第7章 盾构机设计

本标段翠～田区间拟定新购置一台德国维尔特生产的复合式土压平衡盾构机，同时掘进，按照"把握地质、选好盾构、周密组织、系统控制、精心施工"的原则组织施工。本章编写了盾构机选型、设计特点、刀盘结构及刀具型式的特点、各部功能的描述、有关参数的计算等。

7.1盾构选型依据

根据深圳市轨道交通二期3号线工程3102标招标文件的要求和地质详细勘察报告的描述，结合我公司在北京地铁四号线、地铁五号线盾构区间的实践施工经验，并参考国内外，特别是深圳已有的盾构工程实例及相关的盾构技术，来进行本工程的盾构机选型。

该地铁盾构施工组织设计共计17章，需要下载本文完整word版请点击下面隐藏链接

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7.1.1工程线路概况

（1）翠竹站～田贝站盾构隧道从翠竹站始发到田贝站，在田贝站调头返回翠竹站之间的区段，为盾构法区间隧道。

区间隧道左线起止里程为ZDK10+165.970～ZDK11+374.800（含短链16.138m），长1192.692米，右线起止里程为YDK10+167.230～YDK11+374.800，长1207.57米，总长度为2400.262延长米。其中YDK10+650.000～YDK11+044.500和ZDK10+635.000～ZDK11+022.000为矿山法开挖管片衬砌隧道。区间最小曲线半径为350米，最大纵坡为21‰，结构底板埋深16.3m～90m。

7.1.2工程水文、地质情况

表7.1-1 水文、地质情况汇总表

根据对本区段地质勘探报告的详细分析以及地层数据统计，盾构穿越地层以<11-4>中等风化花岗片麻岩、<11-3>中等风化花岗片麻岩、<11-2>强风化花岗片麻岩、<11-1-2>全风化花岗片麻岩、<11-1>全风化花岗片麻岩为主，其通过的最不利围岩为中等风化岩和微风化岩，除矿山法开挖段外，微风化岩局部最大饱和抗压强度为62.9MPa，并结合我公司在以往地铁隧道工程的施工经验，认为本标段隧道通过的围岩岩质大部分强度比较低，适合采用盾构法施工。

7.1.3业主工期要求

根据招标文件及目前车站所具备的实际施工条件，盾构机于2008年7月1日前进场，并确保2009年2月底前移交右线盾构隧道。

7.2盾构选型结论

通过对本区段地质的详细分析，并与其它工程的地质情况进行详细的比较，本工程所选的盾构机必须满足以下要求：

（1）盾构机为能满足从岩石层到软土层及复合地层的复合型土压式平衡盾构，同时具备土压平衡掘进模式、半敞开式及敞开式掘进模式。

（2）要求刀盘结构在尽可能大的开口率条件下，强度高、刚性好，既能适应粘性土地层中土压平衡掘进时大扭矩切削排土要求工况，又能适应在岩石地层和受力不均匀复合地层的大推力工况。

（3）推进油缸和铰接油缸布置具备良好的纠偏功能，保证在不均匀复合地层中的轴线控制。

（4）具备高精度的盾构机导向测量系统。

（5）具有良好可靠的泡沫和添加剂注入系统，用于开挖面、土仓及螺旋机中土体的改良。

（6）盾构机所配置的滚刀必须有足够的破岩石能力。

（7）刀具选择及布局要求合理，安装、拆卸方式简便牢固。

（8）具备人员和材料进出用的气压人行闸，并且配有土仓自动调压装置，以适应软弱围岩中的换刀要求。

（9）螺旋机出土口须具备防喷涌的设施及保压功能，并具有排堵功能。

（10）盾构机主机的密封装置在压力状态下具有良好的防水功能。

7.3盾构设计特点

7.3.1针对区间地质特点的设计

（1）设计扭矩大、推力大，可以使用于深圳各种粘性大砂土层和各种岩层的盾构工程。盾构机设计最大扭矩530t•m，掘进推力可达4000t·f，主轴承直径D=2600mm，相对较大，完全适应该区间地质条件。

（2）刀盘驱动主轴承寿命10000小时，并且设计有对主轴承油温、主轴承密封泄露监测等装置，能够随时发现主轴承及主轴承密封的异常情况，以采取必要的保护措施。因此能够提高主轴承运转的可靠性。

（3）当盾构进入<11-3 >、<11-4>等中风化、微风化岩层时，可将全部或部分撕裂刀更换为滚刀，以满足各种地层掘进的需要。

（4）有改良碴土的设计

本盾构机配备有泡沫和膨润土添加系统，可通过刀盘面板上4个孔道、土仓隔板上4个孔道，及螺旋输送机筒壁2个孔道分别或同时向开挖面、土仓、螺旋输送机内部多方位地注入泡沫或膨润土，并且在刀盘背面和土仓隔板上各安装了4根搅拌臂，用于改善碴土的塑流性和防止泥饼的产生。

（5）耐磨性的加强

刀盘母体采用耐磨性、焊接性、冲击韧性极好的16MnR材料制作，在刀盘外缘设有三圈可更换的耐磨条，面板外缘和正面也用了高硬度耐磨焊丝拉网堆焊了5mm厚的保护层，极大地提高了刀盘母体的耐磨性，同时，所有刮刀镶装了用高强度合金钢制成的刀头，完全满足本区间掘进中对刀盘耐磨性高的要求。

另外，土仓仓壁和螺旋输送机的筒壁均采用耐磨材料制作，在螺旋输送机的入口处、叶片和轴，盾体切口环外缘等易磨损部位也都堆焊有耐磨层，大大提高了这些部位的耐磨性。

（6）有良好的应对地下水的能力

本盾构机采用了轴式螺旋输送器，配备有双闸门装置和保压泵碴装置，完全满足本工程在不良地质条件下掘进时发生涌水、涌泥时保压掘进的需要。另外，主轴承密封、中盾和尾盾铰接处密封、盾尾密封最大设计工作压力可达4bar,完全满足盾构机在高水压地质条件下掘进时的防水需要。

（7）有针对不良地质段掘进时加固地层的设计和装置

拼装机上安装一台超前钻机用于盾构机前方和壳体四周的地质超前钻探和钻孔注浆加固。沿盾壳周圈布置6个钻孔，在盾壳前部有2个钻孔用于前方的超前钻探，钻机配备1米长钻杆，对位于盾构机前方的地层进行钻孔和注浆作业，进行地层的加固，确保盾构机安全可靠地通过不良地质段。

7.3.2适应小曲线半径掘进的设计和满足管片拼装的要求

（1）盾构的中体和盾尾采用铰接装置，可满足较小半径曲线的推进转弯和纠偏。该机适用最小半径可达250米，满足在小曲线半径下掘进时纠偏的需要。

（2）推进油缸设计为可分组或单个控制伸缩动作，行程为2000mm，管片拼装机沿隧道轴线运动行程2100mm，旋转角度+/-220º，可保证封顶块在任何位置时管片错缝拼装的需要。满足本工程1500mm管片的拼装要求。

