西南交大毕业论文盾构总体及推进装置设计Word文档格式.docx
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答辩委员会主任（签章）
年月日
毕业设计（论文）任务书
班级工机学生姓名屈健学号20066527
发题日期：
2010年3月1日完成日期：
6月20日
题目适应于广州地质的盾构总体方案及推进系统设计
1、本论文的目的、意义
随着我国综合国力的增强，我国正进行大量基础工程的建设。
机械化盾构以其技术上的安全性，可行性，快速性及经济性等诸多优点，越来越广泛地应用于地铁、地下商场、地下停车场、调水工程、输气工程、越江河穿城市的地下隧道等等工程的建设。
而我国几乎全靠引进技术和产品，急等一批开发研究和应用性人才。
2、学生应完成的任务
完成盾构总体方案设计;
根据主机作业要求完成对推进装置的设计（完成推进装置主参数及结构参数设计、推进液压系统主参数的确定及推进油缸结构设计计算和校核、推进系统控制系统设计）
盾构总装图一张、推进装置零部件结构图若干（折合不少于两张0#图纸）；
设计说明书一份并打印装订成册；
外文资料翻译；
指导记要；
开题报告。
3、论文各部分内容及时间分配：
（共16周）
第一部分收集及学习相关资料、外文资料翻译（3周）
第二部分毕业设计实习（1周）
第三部分总体方案设计及推进装置设计计算（7周）
第四部分设计草图绘制（2周）
第五部分CAD制图及设计说明书整理（2周）
评阅及答辩（1周）
备注
参考资料：
隧道与地下工程机械机械工程手册
线桥隧工程与机械文选工程机械液力与液压传动
日本隧道盾构新技术液压马达
顶管施工技术液压传动
液压系统通用技术条件岩石地下建筑工程
工程机械工程机械底盘
盾构隧道施工技术资料汇编等
指导教师：
2010年3月1日
审批人：
年月日
摘要
盾构以其技术上的安全性，可行性，快速性及经济性等诸多优点，越来越广泛地应用于地铁、隧道工程等的建设。
而目前我国盾构均从国外进口，没有自主产权的盾构。
因此，我国十分迫切需要自主设计制造自己的盾构。
此次设计根据广州地质情况，我选择的了直径为6米的土压平衡盾构机。
本次设计主要从盾构概述﹑盾构的分类及选型﹑盾构总体设计和盾构推进系统设计这四个方面着手，全面而又详细的介绍了土压平衡盾构的设计方法和思路。
盾构总体设计主要包括对其机体构成，尺寸，重量，推进机构，铰接机构，切削刀盘，切口环，支承环隔板和平台作业空间，螺旋输送机，砌块拼装置以及附属装置的设计。
在主体各部重要部分（推进机构，切削刀盘，螺旋输送机，砌块拼装置）设计时，着重计算推进机构的千斤顶所需推力及初步计算其液压油缸的数量，布置方式及尺寸；
刀盘驱动液压马达所需扭矩，功率及初选马达和减速器型号；
并用这些主体设计部分计算出的数据作为下一步设计的初始数据或比对验算数据。
盾构推进系统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。
包括主要参数的确定及主要元件的计算和选型，确定推进油缸的布置方式，计算盾构的总推力和每个液压油缸的推力，液压油缸的数量，缸筒内径、缸筒厚度及活塞杆直径等数据。
关键词：
总体设计；
土压平衡盾构；
推进系统；
螺旋输送机；
刀盘
Abstract
Theshieldmachineofitstechnicalsafety,feasibility,andrapideconomicandmanyotheradvantages,moreandmorewidelyusedinthesubway,theconstructionoftunnelandsoon.Atpresentourshieldmachineareallimportedfromabroad.So，averyurgenttasksofistodesignandmanufactureourownshieldmachine.ThisdesignmainlyischoosestheshieldmachineaccordingtotheGuangzhougeologysituation,thediameteris6meterearth-pressurebalancedshieldsmachine.
