析了推进油缸的布置方式以及与管片间的匹配适应关系，阐述了盾构推进系统的控制。通过研究，掌握了盾构推进系统的设计方法，为盾构的施工提供参考。

关键词：盾构推进系统设计布置控制

中图分类号：U455．3+9 文献标识码：B

1 概述

盾构法施工以自动化程度高、施工速度快、安全可靠、对周边环境影响小等优点，得到了日益广泛的应用。但是，由于盾构的制造工艺复杂，现在国内施工用的盾构，主要依赖进口。在国内的隧道建设中，德国和日本在中国盾构市场占有率处于绝对垄断地位。

为了实行盾构国产化，在盾构关键技术领域内得到突破和发展，在引进设备并不断消化吸收的过程中，在盾构的设计方面有一定的进展，以下就盾构的推进系统的设计作一探讨。

盾构是集开挖、支护、衬砌、出碴于一体的隧道施工专业设备。盾构实现隧道的开挖，主要是由以下两个运动完成：一是刀盘切削，二是盾体的推进。刀盘的切削、盾体的推进均依靠支承环内大体等距布置的推进油缸作用于管片从而提供反作用力为基础。因此，盾构推进系统的设计需要满足以下功能要求：为盾构前进提供足够的动力；控制盾构的前进速度，与出碴速度相配合，实现土压平衡状态；能够控制盾构的姿态，实现盾构的纠偏及转向要求；适应管片的尺寸及操作要求；从整体角度考虑，满足盾构的总体功能设计、综合施工作业要求。

以下盾构的推进系统的设计主要包括确定盾构的推力；推进油缸的规格参数、外形尺寸和数量的计算；推进油缸的布置方式；推进油缸的控制。

对于如盾构的推力等主要技术参数的确定要基于具体的工程地质条件和隧道管片的设计，以下以越秀公园一三元里盾构区间的工程地质资料为依托进行盾构的推进系统的设计。

2 盾构推力计算

盾构在掘进时，需要克服五种推进阻力：盾体和外部土层的摩擦力；管片与盾尾间的摩擦阻力；刀具切人岩土时的贯人阻力；盾构机正面的土压力；后续设备的牵引阻力。盾构配备的推力除克服以上阻力，还应考虑盾构转向时，只有部分油缸工作的因素，并作足够的

推力储备。

2.1 地质参数及盾构的主要技术参数

越秀公园一三元里区间主要为含水的风化岩和泥土；最大埋深约26 m，计算中地质参数均按照此埋深对应断面的地层选取如下：岩土容重：γ=19.9kN/m3；岩土的内摩擦角：Φ=19.5°；土的粘结力：c=49kN/m2；覆盖层厚度：H nax≈26m；地面荷载：P 0=20kN/m2；地下水压：P W=30kN/m2；水平侧压力系数：λ=0.7；盾构外径：D=6.25 m；盾构主机长度：L=7.5 m；盾构主机重量：W=370t。

2.2 土压计算

对于深埋隧道首先按太沙基卸拱理论计算上覆地层压力，当上覆地层压力值小于2 D(D为隧道外径)隧道高度的上覆地层自重时，取2 D(两倍掘进机直径的全土柱土压)作为上覆地层压力。

(1) 松驰土压计算：

太沙基公式

其中：K0一般取值1．0；B1为盾构顶部松弛宽度，m；

B1=(D/2)2cot[(45°+Φ/2)/2]=3.1253cot[(45°+19．5°/2)/2]=6.04m

代入上式得

P s=6.043(19.9—49/6.04)/tan19.5°3(1-e-13tan19.5°3(26/6.04))+203e-13tan19.5°3(26/6.04)=161.63 kN/m2

(2) 计算2 D上覆地层压力(两倍掘进机直径的全土柱土压)：

P q=γ222D=19.93236.25=248 kN/m2

根据计算结果：土压取248 kN/m2。

2.3 盾构荷载计算

根据土压，结合盾构的相关技术参数，确定盾构的荷载。

① 设计垂直土压：地面荷载取20 kN/m2，则P v=268 kN/m2；

② 垂直方向地层反力：Pv1．+Pv+W/(D2L)=347kN/m2；

③ 盾构顶部侧压力：P h=λ2Pv=193 kN/m2；

④ 盾构底部侧压力：P h1=P h+λ2γ2D≈283 kN/m2。

2.4 阻力计算

根据地质参数及以上荷载计算结果，以下进行各部分阻力计算：

(1) 盾壳和土层的摩擦力F1

这一阻力是由作用于盾壳外周的土压力引起的与盾壳钢板之间的阻力。在砂性土中，其计算式为：

F1=μ2[π2D2L(Pv+Pv1+P h+P hl)/4]