7.3.3满足本区间掘进安全性要求

满足本区间掘进安全性要求，主要从地面沉降控制及隧道掘进轴线的精确性两方面来考虑：

（1）满足地面最大隆陷值控制在+10mm，-30mm范围内。

①在土仓中安装了4个土压传感器，它能准确地监测出开挖面各方位的水土压力，并实时显示在盾构机控制室的操作面板上，以便使操作人员根据需要，合理地选择掘进参数，确保盾构机在土压平衡模式下的安全掘进。

②在注浆管路的末端安装了浆液压力传感器，它能实时检测注浆各部位浆液的压力变化情况，并将此压力信号转换成电信号以数字形式显示在注浆机的控制面板上。以便注浆操作人员根据注浆压力的变化情况，通过自动或手动控制注浆量，使管片与隧道的环向间隙能够及时被浆液填充，并达到足够饱和度。

（2）隧道掘进轴线偏差控制在±50mm以内。

①此盾构机采用先进的姿态测量系统和姿态显示系统，直观地显示出盾构机的姿态，以及自动计算出实际值与理想值的偏差。

②推进油缸分成上、下、左、右4组，各组油缸的压力可通过操纵控制台上的电位计手工调整，也可单独选择。行程、速度能被检测和显示在控制室的操作面板上，速度可以通过控制台连续调整。

7.3.4满足本区间掘进可靠性要求

针对本工程施工特点、难点，本盾构机具有以下可靠性，可保证盾构机在本标段顺利施工。

（1）设计参数按照本区间的工程条件确定。

（2）主要部件的设计寿命约10km，主轴承的寿命大于10000小时。

（3）盾构机为复合型土压平衡式，在土仓内上下左右配置了4个具有高灵敏度的土压传感器，通过PLC能将压力传送到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，压力过高过低都会报警，其中一个土压传感器安装在螺旋输送机外壳里，以向操作人员显示螺旋输送机沿线的压降，检测弃土流动性的变化。因此能很好地控制土压平衡，减少地面沉降，适合本工程软弱及复合地层掘进的需要。

（4）刀盘开口率最小为28%，采用较大的主轴承，应适应深圳复杂多变地层，同时提高中心部位的开口率（32%左右），中央敞开式还可以限制刀盘结构的磨损。既保证了刀盘的强度，又可有效适应本标段不同地层中的掘进。

（5）轴承直径达2600mm，连接刀盘和主轴承的结构附件之间留有很大的通道，同时刀盘开口设计成梯形，外小内大，以便弃土能容易地进入土仓。

（6）刀盘刀具不仅设置了刮刀，还同时配置了撕裂刀（硬土或抗压强度低于40Mpa的软岩）或盘形滚刀。并且撕裂刀或盘形滚刀适当超前，以便保护刮刀。

（7）盾构机刀盘采用液压驱动，具有较大的扭矩和转速，可适应不同地层的掘进需要。

（8）刀盘上焊接了网状耐磨层，防止因刀具的过度磨损而损坏刀盘。

（9）管片安装器为6个自由度齿圈式，保证管片容易拼装及拼装的质量。管片拼装机的纵向行程可用来更换盾尾前两道密封刷。

（10）螺旋输送机配置了二道闸门，通过二道闸门的开启度改变能更好地形成土塞，并设置了保压泵接口，在必要时起用保压泵防止螺旋机喷涌，确保了在地下水较大地层的掘进；且螺旋输送机具有回缩功能，前端第一节螺旋部分带有焊接的耐磨衬垫，前筒体堆焊有网状耐磨层，增大易磨损部位的耐磨性。

（11）设有自动控制的膨润土及泡沫添加剂注入设备和管路，注入到开挖面、土仓、螺旋输送机中，充分改良土体。

（12）采用盾尾同步注浆系统，可及时填充管片与开挖直径之间的间隙，减小沉降。同时，为防止管片上浮，配置了二次注浆管路及一套注浆设备。

（13）配置了超前钻机及钻探口，超前钻机可方便地安装在盾构机的操作平台上，可以在地质复杂区段对前方地层进行超前钻探及注浆加固。

（14）皮带输送机上装有自动秤量系统传感器，排碴超过上限即报警。

（15）具有应对紧急突发事件的能力。如紧急停电时，螺旋机出土闸门可以通过蓄能器（断电后阀门自动打开）自动关闭，保持仓内土体的稳定。

（16）数据采集系统灵敏可靠，能将盾构机姿态、推进力、刀盘扭矩、推进速度、螺旋输送机转速等参数进行准确检测，并通过数据处理传输系统进行高效可靠地处理和存储，最后通过各种数字或图表形式显示出来。当以上过程出现故障时，可通过在其上安装的故障自动诊断系统进行故障自动检索和显示。

（17）激光导向系统，有足够的掘进方向检测能力及纠错能力，能在各种高温、高湿度、高粉尘，振动等恶劣环境下高效可靠地运行，并具有较高的灵敏度和极小的误差。完全能够满足盾构机姿态控制精确度高的要求。

（18）具有双仓式气压人行闸设计，设置土仓自动调压装置，保证更换刀具的便利及人员的安全。

（19）盾尾设置三道钢丝刷，可通过自动和手动两种模式向盾尾密封处的环型空腔中注入专用密封油脂，以及通过改变油脂注入的压力和数量，保证盾尾的密封效果及可靠性。

7.3.5符合环境保护要求的设计特点

（1）地表建筑物保护

盾构机具有土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制，保护地表建筑物。本区间地表建筑物密集，地表沉降要求高。对于控制地表沉降，盾构机具有以下设计特点：

①盾构机能够在土压平衡模式下掘进，能有效的稳定开挖面地层，通过同步注浆保证掘进后管片外表面与隧道壁的环向间隙能够及时得以填充。

②通过在土压平衡模式下掘进时使用保压泵碴和螺旋输送机双开门装置对出土的控制，可以有效防止地层水流失，避免地层水流失造成的地面沉降。

③通过土仓密闭设计及辅助保压系统，在刀具更换等情况下也可实现掌子面的稳定。

（2）消耗的材料具有环保特点

盾构机使用的主轴承密封油脂、盾尾密封油脂均具有生物可降解性和无毒性，泡沫剂在使用后的一天内即可自行分解，属于绿色环保材料，其环保性能完全符合欧洲标准。

7.4刀盘、刀具的特点和适应性

7.4.1刀盘的特点和适应性

（1）刀盘主体结构

刀盘主体结构由面板、侧板、筋板、外缘板、滚刀座、耐磨合金条和支撑臂焊接而成，整体性强。刀盘由6个辐条和6个钢板组成。

为了便于安装更多的边缘刮刀和边缘滚刀，边缘区采用弧面过渡，使整个刀盘呈弧拱设计，可以在有限的区域内增加刀盘的表面积，从而增加滚刀的数量，使得滚刀之间的距离缩小，并且弧面过渡的设计保证了滚刀与开挖面所形成的角度满足一定的要求，这样，改善了滚刀的安装及受力状况，提高边缘滚刀的使用寿命，降低刀具更换频率。见图7.4-1刀盘钢结构示意图。