Thisdesignmainlydesignsthesefouraspectsfromtheshieldoutline、shieldoftheclassificationandselection、shieldsystemdesignandtheshieldpropulsionsystemtobegin,comprehensiveanddetailedintroductionearth-pressurebalanceshielddesignmethodandmentality.Shieldthebodydesignincludingitscomposition,size,weight,andpromoteinstitutions,articulatedbodies,thecuttingknifeset,incisionring,ringbearingpartitionsandplatformsoperatinginspace,screwconveyor,blockdevicestogether,aswellasthedesignofancillarydevices.Animportantpartofthemainministries（promotingorganization,cuttingknifeset,screwconveyor,blockstogetherdevices）design,focusedonadvancingthecalculationofthejackbodyandtheinitialthrustneededtocalculatethenumberofhydrauliccylinders,layoutandsize;
cutterheadtorquerequiredtodrivehydraulicmotors,powerandtheprimarymotorandreducermodel;
andthedesignofthemainpartofthesedatatocalculatetheinitialdesignasthenextdataorcheckdataagainst.
Shielddesignpropulsionsystemsincludingtheidentificationofthemainthrustoftheshield;
advancetheparametersofthefueltankofthespecifications,sizeandquantityofthecalculation;
thearrangementtopromotethefueltank.Includingthedeterminationofthemainparametersandthemaincomponentsofthecalculationandselection,toidentifywaystopromotethefueltankarrangementforcalculatingthetotalforceshieldandthrustofeachhydrauliccylinder,thequantityofhydrauliccylinder,cylinderdiameter,cylinderthicknessanddiameterofcylinderpistonrodandotherdata.
Keywords:
Systemdesign;
Earth-pressurebalancedshieldmachine;
Propulsionsystem;
Screwconveyor；
Dise.
结论54
第1章盾构隧道概述
1.1盾构技术发展状况
1.1.1盾构的历史及发展状况
隧道盾构工法施工起源于欧洲,于1818年由英国工程师布鲁诺尔（Brunel）发明，用于泰
晤士河底下的隧道工程。
此后，在1887年的南伦敦铁路隧道工程中，兼用了气压施工法的
盾构推进，构筑了盾构工法的基础。
本世纪初，盾构法在美国和苏联得到发展，二次世界
大战后，特别是近二十年来，盾沟在欧洲和日本的发展速度很快。
经过不断的发展，盾构
技术己日趋完善，也越来超受到各国重视。
自六十年代开始，英国首创泥水加压盾构后，
日本在泥水加压盾构方面取得了很大进展，而且又出现了一种更新颖的土压平衡盾沟。
在
气压盾构基础上发展起来的局部气压盾构，在美国、日本及西欧各国均取得了成功的施工
经验，但最近几年已被泥水加压盾构及土压平衡盾构等密闭型盾构所取代，原来的敞开型