式中：μ为盾壳和土体间的摩擦系数，一般采用0．2～0．5，取值0．3；代入数值计算得：F1≈12044kN。

(2) 盾尾密封的摩擦力F2

这一阻力就是管片外表面同盾尾刷之间的摩擦阻力，其计算式为：

F2=n s3W s3μs

式中：n s为隧道管片的环数，一般采用2～3，取为2环；W s为隧道管片每环的重量，约为26t(管片外径为6m，内径5．4m，环宽1．5m)；μs为盾尾刷和隧道管片之间的摩擦系数，一般采用0．3～0．5，取值0．35；计算得：F2≈180 kN

(3) 刀具切入岩土时的贯人阻力F3

刀盘上共安装了64把切刀、16把刮刀、33把滚刀(按刀刃计算)。按照海瑞克公司的经验计算，16把刮刀的推力相当于96把切刀的推力；根据每把切刀在软土中的推进力约为5．6 kN、每个滚刀的设计最大推力为250kN，考虑到装在刀盘边上的滚刀的分力作用，按31把滚刀来计算刀盘的推力(经验值)。

根据地质条件的不同，土压平衡式盾构分为两种掘进模式：

一是土压平衡(EPB)模式：推力按切刀及刮刀的贯入阻力进行计算：

F3EPB=(64+96+31)35．6≈l 070kN

二是硬岩敞开掘进(TBM)模式：推力按滚刀的贯入阻力进行计算：

F3TBM=313250=7 750kN

(4) 盾构机正面的阻力F4

在土压平衡模式下，由开挖面土压力和水压力在盾构正面上产生阻力。

F4EPB=P3A

其中：P为开挖面土压力和水压力，P=(P h+P h1)/2+P w=268 kN/m2；A为盾构正面的投影面积。

计算得：F4EPB=8218kN

(5) 拖拉后配套台车的力F5

F 5=μ3

G t

式中：μ为摩擦系数，一般采用0．05；G t为后方台车重量。约4450kN。

计算得：F 5=222kN

2.5 总推力计算

(1) EPB模式

F EPB=F1+F2+F3EPB+F4EPB+F5=21 734 kN

(2) 硬岩敞开模式

F TBM=F1+F2+F3EPB+F4EPB+F5=20 196 kN

取二者之大值，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，盾构需要的推力应为：

F=32 601kN

3 推进油缸的选型和配置

推进油缸的选型和配置应根据盾构的操作性、管片组装施工方便性等确定。根据盾构各管片分布方位和受力点布置各油缸的最佳位置。推进油缸选型、配置时，必须满足下列要求：

① 推进系统不仅要考虑满足盾构设备在掘进中推力的需要，同时还要根据管片拼装的要求进行布置；

② 推进油缸的推力和数量应根据盾构外径、总推力、管片结构和隧道路线等因素确定；

③ 推进油缸应选用重量轻、耐久性好、结构紧凑的油缸，一般选用高压油缸；

④ 推进油缸一般情况下等间距配置在盾构壳板内侧附近，位置的确定要兼顾管片的强度；

⑤ 推进油缸配置时，应使推进油缸轴线平行于盾构轴线。

3.1 推进油缸的推力F0计算

F0=P3πD2／4

式中：P为液压系统压力，设计为300 bar；D为推进油缸的内径。

首先根据盾构外径、盾尾铰接和超前注浆机等设备的安装要求，计算推进油缸的外径。为了推进油缸的安装不和盾尾铰接部分发生干扰，设计中盾体容许的油缸布置外限界不超过盾尾最小直径处Φ6 066；同时，为了保证管片的受力点，油缸的推力中心应与管片的中心相对应，即分布在Φ5 700的中心圆上。油缸与盾体间安装间隙取为50mm。通过计算，油缸外径Φ为：23[(6 066—5 700)÷2—50]=266mm，取油缸外径260mm；油缸壁厚取20 mm；那么油缸内径为220mm。

计算得F 0=1140kN

3.2 推进缸个数

n=F/F0

式中：F为油缸的总推力，F=32601 kN；

计算得n=28．6≈30个

3.3 推进油缸的长度计算

确定推进油缸的长度是确定盾构壳体的长度及其它结构设计布置的前提条件。

推进油缸的长度为：L g=S+L d+L a1+L a2

式中：S为推进油缸行程，mm；L d为缸底尺寸和导向套尺寸，设计为485mm；L a1,L a2为油缸安装尺寸，固定端安装尺寸L a1=180mm，铰接端安装尺寸L a2=275mm。

推进油缸行程为管片环宽、封顶块搭接悬出长度、预留间隙之和。即S=L p+a+L x，其中，L p为管片环宽，设计为1 500mm；L x为封顶块搭接悬出长度，为1 5003(1—4/5)=300mm；a为预留间隙，考虑盾构转弯时两侧行程差及安装管片空间需要，取200mml。