刀盘的开口率（30%），但刀盘主体结构的高强度高刚性设计可以保证刀盘能在本工程施工期间不变形、不损坏，适宜大扭矩和大推力的作业工况。

图7.4-1 刀盘钢结构示意图

（2）刀盘对开挖面的支护性能

本刀盘设计的开挖直径为6280mm，最小开口率为28%。土压平衡盾构机其原理主要是依靠土仓中的受压渣土与开挖面水土压力保持平衡，但刀盘面也可以起到一定的平衡开挖面稳定的作用，因此，剩余72％的面积可用于支撑开挖面的稳定，适应本工程软土地层较多、沉降控制严格的要求。但当开挖面失稳时刀盘面积只是起到有限的支撑作用，并不能真正支撑开挖面的稳定，所以必须要在土仓中建立土压以平衡开挖面的土压。

（3）刀盘良好的进碴性能

采用较大的主轴承，提高中心部位的开口率（32%左右），并且在遇到易结泥饼的松软地层时，可将滚刀更换成撕裂刀，增大刀盘的开口率；同时，刀盘排碴口处的的开口设计成梯形结构型式，外小内大，有利于使碴土平滑顺畅地进入土仓，防止在面板上产生泥饼现象，提高掘进效率。

（4）刀盘防泥饼性能

由于本工程盾构机通过<6-2>、〈6-3〉、〈11-1〉、〈11-1-2〉、〈11-2〉等地层，在此类地层中掘进时，刀盘中心区和土仓中心区容易粘泥而形成"泥饼"，产生堵仓现象，造成刀盘转动负荷加大，排土不畅，甚至停止转动，同时造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封破坏，"泥饼"现象往往会堵塞滚刀，使滚刀发生偏磨。如果地下水较丰富，螺旋机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口就会产生喷涌，从而开挖面失稳发生坍塌。

为了防止这种现象出现，采用以下措施：

①刀盘产生"泥饼"现象与刀具的布置、形式及刀盘的开口率、形状等有关，为了防止"泥饼"现象的发生，刀盘的刀座设计充分考虑了在不同的地质情况下同一位置可安装与不同地层相适应的刀具，即可以将滚刀更换成撕裂刀，反之亦然。在施工过程中，通过更换中心盘形滚刀为撕裂刀，增大中心区的开口率和切削效果来改善对"泥饼"的破碎效果。

②在刀盘面板上设置了添加剂注入孔，配置了自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面喷射水、泡沫和膨润土，改善碴土的流动性，减小开挖面泥饼生成的机会。

③为了防止"泥饼"产生，本工程中采用注入泡沫，来有效改善碴土的流动性，防止粘性土附着在刀盘上。

④刀盘上设有4根搅拌棒，可以随着刀盘一起转动，辅以仓壁上的固定搅拌棒可起到搅拌破碎碴土的功能。

（5）刀盘的抗磨损性能

刀盘设计充分考虑了本标段部分断面的底部岩石强度，使用土压平衡式掘进的特点，在刀盘外周磨损机会较多的部位堆焊了大量的网格状耐磨合金层，如刀盘面板正面及外周、搅拌棒、刀盘边缘板和滚刀刀座等处；此外，还在刀盘外缘板上设计了若干道耐磨合金环和硬质合金刀具，大大提高了刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。

7.4.2刀具的特点和适应性

考虑本标段要通过部分<11-3>和<11-4>中等微风化花岗片麻岩，局部岩层极限抗压强度较大，最大达抗压强度62.9Mpa，在此种地层将采用滚刀和刮刀的组合来完成掘进施工。盾构机主要采用盘型滚刀、普通刮刀、片式刮刀/撕裂刀三种刀具来完成本标段的盾构施工。

（1）盘型滚刀的选择依据

盘型滚刀广泛用于复合型土压平衡式盾构机，具有很好的破碎能力和寿命。

盘型滚刀有3种形式：轮毂上有1个刀环的单刃盘型滚刀，轮毂上有2个刀环的双刃盘型滚刀，轮毂上有3个刀环的三刃盘型滚刀。这3种形式的盘型滚刀在刀盘上的不同组合，可以切削各种不同抗压强度的岩盘。

表7.4-1 盘型滚刀系列技术参数表

各种单轴抗压强度的岩盘与盘型滚刀之间的选择关系见图7.4-2。

1. 图7.4-2岩盘抗压强度与盘型滚刀之间关系
   

   在岩石中掘进时，在布置盘型滚刀时应尽可能的多增加盘型滚刀数量使其切削轨迹间距变小，减少每一滚刀所受的荷载，提高其寿命。将刀盘的边缘形状设计成弧形，增加刀盘的表面积，使配置盘型滚刀数量增加，并且由于在刀盘外周设计成弧形，有利于刀盘外周盘型滚刀的布置和受力状况。

   （2）刀具类型及其作用
   

   （1）本次选用的滚刀为17英寸单刃滚刀（图7.4-3）、双刃滚刀 (图7.4-4)，主要用于破碎岩石和软土中的孤石，分别被安装在刀盘边缘、正面及中心区域。
   

   
   

   图6.1.1-3单刃滚刀 图7-4 双刃正面滚刀
   

   （2）用于泥质岩层切削的刀具包括刮刀、撕裂刀，撕裂刀可以破碎硬土或抗压强度低于40Mpa的软岩，撕裂刀还有能够先行将致密的土层或砂卵石层松动，起到延长刮刀寿命的作用。参见图6.1.1-4～6。

2. 
   
