第25卷 增1
岩石力学与工程学报 V ol.25 Supp.1
2006年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2006
收稿日期：2005–04–26；修回日期：2005–08–15
基金项目：国家“863”项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2003AA420110)
作者简介：吕 强(1973–)，男，1994年毕业于大连铁道学院机车车辆系铁道车辆专业，现为在站博士后，主要从事地下施工机械、盾构掘进机、隧道掘进机及相关施工技术等方面的研究工作。E-mail ：lvqiang@https://www.doczj.com/doc/6d1253781.html,
土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究
吕 强，傅德明
(上海隧道工程股份有限公司，上海 200085)
摘要：通过对土压平衡盾构掘进机刀盘切削土体进行理论分析，建立数学模型，得出相应计算公式。介绍了模拟试验平台和针对两种不同形式刀盘的两次模拟试验，并针对φ 1 800 mm 模拟土压平衡盾构掘进机进行刀盘扭矩计算以及结合模拟试验进行研究。此外，还针对国内外多个土压平衡盾构掘进机工程计算其刀盘扭矩，并与现场数据进行对照分析，从而得出土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩的计算公式。研究结果表明：根据理论分析和相应计算公式可以得出关于土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩的精确结果，且与模拟试验相符，并能满足实际工程的要求。 关键词：隧道工程；土压平衡；盾构掘进机；刀盘；扭矩；模拟；试验研究
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增1–3137–07
RESEARCH ON TORQUE OF CUTTERHEAD FOR EARTH PRESSURE
BALANCE SHIELD WITH SIMULATING EXPERIMENTAL
LU Qiang ，FU Deming
(Shanghai Tunnel Engineering Co . Ltd .，Shanghai 200085，China )
Abstract ：Theoretical equations by analyzing earth pressure balance(EPB) shield cutterhead ′s cutting the ground are deduced and the numerical model is set up. The simulating test platform and two simulating tests of two different types of cutterheads are introduced ，and the torque of the cutterhead of the simulating EPB shield 1 800 mm in diameter is calculated according to the simulating experimental. Furthermore ，the torques of the cutterheads of some domestic and those of overseas earth pressure balance shields are compared ；and the computational results are verified with the field data. As a result ，the equation of the torque of the cutterhead of EPB shield is proposed. It shows that the accurate result can be achieved according to the theoretical analysis and equations. The result can provide reference to practical engineering projects.
Key words ：tunneling engineering ；earth pressure balance(EPB)；shield ；cutterhead ；torque ；simulation ；experimental study
1 引 言
刀盘扭矩为土压平衡盾构掘进机施工过程中的一个非常重要的控制因素。在正常情况下，刀盘扭矩应该在一个合理的范围内，反映出刀盘可以对所遇到的地层进行切削，或者说刀盘与地层相适应。
同样，刀盘扭矩的大小对土压平衡盾构掘进机的设计制造也至关重要。而在实际中，土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩都是通过经验公式来确定的。但大量工程实践证明该经验公式存在不足之处。因此，有必要对土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩进行深入研究，从而得到土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩的精确计算方法和公式。据了解，国内尚无土压平衡盾构
? 3138 ? 岩石力学与工程学报 2006年
掘进机刀盘扭矩计算方法的研究，国外也尚未发现相关文献，某些盾构掘进机制造商可能对刀盘扭矩进行过深入研究，但都属于企业机密，没有对外公开。由此可见，对土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩及其计算方法的研究对于土压平衡盾构掘进机的设计制造及施工都具有非常重要的意义。
用模拟试验来研究土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩是一种行之有效的方法，其可以尽可能地模拟实际施工情况，具有可控、准确、全面、花费少等优点，且不依赖于实际工程，可为土压平衡盾构掘进机的设计制造和施工提供依据。国外也有用模拟试验的方法来研究盾构法隧道施工，但规模较小，难以实现对实际施工情况的模拟。本次模拟试验对试验平台和试验方案进行了充分的考虑，实现对土压平衡盾构掘进机刀盘切削地层的准确模拟。
2 土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩理论
研究
土压平衡盾构掘进机在施工过程中，其刀盘对土体进行切削，刀盘扭矩主要用于克服刀盘与土体之间的摩阻力扭矩、切削土体时的地层抗力扭矩、搅拌土体时的搅拌扭矩、刀具受到的摩阻力扭矩等。因此，对于土压平衡盾构掘进机刀盘，其切削扭矩主要由以下几部分组成：
7654321T T T T T T T T ++++++= (1)
式中：T 为刀盘扭矩，1T 为刀盘正面、侧面与土体之间的摩阻力扭矩，2T 为刀盘切削土体时的地层抗力扭矩，3T 为刀盘和搅拌叶片的搅拌扭矩，4T 为刀具受到的摩阻力扭矩，5T 为密封引起的摩阻力扭矩，6T 为轴承引起的摩阻力扭矩，7T 为减速装置摩擦损失的扭矩。其中，1T ，2T ，3T ，4T 与土体的参数密切相关；5T ，6T ，7T 为盾构掘进机自身的摩耗损失。
影响刀盘扭矩大小的主要因素是1T ，2T 以及
3T ，其余影响程度很小，分析时可不予考虑。下面针对1T ，2T 以及3T 进行研究。
2.1 刀盘正面、侧面与土体之间的摩阻力扭矩
土压平衡盾构掘进机刀盘在切削土体过程中，其正面和侧面与土体之间发生摩擦，产生摩阻力扭矩。则有
12111T T T += (2)
式中：11T 为刀盘正面与土体之间的摩阻力扭矩，12T 为刀盘侧面与土体之间的摩阻力扭矩。
对开挖面进行分析，则有
H Kf D r r r H Kf T D
γθθγ12
d d )sin (3
2 0
2
2
11π=?=∫
∫
π
(3)
式中：K 为侧向土压力系数，f 为刀盘与土体之间的摩擦因数，γ为土体的重力密度，D 为盾构掘进机外径，H 为地面到盾构掘进机轴线的距离。
实际计算时，要考虑刀盘的具体形式(面板式、辐条式)、刀具的投影面积及开口率。对于面板式刀盘计算扭矩时要去掉开口部分的面积。
根据理论分析及试验数据和工程实测数据，则上式可修正为
)1(12
23
11ηγ?π=H Kf D T (4)
式中：η为刀盘开口率。
土压平衡盾构掘进机正常掘进时，侧向土压力系数K 介于静止土压力系数0K 和被动土压力系数p K 之间，且略大于静止土压力系数0K ，可取
0)3.11.1(K ～。摩擦因数f 与土体参数有关：对于黏土，取2.0=f ；对于砂土，取3.0=f 。
当刀盘外沿超出切口环时，如图1所示，刀盘在切削过程中其侧面与土体发生摩擦。
图1 作用于刀盘侧面的土压力
Fig.1 Earth pressures acting on the cutterhead periphery
作用于刀盘侧面上正压力由两部分组成，一部分由垂直土压力产生，另一部分由侧向土压力产生，即
?????
?
?=θγsin 21D H p (5)
∫π??
?????=2 0 22121d sin sin 24
θθθγD H W f D T (6)
式中：121T 为垂直土压力在刀盘侧面上产生的摩阻力扭矩。
??
?
????=θγsin 2a 2
D H K p (7)
第25卷 增1 吕 强等. 土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究 ? 3139 ?
∫
π
??
?
