盾构构造与操作维护 课件 模块一 项目2 盾构机选型及参数分析计算

1盾构构造与操作维护

模块一盾构机基础知识项目2盾构机选型及参数分析计算目录2.1盾构机选型2.2盾构机技术参数分析与计算◆目前应用最广的是土压平衡盾构(土压平衡支护式)和泥水盾构(泥水支护式)两种机型。

2.1盾构机选型盾构的“模式”是指在一定“型”的基础上，根据特定的盾构施工环境，在确保开挖面稳定的前提下，盾构所采用的最有效的“出碴”方式。“模式”是盾构的一种操作方式。土压平衡盾构的“模式”可分为敞开式、半敞开式（加气模式）、闭胸式(土压平衡模式)三种。泥水盾构的“模式”可分为泥水（加压）平衡模式(也称直接控制模式)和气压复合模式(也称间接控制模式）两种。盾构的“模式”2.1盾构机选型土压平衡盾构的三种模式：敞开式、半敞开式（加气模式）、闭胸式(土压平衡模式)

。

敞开式模式土压平衡模式

加气模式2.1盾构机选型某些泥水盾构具有二种模式:即泥水（加压式）平衡模式和气压复合模式。2.1盾构机选型盾构的“型式”涉及盾构的“机型”和“工作模式”盾构的“型”是在施工前决定的，而“模式”则是在施工过程中根据具体的施工环境由操作人员实时决策的。

自然支护式机械支护式压缩空气支护式——气压平衡盾构机

泥浆支护式——泥水平衡盾构机

土压平衡支护式——土压平衡盾构机敞开式盾构2.1盾构机选型◆盾构选型时主要遵循下列原则：（1）应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求；（2）安全适应性、技术先进性、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理性；（3）满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件；（4）满足安全、质量、工期、造价及环保要求；（5）后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点；（6）盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。一、盾构选型的基本原则2.1盾构机选型根据以上原则，对盾构的型式及主要技术参数进行研究分析，以确保盾构法施工的安全、可靠，选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构。盾构选型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施工质量、施工工艺及施工成本，为保证工程的顺利完成，对盾构的选型工作应非常慎重。2.1盾构机选型◆

盾构选型要针对不同的工程、不同的地质特点进行“量体裁衣”。盾构选型以工程地质、水文地质条件为主，综合考虑隧道的断面与线型、工期、环境及周围建筑物的保护等因素。◆同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究。