   
   

   图6.1.1-4周边刮刀

   
   

   图6.1.1-5刮刀
   图6.1.1-6撕裂刀

   考虑到本工程在岩石层和软弱的土质中使用，刀具母体采用耐冲击性及耐磨性优越的E5材质，切刀和刮刀配有碳钨合金刀齿。并且考虑到盾构机的重复使用及切削刀磨损而需进行更换的情况，在结构安装上考虑采用螺栓联接的形式，以便在维修及切削刀具磨损较严重时，可以更换。

   （3）刀具布置
   

   为适应本工程地质条件，刮刀布置在辐条和面板开口的边缘上，从半径R963mm到R1104mm，刀盘每个转动方向的每条切削轨迹上有1把刀；从半径R1104mm到R2839mm，刀盘每个转动方向的每条切削轨迹上有3把刀；再往外直至刀盘的外圈，刀盘每个转动方向的每条切削轨迹上有6把刀。在刀盘的中心区域、正面区域和边缘区域分别安装了5把17英寸双刃滚刀、正面16把及边缘10把17英寸偏心单刃滚刀，边滚刀的偏心设计能够有效地防止刀具在掘进过程中刀体磨损等异常磨损现象；中心滚刀间距为84mm，正面滚刀间距为105mm，见图7-8；滚刀高于刀盘110mm，高于普通刮刀40mm，根据我公司的施工经验和盾构机制造厂家的经验，我们认为滚刀布置比较合理，能够适合本工程地质条件，能取得良好的施工效果。

   
   

   图6.1-7 刀盘滚刀间距图
   

   在刀盘的中心区安装8把刮刀、两侧正面区域共设置有68把正面刮刀、弧拱区域共设置了4把刮刀和8把大尺寸周边刮刀，并且在刀盘外缘安装了12把外缘保护刮刀，外缘保护刮刀和周边刮刀安装在刀盘的外圈用于清除边缘部分的开挖碴土防止渣土沉积、确保刀盘的开挖直径以及防止刀盘外缘的间接磨损。

   考虑到不同刀具的作用对象，滚刀刀尖比刮刀突前40mm，撕裂刀刀尖比刮刀突前20mm，在岩层中起到保护正面刮刀的作用；刮刀超出刀盘面板的高度为70mm，刮刀能及时刮去开挖面及刀盘外周部上的残余岩碴，防止滚刀座磨损。

   刀盘上刀具的组合方式可以根据地质条件进行适当的调整。由于滚刀为可换式，可以在滚刀的刀座上相应的撕裂刀，所以针对不同的地质条件刀具组合形式有三种，即用于开挖全断面岩石的全滚刀—刮刀布置形式、用于开挖复合地层的滚刀－撕裂刀－刮刀混合布置形式及全软土的撕裂刀－刮刀布置形式，前者主要在全断面岩石地段或地质条件不确定的情况下采用，二者则在大部分为软土且在隧道断面的周向存在岩石的情况采用，三者则在全断面软土的情况下采用。在使用混合形式时，必须对前方的地质条件有充分得了解，并对组合数量进行安全性、经济性的考虑，否则将会引起刀具的破坏甚至刀盘的磨损。

   （4）刀具的更换
   

   滚刀的安装采用背装式螺栓连接，刮刀的安装采用辐条两侧螺栓连接，撕裂刀安装在辐条中间的刀箱中，均可在切削仓内进行刀具更换，无需暴露在没有支撑的开挖面上，充分保证换刀人员的安全。与在刀盘正面安装的形式相比，背装式的设计也为刀具的更换提供了较大的作业空间，使刀具的更换速度得以明显的提高。从土仓内向刀盘方向看，刀具的安装参见图6.1-8。

   图6.1-8 滚刀安装形式
   

   
   刀具的更换时间可参考切削刀盘累计转数表的显示值，求出滚刀掘削距离，以及通过掘进过程中推进力、扭矩增大，推进速度极低，开挖声音异常等来判定，但是由于深圳地层的复杂性，很难准确地从上述原因中判定刀具的磨损状况。适时检查滚刀（特别是最外周）的磨损情况，及时更换。

   7.5各种掘进模式对不同地层的适应性
   

   复合型土压平衡式盾构机的掘进模式主要有土压平衡掘进模式、敞开式掘进模式以及介于两者之间的半敞开模式三种，各有其工作特点和适用的地质条件。所选的盾构机可在掘进过程中根据不同的地质情况选择不同的掘进模式以便达到最好的掘进效果。
   

   7.5.1土压平衡掘进模式
   

   土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使开挖室里充满了泥土、天然水或添加的水和泡沫的混合物。该混合物被刀盘梁以及固定的和运动的拌和棒进行搅拌。开挖过程中，通过调节螺旋输送机的转速以平衡进渣与排渣量，使混合物保持在要求的土压力。开挖室里的土压每时每刻都受到控制并保持，水土压力实现动态平衡，从而保持开挖面的稳定性，减少地面的沉降。在开挖过程中，螺旋输送机的转速随着土压传感器的指示会作相应的调整。如果其它运行参数（如推力、注入量）之一发生变化，螺旋输送机的转速会调整使得压力与要求值一致。

   泥土与螺旋输送机外壳和螺旋叶片的摩擦会产生必要的压降，从而保持入口和出口的压力差。（参见图6.1-9）

   盾构机压力控制操作一般有两种模式，根据前方土体情况适当采用。

   （1）推进油缸速度不变，通过改变螺旋输送机转速，改变排土量来保持开挖面的稳定。

   （2）螺旋输送机转速不变，通过改变推进油缸的推进速度，改变掘削土量来保持开挖面的稳定。

   图6.1-9 土压平衡模式示意图
   

   7.5.2敞开式掘进模式
   

   敞开式掘进模式一般用于地层自稳条件比较好的场合，即使不对开挖面进行连续压力平衡，在短时间内也可保证开挖面不失稳，土体不坍塌。

   本盾构机在敞开式模式掘进时，破碎下来的岩土能够尽快落入土仓下部，并由螺旋输送机迅速地排出。

   敞开模式掘进中，可间断打开仓门，观察破岩、出土和刀具磨损情况，以便及时准备更换刀具、调整掘进参数和及时转换掘进模式。参见图6.1-10。

   

   图6.1-10 敞开式模式示意图
   

   7.5.3半敞开模式

   如果掘进中遇到虽然围岩稳定、但富含地下水的地层；或者施工断面上大部分围岩稳定，仅有局部会出现失压崩溃的地层，此时应采用半敞开模式（参见图6.1-12）。增大推进速度以求得快速通过，并暂时停止螺旋机出土、

   图6.1-11半敞开模式示意图

   关闭螺旋机出土闸门，使土仓的下部充满碴石，向开挖面和土仓中注入适量的添加材料（如膨润土、泥浆或添加剂）和压缩空气，使土仓内碴土的密水性增加，同时也使添加材料在压力作用下渗进开挖面地层，在开挖面上产生一层致密的"泥膜"。通过气压和泥膜阻止开挖面涌水和坍塌现象的发生，再控制螺旋机低速转动以保证在螺旋机中形成"土塞"，是完全可以安全快速地通过这类不良地层的。使用这种掘进模式，既可维持开挖面稳定，又可达到较高的掘进速度。