????=2 0
2a 2122d cos sin 24
θθθγD H WK f D T (8) 式中：122T 为侧向土压力在刀盘侧面上产生的摩阻力扭矩，a K 为主动土压力系数。 +?????
?
?=+=∫
π2 0
2212212112d sin sin 24
θθθγD H W f D T T T =??
?
????∫
π
2 0
2a 2d cos sin 24
θθθγD H WK f D =+??
?
????∫π2 0 2a 22d )cos (sin sin 24
θθθθγK D H W f D
HW f K D
)1(4
a 2
γ+π (9) 式中：W 为刀盘外沿的宽度 2.2 刀盘切削土体时的地层抗力扭矩
在土压平衡盾构掘进机的刀盘上布置了多种刀具，如切削刀、先行刀、周边刀、中心刀等，其中，主要用于切削土体的刀具为切削刀。因此，刀盘在切削土体的过程中地层抗力扭矩为
∑∑====n
i i i n
i i L F T T 1
21
22 (10)
式中：i T 2为第i 把刀具切削土体时的地层抗力扭矩，
i F 2为第i 把刀具切削土体时受到的地层抗力，i L 为第i 把刀具到刀盘中心的距离。
由分析可知，刀具在切削土体的过程中，其所受到的地层抗力主要与切削深度、刀刃宽度、土体参数等有关。每把刀具的切削深度主要取决于刀盘转动1周的切削深度以及相邻两把刀具之间的夹角。
根据盾构掘进机推进速度和刀盘转速，则刀盘转动1周的切削深度为
ω
v
t = (11)
式中：t 为刀盘转动1周的切削深度，v 为盾构掘进机推进速度，ω为刀盘转速。
每把刀具的切削深度主要取决于刀盘转动1周的切削深度和相邻两把相同切削轨迹的刀具之间的夹角，见图2，则第i 把刀具的切削深度为
ω
ββδv t t i i i 360360
== (12)
式中：i t
δ为第i 把刀具的切削深度，i β为第i 把刀
具与相邻相同切削轨迹的刀具之间的夹角。
图2 刀具切削土体原理
Fig.2 Principle of earth cutting of cutter bits
对于黏性土，第i 把刀具切削处土体抗剪强度为
?στtan i i c += (13)
式中：i τ为第i 把刀具切削处土体抗剪强度；c 为土体黏聚力；?为土体内摩擦角；i σ为第i 把刀具切削处土体正压力，且
)sin (i i i L H K θγσ?= (14)
则有
φθγτtan )sin (i i i L H K c ?+= (15)
在第i 把刀具处土体受剪切的面积为
i i i
i i i i v
w t w A αω
βαδtan 360tan
== (16) 式中：i A 为土体受第i 把刀具的剪切面积，i w 为第
i 把刀具的刀刃宽度，i α为第i 把刀具的前角。
第i 把刀具切削土体时的地层抗力为 ==i i i A F τ2
i i i
i i v
w L H K c αω
β?θγtan 360]tan )sin ([?+ (17) 将所有刀具切削土体时的地层抗力扭矩求和即可得到盾构掘进机刀盘切削土体时的地层抗力扭矩：
==∑=n
i i i L F T 122
∑=?+n
i i i i i
i i L v
w L H K c 1
tan 360]tan )sin ([αω
β?θγ (18) 对于无黏性土，第i 把刀具切削处土体抗剪强度为
i i i ?στtan = (19)
式中：i τ为第i 把刀具切削处土体抗剪强度，i σ′为第i 把刀具切削处土体正压力。
? 3140 ? 岩石力学与工程学报 2006年
其中，第i 把刀具切削处土体正压力为
)sin (i i i L H K θγσ?=′ (20)
则有
φθγτtan )sin (i i i L H K ?= (21)
如图2所示，在第i 把刀具处土体受剪切的面积为
i i i i i i i v
w t w A αω
βαδtan 360tan
== (22)
式中：i A 为土体受第i 把刀具的剪切面积，i w 为第
i 把刀具的刀刃宽度，i α为第i 把刀具的前角。
第i 把刀具切削土体时的地层抗力为 ==i i i A F τ2
i i i
i i v
w L H K αω
β?θγtan 360]tan )sin ([? (23) 将所有刀具切削土体时的地层抗力扭矩求和，即可得到盾构掘进机刀盘切削土体时的地层抗力扭矩，有 ==∑=n
i i i L F T 122
∑=?n
i i i i i
i i L v
w L H K 1
tan 360]tan )sin ([αω
β?θγ (24) 2.3 刀盘和搅拌叶片的搅拌扭矩
f R L D H T b b b 03
γ= (25)
式中：γ为土体的重力密度，0H 为搅拌叶片覆土深度，b D 为搅拌叶片的直径，b L 为搅拌叶片的长度，
b R 为搅拌叶片到盾构掘进机中心的距离，f 为土与钢的摩擦因数。搅拌扭矩原理见图3。
图3 搅拌扭矩原理
Fig.3 Principle of the agitating torque
3 土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究
模拟试验平台主要由φ 1 800 mm 模拟土压平衡盾构掘进机、模拟土箱、囊袋加载系统等部分组成，见图4。先后进行了2次模拟试验，土压平衡盾构掘进机(见图5)刀盘分别为面板式和辐条式。对于每次试验，模拟土压平衡盾构掘进机在土箱中相继穿越淤泥质黏土、砂土和砂砾土，见图6。
图4 模拟试验平台
Fig.4
Platform of the simulating test
图5 模拟土压平衡盾构掘进机 Fig.5 Simulating EPB shield
3.1 面板式刀盘模拟试验研究
模拟土压平衡盾构掘进机面板式刀盘开口率为30%，见图7。模拟土压平衡盾构掘进机在土箱中
相继穿越淤泥质黏土、砂土和砂砾土。
图8，9分别是面板式刀盘在淤泥质黏土、砂土中刀盘扭矩的变化曲线。
图6 模拟土箱中3种典型土层的布置(单位：mm) Fig.6 Arrangement of three typical strata in simulating
earth box(unit ：mm)
(a) 搅拌棒
(b) 搅拌棒安装图
软黏土
第25卷 增1 吕 强等. 土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究 ? 3141 ?