代入数值计算得：S=2 000mm。

推进油缸长度在满足行程要求的情况下，应尽量短，以减少盾构的长度，有利于盾构的转向。相应的，油缸的安装尺寸和导向尺寸在满足油缸伸出的强度、刚度、稳定性的条件下，根据液压油缸外形尺寸的设计规范进行设计。

计算得推进油缸的长度为：L g=2 940mm

3.4 推进油缸的布置原则

盾构推进时，由于推进油缸直接作用于管片上，因此推进油缸的布置主要考虑管片的结构形式、分布方位、受力点布置、管片组装施工方便性等方面的因素。满足下列要求：

(1) 径向分布使管片受力均衡

管片的几何尺寸为：外径Φ6 000 mm，内径Φ5 400mm，管片厚300mm，管片的中心圆Φ5 700mm。为使管片在径向受力均衡，设计将油缸沿盾体周向成圆形均匀布置，油缸的轴线设计分布在管片的中心圆Φ5 700上。

(2) 环向布置与管片的分块相匹配

衬砌环设计为由1个封顶块、2个邻接块、3个标准块组成，采用错缝拼装，环间采用10个M24螺栓进行联接，螺栓布置间隔36°。一般情况下，封顶块的位置允许在正上方或偏离正上方±36°，也有可能偏离±72°。

为了保证无论管片如何错动，每块管片所受推进力总是相等，并且在整个衬砌环上受力均匀，确保管片的贴合均匀密实，要求油缸的环向布置的间距角度与管片错动角相对应，保证油缸合力作用在每块管片的中心上。那么每组油缸环向布置的间隔应为36°的倍数，根据这个原则推理，在整圆范围内，油缸总数为l0的倍数，与计算的油缸总数30个相适应。

(3) 考虑管片在整个衬砌环受力均匀，油缸布置应沿垂直轴线、水平轴线均匀对称布置。

3.5 推进油缸的布置方案

综上所述，30个油缸的布置方式可以有以下几种：

(1) 30个单油缸均匀分布

在绘图中，油缸的调节机构与铰接油缸支座发生干扰，方案不可行。

(2) 双油缸布置

15对双油缸沿盾体圆周均匀分布，环向布置的间距角度为24°。

与周向转动36°的管片不能对应，使油缸的推力中心线与管片的中心线不能重合，管片受力不均衡，不易实现管片拼装贴合严密的施工要求。

(3) 单双油缸间隔布置

单双油缸按每隔18°间隔布置，在封顶块位于正上方时，油缸的推力中心线与管片中心重合。并且每组油缸间有充分的空间布置铰接油缸和超前注浆管。在错缝拼装时，封顶块偏离正上方36°、72°时，推进油缸与管片能够相适应，因此这种油缸布置方案可行。见图1。

图1 推进油缸的布置(单位：mm)

4 盾构推进系统的控制

4.1 土压的控制

盾构在土压平衡工作状态下，刀盘开挖下来的土碴充满土仓，在推进油缸的推力作用下，通过土仓隔板进行加压，产生土压，土压作用于整个开挖面，抵抗开挖面的土压和水压，使开挖面保持稳定。因此，土压仓内的土压的控制是保证开挖面稳定的关键因素。

土仓内土压是通过安装在土仓隔板上分布在不同位置的土压传感器进行测量的，通过对土仓内土压的测量从而获取开挖面稳定控制所需的信息。

土仓内土压的控制可通过控制开挖量、排碴量、推力和推进速度来实现，在保持开挖量、排碴量一定的情况下，通过控制推进油缸的推力和推进速度来调节土仓内的土压，推进速度加快，则土仓内的土压上升，反之则下降，从而使土压仓内的土压与开挖面的土压和水压相平衡，保证开挖面的稳定。

在推进油缸上安装速度传感器，连续地调整推进油缸的推进速度，土仓内的土压可随改变盾构千斤顶的推进速度而增减。

4.2 盾构姿态控制

由于地层变化频繁、软硬交错，盾构机经常通过掌子面软硬不均地层，造成刀盘受力不均，从而使盾构姿态产生偏转、抬头、低头的现象，导致盾构的掘进轴线与隧道设计轴线发生偏离。

为了纠正盾构姿态，将30个推进油缸分组，每组推进油缸分别安装行程传感器，并可以单独调整每组推进油缸的推进力和推进行程，这样就可以实现盾构左转、右转、抬头、低头或直行。采用激光导向系统对盾构的姿态进行监控，操作者根据反馈信息调节每组推进油缸的压力，及时地调整盾构的姿态，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。

5 结束语

通过盾构推进系统的设计，对确定盾构的推力以及推进油缸的基本参数形成了一套成熟的计算方法，并深入了解盾构的推进系统的结构及其设计思想，这些成果对于以后盾构的开发、改造及施工选型起到积极的作用。