   7.5.4各种模式的比较
   

   对掘进过程中需要采用的土压平衡模式、半敞开模式、敞开式模式等三种掘进模式的掘进功耗、对设备配置要求、掘进速度、适用地层进行比较。

   表6-3 各种掘进模式比较表
   

   项 目	土压平衡模式	半敞开模式	敞开式模式
   掘进功耗	大	较大	小
   对设备 配置要求	具有土压传感器，较高的控制精度，添加注入系统，刀盘驱动系统能提供较大的扭矩，刀盘牢固刚性好。	除了具有土压平衡掘进的配置以外，还应具有压气系统。	要求设备的推力足够大，刀盘驱动系统能提供较大的转速，刀具承载力高且耐磨性能好。
   掘进速度	慢	较快	快
   适用地层	砂土、淤泥质土、风化残积土、断层破碎带等围岩自稳性能较低的地层。	围岩大部稳定、但局部易失稳，或虽稳定，但地层含地下水较丰富的地层。	自稳性能好的硬土层和各类岩层。

   7.6各部功能描述
   

   盾构机设备总重量约为450t，总长度约为60m。分盾构机主机和后配套设备两大部分，后配套设备分别安装在5节后续台车上。

   7.6.1刀盘
   

   刀盘结构设计充分考虑了软土和硬岩的掘进要求，具有足够的刚度和强度用于支撑开挖面和承受掘进中的推力及扭矩；要保证盘面上有足够的滚刀数量和合适的安装位置来有效破碎岩石；尽量增大中心部位的开口率，以保证碴土流畅地进入土仓。切削刀盘通过承压隔板和主轴承安装在盾构机前体上，由6台液压驱动马达。

   （1）刀盘上的刀具与面板的设计

   在刀盘上配置有17英寸滚刀，刮刀及可换型撕裂刀等，滚刀刀尖比切削刮刀刀尖突前40mm，撕裂刀刀尖比切削刮刀刀尖突前20mm很好地起到了对切削刮刀的保护作用。

   （2）切削刀盘的设计

   刀盘设计为弧型面板式，由六个幅条和六块钢板焊接成箱型结构，每个辐条两边安装刮刀，刀盘圆弧过渡区采用边缘滚刀和大尺寸周边刮刀，足以保证开挖面的直径和盾构机的转弯半径。

   刀盘盘面和圆弧过渡区等摩擦机会较多的位置堆焊有网格状耐磨合金层，大大提高了刀盘的耐磨性能。参见图6.1-12。

   

   图6.1-12 刀盘网格状硬质合金堆焊
   

   （3）刀盘土仓中的搅拌装置

   因为在本工程中出现粘性土质、风化岩，容易在刀盘背面及胸板表面上粘附，为了防止这种情况的发生，搅拌翼把注入在开挖面的添加材料（加泥、水、气泡）与切削下来的土体在土仓中进行充分的搅拌，提高土体的塑性及流动性，使在圆滑土仓中的废弃土体具有良好的流动性和止水性。

   设置固定搅拌翼和随刀盘一起转动的搅拌翼，对土仓中的废弃土体进行强制搅拌，防止土体的滞留和粘附。

   7.6.2刀盘驱动系统
   

   刀盘驱动形式采用液压马达驱动方式，驱动装置由三排轴向径向圆柱滚子轴承、密封部分、变频减速电动机等构成，固定在盾构机前体上。

   三排圆柱滚子轴承承受切削刀盘的轴向力、径向负荷和力矩，且支撑、驱动切削刀盘的旋转。

   （1）刀盘驱动装置虑具有最大的刚性，以便优化主轴承的寿命及使刀盘前面达到稳定的切割条件。主轴承装在和土压平衡（高扭矩、高推力）相适配的固定刚性结构上。系统的大部分机械部件都采用锻钢：轴承支承、刀架等。由6台液压马达构成，可变排量，通过双侧球轴承支承的小齿轮来驱动主轴承。刀盘驱动可顺时针及逆时针双向旋转。

   刀盘驱动装置是盾构机的最关键部件，特别是轴承密封、大轴承的可靠性、安全性、寿命是至关重要的。结合维尔特多年制造的多台各类盾构机的经验，完全能设计制造出满足本工程需要的盾构机。

   为了防止土砂、水进入大轴承内，采用唇形密封来保护，如图6.1-13，主轴承密封系统对岩石类地层的磨损作用非常敏感。密封注脂系统必须高效，通过油脂不断流动保护密封系统。

   
   

   图6.1-13 刀盘驱动轴承密封形式图
   

   密封系统由5道专门为隧道开挖应用而设计的密封构成。密封保护有3种注射油脂方式。

   ①使用连续流量计注射HBW油脂，注入压力比土压高，可以阻止土体进行1室，为第一道密封的屏障。

   ②用传统方法注射油脂，压力调整保持在一定的范围。

   ③与2室同时采用传统方法注射油脂，但是流速较低。腔室 3里的压力和腔室 2里的压力相关，注射时的最大压差为0.5bar。如果压力平衡，油脂消耗量就很低，密封磨损也会很小。

   ④使用DT 46液压油进行润滑，以获得很低压力和5m/min的平均循环速度。密封唇的压差在2.5～4bar之间变化，此密封唇的磨损率最大。此密封唇的泄漏会立即通过润滑油中出现油脂而被发觉。该高速油循环也用作密封道的冷却。

   ⑤室5设有检查通道，排水有可能发现泄漏。如果前道密封出现问题，应停止向4室里注油而将油转注入5室。

   在刀盘驱动部(包括密封、大轴承、小齿轮、减速机变频电动机组)作为一个整体组装调试后再用螺栓固接在盾构机壳体上，这样更能保证刀盘密封与传动的可靠性与安全性，并且转场、拆卸、安装方便。

   （2）润滑、供脂装置：

   主轴承和驱动装置的润滑采用浸油式润滑。主轴承的润滑是通过受刀盘驱动装置的运行来控制的自动循环回路连续不断地进行着的。自动循环回路确保对主轴承的滚柱滚道进行强制式润滑循环和油的过滤。

   轴承和齿圈顶部的通过注入口来润滑，每个注入口都有一个止回阀。油低压流过注入口。有一个压力开关来调节压力。油通过电机泵送至这些注射口上，这个装置有一个泵将油从油箱的底部提上来。油压通过供油管路上的压力表来显示。油温通过温度调节器来调节，流量通过设置流量控制器来调节。

   一个装备有磁性沉积杯的滤清器使油经过滤清后循环地使用。如有任何故障发生，刀盘将立即停止回转。

   （3）驱动方式的比较：

   刀盘驱动有液压驱动和变频马达驱动两种方式。两种方式进行综合比较。

   表 6-5 刀盘2种驱动方式比较
   

   项 目	电 机 驱 动		液 压 驱 动		备 注
   噪音	小	好	大	较好	相差5～8dB
   传动效率	高	好	低	较好	相差约30％
   环境温度	小且恒定	好	发热小，设备周围的温度高	好	相差约10℃
   后续设备	小	较好	大	好	需较大的后部拖车
   启动电流	使用离合器和变频技术	好	37kW以上需要三角形启动	较好
   转速控制	通过逆变器改变频率来控制	较好	通过改变流量来实现转速连续可调	好	一般都不会发生问题，逆变器控制，需注意谐波
   抗冲击		不好		好
   总评价		较好		好