二、盾构选型的依据2.1盾构机选型（1）工程地质、水文地质条件。包括地层自稳定特性、地下水位、颗粒粒度分布、岩石强度、渗透系数、砾石直径等。（2）隧道结构条件。包括隧道埋深、长度、横断面形状和尺寸、平纵断面线型、坡度、衬砌类型等。（3）周围环境条件。包括地上及地下建筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线河流、琥珀、海洋的分布，地表沉降及环境保护要求等。（4）工程施工条件。包括工期要求、造价要求、施工场地条件、沿线交通情况、气候条件、水电供应情况等。（5）需配合使用的辅助工法等。1.盾构选型的主要依据2.1盾构机选型盾构选型依据2.1盾构机选型根据地质条件选择盾构机类型砂质土类自立性能较差的地层，应使用闭胸式的盾构施工。若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，应优先考虑泥水平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构。砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞开机械式盾构施工。对软硬不均、或岩石强度较大的地层，应考虑复合式土压平衡盾构。岩石强度高时，应考虑选择布置滚刀的硬岩刀盘。针对地下水条件，若其压力值较高（大于0.1MPa），优先考虑闭胸式的盾构，以保证工程安全，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，－般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构的话，须增加一个鳄式碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高，反之，盾构简单，制造使用方便，造价低2.1盾构机选型盾构选型主要解决三个问题：一是如何支护（稳得住）；二是如何开挖（掘得进）；三是如何排土（排得出）。因此，盾构选型步骤包括以下几方面。三、盾构选型的主要内容与步骤1.机型选择在对工程地质、水文地质条件、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构的类型；敞开式、闭胸式盾构；软土盾构、复合盾构。在确定选用闭胸式盾构后，根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水平衡盾构进行比选。2.1盾构机选型根据详细的地质勘探资料，对盾构各主要功能部件进行选择和设计（如刀盘驱动形式，刀盘结构形式、开口率，刀具种类与配置，螺旋输送机的形式与尺寸，破碎机的布置与型式，送排泥管的直径等根据地质条件等确定辅助工法和盾构的主要技术参数。盾构的主要技术参数在选型时应进行详细计算，主要包括刀盘直径，刀盘开口率，刀盘转速，刀盘扭矩，刀盘驱动功率，推力，掘进速度，螺旋输送机功率、直径、长度，送排泥管直径，送排泥泵功率等。2.盾构主要部件选择2.1盾构机选型要求后配套设备与盾构掘进速度相匹配。3.后配套设施施工设备的选择2.1盾构机选型地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构(土多、水少)；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。若地层中以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构。（水多，石多）四、盾构主机选型（土压平衡还是泥水平衡盾构）1.根据地层的渗透系数进行选型2.1盾构机选型2.1盾构机选型一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。盾构类型与颗粒级配的关系如下图所示，图中左边蓝色区域为粘土、淤泥质土区，为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围，右边的黄色区域为砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构。一般来说,当岩土中的粉粒和粘粒的总量达到40%以上时,通常会选用土压平衡盾构,相反的情况选择泥水盾构比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。2.根据地层的颗粒级配进行选型2.1盾构机选型大体上当岩土粉粒和粘粒的总量达到40％以上时，通常会选用土压平衡盾构机，相反的情况选择泥水盾构。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。土压盾构泥水盾构2.1盾构机选型当水压小于0.3MPa时，适宜采用土压平衡盾构。当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水平衡盾构。如采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋输送机。3.根据地下水压进行选型2.1盾构机选型盾构选型时，在实际实施时，还需考虑工程环境因素对盾构施工的影响。（1）隧道直径对盾构选型的影响。对于直径大于10m的隧道、直径小于3m的微型隧道多采用泥水平衡式盾构，中小型盾构采用土压平衡式。（2）环境因素对盾构选型的影响。泥水平衡式泥浆对环境有污染，且需要较大的泥水分离场地，在城市中心区施工时，多采用土压平衡式。（3）地下构物、管线对盾构选型的影响。在隧道周边有重要建筑物、地下管线时，一般选择闭胸式。4.工程环境因素对盾构选型的影响2.1盾构机选型两类盾构的适用情况土压式盾构：粉土、粘土、淤泥质粉土层，对于沙砾含量较多而不具有流动性的土质，需添加泡沫、泥浆等添加材料；泥水式盾构：河底、海底等高水压的中、粗砂、砾石、卵石地层，含水量高的各种不稳定地层、易发生涌水的地层，有时需配合采用辅助工法。2.1盾构机选型五、盾构主要部件选型1.刀盘选型确定刀盘形式（面板式、辐条式或者辐板式）2.1盾构机选型

2.1盾构机选型2.刀具选型刀具的类型有切刀、刮刀、滚刀等。切刀安装在刀盘开口槽的两侧，用来切削土壤，并把切削土刮入土舱中；刮刀安装在刀盘的外围，用于清除刀盘边缘的渣土；滚刀安装在面板上，用来切削硬岩。对于软土、半固结成岩及全风化岩，一般以切刀与刮刀为主，对于既有软土又有硬岩的复合地层，通常还需配置滚刀。2.1盾构机选型3.刀盘驱动方式选型液压驱动具有调速灵活，控制简单、液压马达体积小安装方便等特点，但液压驱动效率低、发热量大。变频驱动具有发热量小、效率高、控制精确等优点，应用较广。目前的中小型盾构（<6m）的刀盘驱动较常采用液压驱动，大直径（>6m）盾构较常采用变频驱动。但是由于变频驱动效率高，从节能方向及发展趋势来看，变频电机驱动方式是刀盘驱动今后的发展方向。2.1盾构机选型4.排渣系统选型螺旋输送机的形式分为有轴与无轴两类。开挖砾石地层时，需按排土能力研究输送机类型和尺寸大小，尤其是在透水性好的地层条件下使用无轴螺旋输送机。2.1盾构机选型工程案例-1某地铁隧道盾构法施工，隧道穿越土层有黏土、粉土、细砂、小粒径砂卵石、含有上层滞水，覆土厚度8～14m，

