盾构机刀盘参数

盾构机刀盘设计要点探究盾构机刀盘设计五花八门，主要设计依据是盾构隧道的地质条件。

但针对相同地质条件，各制造厂家基于各自的理念设计出的刀盘又不尽相同。

作为使用单位，在进行设计联络、设计评审时，如何入手，如何判定优劣呢？刀盘设计的适应性判断是考虑问题的出发点。

刀盘结构外形的差异并不重要，只要结构强度满足力学要求，即满足极限条件下的推力、扭矩的要求即可。

我们需要关心的是另外几方面的问题：一、刀盘开口率刀盘开口率是指刀盘留空面积占整个刀盘面积的百分比。

这部分留空面积，是切削渣土的运动通道。

渣土脱离土体后，在重力及刀具刮削作用下，沿刀盘开口流动到土仓。

搅拌后，从土仓底部螺旋输送机排出。

开口率的大小对应的是渣土排放的效率。

若取值过小，破碎（切削）的渣土不能及时进入土仓，滞留在刀盘前方，跟随刀盘做摩擦运动，随着温度升高，会固结在刀具、辐条等部位形成泥饼。

因此，在结构强度允许的情况下，开口率尽可能地取较大的值较好。

开口率的取值对应刀盘的常态转速。

开口率的计算公式：K=1/（r+1）其中：K——开口率（%）r——刀盘转速（rpm）刀盘转速是一个从0到Rmax的范围值。

通常是连续可调的。

但刀盘的开口率是固定的，一经设计、制造成型就不可更改。

因此，确定刀盘开口率需要预先评估针对隧道地质条件下刀盘的经常工作状态，根据刀盘的常态转速来确定刀盘的开口率。

岩土硬度高、结理发育差的地层，刀盘转速应较大。

相应的，对刀盤开口率要求就小。

这与高硬度岩土开挖效率低，出渣量小的施工形态是对应的。

反之，岩土硬度低、结理发育丰富地层（如全、强风化地层），刀盘转速应较小。

对刀盘开口率要求就大。

例如，我单位施工的莞惠城际轨道交通GZH-6项目隧道地质主要是弱风化混合片麻岩，岩体较硬。

对于这类地层，施工时刀盘常态转速的经验值在1.5～2rpm之间。

据此，计算出开口率的值K在40%～33%范围内。

根据强度优先的原则，采用辐条+面板的结构形式。

结合刀具的布置等其它因素，刀盘开口率最后结果值是31%。

海瑞克土压6.3m盾构基本参数名称技术参数备注管片设计外径6米内径5．4米管片宽度1．5米数量5+1盾体前体 6.25x6.25x2.9米86.5吨中体 6.24x6.24x2.58米80吨前盾数量1个中盾数量1个直径6．25米不计耐磨堆焊层长度(前体和中体) 4．68米螺栓连接并带密封盾构类型土压平衡盾构最小水平转弯半径300米最大工作压力3BAR土压传感器(数量) 5个气闸连接法兰1个螺旋输送机连接法兰1个盾尾 6.23x6.23x3.61米30吨盾尾数量1个型式绞接长度3．61米密封3排钢丝刷注浆口4个DN50,单管推进油缸液压数量30个10组双缸+10组单缸分组数量4组推力34 210KN 最大300BAR行程2米工作压力300BAR伸出速度80mm/min 所有油缸绞接油缸类型被动式数量14个行程150 mm刀盘 6.28x6.25x2.6米65吨数量1个形式装配有滚刀式直径6．28米旋转方向左/右刀具配置4把17寸中心双刃滚刀，32把17寸单刃滚刀，28把齿刀（250mm宽），8组边刮刀（1组两把）。