   由上表可以看出采用液压驱动，虽然传动效率低、占用较多设备空间，但是由于隧道工作环境恶劣、刀盘启动停止较为频繁、在较硬的岩土中掘进时刀盘承受冲击力较大，所以选用液压驱动是较为合理的。

   （4）刀盘的转速和扭矩遵循如图6.1-14的曲线变化，1.15rpm内时，输出扭矩为恒扭矩，在1.15～3.75rpm时输出扭矩为恒功率，具有良好的扭矩输出特性，能最大限度地满足各种地质条件的条件要求。
   

   
   

图6.1-14 刀盘驱动系统转速—扭矩关系

7.6.3盾体

盾体是用钢板焊接而成的圆型筒体，在内部焊有筋板、环板等一些加强板，具有足够的耐土压、水压的强度和刚度，抵挡周围土体压力。

盾体由前体、中体和盾尾三大部分组成，盾构机前体前安装有刀盘，盾构机本体内安装有刀盘驱动装置、推进油缸、铰接装置、螺旋输送机、拼装机、气压人行闸、工作平台等装置。并保护在盾构机内工作的人员和设备的安全。

（1）前体

前体分隔为开挖区和土仓区，刀盘前面为开挖区，用于对掘削土层的开挖，前体的土仓仓壁板和刀盘之间构成一个土仓区，用于堆积刀盘切削下来的碴土，通过推进油缸对这些碴土进行加压，使加压后的碴土土压作用于开挖面上，维持开挖面上未开挖土体的稳定。同时土仓区还起到在更换刀具或检查开挖面时保护进仓作业人员安全的作用。

前体的仓壁上下左右安装有4个土压传感器，能及时反映土仓内的压力状况，使操作手在掘进过程中能够根据事先设定好的土压力很好的控制地面沉降和隆起。在前体仓壁的不同高度位置上设置了许多注入口，可用于注入各种添加材料、压缩空气和水。为了更好地适应地质情况，前体直径为φ6262mm，中体直径为φ6254mm，后体直径为φ6246mm，前体直径比后体直径大16mm，可减少盾构机的推进阻力，提高工作效率。

螺旋输送机取土口设在前体仓壁的下方，是碴土排出口，设置了两个关闭闸门，可以在螺旋机排堵时关闭碴土排出口。

（2）中体

中体的内部焊接有加强环和H架，保证其具有很高的强度和刚度。为推进油缸、铰接装置和管片拼装机提供安装基础。推进油缸安装在中体上，在转弯时推进油缸与管片的轴心线不会受前体弯曲的影响继续保持平行。

前体与中体通过铰接油缸相连，使盾构机在掘进中转过较大的角度，前体与中体的铰接部分设置双铰接密封，由填料密封和紧急密封（紧急气囊）组成，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。参见图6.1-15。

图6.1-15 铰接密封示意图

（3）盾尾

未在盾尾壳体内设置同步注浆管和盾尾油脂注入管，盾壳周圈则没有盾壳厚度变小的薄弱区域。这些薄弱区域使得尾护盾形同多个环向铰接的结构，从而降低了盾壳的承载能力。见图6.1-16。

盾尾密封由3排用螺栓联接在尾裙上的金属线刷组成，由金属板保护。三排线刷形成了两个环形空间，中间一直充满防漏油脂，由后配套上流量可调的油脂泵注入。每个环形空间由制在尾裙里的管路进行注脂。如图6.1-17。盾尾密封钢丝刷可以在掘进过程中进行更换。

图6.1-16 盾尾油脂管路分布图

图6.1-17 盾尾同步注浆管路、盾尾密封刷与盾尾的关系图

7.6.4碴土运输系统

（1）螺旋输送机

螺旋输送机位于开挖室下部，其作用是有效地排除弃土和更好地控制压力。螺旋输送机的可变转速，和任何时候都是可调的弃土隔离闸门开口，一起限定了压力值。这样就可以使开挖下来的弃土在加压模式开挖中不断地被排出。通过用螺栓联接在承压隔板上和螺旋输送机外壳上的土压传感器，在控制室里可以监控沿螺旋输送机的压力降。

螺旋输送机上部安装了一道闸门，这道闸门通过液压油缸逐步打开或关闭，和螺旋的转动一起来控制弃土的排出。

螺旋输送机形状为轴式。螺旋输送机由1台低速高压大扭矩液压马达驱动，最大输出扭矩为105kNm，出土能力为270m3/h。在盾构机掘进速度为8.0cm/min时，按照100%出土率计算，每小时的出土量约为239m3/h，本螺旋输送机在最大掘进速度时配置的排土能力大于盾构机掘削土量。因此，出土能力完全能够满足掘进的要求。

螺旋输送机的外壳采用分段设计，最前端焊接在盾构机前体下部，后面的筒体由两个外径为700mm的筒体套接而成，轴式螺旋的轴直径为200mm，叶片的螺距为560mm，叶片直径φ690mm，可通过的最大颗粒块度为450×200mm。

承压隔板下部也有一道闸门，用来隔离开挖室和螺旋输送机。该闸门由两个铡刀式门组成，当开挖室进行维修时或有大量涌水时，螺旋输送机往后回缩，该闸门立即关闭螺旋口。此闸门可以通过液压油缸远程操作。这个装置可以通过三角形闸板的闸门的非线性的开度来防止喷涌，操作手可以在控制室内借助于显示器来控制闸门的动作。

螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，取土端的外壳焊接有耐磨合金条，叶片上有螺栓联接20 mm防磨片、壳体内有防磨条。这些设计使得螺旋机具有较好的耐磨性能。见图6.1-18。

图6.1-18 抗磨损部件的螺旋叶片

（2）保压泵碴系统

在富含水砂层，土压平衡盾构机的使用将受到一定的限制。尽管对螺旋输送机的出土闸门采取了一些特殊设计以及往土仓内注入聚合物，但仍然存在喷涌和土压迅速下降进而导致前方土体坍塌的可能。为了确保盾构机在这种情况下更好的安全性，在螺旋输送机尾部事先预设了一个可安装保压泵的法兰盘，一旦需要打开法兰盘进行连接既可。这种泵专为碴土输送而研制，并且允许在制动器失灵时浆碴土反转入螺旋内。