盾构应用逐渐减少。
1.1.2盾构法隧道优缺点
盾构法隧道优点：
（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。
（2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。
（3）地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰；
在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。
盾构法隧道缺点：
（1）盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；
在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险较大。
（2）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调复杂。
（3）建造短于750m的隧道经济性差；
对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度较大
1.2盾构分类
基本种类及结构型式划分
盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同可分为开胸式、压缩空气式、泥水式、土
压平衡式、组合式、插板式、多断面式盾构机以及微型盾构机等。
目前国际上常用的盾构机械可分为泥水加压式和土压平衡式两大类，遇到较复杂的地
质情况也可采用混合式盾构机械。
1.2.1开胸式盾构
它是工作面全部或大部分敞开的结构，用于无地下水的地层开挖，如开挖面不能稳定，
则应采取辅助方法使之稳定。
可采用人工、半机械或机械方法开挖。
1.2.2压缩空气式盾构
在含水地层施工时，通过压缩空气来保持开挖面稳定，并防止地下水从开挖面涌入。
压缩空气式盾构机还包括局部气压式盾构机。
1.2.3泥水式盾构
泥水加压式盾构机又称有压泥浆式盾构机，主要针对无粘聚力的滞水砂层、软塑性、
流动性等特别松软地层中进行隧洞开挖而研制的，目前较广泛应用于各种软弱地层的施工。
1.2.4土压平衡式盾构机
通过挖掘下来的土料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室土料增加，再由螺旋输送机旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀
盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量（旋转速度）进行调节。
因此螺旋输送器的取土速度必
须调节适度，与切削的速度相适应
1.2.5复合式盾构机
在同一条隧洞中，往往由于地质情况差异大，地层变化复杂，施工中遇到不同的问题，
这就需要采取多种类型盾构机的相互转换，以适应地质条件对机械的要求。
其工作方式及开挖面稳定方法可根据沿开挖洞线上土质情况的变化而进行转换，因此
适应范围较广，如一种组合可根据需要从土压平衡工作方式转换到泥水加压式工作方式，
土料输送由螺旋输料器转换到由泥浆泵及管道输送。
1.2.6插板式盾构机
也称插刀式盾构机，它由许多插刀组成，可以组合出不同的断面形状和尺寸。
其推进
靠设在插刀和支承框架之间的液压缸，将插刀以单插刀或成组插刀方式进行组合。
当所有
插刀都推进到一个行程距离时，所有液压油缸同步收缩，把支承框架向前拖动
1.2.7多断面式盾构机
一般盾构机一次只能开挖一个断面的隧洞，当需要开挖平行相邻且直径相同的两个或
多个隧洞时，普通盾构机需施工两次或多次，而用一个大断面来包含以上两个或多个隧洞
断面时，盾构机刀盘直径会过大，开挖时也存在浪费，而多断面盾构机，同一盾构机上有
两个或多个（目前最多为3个）刀盘，两个刀盘之间有一小部分面积是重合的，这样一台盾
构机的掘进即可同时挖掘出平行且相通的两个或多个隧洞
1.2.8微型盾构机
对于一些输气、供排水和电缆隧道，直径较小，可用微型盾构机施工。
微型盾构机从
工作方式上也有土压平衡式和泥水式等多种，挖掘方式有机械刀具也有高压射流，由于洞
径较小（一般从0.25~2.5m左右），衬砌不象大直径隧洞用管片拼装，而一般用预制管件由设
在竖井处的顶管装置顶进，微型盾构机掘进时的推力也来自顶管装置。
1.3盾构适用范围
选择盾构机时，必须综合考虑，以获得经济，安全，可靠的施工方法。