图7 面板式刀盘 Fig.7 Panel type cutterhead
图8 淤泥质黏土中刀盘扭矩变化曲线 Fig.8 Curve of the torque of cutterhead in clay
图9 砂土中刀盘扭矩变化曲线 Fig.9 Curve of the torque of cutterhead in sand
3.2 辐条式刀盘模拟试验研究
模拟土压平衡盾构掘进机辐条式刀盘开口率为70%，见图10。模拟土压平衡盾构掘进机在土箱中
相继穿越淤泥质黏土、砂土和砂砾土。
图11，12分别是辐条式刀盘在淤泥质黏土、砂土中刀盘扭矩的变化曲线。
3.3 模拟土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩计算及与
试验数据之间的对照分析研究
3.3.1 面板式刀盘扭矩计算及与试验数据之间的对
照分析研究
试验参数见表1。
图10 辐条式刀盘 Fig.10 Spoke-typed cutterhead
图11 淤泥质黏土中刀盘扭矩变化曲线示意图 Fig.11 Curve of torque of cutterhead in silty clay
图12 砂土中刀盘扭矩变化曲线示意图 Fig.12 Curve of the torque of cutterhead in sand
表1 试验参数 Table 1 Parameters of test
内摩擦角/(°)摩擦因数 刀盘转速 /rpm
推进速度
/(cm ·min －
1)
黏土砂土黏土砂土黏聚力
/kPa
黏土 砂土 黏土
砂土
10
30
0.2
0.3
12 1 1 3 1
模拟土压平衡盾构掘进机面板式刀盘在切削过程中，其受力环(见图5)与土仓中的土体发生摩擦作用，产生摩阻力扭矩slh T ，在黏土和砂土中的刀盘扭
推进距离/mm 扭矩值/(k N ·m )
扭矩值/(k N ·m )
推进距离/mm
推进距离/mm
推进距离/mm
刀盘扭矩/(k N ·m )
刀盘扭矩/(k N ·m )
? 3142 ? 岩石力学与工程学报 2006年
矩计算中单独进行计算，也可归入刀盘正面、侧面
与土体之间的摩阻力扭矩
1
T中。在黏土中，考虑到
盾构掘进机自身摩耗损失的扭矩，理论计算与试验
数据相符合，刀盘对土体的切削比较正常。在砂土
中，理论计算的结果大于试验过程中的最大扭矩，
可以看出，模拟土压平衡盾构掘进机刀盘的设计扭
矩值在砂土中明显偏小，见表2。
表2 面板式刀盘扭矩计算结果及试验数据
Table 2 Computational results of torque of panel type
cutterhead and test data
理论计算值/(kN·m)
土种
T1 T2 T3 T slh T 试验数据/(kN·m)
黏土50.02 0.47 4.35 8.20 63.04 70.00 砂土112.13 2.24 7.26 43.29 164.91 129.78(卡死)
3.3.2 辐条式刀盘扭矩计算及与试验数据之间的对
照分析研究
试验参数见表3。
表3 试验参数
Table 3 Parameters of test
内摩擦角/(°) 摩擦因数刀盘转速
/rpm
推进速度
/(cm·min－1)
黏土砂土黏土砂土黏聚力
/kPa
黏土砂土黏土砂土
1030 0.2 0.3 12 1 1 1.5 1.5
模拟土压平衡盾构掘进机辐条式刀盘在切削过程中，其受力环(见图5)与土仓中的土体发生摩擦作用，产生摩阻力扭矩
slh
T，在黏土和砂土中的刀盘扭矩计算中单独进行计算，也可归入刀盘正面、侧面
与土体之间的摩阻力扭矩
1
T中。在黏土中，考虑到盾构掘进机自身摩耗损失的扭矩，理论计算与试验数据相符合，刀盘对土体的切削比较正常。在砂土中，理论计算的结果大于试验过程中的最大扭矩，分析认为和添加膨润土泥浆有关，使得刀盘扭矩维持在较低的范围内(70 kN·m)，辐条式刀盘适合对砂土的切削，见表4。
表4 辐条式刀盘扭矩计算结果及试验数据Table 4 Computational results of torque of spoke- type
cutterhead and test data
理论计算值/(kN·m)
土种
T1 T2 T3 T slh T 试验数据/(kN·m)
黏土38.31 0.34 4.35 8.20 51.20 50～60 砂土61.84 1.63 7.26 43.29 114.01 108.51(最大)3.4 国内外盾构掘进机刀盘扭矩计算及与现场数
据之间的对照分析
国内外盾构掘进机刀盘扭矩计算及与现场数据之间的对照分析见表5。
表5 国内外盾构掘进机刀盘扭矩计算及与现场数据之间的对照分析
Table 5 Computational results of the torque of cutterheads of domestic and overseas shields and their
comparison analysis
计算扭矩/(kN·m)
工程
名称
盾构机
外径/m
开口
率/%
埋深
/m
T1 T2 T3 T
现场数据
/(kN·m)
上海地铁2#线
西延伸段古北
路～中山公园
6.34351
7.51 732.2 52.6 585.9 2 370.7 2 49
8.5
6#线19标高
清路～成山路
6.343010.51 19
7.9 31.4 216.0 1 413.9 1 2120.0
天津地铁32
合同段
6.393011.71 315.1 3
7.6 234.5 1 547.4 1 981.6上海合流污水
治理工程6.1
标
5.003015.0861.1 39.8 373.7 1 234.8 1 435.9日本7.954525.54 52
6.4 113.8 46
7.1 4 993.6约5 000.0可以看出，盾构掘进机刀盘扭矩理论计算结果与现场数据符合，并且在刀盘扭矩中，刀盘正面、
侧面与土体之间的摩阻力扭矩
1
T为主要因素，所占比例约为70%～90%，其次为刀盘和搅拌叶片的搅
拌扭矩
3
T，所占比例约为10%～30%，刀盘切削土
体时的地层抗力扭矩
2
T所占比例较小，可以忽略不计。
3.5 土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩研究
根据研究，在其他条件相同的情况下，土压平
衡盾构掘进机刀盘扭矩与刀盘开口率成二次关系，且随着刀盘开口率的增大刀盘扭矩减小，见图13。
图13 刀盘扭矩与开口率的关系
Fig.13 Relationship between torque of cutterhead and
opening ratio
根据研究，在其他条件相同的情况下，盾构掘
开口率
刀
盘
扭
矩
第25卷 增1 吕 强等. 土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究 ? 3143 ?
进机刀盘扭矩与埋深成线性关系，刀盘扭矩随埋深的增大而增大，见图14。
图14 刀盘扭矩与埋深的关系
Fig.14 Relationship between torque of cutterhead and
overburden depth
对于土压平衡盾构掘进机装备扭矩，有以下经验公式：
3
D T α= (26)
式中：T 为盾构掘进机装备扭矩；D 为盾构掘进机外径；α为系数，一般取值1.4～2.3。
根据实际工程现场数据和模拟试验数据，该经验公式有不足之处，当盾构掘进机外径较小时，计算得到的装备扭矩偏小，反映在盾构掘进机的切削能力不足；当盾构掘进机外径较大时，计算得到的装备扭矩偏大，反映在盾构掘进机的切削能力不能得到充分发挥。
根据理论分析和相关数据，得出以下公式：
==12.1T T
??