刀盘上泡沫喷嘴数量8个中心回转体1个刀盘驱动数量1个形式液压驱动液压马达数量9个额定转矩6000KNm最大脱困扭矩7150KNm转速0~4.5转/分功率945KW 3x315KW主轴承形式固定式人闸数量1个形式双仓直径1．6米工作压力3BAR 测试压力4．5BAR 额定人数（容纳）3+2 主仓/副仓管片安装器管片安装器及行走梁5．0x4.0x3.8米22吨数量1个形式中心回转式抓紧系统机械式自由度6个旋转角度+/—200度比例控制管片宽度1．2/1．5米纵向移动行程2米比例控制控制装置无线、有线控制螺旋输送机形式双螺旋转、有轴式1号螺旋输送机13.4x1.2x1.4米23吨长度13．4米直径800mm功率160KW最大扭矩198 KNm拖困扭矩225 KNm转速1~22转/分无级调速最大出土量（理论值）285方/时100%充满时卸渣门1个测试压力4．５Ｂ竖向的防水连接1个２号螺旋输送机8.1x1.2x1.4米19吨长度８．１米直径800mm功率1１0KW最大扭矩1８０KNm拖困扭矩2０６KNm转速1~22转/分无级调速最大出土量（理论值）285方/时１００％充满时卸渣门１个后配套设施设备桥前端9.72x3.3x3.5米10.8吨设备桥后端9.0x3.3x3.5米11吨1号拖车11.5x4.5x3.5米20吨2号拖车11.9x4.75x3.5米37吨3号拖车12.3x4.85x3.5米27吨4号拖车16x4.5x3.5米26吨台车数量４＋设备桥在轨道上行走，开式结构管片吊车１个带机械抓紧装置液压单元１个包括过滤器和油箱冷却系统１个新鲜水２５℃由现场提供注浆系统1个注浆泵2台SWCHING泵，流量10方/时压力测量装置4个砂浆罐1个容量6方，带搅拌器泡沫发生器4个水泵1个133 l/min泡沫泵1台300 l/min膨润土注入系统1个膨润土储存罐1个容量6方，带搅拌器膨润土注入泵1台30方/时压缩空气供应系统1台空压机，含空气过滤器1台55kw,7.5barar,10方/min高压空气储存罐1个1000升压力气体调节装置2个DN65，在盾体内主驱动装置润滑泵1个200kg桶盾尾油脂泵1个200kg桶HBARW油脂泵1个60kg桶盾尾污水泵1个隔膜泵，12方/时，气动操作室1个带空调主副配电柜1个变压器1台2000 KV A双水管架1个工业水（进、出水管），DN80 高压电缆托盘1个可存200m电缆（含国产200m电缆）二次通风系统风机1个15kw通风管储存装置2个1米风管，100米储量小型起吊装置1个导向系统1个SLS-T-APD管片排序系统1个用于导向系统数据采集系统1个中英文界面数据传输1套电话线+调制解调器，及地面计算机和界面显示的软件电力系统初级压力10 kv次级压力400 v变压器2000 kvA 硅油型，IP55控制电压24 v/230 v照明电压230 v阀工作压力24 v频率50 Hz系统绝缘保护IP 55PLC S7 (西门子)功率配置刀盘驱动系统945kw液压系统供给泵55kw盾构推进系统75kw管片安装器45kw辅助设备22kw油冷却系统8kw润滑系统 5.5kw螺旋输送机270kw皮带机30kw泡沫发生装置22kw膨润土注射系统30kw砂浆设备38kw二次通风15kw空压机55kw电源插座及工地用电100kw合计1716kw。

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。

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。

简析盾构机刀盘与刀具的选型配置1工程概况湛江湾跨海盾构隧道工程是湛江市鉴江供水枢纽工程的一部分，工程位于湛江湾最窄处，不但水深流急，又是进出湛江港的咽喉，航道非常繁忙。

湛江湾盾构隧道穿越南三岛与东海岛之间海底，横穿湛江湾海峡，长2750m。

盾构隧道内径5.1m、外径6.0m。

2工程地质根据勘探资料，场区为深厚第四系地层，从上向下有：①、中全新统海风混积层，②、中全新统海相沉积层，③、中更新统北海组层，④、下更新统湛江组层。

各岩土层主要特征分述如下：①、中全新统海风混积层：黄色中细砂、细砂，局部含泥质，砂质均匀，以石英为主，主要分布在地势较高的陆地。

②、中全新统海相沉积层：主要呈灰色、深灰色，成分不均匀，主要为中细砂，次为中粗砂，含泥质，底部为粗砂，含少量砾，局部为泥粉质细砂、淤泥质细砂，含少量贝壳碎片、腐殖质，见少量薄层粘土夹层，砂以石英为主。

