盾构主要参数的计算和确定

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。

土压平衡式盾构机控制原理与参数设置随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。

在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。

控制原理土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。

土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。

以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。

主要参数抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。

过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。

比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。

积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E,也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。

为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。

φ6340mm隧道掘进机型号TM634 PMX设计计算书株式会社小松制作所地下建机事业本部小松(中国)投资有限公司2010年4月目录页数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 (19)5.1 地质概况 (19)5.2 地质计算模型化 (19)5.3 主切削刀计算 (19)5.3.1 磨损高度与运转距离的关系 (19)5.3.2主切削刀、刮刀的磨损系数 (20)5.3.3刀具磨损计算公式 (21)5.3.4刀具磨损计算结果 (22)6、三排园柱滚子轴承计算 (23)6.1 盾构机规格 (23)6.2 载荷计算 (24)6.2.1土载荷的计算 (24)6.2.2 作用与三排园柱滚柱轴承上的载荷的计算 (24)6.3、三排园柱滚柱轴承寿命计算： (25)6.3.1三排园柱滚柱轴承规格 (25)6.3.2 三排园柱滚柱轴承寿命计算 (25)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、中粗砂(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/m21.3、计算模型说明：由于整个计算全部采用在埋深30m ，承受最大水压力，因此计算偏与安全。

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*CC —凝聚力，单位kN/m 2 ，查表7-7-1，取C= 30.6kN/m2L—盾壳长度，9.150mD—盾体外径，D=6.25m得： F1=π*D*L*⋅C=3.14159⨯6.25⨯9.15⨯30.6＝ 5498 kN2.2 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；pe1——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。

qfe1——盾构机拱顶受的水平土压；qfe1＝λ×pe1pe2——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。

qfe2——盾构底部的水平土压。

qfe2＝λ×pe2qfw1——盾构顶部的水压qfw2——盾构底部的水压λ——侧压系数，取0.37；计算qfe1 qfe2qfw1qfw2pe1＝12×1.95×9.8＋13×1.88×9.8＋（32.5-12-13）×1.91×9.8 ＝609.2kN/m2pe2＝609.2 ＋6.25×1.91×9.8＝726.2 kN/m2qfe1＝0.37×609.2＝225.4 kN/m2qfe2＝0.37×726.2＝268.7 kN/m2qfW1＝(32.5-2.5) ×9.8＝294 kN/m2qfW2＝294+6.25×9.8=355.3 kN/m22.3 盾构机前方的推进阻力F 2作用于盾构外周和正面的水压和土压见图7-7-2所示。

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。

《地下铁道》7.1 盾构法概念及盾构的基本组成和基本参数隧道与地下工程系7.1 盾构法概念及盾构的基本组成和基本参数■概述◆在流砂、淤泥类、软弱地层及复杂的城市地层中修建地下铁道时，采用盾构法施工，是一种有效的措施。

这种方法能确保施工安全和作业机械化，施工速度快。

27.1 盾构法概念及盾构的基本组成和基本参数2.基本工作原理◆盾构施工时，先在隧道某段的一端建造竖井，盾构在竖井内组装完成;◆然后从竖井的墙壁开孔处出发，在地层中沿着隧道设计路线推进，在推进过程中不断地从开挖面排出适量的土体。

◆盾构推进中所受到的地层阻力通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌管片上，再传至竖井的后靠壁。

◆1970年代日本及德国针对在城市建设区域的松软含水地层中由于盾构施工所引起的地表沉陷、研究高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题，并研制了各种新型的衬砌和防水技术，以及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。

1.国外发展简介近10多年来世界上采用盾构法建造的几座著名隧道：◆英法海峡隧道(全长48.5km，海底段37.5km)◆日本东京湾公路隧道(长9.4km)◆丹麦斯多贝尔特大海峡隧道(长7.9km)2.我国盾构技术的发展◆我国于1956年在海州露天矿用直径2.6m的盾构在砂土层开凿了疏水巷道。

◆上海从1960年用不同类型盾构成了一批地铁区间隧道、水底公路隧道、地下人防通道、引水隧道、排水隧道、电缆隧道等工程。

◆1980年，上海进行了地铁1号线试验段施工，研制了一台直径6.41m的刀盘式盾构，在淤泥质粘土地层中掘进隧道1230m。

◆1987年上海隧道股份公司研制成功了我国第一台直径4.35m的加泥式土压平衡盾构，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度583m。