????+π+?πHW f K D H Kf D
)1(4)1(122.1a 22
3γηγ (27)
在设计土压平衡盾构掘进机时，其装备扭矩可以取T )0.25.1(～。
4 结 语
通过对土压平衡盾构掘进机刀盘切削土体建立数学模型，进行理论分析，得出相应计算公式，并针对φ 1 800 mm 模拟土压平衡盾构掘进机进行刀盘扭矩计算，结果表明理论计算结果与实际数据相符合，可以对试验数据进行解释。可以看出，根据理论分析和相应计算公式可以得出关于土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩的精确结果，并能满足实际工程的要求。
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7.38
11.717.5
埋深/m
刀盘扭矩
盾构主要参数的计算和确定 1、盾构外径： 盾构外径D=管片外径D S+2(盾尾间隙δ+盾尾壳体厚度t) 盾尾间隙δ--为保证管片安装和修复蛇行,以及其他因素的最小富余量，一般取25—40mm; 结合五标地质取多少? 2、刀盘开挖直径： 软土地层，一般大于前盾0—10mm,砂卵石地层或硬岩地层，一般大于前顿外径30mm,五标刀盘开挖直径如何确定的? 3、盾壳长度 盾壳长度L=盾构灵敏度ξx盾构外径D 小型盾构D≤3.5M，ξ=1.2—1.5；中型3.5M＜D≤9M，ξ=0.8—1.2； 大型盾构D＞9M；ξ=0.7—0.8； 4、盾构重量 泥水盾构重量=（45---65）D2，由于本线路存在线下溶土洞的可能，再掘进中能否通过此核算，盾构主机是否沉陷？ 5、盾构推力 盾构总推力F e=安全储备系数AX盾构推进总阻力F d 安全储备系数A---一般取1.5---2.0。 盾构推进总阻力F d=盾壳与周边地层间阻力F1+刀盘面板推进阻力F2+管片与盾尾间摩擦力F3+ 切口环贯入地层阻力F4+转向阻力F5+牵引后配套拖车阻力F6 盾壳与周边地层间阻力F1计算中，静止土压力系数或土的粘聚力取盾体范围内的何点的？ 刀盘面板推进阻力F2，对于泥水盾构或土压盾构土仓压力如何确定的？ 管片与盾尾间摩擦力F3中，盾尾刷与管片的摩擦系数取偏大好吗？盾尾刷内的油脂压力如何定？ 计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？ 6、刀盘扭矩 刀盘设计扭矩T=刀盘切削扭矩T1+刀盘自重形成的轴承旋转反力矩T2+刀盘轴向推力形成的旋 转反力矩T3+主轴承密封装置摩擦力矩T4+刀盘前面摩擦扭矩T5+刀盘圆周摩擦反力矩T6+刀盘 背面摩擦力矩T7+刀盘开口槽的剪切力矩T8 刀盘切削扭矩T1中的切削土的抗压强度q u如何确定？ 刀盘轴向推力形成的旋转反力矩T3 计算中土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？ ， 刀盘圆周摩擦反力矩T6计算中，土压力计算是按郎肯土压公式或库仑土压计算？ 刀盘背面摩擦力矩T7中土仓压力P W如何确定？ 7、主驱动功率 主驱动工率储备系数一般为1.2---1.5，主驱动系统的效率η如何确定？ 8、推进系统功率 推进系统功率W f=功率储备系数A W X最大推力FX最大推进速度VX推进系统功率ηW 功率储备系数A W一般取1.2---1.5, 最大推力F、最大推进速度V如何定？ 推进系统功率ηW=推进泵的机械效率X推进泵的容积率X连轴器的效率 9、同步注浆能力 每环管片理论注浆量Q=0.25X(刀盘开挖直径D2—管片外径D S2)X管片长度L 推进一环的最短时间t=管片长度L/最大推进速度v 理论注浆能力q=每环管片理论注浆量Q/推进一环的最短时间t 额定注浆能力q p=地层的注浆系数λX理论注浆能力q/注浆泵效率η 地层的注浆系数λ因地层而变一般取1.5---1.8。
盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速 度的影响 摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。 关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式
前言 伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务。 盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。 由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。 在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构机的国产化就显得尤为必要。 1 刀盘的布置 针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点： （1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。 （2）支撑功能:依靠辐条及辐条之问的面板起到支撑掌了面土体的作用。 （3）搅拌功能:通过刀盘的旋转及搅拌棒的配合作用，使土体与膨润土、泡沫等充分混合，以改善土体的和易性、可塑性，增强土体的流动性，便于出渣，提高掘进工作效率。 （4）控制出渣粒径:通过刀盘结构形式及刀盘开口率控制进入土仓内土体的粒径。
盾构机构造及工作原理简介第二部分 四、盾构机的主控系统及工作原理 下图是天地重工生产的土压平衡盾构机示意图，通过这台土压平衡盾构来简单介绍盾构机的构造及工作原理。 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，同时还能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵，这个钢质组件被称为盾构。而盾构的主要组成部分即为盾体。 1. 盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状筒体。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，推进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推进油缸。中盾的后边是尾盾， 尾盾末端装有密封用的盾前盾 中盾 后盾
尾刷。 2. 刀盘和刀盘驱动 刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘通过安装在前盾承压隔板上的法兰上的刀盘电机来驱动。它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现无级变速。刀盘电机的变速齿轮箱内需设置制动装置，用于制动刀盘。电机的防护等级需大于IP55。 为了适用于不同的土质条件，刀盘上安装了多种类型和功能的刀具，所有刀具都由螺栓连接，可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。 刀盘(中交天和14.93米泥水气压平衡复合式盾构机) 铲刀：铲刀可以双向进行开挖，主要用于保证开挖直径的稳定不变。 铲刀
盾构机技术讲座 一.盾构机结构（EPB总体结构图） 盾构是一个具备多种功能于一体的综合性隧洞开挖设备,它集和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，目前，盾构机已成为地下交通工程及隧道建设施工的首选设备被广泛使用。其优点如下: 1. 不受地面交通、河道、航运、季节、气候等条件的影响。 2. 能够经济合理地保证隧道安全施工。 3. 盾构的掘进、出土、衬砌、拼装等可实行自动化、智能化和施工运输控制信息化。 4. 掘进速度较快，效率较高，施工劳动强度较低。 5. 地面环境不受盾构施工的干扰。 其缺点为： 1. 盾构机械造价较高。 2. 在饱和含水的松软地层中施工地表沉陷风险大。 3. 隧道曲线半径过小或埋深较浅时难度较大。 4. 设备的转移、运输、安装及场地布置等较复杂。 盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。（如：人行道方形能最大限度的利用空间、过水洞马蹄形符合流体力学、公路隧道半圆形利用下玄跑车）。而因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。 为适应各种不同类型土质及盾构机工作方式的不同，盾构机可分为三种类型、四种模式：
三种类型： （1）软土盾构机； （2）硬岩盾构机； （3）混合型盾构机。 四种模式： （4）开胸式； （5）半开胸式（半闭胸式、欠土压平衡式）； （6）闭胸式（土压平衡式）； （7）气压式。 软土盾构机适应于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩。刀盘只安装刮刀，无需滚刀。 硬岩盾构机适应于硬岩且围岩层较致密完整，只安装滚刀，不需要刮刀。 混合盾构机适应于以上两种情况，适应更为复杂多变的复合地层。可同时安装滚刀和刮刀。 气压盾构是在加气压状态下的施工模式，即可用于泥水加压式盾构机，也可用于土压平衡式盾构机。
