盾构机选型.docx
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盾构机选型
第1章.
第34章.
第35章.
第36章.
第37章.
第38章.
第39章.
第40章.
第41章.
第42章.盾构、配套设备与管模
42.1.盾构机选型
42.1.1.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。
本合同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。
42.1.2.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（％）
颐和园一圆明园站
③
粉土
9.3
⑥
粉质粘土
46.0
⑥2
粉土
35.2
⑦
卵石圆砾
3.2
⑦2
粉细砂
6.3
圆明园一成府路站
③
粉土
0.8
⑥
粉质粘土
47.2
⑥1
粘土
7.0
⑥2
粉土
45.0
■③□⑥□⑥2口⑦□⑦2■③□⑥□⑥］□⑥2
颐和园一圆明园站区间
圆明园一成府路站区间
图10-1-1
盾构区间隧道洞身主要地质比例图
42.1.3.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题。
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）掘进速度满足计划工期需求
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
42.14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。
42.1.5.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。
土舱土压力与地层水土压力平衡状态
地表面
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。
42.1.6.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①600mm,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。
图10-1-5刀盘结构与刀具示意图
图10-1-3，图10-1-4
2）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
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。
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。
主轴承外密封刀盘联接件.主轴承内密封主轴承减速器液压马达
图10-1-7刀盘驱动示意图
图10-1-8推进油缸分区示意图
（4）推进系统
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。
位满足输送大粒径卵石的要求，螺旋输送机的最
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
1817.5
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。
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
图10-1-11超前注浆系统示意图
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。
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
图10-1-12SLS-T激光导向系统示意图
（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。
所有必须记录的测量值都以图形的形式显示在PDV的监测器上。
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。
42.1.7.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：
Y=20.9KN/m3
岩土的内摩擦角：
*=29.5°
土的粘结力：
c=39KN/m2
覆盖层厚度：
Hmax=15.4m
地面荷载：
P0=20KN/m2
水平侧压力系数：
k=0.5
盾构外径：
D=6.25m
盾构主机长度：
L=7.5m
154
盾构主机重量：
W=370t
经验土压力系数：
K。
=1
松动土压（泰沙基公式）
计算：
亠.卄
Ps=B1P-C/B1）X（1-
Ko"g°
_e*0tg鮒/B1»+卩0«孤叽小1）
—
图10-1-14区间最大埋深示
其中
B=D/2ctg〔4512/2】
B1=5.44m
代入上式得
p5.44汇（20.9—39/5.44）乂（1二沁29.5邂5.4/5.44»％_ug29.5賢5.4/5.44
S_tg29.5-
巳=132.0250.798200.798=121.32KN/m2
计算两倍掘进机直径的全土柱土压：
Pq=2D=261.25KN/m2
R"R，P,作为计算的数据。
再加上地面荷载得盾构上部的土压为：
巳二261.2520=281.25KN/m2
盾构底部的土压为：
巳二PvW/DL
140.625KPa
P=360.2KN/m2
一一一三三E
281.25KPa
140.625KPa
则盾构上部和下部的侧压力应分别为:
只二=140.625KN/m\
Phi=巳心=180.1KN/m2
180.1KPa
二匚匸二」」
F*
一180.1KPa
Hnnnm
360.2KPa
2）盾构的推力
盾构的推力应包含以下几个部分:
图10-1-15盾构主体外荷载示意图
在土压平衡模式下:
FbTBFsFnl-Fsp
3）盾壳和土层的摩擦力Fm
FmLP；PV1PhPh1/4I
Fm=0.25-6.257.5281.25360.2140.625181.1/41
Fm=8865KN
其中卩为盾壳和土体间的摩擦系数，根据经验值取0.25。
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