在即将到达富含水砂层之前，将皮带机移走，以便在螺旋输送机出碴口安装保压泵，保压泵直接将土排至土车内运出。见图6.1-19。

图6.1-19 保压泵排土示意图

此时，螺旋输送机的转速通过泵的排量来调整。基于此，泵的排量根据土压自动控制。控制螺旋输送机的转速以保持保压泵入口的压力。保压泵的最大流量为115 m³/h，由于使用的距离有限，为了降低该设备的安装使用成本，在使用保压泵施工时限制盾构机的掘进速度在4cm/min，在这种情况下，泵的排量为100m³/h。

保压泵安装在螺旋输送机出碴口附近的连接桥上，直接通过法兰快速连接并且泵可在短时间内启动使用。

本系统包括活塞式排碴泵、排碴管路、动力系统和控制系统。

该排渣泵由专用液压单元驱动（油泵、电动机、油箱、液压阀门、电气控制设备）。

（3）皮带输送机

皮带输送机用于将螺旋机送来的碴土转运到后部拖车的尾部装在碴土列车上，由一台30kW电机驱动。

皮带机运行速度180m/min，理论运输量为450t／h，满足碴土输送的要求。

皮带机上设置钢丝绳牵拉式紧急停止装置，起到保护维修人员安全的作用。

7.6.5管片运输、安装系统

（1）管片运输单、双轨梁

管片运输通过单、双轨梁运输到管片拼装机下部。

在第一节台车内设置单轨梁行走小车，配置具有起吊5T重量的电动环链葫芦1只，其作用是将管片从管片运输车上卸下，并放置在隧道内第一节台车和盾构机之间，它的行走速度为10 m/min，起升速度分为1.0m/min和4.0m/min两个档位；在第一节台车和盾构机之间设置双轨梁行走小车，配置具有起吊2.8T重量的电动环链葫芦2只，其作用是将管片从储存区运输到管片拼装机下部，它的行走速度为10 m/min，起升速度分为0.75m/min和3.2m/min两个档位。

（2）管片拼装机

管片拼装机整体外形为一圆环状，安装2个拼装机悬伸臂，除旋转外，其余动力和油箱等装置均安装在拼装机悬伸臂上，主要用于管片的拼装。管片拼装机具有6个自由度，包括前后移动、旋转运动、伸举运动和绕管片自身的三轴旋转运动，管片安装手通过操作控制能够精密控制管片的动作和定位；具有有线和无线操作功能，可通过有线或无线操作盒进行操作，拼装管片作业时可以在安全的地方边观察边进行操作。

管片拼装机由液压系统驱动，拼装机旋转的角度范围为±220°,提升能力40KN，轴向行程2100mm，可更换两道密封刷。具有角度限位控制开关，防止产生人为的设备事故。

（3）推进系统

推进系统配备了大排量、高压力的变量泵，采用一台55kW的电机驱动。执行元件共有20个推进千斤顶和铰接千斤顶。

推力千斤顶还用于在管片安装的时候临时支撑已装好的未成环管片。推力千斤顶的行程设计为2000mm，充分考虑了管片K块的安装空间。

20个推力千斤顶被划分为4组，如图6.1-20所示，每组均有一个千斤顶内装备有行程测量装置，分别装在1、6、11和16号千斤顶上，能准确地反映盾构机的运行状态。

图6.1-20 推进千斤顶布置示意图

7.6.6铰接装置

铰接装置为被动式铰接，铰接油缸安装在盾构机壳体上，铰接处有防水密封，铰接转向角为1.5^。，行程170mm。

（1）铰接装置是将盾构本体前后2部分用8个液压油缸连接成一个整体；通过液压油缸的行程之间的差来弯曲盾构本体的一种装置。通过液压油缸的动作，调整盾构本体弯曲角度。

（2）铰接装置上下、左右方向的弯曲角度全部通过8个铰接油缸进行，可以灵活的进行纠偏角度的操作，确保较大的角度。

（3）在前后壳体连接部位，采取防止土砂、水等浸入的密封措施。

（4）铰接装置是为顺利进行曲线施工的一种辅助手段，在进行曲线施工时，与推进油缸的单侧推进、锥形管片的使用、超挖的实施共同进行，以实现所定的曲率半径。

（5）铰接油缸行程可通过油缸上安装的行程检测仪信号传输到操作盘面板上数据显示。

7.6.7人闸装置

主机上部安装有一双室人闸，其中一个是主人闸室，在需要更换刀具或在开挖室内处理一些特殊问题时，工作人员可以由此穿过到达开挖室。另一个是应急人闸室，工作人员可以由此安全到达开挖室或主人闸室。

人闸室配有在压缩空气下操作所必需的电路和标准装置。人闸室及承压隔板上有1个直径为600mm 、3个直径为700mm的圆形闸门以进入开挖室。

主人闸室用于一般的工作。主人闸室有单独使用的压缩空气供给和通风网络系统，主人闸能完全安全地独立使用。应急人闸室加压不能高于主人闸室。

更换刀具时，可以直接从人闸里进行刀盘慢转操作。

为了保证人员安全，将采取如下措施：所有进入人闸的人员必须通过严格体检和加减压测试；人闸装置的工作介质为纯净的压缩空气，盾构机上配备了2台电动空压机和1台柴油空压机（备用），采用并联的形式，将压缩空气输送到拖车上的储气罐中,如果供电发生意外中断，不能由电动空压机供气时，监护人员会立刻打开柴油空压机供气。

供往人闸的压缩空气经过二级过滤，确保空气质量。人闸内的装置有照明灯、压力表、气阀、时钟、消音器、椅子、取暖器、电话等。

在实施压气作业前，在做好日常保养工作之外，预先对其进行试运行，并检查所有压力表的准确度、进排气阀门的灵活性和密封性、照明电路的完好情况、时钟的准确性、更换和清洁消声器、安排操仓人员对人闸进行空仓操仓。

我公司已有多年的盾构施工经验，培养了大批压气作业人员和操仓人员，为压气作业的成功进行提供了人力资源上的保证。同时，我公司也制定了详细的压气作业操作规程及进仓人员、压力、时间记录表，避免人为原因导致事故的发生。

7.6.8后配套系统

（1）液压系统

所有液压设备都安装在后配套系统上。

油箱安装在门架车顶部、泵装置上面，油箱有油位和温度指示器、冷却回路以及过滤回路（粉尘过滤10μm），带有过滤器（5μm）的通气阀。最大的压力为350Bar，过滤管路为永久管路。

装在泵上方的油箱配备有过滤回路、过滤阀、油位指示器、温度指示器、冷却回路和空气滤清器。过滤回路是一个持续运行的回路。

配备液压油箱加油用的加油滤油泵。

滤清器装有当地可视堵塞指示器，如果达到警报起始限度，相应回路会停止，控制台上会有故障显示。回路通过热交换器和一个水回路进行冷却。压力和流量可从操作室里显示。

（2）同步注浆系统

在盾构机掘进的同时，通过砂浆泵送系统将浆液同步注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中，以提高隧道的防水性，防止施工区域地表沉降。另一方面，由于充填及时，对刚拼好的几环管片的支撑和承托作用加强，减小了管片移动的可能性，从而减少管片在推力作用下开裂和错台的可能。