盾构机推力和刀盘扭矩的地层适应性评价 1、推力计算 盾构的推力应包含以下几个部分： 1）盾壳和土层的摩擦力 FM 其中μ为盾壳和土体间的摩擦系数，根据经验值取0.25。 计算得：FM=8074KN 2）盾构推进正时面推进阻力 其中Di 为盾构机内径 Ps 为设计掘削土压（kN/m2） 设计掘削土压Ps=地下水压+土压+预压 其中地下水压在粘土层处相对于隧道中部的水头最大约11.5m ，那么水压力为115kN/m 2； 土压按静止土压力计算：Po=Ko γH 上式中：Po —静止土压力 H —覆土厚度 Ko —静止土压系数 Ko=1－sin φ 式中：φ—有效内摩擦角 经计算Po=127 kN/m2 预压力一般取30 kN/m2 Ps=115+127+30=272kN/m2 M BA S NL F F F +F +F =+∑()[]4/11h h V V M P P P P L D F +++???=πμBA F 214BA i s F D p π=
=9109.3 KN 3）盾尾密封的摩擦力 （经验值，周向每米密封的摩擦力） （管片外径6.4m ） 4）拖拉后配套的力 FNL （经验值） 5）总推力计算 ΣF=17943.3KN 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，盾构的实际推力应为： ΣF=17943.3×1.5=26914.95KN 盾构机实际配备推力： S-488/S-698盾构机实际推力分别为34210KN 和50668KN 。 均能满足盾构的实际需要. 2、扭矩计算 1）刀具切削扭矩 推进速度： 刀盘转速： （根据类似工程选取经验值） 刀盘每转切深： 岩土的抗压强度： ； 刀盘直径： Dd=6.68m T 1=0.5x[100x0.0667x(6.68x0.5)2]=37.2KNm 214BA i s F D p π=2S 'F i s F D π=S'10/F KN m =KN F NL 750=h m V /8.4max =rpm n 2.1=cm n V h 67.6/max ==100u q KPa =()[]2max 15.05.0????=d u D h q T
常见盾构刀盘型式及选用 作者:admin 摘要：目前常见的刀盘结构有面板式和辐条式2种基本型式，以及介于2者之间的幅板式刀盘。通过文献分析和工程经验总结，首先阐述了几种型式刀盘的结构、基本配置及工程应用。随后从刀盘土舱构造、开挖面稳定、土压平衡控制、砂土的流动性、刀盘负荷、障碍物的处置、地层适应性等方面，对2种基本刀盘型式的特性进行了比较和分析。 关键词：盾构；刀盘型式；面板式刀盘；辐条式刀盘 0 引言 国内外工程实践表明，盾构在施工中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。作为盾构机的关键部件之一，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌土砂的功能，因此在掘进过程中刀盘工作环境恶劣，受力复杂。刀盘型式及结构关系到盾构的开挖效率、使用寿命及刀具费用。刀盘配置及选型主要依赖于工程地质及水文地质条件，不同的地层应采用不同的刀盘型式，但在地质适应性设计方面缺少完整的理论依据、经验数据及可靠的试验数据，在很大程度上还依赖工程经验。 1 刀盘结构型式 盾构刀盘由钢结构件焊接而成，目前其主流型式有2种：面板式和辐条式［1］。另外，还有介于2者之间的辐板式刀盘（由辐条和幅板组成）［2］。 面板式刀盘（图1、图2）一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。切刀布置在面板上开口的两侧，滚刀布置面板是刀座。刀盘开口率较小，在30%左右，属闭胸式。目前，中国使用的盾构大部分为面板式刀盘结构，如上海地铁施工用的是法国FCB盾构，北京、广州、深圳及南京等地用的是海瑞克盾构。 辐条式刀盘（图3、图4）主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀。刀盘开口率很大，约在60%～95%之间，属开敞式。以往，辐条式刀盘应用较少。最近，在日本地铁工程中辐条式刀盘应用开始增多。中国盾构工法也开始应用辐条式刀盘，如北京地铁4号线使用的石川岛播磨Ф6.14m盾构（开口率95%）、小松Ф6.3m盾构（开口率62%）、上海地铁M6、M8使用的石川岛播磨Ф6.52m双圆盾构（开
硬岩掘进机刀盘纯切削扭矩计算研究 张 宁 川 （中国中铁隧道设备公司 河南新乡 453000） 摘要：根据硬岩掘进机盘形滚刀在岩体开挖面上滚压切削的实际状态，以刀刃下的岩石受滚压破坏并沿 刀刃两侧软弱面崩落为机理，以岩石强度极限为材料常量依据，试推导滚刀切削牵引力的计算方法，以及 刀盘纯切削扭矩的计算方法。在推导过程中，不考虑岩石为什么会被破碎或怎么破碎，仅考虑岩体受力状 态。以实际工程掘进报告比较计算结果。谨供业内同仁参考。 关键词：硬岩掘进机 刀盘滚刀 纯切削扭矩推导计算 0 引言 隧道全断面开挖用的硬岩掘进机依靠刀盘及其上的盘形滚刀滚压破岩，关于岩石破碎以 及刀盘滚刀滚压破岩原理和基本规律，国内外有关学者或工程师自百年前及以来均不断进行 研究。例如，H.特雷斯卡的最大剪切应力理论[2]、O.摩尔1882年提出的内摩擦理论[2]、C. Д伏尔柯夫的统计强度理论[2]、A.格里菲斯的有裂纹强度理论[2]等等以及大量相应的试验， 指导了包括掘进机在内的破岩机械设计和应用。国内东北大学、上海交大在上世纪中下年代 均作过滚刀的破岩机理及受力研究[4]，提出过滚刀推力及滚动力的计算公式[4]。现代掘进机 厂商的台架试验及工程实例经验的积累，使滚压破岩的计算日趋成熟。近年来在TBM 或盾 构的引进过程中，国外厂商都给施工用户提供过刀盘扭矩计算的公式及图表，但未提供过这 些计算式的推导过程。为了获得一些自主的知识，在前人研究的基础上，也出于对滚刀破岩 实际状态的一些看法，从基础研究的角度试提出另一种方式的刀盘扭矩计算方法。 1 基本假设 1.1滚刀 在一些研究资料中[4]，以有刃角的滚刀作为研 究对象，由此得出滚刀与岩面接触区域的投影为 两条双曲线围成的接触面，如图一所示。图中θ 为刃角，R 为滚刀半径，h 为贯入度。但滚刀在实 际破岩过程中，刀刃最初的刃角（或圆角）很快 被磨损，刃口成为基本上是平的但边缘为小圆角 的形状，如图二所示。 图二 滚刀在实际破岩过程中的实际刃角 图一 作为研究对象的有刃角的滚刀
盾构机刀盘装配 摘要：盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备，在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。刀盘作为盾构机关键部件，在盾构机掘进过程中起到至关重要的作用，文章主要对刀盘的结构形式功能进行了分析，并对刀盘的装配工艺方法及工装工具的使用进行了阐述。 标签：刀盘;功能;结构形式;工装工具;装配工艺方法 引言 盾构机是用于软土隧道暗挖施工的大型机械设备。它具有金属外壳、壳内装有整机及部分辅助设备，在盾壳保护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进、管片拼装等作业，通过切刀刮削土体，使隧道一次成型。刀盘作为盾构机关键部件，具有开挖搅拌过流岩土、支撑掘进面等作用。 1 刀盘的功能及结构形式 1.1 刀盘的功能分析 刀盘位于盾构机最前端，作为各类刀具的载体，是盾构机开挖岩土的关键部件，其装配的好坏将直接关系到盾构机掘进的安全和效率。刀盘的作用主要有开挖土体、搅拌渣土、支护开挖面、阻挡大漂石等作用，具体如下： 开挖功能：通过布置于刀盘上的各类刀具，对掘进面的岩土进行破碎和切削，同时将开挖的渣土经刀盘开口刮入土舱并使用螺旋输送机运送到盾构机外。 搅拌渣土：通过刀盘后壁的搅拌棒对土舱内的渣土进行搅拌，防止结泥饼的同时还能达到利于排渣的目的。 支护开挖面：针对某些特定地质，大面板刀盘能起到支护开挖面的作用，并且开口率越小，作用越明显。 阻挡大岩石：螺旋输送机的输送岩土的能力是有限的，如果进入土舱的岩石过大将损坏螺旋输送机，通过刀盘结构的合理设计，可以将过大的漂石阻挡在刀盘外。 1.2 刀盘结构形式 刀盘的结构主要有辐板式和辐条式两大类型，辐板式刀盘一般为焊接箱型结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件;辐条式刀盘主要有轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成，刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀。目前，中国使用的盾构大部分为辐板式刀盘，下面主要对辐板式