盾构机机型是工程成功与否的重要因素，选择时必须注意如下几点：
适用于本工程围岩的机型；
可以合理使用的辅助施工方法；
满足本工程施工长度和线形的要求；
后续设备，始发基地等施工设施能与盾构机的开挖能力配套；
工作环境。
对于地质条件变化很大的地区，施工沿线地质均一的工区很少，一般多选择适合于施工区大多数围岩条件的机型。
选型取决于下列各项围岩条件：
软弱流动性的粘土；
易坍塌的砂，砂砾层；
含水砂层，砾层或互层中的承压含水砂层和砾层；
含大砾石的地层；
估计埋有漂木和其他物质的地层；
包括硬软两种土层的地层。
为了减少辅助施工法并保证施工安全可靠，选择能保持开挖面稳定和适应围岩条件的盾构机型非常重要。
下面就以开挖面稳定为中心，介绍盾构机对每种主要土质的适应性。
1.3.1冲积粘土
如果冲积粘土的自然含水率接近或超过液限，开挖面不能自稳，则应选择开挖面密封型的盾构机。
挤压式盾构机（闭胸式）
当整个开挖断面和施工沿线均是N值为0-5的软弱粉砂及粘土围岩时，应采用挤压式盾构施工法。
但是，这种施工方法在施工过程中要挤压盾构周围的围岩，并贯入推进，其压力可能扰乱围岩使地层先行隆起，从盾构机通过后直到被扰乱地基获得稳定期间，不可避免地会引起一定程度的沉降，且沉降量大。
根据隧道标准规范的盾构篇，从应用实例和分析研究的结果看，即使含砂率和液限指数相同，由于粒径，粒度分布不同，有时还是不能断定可以还是不可以用它来施工，由于其适用土质范围狭窄，故应用时必须根据土质调查结果进行充分的研究。
密封式盾构机
在超出挤压式盾构施工方法适用范围的冲积粘土层（含砂量大，有硬软互层，液限指数过大并含有砾石等），宜采用密封式的泥水或土压式盾构机。
此外，在冲积层中有一种特殊土层，即超软弱的腐殖质土层，一般，腐殖质土含水率达100%-200%以上，有机物含量高，孔隙比大，湿容重为0.8-1.3t/m3,粘着力小，此外，还具有压缩变形量非常大，发生时间短，干缩量也非常大的性质。
如果地下应力失去平衡，其影响范围将很大，因此，在估计有腐殖质存在的情况下，有必要对其范围，层厚和特性等进行充分的调查。
腐殖质土层开挖必须选择腐殖土不脱水的施工方法。
但保持开挖面稳定的压力控制幅度极窄，无论用哪种密封式盾构机施工都难以进行开挖面压力管理。
通常，在开挖腐殖质土层时，一般要根据开挖面稳定，维持盾构机正确姿势，防止地基沉降。
避免对周围建筑物产生影响以及防止衬砌完工后隧道发生不均匀沉降等要求，采取地基改良措施。
1.3.2洪积粘土
洪积粘土一般N值大，含水率低，开挖面能够自稳。
此外，由于剪切阻力大，蠕变变形比较小，不需要挡土隔墙。
开挖面自稳状况的判断，可根据布罗姆斯提出的方法及村山教授的开挖面稳定理论公式推算。
全开敞式盾构机
在开挖面可以长时间自稳的情况下，宜采用手掘式盾构，半机械式盾构，机械式盾构施工方法。
通常，同时采用压气施工的方法。
这些盾构机是根据开挖围岩的强度，隧道断面，长度，并结合考虑开挖能力，施工效率和省力等因素选定的。
由于工程施工进度取决于开挖能力，所以研究与土质相适应的开挖形式非常重要，对半机械式要注意开挖机械的选择，而对机械式要注意面板开口率，刀头形状和配置等。
此外，半机械式同手掘式和机械式相比，超挖量可能增大，要直接对整个开挖面做防坍支护是困难的，所以必须对辅助施工方法进行更慎重的研究。
在采用压气施工法且压气压力较高的情况下，根据有关标准算出安全允许作业时简非常重要。
由此决定班组轮换次数，掘进劳务费也将有大幅度变化，必须与密封式的泥水式和土压失盾构机施工方法进行设计比较。
一般，在开挖全线整个开挖面都是洪积粘土的情况非常少，很多情况是夹层中夹有含水砂层，这时选用密封式盾构机。
使用土压式盾构机时，由于含水率低的的固结粘土吸水后附着力增加，所以对周边支承式或中间支承式的刀盘来说，将会出现一段时间内开挖渣在腔室内四周附着并压密固结，与刀盘一起旋转，造成排土困难的情况。
为此，多采用中心轴支承方式，轮辐切削刀切削且搅拌效果好的泥土加压盾构机。
使用泥土式盾构机的情况与此相同，由于是面板形刀盘，也存在开挖土砂附着在刀盘切口和在泥水室内引起堵塞，造成掘进被迫停止的危险，此外，还存在泥水中细粒料多，泥水处理设备规模较大的问题。
1.3.3砂质土
过去，砂质土是用盾构施工方法难以处理的地层。
对于含有少量粘土，粉砂的松散冲积砂层，以及压实N值超过50且粒径整齐均匀的洪积层等，即使同时采用辅助施工方法，施工也很困难。
但是，由于泥水式和土压式盾构施工方法的开发，作业环境等到改善，现在已可以安全施工。