适合哪种盾构？2.1盾构机选型工程案例-2某地铁区间施工拟采用盾构法，隧道顶部覆土为10-16m，隧道净空直径为5.4m。区间隧道穿越淤泥、黏土、粉质粘土和砂层，地下水位埋深0-4.5m，详细地质状况见下表，请选择盾构类型。2.1盾构机选型2.1盾构机选型总结1.盾构选型的原则：安全适应性、技术先进性、经济性相统一2.盾构选型的依据：工程地质、水文地质条件；隧道结构条件；周围环境条件；工程施工条件辅助工法3.盾构选型的内容和步骤：机型（敞开式、土压平衡式、泥水平衡式）、主要部件和后配套4.盾构主机的选择：地层的渗透系数、地层的颗粒地下水、工程环境因素5.盾构主要部件的选择：刀盘、刀具、主驱动、排渣系统2.1盾构机选型一

、盾构外径二、刀盘开挖直径三

、盾构长度四、盾构重力五、盾构推力六、刀盘扭矩七、同步注浆量2.2盾构机技术参数分析与计算一、盾构外径盾构的外径由管片外径、盾尾间隙与盾尾厚度来决定，计算公式如下：式中：D—盾构的外径d—管片外径—盾尾间隙（20~40mm）t—盾尾厚度2.2盾构机技术参数分析与计算二、刀盘开挖直径为了保证盾体顺利通过，刀盘开挖直径一般大于盾壳外径。在软土层施工时，刀盘开挖直径一般大于前盾直径0-10mm；在砂卵石地层或硬岩地层施工时，刀盘磨损较为严重，刀盘开挖直径一般应大于前盾外径30mm。2.2盾构机技术参数分析与计算三、盾构长度和灵敏度盾构长度（亦称主机长度）主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式和盾构的灵敏度(即盾壳总长L与盾构外径D之比)。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考：小型盾构(D<3m)L／D=1.5中型盾构(D=3.5~9m)L／D=1大型盾构(D>9m)L／D=0.752.2盾构机技术参数分析与计算盾构总长度由切口环、支承环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分，如后方平台、螺旋输送机等。盾构长度计算公式：三项分别指切口环长度、支承环长度、盾尾长度。2.2盾构机技术参数分析与计算四、盾构重力指盾壳及安装在盾壳内的所有设备重力的总和，主要包括盾壳、刀盘推进油缸、铰接油缸、管片安装机、人舱、螺旋输送机的重力等。盾构重力是盾构施工计划安排必须考考虑的重要指标，重力越大，对运输、吊装等设备要求越高。一般地，盾构重力（W）与盾构直径（D）的关系如下：（1）手掘式盾构或半机械式盾构；W=（25-40）D2。（2）机械式盾构；W=（45-55）D2。（3）泥水平衡式盾构；W=（45-65）D2。（4）土压平衡式盾构；W=（55-70）D2。式中：W——盾构主机重力,kN;D——盾构外径，m。2.2盾构机技术参数分析与计算五、盾构推力盾构依靠安装在中盾上的千斤顶提供的顶推力向前推进，各千斤顶的合力即为盾构的总推力。盾构推进时其总推力必须大于各种推进阻力总和。盾构推进阻力主要包括6项：盾构推进时盾壳与周围地层的摩擦阻力F1；刀盘面板的推进阻力F2；管片与盾尾间的摩擦阻力F3；切口环贯入地层的贯入阻力F4；转向阻力F5；后配套拖车的牵引阻力F6。盾构总推力还必须留有足够的富余量，一般按推进总阻力的N倍计算，N>1。2.2盾构机技术参数分析与计算盾构的各种推力和计算公式如下：式中，F1—盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结阻力；F2—推进中切口插入土壤的贯入阻力；F3—工作面正面阻力；F4—管片与盾尾之间的摩擦力；F5--变向阻力(曲线施工/纠偏等因素的阻力)；F6—后方台车的牵引阻力。盾构推力计算公式2.2盾构机技术参数分析与计算事实上，在施工中盾构总推力一般按经验公式求得：式中Fj--盾构的总推力(kN)；

Pj--开挖面单位截面积的推力(kN)①人工开挖、半机械化开挖盾构、机械化开挖盾构：②封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构：盾构推力经验公式2.2盾构机技术参数分析与计算六、刀盘扭矩式中：T——设计扭矩(kN·m)；

T1——刀盘切削扭矩(kN·m)；

T2——刀盘自重形成的轴承扭矩(kN·m)；

T3——刀盘所受轴向推力产生的反力矩(kN·m)；

T4——密封装置所产生的摩擦力矩(kN·m)；

T5——刀盘前端的摩擦力矩(kN·m)；

T6——刀盘后面的摩擦力矩