盾构机的刀盘的设计资料 盾构机的刀盘和刀具 The Cutter Head and Tools of the Shield Machine 豳中铁七局集团第三工程有限公司何小娥／HE Xiaoe 刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，甚至关系到盾构施工的成败 1 刀盘 刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体。“刀盘”的工作原理可简单比作是一把剃须刀，在前进过程中逐渐将泥土砂石变成碎块，再排放到“刀盘”后的“储藏室”内，即，土仓。 1．1刀盘的特点 的切削效果和掘进速度，甚至关系到盾构施工的成败。个性化：盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。刀盘刀具不可能是千篇一律的，必须根据工程地质情况进行个性化设计。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。 1．2刀盘的功能
开挖功能：对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土顺利通过渣槽，进入土舱。 稳定功能：支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能； 重要性：刀盘的选择是否合适直接影响盾构掘进机搅拌功能：对土舱内的渣土进行搅拌，使渣土具有一力值趋于减小。在低速情况下沥青混凝土路面呈粘弹性状态，刀具前角对切屑的挤压以及后角对已加工路面的摩擦使得刀尖附近的应力值增大；随着切削速度的增大，沥青混凝土在切削过程中脆性越来越明显，产生的切屑对前刀面的挤压程度降低，从而使得刀尖附近的应力值趋于减小；当速度达到一定程度的时候，这个值趋于平稳。另外还可以看出在切削过程中刀尖前端的沥青混凝土路面主要受到刀尖对其的挤压，从而oo。和 o，，呈现为负值；o。、a，，和o，，低速慢慢随着速度的增大而不断增大，这是因为沥青混凝土的粘塑性随着切削速度变化而引起的。 表3为切削深度为60 mm的不同切削速度下的刀具切削力计算结果。可以看出，切削速度100 mm／s 逐渐增大到1 000 mm／s的过程中，刀具受力增加比较缓慢，所以刀具所受到的冲击不是很大，刀具的磨损也不会很严重。切削速度从l 000 mm／s增大到6 000 mm／s过程中，刀具受力急剧增加，所以刀具的磨损将 表3切深为60 mm时不同切削速度下的刀具切削力
1 盾构机的工作原理 1．1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。 1．2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。 1．3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。 2 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1 577kW，最大掘进扭矩5 300kN·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，他们分别是盾休、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。 2.1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。 中盾的后边是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。
右线始发推力及扭矩计算 一、计算条件 盾构机受力分析： 图1
如图1所示，盾构机在土体中，覆土厚度H ，其间含有H W 高的水头，此时盾构机 上下左右均受到水和土体对它的作用力，如图2所示： 1)、盾构机顶部所受的垂直负荷：P1 P 1＝H ·γ×10 2)、盾构机顶部侧向负荷： Q 1 101P k Q ?= 3)、盾构机底部侧向负荷： Q 2 ()102??+=γD H k Q 4)、盾构机底部所受的垂直负荷：3P g P P +=13 盾构机自重引起的压力：Ls D Gs g ??= 10 图2 图3 D P1 P3
二、盾构掘进刀盘扭矩和所需推力计算 1、掘进时刀盘扭矩 理论刀盘扭矩：T T = T 1 + T 2 + T 3 + T 4 其中 T 1：刀具的切削阻力扭矩 T 2：大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩 T 3：大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩 T 4：中间支撑梁的阻力矩 1）、刀具的切削阻力扭矩：T 1 H α=10×2.1×ec ?B0?t ?10(-0.22θ)/1000 T 1=n t ×H α×R k 其中 e c ：切削阻力系数 B 0：切削刀刃宽度 t ：切入深度 θ：切削刀刃的前角 n t ：刀盘刀具装备数 R k ：刀盘刀具平均安装半径 2）、大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩：T 2 ()3 22132?? ? ???-??=D c T ξπ 其中：ξ为大刀盘开口率 3）、大刀盘外周部与地层的摩擦阻力扭矩；T 3 2 322?? ? ?????=D l c T π 其中 l ：为大刀盘外周板的宽度 4）、中间支撑梁的阻力矩 T 4 c r l d n T a a a a ?????=24 2、盾构掘进推力
15刀具使用维护及更换 一般规定 15.1.1北京地铁盾构隧道施工，多在粉细砂层、圆砾层及卵石层中进行， 刀盘、刀具磨损较大，须对刀盘、刀具磨损的检测及更换等有充分的估计。 在定购盾构机时，应充分考虑北京地层条件特点，确定盾构机的面板型式 以及刀具配置等，以满足北京地铁盾构施工的需要。 盾构施工前应根据地层的磨耗性、刀盘刀具类型及配置等制定刀具使用计 划。 盾构掘进施工前，应综合考虑地层条件，地面条件等因素，确定合理的可 能换刀位置。 施工中应使用泡沫、泥浆等添加材，并采取其它减磨、降矩措施，提高刀 盘、刀具的寿命。 15.1.6刀盘、刀具的磨损与施工参数的选择、施工方法等密切相关，应充分考虑 这些因素的影响，审慎施工。施工中应密切观察推力、扭矩、渣土性状、机体 振动状态等，分析其原因，采取应对措施。 应设定异常掘进的警戒推力及扭矩值，如遇异常情况，应立即停机检查。北 京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查 和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。 刀盘及刀具的选择 15.2.1刀头材质的选择 1 刀具一般采用真空烧制的 E5类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐磨能力是 E5两倍的所谓 SINTER－ H1P真空烧制的 E3类钢材。 2表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆 焊层硬度宜高于 HRC60 ；
3采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。 刀头种类及型状： 1主切削刀；其切入角度影响切削能力的发挥，应根据施工地层情况，选择 切入角度； 2主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显着增加切削土体的流动性，大大降低主切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少主切削刀的磨耗。 3鱼尾刀：为改善中心部位的切削和搅拌效果，宜在刀盘中心部位设计一把 尺寸较大的鱼尾刀。 4盘圈贝型刀：实质上是超前刀，在盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒径砂 卵石地层时宜采用。 5仿形刀：仿形刀的目的是盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形 超挖切削创造所需空间。 刀具配置 1增加刀具的数量，即增加刀具的行数及每一行的刀具布设数量； 2采用长、短刀并用法，即长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具磨损。其高 低差一般为 20mm～ 30mm。 3切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方法。预测需要更换时，须采用 装卸容易的方法进行安装。 在北京地层条件下，应加大刀盘开口率，减少切削土渣在刀盘空间的滞留时间， 以保证土渣顺利进入土舱，减少刀盘、刀具的磨损。 刀具磨损的预测及检测方法 必须充分探讨刀头的耐磨耗性，事前预测磨耗量，制定切实可行的对策，以便施 工能顺利进行。 刀具磨耗量的预测 最外圈的刀具磨耗量的推测值可按下式计算：