泥水式盾构机
泥水式盾构机通过排泥管将开挖土砂从泥水室内输送到地面，安全性好，适用于高水压下开挖。
虽然泥水式盾构机适用于从软弱地基到砂砾层等广泛的土层，但也有开挖面坍塌事故发生。
在含水砂层，只要同时具有下列三个条件，开挖面就有坍塌的危险，这时即使采用泥水式盾构机，但如果不同时使用辅助施工法，开挖面也很难稳定。
这三个条件是：
开挖面水压超过0.07×
106Pa
74μm以下的土粒子含量低于8%
均匀系数Uc低于6
在上部没有覆盖岩层，或覆土层薄且透水系数大的砂层开挖中，有可能出现地表逸泥，故需要加以注意。
泥土加压式盾构机
泥土加压式盾构机在粉砂和粘土含量少的土质层开挖时，要在充满腔室内的开挖土砂中添加制泥材料，然后通过机械强制搅拌，使开挖土砂泥浆化，即增加其塑性流动性和不透水性。
由千斤顶推力对这些泥浆加压，抵抗开挖面的坍塌力使开挖面稳定，因此即使在坍塌性砂层开挖面也是稳定的。
此外，由于可以调节添加材料的浓度和剂量来适应砂土和粘土互层开挖的土质变化，所以，泥土加压式盾构机是适用的。
但泥土充填是否密实，均匀及开挖面土压的正确检测都非常重要，同时必须充分注意切削刀形状，搅拌机械等机械的选择。
1.3.4砂砾和大卵石
含水砂砾层和大卵石层透水系数大，由于用压气难以防止地下涌水，所以可以选择密封式盾构机。
开挖砾层时围岩中砾石越多，砾径越大，切削刀的开挖力传递到开挖部位周围，扰动的围岩范围就越大，特别是顶部大砾剥落会引起地面沉降，所以应选择开挖面稳定的可靠施工方法。
砾层开挖中的两大问题是钻头磨耗和大砾排出处理。
通常，在刀盘外围配置耐磨钻头，中央部位配置T形钻头，可提高整个钻头的耐磨耗性，也有采用插入刃的钻头替换T形钻头。
此外，在施工距离很长时，必须研究中途检查和更换钻头的问题。
大砾的排出处理有两种方式。
先假定需要处理砾石的最大粒径，根据工作面开挖和土室内排砾的需要，可采取：
A工作面破碎方式。
此方式一般是在旋转刀头上安装齿式刀头进行破碎，不仅可以减小面板开口率和切口宽度，且可尽量减小开挖大砾引起的松动，对开挖面稳定有利。
可以使用和岩基开挖机一样的鼓筒形刀盘。
但是，为了用齿式刀头破碎，必须有冲击力产生的破碎反力。
如果大砾在围岩中压埋不很牢固，刀头碰到大砾时大砾仅仅偏移，不能传递破碎力，达不到破碎目的，因此，必须充分注意松散的砂砾层。
B常规开挖掘进方式。
此方式在开挖混有大卵石的松散砂砾层时，主张采用泥土加压式盾构机。
进行切削刀的形状设计时，按可能通过的最大砾石的直径确定开口率和切口宽度，或采用轮辐式刀盘，配置与上述砾石直径条件相适应的螺旋输送机排出砾石。
用有轴螺纹螺旋输送机可排出的砾石直径，其长径为螺杆直径的0.7倍。
泥水式盾构施工法是使泥水压力作用于工作面，泥水压力稍高于开挖面土压和水压，以防止地下水喷出，但不能防止被扰动失稳的围岩坍塌。
泥水式盾构机可以连续输送的砾石的长径小于排泥管直径的1/3（盾构机外径达8m以上者除外）通常，排泥管直径为100—200mm，所以被排的砾石的直径极限值为50---70mm。
在腔室内不能排出的砾石要采用下列方法处理：
a.用旋转式分级器分级；
b.用水下破碎机破碎。
配置了这些装置的盾构机直径应当受到限制，且粘土附着引起的堵塞会使处理砾石的能力降低。
选择时，考虑到掘进的连续性和保持土室内压力等的需要，常从有利于维护的角度出发去选择排泥过程中破碎处理方式。
但是，经过破碎的砾石对排泥泵和输泥管的磨损较大。
用泥土加压式盾构机开挖砾层时，要在土室内的土砂中添加高浓度，高粘性的制泥材料并加以搅拌，使土室内的土砂获得塑性流动性和不透水性，通过泥土压力与开挖面土压力平衡来防止开挖面坍塌。
在泥土加压式盾构机上安装有预定最大砾径可以通过的螺旋输送机来处理大砾。
螺旋输送机有有轴螺纹式螺旋输送机和无轴带式螺旋输送机，以及由两者组合的螺旋输送机三种。
但是，可配备的螺旋机直径受盾构机尺寸的限制，也就使可能排出的砾石直径受到限制。
这时，采用工作面破碎方式，按照螺旋机可以排出的砾石尺寸调节切口的大小。
如果考虑止水性和耐压性，选用有轴螺纹式螺旋机较好，但这种螺旋机可连续排出的砾石的直径小。
全长无轴带式螺旋机虽然可以连续排出大砾石但由于止水性差，排土口必须设置滑动闸门，锥阀等止水装置。
1.3.5泥岩
泥岩是指第三纪中新世至鲜新世及部分第四纪洪积堆积的粉
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