2.我国盾构技术的发展◆我国盾构隧道施工技术在1990年代以来得到了较大发展。

◆1990年上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台直径6.34m土压平衡盾构掘进。

盾构机的主要部件及技术参数（一）盾构机主要部件盾构机主要部件1、盾体综述盾体根据本工程工况设计，盾体设计为梭型，即前盾直径〉中盾直径〉尾盾直径。

盾体包括三个主要组件：前盾、中盾、盾尾（1）前盾前盾由壳体、隔板、主驱动连接座、螺旋输送机连接座、连接法兰等焊接而成。

主要设计特点如下：①切口耐磨设计及固定搅拌棒前盾前部设计为锥形，并焊有耐磨层，增加耐磨性。

为了改善渣土的流动性，土压仓内隔板上设有两个搅拌棒，每个搅拌棒中间有一个注入添加材料通孔，加上隔板上两个加料孔共四个，其中两个搅拌棒注泡沫，另两个注膨润土。

搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，增加和易性。

搅拌棒表面用耐磨焊条网状堆焊，增加耐磨性。

隔板上有6个铰接式水平超前注浆孔，一个固定式水平注浆孔，满足地质水平加固的需求。

②前舱门人舱内部压力隔板上部设有Φ600mm前舱门孔和一个前舱门。

工作人员通过前舱门进入开挖仓检查更换刀具及处理仓内问题。

③土压传感器开挖仓内配置了6个土压传感器，可将压力信号传给PLC 并直观的显示在主控室内的显示屏上。

④其它隔板上设有一个电液通道和一个水气通道，当维修人员进入土压仓内维修刀盘或者更换刀具时，电液通道给土压仓内提供低压照明电源和焊接电源,水气通道给土压仓内提供切割部件所需的氧气和乙炔以及人员应急呼吸的新鲜空气。

此外隔板上还开有保压孔、进水孔、排水孔等，盾壳壁上设有6个膨润土接口。

（2）中盾中盾和前盾之间采用螺栓连接，中盾主要由连接法兰、两层隔板和米字梁组成。

主要设计特点如下：①铰接密封中盾和盾尾之间采用被动铰接形式，设计有两道密封，一道为橡胶密封，一道为紧急气囊密封。

正常情况下，橡胶密封起作用。

在异常情况下，或者橡胶密封需要更换时，使用紧急气囊密封。

在密封环端部设置压紧块，在压紧块和橡胶密封之间设置挡条，在端部利用调节螺栓使挡条压紧橡胶密封。

压紧的程度可用拧动螺栓进行调整。

图8.1 铰接机构示意图铰接部位设有三种注入口：A孔：用于向铰接密封加注油脂，防止铰接密封的渗透泄漏，沿圆周有6个。

土压平衡盾构机主要技术参数的选择盾构法施工将掘进设备通过竖井送到地下一定深度后可做长距离水平掘进，具有机械化施工、隧道形状准确、质量高、衬砌经济、对地面建筑物影响可能最小、对环境无不良影响、保持水位、噪声小，对工作人员较安全等特点，近lO余年在国内城市的地下铁路建设中广泛采用，它的优点得到了广泛的认可。

土压平衡(EPB)盾构机具有封闭的土仓，其基本工作过程是通过旋转的刀盘切削前方的土体，油缸推进刀盘实现掘进，同时使土体从刀盘开口处进入并充满土仓，在油缸的推力下仓内土体保持一定的压力用来平衡前方的土压力和水压力通过添加外加剂并搅拌土体使其具有适宜的流动性和不透水性，然后在基本保持土压平衡的条件下从螺旋输送机排出土体。

成洞后由盾构壳体支撑围岩，在盾构的尾部进行结构衬砌组装施工，同时对结构与围岩问的缝隙注浆填充，最后实现设计的线路及其结构尺寸要求。

土压平衡盾构适合的岩土条件在粘土到砂、中砾石的范围之间，当压力最大为2bar时，水渗透系数不应超过10-5m ／s[3]。

水渗透系数过太时加处理剂会在工作面前面流掉，故不可能建立起支撑土压。

大的卵石会卡住螺旋输送机，地层条件变化时施工风险大，所以EPB盾构设备一般需要根据施工区段的地质情况及施工组织进行专项设计制作。

根据北京地区的地质特点及地铁穿越的地层主要为粘土、砂、砾石等现状，我们确定选用土压平衡式盾构，以下就盾构设备选购涉及到的主要技术参数的确定谈几点体会。

1 EPB盾构基本构成EPB盾构机由主体和后配套系统组成盾构机的主体结构由切削刀盘、切口环和支撑环(前体和中体)、盾尾构成，切削刀盘与切口环之间的空间为土仓。

后配套系统包括测量、同步注浆、泡沫泥浆注入、液压、盾构机控制系统以及压缩空气、强弱电控制输配、洞内通风等系统。

表1列举了在选购EPB盾构设备时需考虑的各系统主要技术参数。

2 切削刀盘2.1 刀盘基本类型的选择土压平衡式盾构采用的刀盘形式主要有胸板式和辐条式两种。