第 1 页共 11 页 7.8.2 盾构机的推力和扭矩计算 盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。 7.8.2.1 在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算 地层参数按〈 6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力 的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根据线路的纵剖面图，〈 6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力P e时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。 盾构机所受压力： P e =γ h+ P0 P01= P e + G/DL P1=P e×λ P2=(P+γ .D) λ 式中：λ为水平侧压力系数，λ =0.47 h 为上覆土厚度， h=12.8m γ为土容重，γ =1.94 t/m3 G 为盾构机重， G=340 t D 为盾构机外径， D=6.25 m ； L 为盾构机长度， L=8.32 m ； P0为地面上置荷载， P0=2 t/m2； P01为盾构机底部的均布压力； P1为盾构机拱顶处的侧向水土压力； P2为盾构机底部的侧向水土压力； P e=1.94×12.8+2=26.83 t/m2 P01=26.83+340/（6.25× 8.32）=33.37t/m2P1=26.83×0.47=14.89t/m2 P2 =(26.83+1.94×6.25)× 0.47=18.3t/m2 7.8.2.1.1 盾构推力计算 盾构的推力主要由以下五部分组成： F F1F2F3F4F5 式中： F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力；F2为刀盘上的水平推力引起的推力F3为切土所需要的推力； F4为盾尾与管片之间的摩阻力 F5 为后方台车的阻力 F1 1 ( P e P01 P1 P2 ) DL . 4 式中：：土与钢之间的摩擦系数，计算时取0.3
7.8.2盾构机的推力和扭矩计算 盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。 7.8.2.1在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算 地层参数按〈6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根据线路的纵剖面图，〈6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力P e 时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。 盾构机所受压力： P e =γh+ P 0 P 01= P e + G/DL P 1=P e ×λ P 2=(P+γ.D) λ 式中：λh γ为土容重，γG 为盾构机重，D 为盾构机外径，D=6.25 m ； L 为盾构机长度，L=8.32 m ； P 0为地面上置荷载，P 0=2 t/m 2； P 01为盾构机底部的均布压力；P 1为盾构机拱顶处的侧向水土压力；P 2为盾构机底部的侧向水土压力；P e =1.94×12.8+2=26.83 t/m 2 P 01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m 2 P 1=26.83×0.47=14.89t/m 2 P 2 =(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m 2 7.8.2.1.1盾构推力计算 盾构的推力主要由以下五部分组成： 54321F F F F F F ++++= 式中：F 1为盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；F 2为刀盘上的水平推力引起的推力 F 3为切土所需要的推力；F 4为盾尾与管片之间的摩阻力 F5为后方台车的阻力 πμ.)(4 121011DL P P P P F e +++= 3.0=μμ数，计算时取：土与钢之间的摩擦系式中：
盾构机刀盘材料
一、工程概况 盾构机刀盘磨损主要原因为隧道穿越的地层主要为粘土沙，其中夹杂中粗砂、砾砂、卵石，砂性土摩擦阻力大，渗透性强，在盾构的推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，对刀盘的磨损会比较严重。再者外缘刮刀基体耐磨性不够，磨损后造成硬质合金脱落，从而使刀盘承受直接磨损，另外绞龙的耐磨性对刀盘和轴承止水密封面的磨损有间接影响。转场后将要面临更为严峻的地质构造。本次修复需要综合考虑以上问题，制定合理的堆焊修复盾构机刀盘材料，恢复刀盘原有外型尺寸，有效减少非正常磨损，保证后续正常的施工质量和进度。 二、编制依据 1、盾构机相关图纸和数据。 2、盾构机现有磨损情况。 3、焊材说明书与焊接技术参数。
三、修复工艺以及盾构机刀盘材料选择 1、设计尺寸： 主视图外径Ф6260mm，剖视图B-B显示：环带直径6230mm，刀盘厚度为450mm，耐磨环带宽度160 mm厚度50mm，耐磨块原有数量56块均匀分布。2、磨损情况： 周边磨损是所有盾构机的共同点，单边磨损量平均约10mm。包括刀盘A-A 剖视图斜面。盾构刀盘弧面镂空。主切刀部分磨损严重，需连同刀座一起更换。 3、盾构机刀盘材料选用： 考虑到母材为Q235，属于中碳钢，本次耐磨堆焊必须采用抗裂性优良的焊材打底，故而选用北京固本焊丝打底材料。为适应耐磨需要，耐磨层选用打击硬化材料，在盖面时采用高铬铸铁材料做盖面层，同时采用高铬铸铁材料焊接网格增加初期耐磨性。 4、测量工具： 制作辅助测量工具，以便对直径测量。 5、焊前处理： 焊接表面清洁，彻底去除泥沙、油渍，检查是否存在裂纹。 6、裸露结构部分需覆盖20MM厚钢板，然后按图纸尺寸恢复刀座位置焊接（预先割除原有边刮刀和耐磨块），其余部位除焊接耐磨块之外还要加装先行刀，包括面板，均匀分布。耐磨块材质依据提供封样样块。先行刀焊接26把。耐磨群板的割
6.34m土压平衡d1型地铁盾构 （液压系统） 计 算 书
Ф6340土压平衡d1型盾构推力扭矩计算书 2．设计依据 Φ6.34m土压平衡盾构掘进机的设计根据上海地区的软土地质条件和工程条件进行，土质主要包括灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、粉质粘土、砂质粉土等。 2.1 地质条件 隧道需穿越的地层主要是灰色淤泥质粘土层、灰色粘土层、灰色粉质土层，其特点：饱和、流塑，属高压缩性土，受扰动后沉降大，易发生流砂。（见图一）其主要力学指标： a．平均值：N＝2～8 b．内摩擦角：Φ＝7.5°～19.5° c．凝聚力：C＝4.0～25.0kpa d．渗透系数：K V20＝1.77×10－5～1.58×10－4cm/sec K H20＝2.02×10－5～2.49×10－4cm/sec 3.2 推进系统 3.2.1盾构的载荷条件及盾构总推力 3.2.1.1盾构的载荷条件 盾构在地下推进时，盾构壳体所受荷载基本有以下几种：垂直土压、水平土压、地下水压、土体抗力、自重、地面荷载、施工荷载、其它荷载。 图四给出了盾构外周以及正面受力情况，盾构受力主要由土压和水压构成。地面荷载由实际情况来定，计算时一般取20kN/m3。
g w1 P w2—底部垂直水压(kN/m2)； q e1—顶部土体侧压(kN/m2)； q e2—底部土体侧压(kN/m2)； q w1—顶部侧向水压(kN/m2)； q w2—底部侧向水压(kN/m2)； q fe1—顶部水平土压(kN/m2)； q fe2—底部水平土压(kN/m2)； q fw1—顶部水平水压(kN/m2)； q fw2—底部水平水压(kN/m2)。 其中q fe1=q e1，q fe2=q e2，q fw1=q w1，q fw2=q w2。 垂直土压： P e1=W0+γt H0+γ'H w（1）式中： W0—地面荷载(kN/m2)； H0—地下水位高度(m)； H w—H-H0； H—覆土厚度(m)； γt—地下水位上部的土体容重(kN/m2)； γ'—地下水位下部的土体容重(kN/m2)。 土体抗力的计算与垂直土压的计算相似。 水平土压（土体侧压）的计算可把垂直土压乘上侧压系数λ求出，即 q e=λP e（2） 水压通常指地下水位以下的静止水压，即 P w=γw H w（3）依据上述情况可以计算盾构在推进过程中的受力进而可以计算盾构推进所需推力。