③、中更新统北海组层：主要呈土黄、棕黄、浅黄色，以中细砂为主，含泥质，局部夹粗砂，含少量砾和粘土，含铁质及发育铁质层为其特征，底部以波状起伏的铁质层与湛江组上部杂色粘土接触，铁质层呈暗红色，主要为贴胶结的粉细砂，致密坚硬。

④、下更新统湛江组层：主要为灰色、青灰色粘土、砂质粘土，含淤泥，见少量黑色碳化腐殖质木，土层不均匀，夹有砂层或与薄层砂互层。

砂为中粗砂夹细砂，含泥质、少量砾石，砂以石英为主。

3、刀盘与刀具的型式及布置本工程隧道穿越中全新统海相沉积层砂层和下更新统湛江组层砂质粘土层为主，存在中等～强透水砂层，围岩与海水直接连通，拱顶覆土厚度为20～40m，隧道水下埋深27～61m，最大外水压力约0.3MPa～0.6MPa，外水压力较大。

同时海中无条件设置途中工作井，不能分段掘进，因此本隧道掘进距离长达2750m，对盾构刀盘与刀具的可靠性及耐久性要求高。

同时小直径盾构在高水压条件下刀具更换存在较大的安全风险，换刀过程十分困难且提高了工程成本，耗资巨大，同时对工程进度造成严重影响。

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。

地下电缆隧道工程盾构机关键参数计算根据隧道工程条件，盾构主要参数计算按盾构在最大土压和水压位置进行计算。

根据招标文件和地质勘察报告可知盾构顶部最大埋深约25.16m（按25m计算)，地下水位埋深按2m,盾构穿越地层按中粗砂地层进行核定。

（1）计算参数盾构机设计关键参数计算需依据表3—9.表3-9 参数统计表（2)盾构荷载计算盾体部分受力分析按覆土厚度H0=25m计算盾体四周各处所受压强,分别如下：①垂直土压：Pe1=（γ-10)H0=（20-10）×25=250kPa②垂直抵抗土压：Pe2=Pe1—140=110kPa③上部水平土压：qe1= Pe1＊λ=250×0.25=67.5kPa④下部水平土压：qe2=（γ-10）*（25+4.88)* λ=10×29.88×0.25=77kPa⑤自重抵抗土压:pg=G/(D0＊L)=224×10/(4.88×8.573)=554kPa⑥上部正面土压:qfe1= qe1=67.5 kPa⑦下部正面土压：qfe2= qe2=77kPa⑧上部正面水压：qfw1= 250kPa⑨下部正面水压:qfw2= 298.8kPa11.1 盾构机总推力盾构机的总推进力必须大于各种推进阻力的总和,否则盾构无法向前推进。

包括盾构外围与土的摩擦力、盾构推进阻力（正面阻力）、由滚刀挤压阻力、管片与盾尾的密封阻力、后方台车的牵引阻力。

（1)盾构外围与土的摩擦力(2）盾构推进阻力(正面阻力）（3)管片与盾尾的密封阻力M C -管件与钢板刷之间的摩擦阻力,取0。

3；W S -压在盾尾内部2环管片的自重。

（4)后方台车的牵引阻力所需最大推力盾构在50‰上坡时盾构的推力按直线水平段的1.15倍考虑,盾构的实际推力应为：安全系数根据分项计算盾构总推力的安全系数达到1.57，可以满足掘进的需要。

11.2 盾构机的扭矩实践证明装备扭矩与盾构机的外径的关系极大，通常可用下式表示：式中：T e－装备扭矩(kNm）;D0－盾构机外径（m）；α1－刀盘支撑方式决定系数，简称为支撑系数(m）；α2－土质系数；α0－稳定掘削扭矩系数。