盾构推进系统设计

盾构推进系统设计

隧道网 (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：