附件2反力架验算 反力架与结构间用双拼56b 工字钢管撑,支撑布置见下图。 反力架支撑受力验算 实际始发掘进正常推力一般不超过1000t,且加设钢环对应力起均衡作用，考虑不均匀受力和安全系数，总推力按3000t 计算。四个集中力P 按3000t 平均分配计算，四个集中受力范围内P 按3000t 平均分配计算,管片承受总推力为3000t ，集中受力点平均分配得750t 。反力架本身刚度可达到要求，不会因推力而变形考虑，若图中所示四个受力区域可满足推力要求,则反力架支撑稳定,先计算四个角的钢支撑受力面积。左侧立柱为斜支撑受力最不利，按750t 平均分配到4个支撑点，每点受力为188t ，其中双拼工字钢截面面积为29327mm 2： 斜支撑受力最为不利,若此区域可满足最不利受力条件,则反力架稳定,按最不利受力状态,平均分配计算,每个角支撑所受压力为750t,双拼工字钢受力为188t ；双拼工字钢应力为188t/29327mm 2cos38°=50.5N/mm 2,钢材设计强度为235N/mm 2，故支撑可满足盾构始发要求,即反力架稳定。 附件3始发基座验算 （1）计算简图： 盾构托架使用250x255H 型钢制作，共13道横向支撑，上图为一道横向支撑的半侧，主要受力梁为2号与4号梁。 盾构机按照374t 计算,由受力分析可得发射架每边承受总力： ?=? 27sin 125sin 374 1G ，得t 278.207G 1= 发射架共13道横向支撑，共12个区间，每个区间受力： KN 73.172 /1278.2072G ==, 最后力传递至横向支撑，由13个支撑承受，得水平力： （2）2号梁计算：
复杂地层盾构机刀盘刀具优化设计研究 摘要：在盾构法隧道穿越江河过程中，刀盘刀具是保证盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用何种刀具配备通常取决于盾构机掘进的地层条件。本论文以西气东输二线北江盾构穿越工程为例，介绍了盾构机刀具的种类和切削原理，并针对广东地区特殊地质情况，优化设计泥岩等复杂地层盾构机刀盘刀具的配置。 关键词：北江盾构；刀具种类；切削原理；优化设计 abstract: in the process of shield tunnel across the river, cutter head is the guarantee of the important components of shield construction . choose tools type in shield tunnel usually depends on shield construction machine tunneling formation conditions. this paper introduces the type of shield construction machine tools and cutting principle on the basis of the west-east second line of shield beijiang river project and according to situation of guangdong area complex stratum, it optimize cutter head configuration when shield tunnelling in shale and sandy 中图分类号：tg501 1 盾构机刀具种类 刀具是是盾构机重要的部件，在盾构施工时选取何种刀具通常
第七节 关键参数的计算 1．地质力学参数选取 MCZ3-HG-063A 7-7-1，作为该标段盾32.5m ，盾构机壳体计算38.75m ，地下稳定水位2.5m 。 地质要素表 表7-7-1 隧道基本上在<4－1>、<5Z-2>和<6Z-2>地层中穿过，为相对的隔水地层。按上述条件对选用盾构的推力、扭矩校核计算如下： 2.盾构机的总推力校核计算： 土压平衡式盾构机的掘进总推力F ，由盾构与地层之间的摩擦阻力F 1、刀盘正面推进阻力F 2、盾尾内部与管片之间的摩擦阻力F 3组成，即按公式 F=( F 1+F 2+F 3).K c 式中：K c ——安全系数， 2.1 盾构地层之间的摩擦阻力F1 计算可按公式 F1= *D*L*C C —凝聚力，单位kN/m 2 ，查表7-7-1，
取C= 30.6kN/m2 L—盾壳长度，9.150m D—盾体外径，D=6.25m 得： F 1 =π*D*L*?C=3.14159?6.25?9.15?30.6 ＝ 5498 kN 2.2 水土压力计算 D——盾构壳体计算外径，取6.25m； L——盾构壳体长度，9.15m； p e1 ——盾构顶部的垂直土压。按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然密度ρ值计算。 qf e1——盾构机拱顶受的水平土压；qf e1 ＝λ×p e1 p e2 ——盾构底部的垂直土压。按全覆土柱计算，为校核计算安全，采用岩土的天然密度ρ值计算。 qf e2——盾构底部的水平土压。qf e2 ＝λ×p e2 qf w1 ——盾构顶部的水压 qf w2 ——盾构底部的水压λ——侧压系数，取0.37； 计算qf e1 qf e2 qf w1 qf w2 p e1 ＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8 ＝609.2kN/m2 p e2 ＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8 ＝726.2 kN/m2 qfe1＝0.37×609.2 ＝225.4 kN/m2 qfe2＝0.37×726.2 ＝268.7 kN/m2 qf W1 ＝(32.5-2.5) ×9.8 ＝294 kN/m2 qf W2 ＝294+6.25×9.8 =355.3 kN/m2
φ6340mm隧道掘进机型号TM634 PMX 设计计算书
目录 页数1、计算条件 (3) 1.1工程条件 (3) 1.2地质条件 (3) 1.3计算模型 (4) 1.4盾构机规格 (5) 2、盾构机刀盘所需扭矩计算 (5) 2.1 计算条件 (5) 2.2 各参数的计算 (6) 2.3 所需扭矩计算 (7) 3、盾构机掘进时所需推力计算 (8) 3.1 计算条件 (8) 3.2 各参数的计算 (9) 3.3 推力计算 (10) 4、盾构机壳体强度计算 (11) 4.1 计算条件 (11) 4.2 各参数的计算 (11) 4.3 土荷载计算 (12) 4.4 盾构机壳体水平方向变位量的计算 (13) 4.5 载荷的计算 (13) 4.6 弯曲扭矩[M]及轴力[N]的计算结果 (14) 4.7 盾构机壳体应力σ的计算结果 (15) 5、切削刀具寿命的计算 (21)
5.1 地质概况 (21) 5.2 地质计算模型化 (21) 5.3 主切削刀计算 (21) 5.3.1 磨损高度与运转距离的关系 (21) 5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数 (22) 5.3.3刀具磨损计算公式 (23) 5.3.4刀具磨损计算结果 (24) 6、三排园柱滚子轴承计算 (25) 6.1 盾构机规格 (25) 6.2 载荷计算 (26) 6.2.1土载荷的计算 (26) 6.2.2 作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算 (26) 6.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算： (27) 6.3.1三排园柱滚柱轴承规格 (27) 6.3.2 三排园柱滚柱轴承寿命计算 (27)
1、计算条件： 1.1、工程条件： (1) 隧道长度 m (2) 隧道最小转弯半径 250m (3) 盾构机开挖直径φ6340m m (4) 管片外径φ6200m m (5)管片内径φ5500m m (6)管片宽度 1200mm (7)管片厚度 350mm (8)分块数 5+1块 (9)管片重量 4.5t / 块 (10)隧道坡度‰ 1.2、地质条件： (1)土质淤泥质粘土、粘土、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、细砂 (2)隧道覆土厚度 5～30 m (3)地下水位GL- 0.5 m (4)间隙水压 MPa (5)透水系数 cm/sec (6)标准贯入值（N值） (7)内摩擦角 deg (8)粘着力 kN/cm2 (9)含水率（W%） (10)地面负荷 6 tf/m2 (11)地层反力系数 kN/m2