4路注浆管道设置了4个注浆压力传感器、压力表及气动球阀，整套系统由程序自动控制注入量和注浆压力，注浆时，砂浆的流量和压力受到严格的监控，以防过大的压力造成地面隆起。为了能够适应不同的注浆压力要求，注浆量和压力也可以在控制操作触摸屏上进行人工调整。

注浆管路完全内置于盾尾壳的内侧，有管路被堵住时，被堵塞的管路能够很容易地被更换。

（3）油脂泵送系统

油脂泵送系统，由盾尾密封油脂泵、主轴承密封油脂泵和有关管道、控制阀组成，负责向盾体内的盾尾刷、主轴承密封、螺旋机旋转密封等提供润滑和密封油脂。盾尾油脂的泵送可设置为自动和手动，当部分位置发生泄漏时，可采用手动的形式定点补充油脂，提高设备的防水性能。自动注脂时，在控制室面板可调整每个注脂点的单次注入时间，可优化施工材料的使用量。

系统采用气动高压泵及螺杆泵，故虽然泵站距离供油点较远且油脂的粘度很高，仍可泵送较远距离。

（4）主轴承油润滑系统

主轴承油润滑系统安装在盾体内部，齿轮油室设置在驱动系统内部，系统包括油泵、过滤器、压力表等设备，起到循环润滑主轴承内齿轮和小齿轮啮合的作用，同时能对齿轮油进行过滤，保证油液的清洁度，减少设备磨损。

（5）添加剂注入系统

①发泡剂系统

泡沫注入方法现已广泛应用于盾构法施工中。使用发泡溶液和压缩空气混合产生的泡沫，可改进开挖室中弃土的流动性和渗透性。可以更好地控制掌子面的稳定。由许多微小气泡组成的泡沫缓冲效应可限制掌子面压力的波动；填补了被开挖物料的缝隙，使其可渗透性降低；能增加被开挖物料的流动性，减小渣土室中堵塞的风险，并减小工作扭矩因而减少电力消耗；所有添加剂都是生物可降解的，无需任何针对弃土的特别处理措施；减小地层的研磨性，从而增加和地层接触部件的寿命。

泡沫发生器利用水、乳化剂和压缩空气产生高度膨胀泡沫，一定时期内这些泡沫非常稳定。系统采用压缩空气而不是通过文丘里管加压的方式，这样可以吸纳更多的气体。为了使水和空气混合产生的泡沫气泡大小均匀，系统使用了专门设计的静力混合器，防止泡沫由于大气泡而破裂。

泡沫发生器安装于移动机架上，由三套系统组成：发泡溶液可按不同比例混合聚合物、发泡剂和水获得。每条线路都有一个混合发泡溶液和空气的泡沫发生器。注射压力由土压传感器给出的数值决定，PLC计算要考虑该值、发泡剂的集中度与膨胀率、每条线路的流量，从而确定如何调节各个泵。

②膨润土泥浆注入系统

膨润土通过旋转接头的泡沫管线被注入。这个旋转接头和注入口是可以供膨润土注入的。

（6）压缩空气供给系统

盾构机上的压缩空气主要用于盾构机上所有气动元件及人闸的工作。后续台车上有两台电动空压机供气，断电时可使用另一台备用的柴油空压机。

7.6.9其它附属装置

（1）超前钻机

由于地质勘察的局限性，地下工程在施工中会存在很多不确定因素，特别是由于深圳地质的复杂性，对于刀具的磨损特别厉害，很可能会在开挖面自立性差的富含水的软土层或复合土层中更换刀具。因此盾构机配备了超前钻机对地质情况复杂的重要地段进行超前探测；同时，在盾构机中体上配置了10个探孔，土仓隔板上配置了4个探孔，可利用超前钻通过探孔对前方地质条件不好的地层进行改良固结。

（2）集中脂润滑系统

在盾构机的中体及台车上安装有电动泵送装置和小型气动油脂泵，负责向盾构机内一些主要设备的运动部件提供油脂润滑，包括主轴承外密封、中心回转体和螺旋输送机主轴承。

（3）循环冷却水系统

盾构机上的刀盘采用的是6个液压马达驱动，由于驱动功率大、工作环境恶劣，驱动处的温度较高，会对盾构机设备和密封的寿命会产生相当的影响。所以，为了降低温度，在马达上设置了水套，利用循环水冷却系统进行强制冷却。同时，液压系统通过热交换对液压油降温，确保设备的使用寿命，保证正常的工作状态，并有效的控制环境温度。盾构机上的循环冷却系统进水压力为0.45～0.5MPa，温度为25℃，流量为40m³/h。

（4）自动导向测量系统

盾构机的掘进方向由NFM公司提供的PPS激光自动导向系统控制。

该系统能向用户提供关于盾构机当前空间位置和方向的连续的时实信息，通过正确的方向控制的操作，能使盾构机与隧道设计轴线（DTA）的误差控制在较小范围内。

PPS系统的主要参照是由安装在隧道壁右上侧一个相对稳定位置的激光经纬仪发射的可视激光束。激光束发射的距离是100～200m。

激光束通过盾构机内的净空间发射到安装在盾体内的电子激光接收靶。激光到接收靶的距离也取决于激光窗的大小和隧道的弯曲程度。当激光束射到PPS接收靶时，光束的精确中心与接收靶中心的距离就能测出，光束与PPS接收靶的水平角也能确定下来。PPS接收靶内有一个双轴倾斜计传感器，用来监测PPS接收靶的倾斜和摆动情况。PPS接收靶的前部有一个反射三棱镜。激光参照位置与PPS接收靶之间的距离由经纬仪内的EDM测定。因此，通过激光参照的确切位置就可确定PPS接收靶的确切位置和方向，进而知道盾构机的确切位置和方向。见图6.1-22。

图6.1-22 自动导向系统示意图

导向系统的精度:

★经纬仪和棱镜之间的角度精确性：优于2"（2 秒）

★经纬仪和棱镜间最大操作距离：500米。

★双轴倾角计测量滚动精度：≈0.1 mm 每米。

双轴倾角计测量倾斜精度：≈0.1 mm 每米。

（5）数据采集存储和传输系统

该系统可以通过PLC采集盾构机上的传感器数据，包括刀盘、盾体/注浆、碴土运输、温度、后配套操作、测量值综述和错误信息等，然后将数据传送给控制室的主机，在主机上进行数据的记录、储存、显示和分析，同时，主机也可以对这些采集内容设定初始值，传送到PLC上；主机可以通过Modem和远程机连接，工作人员能通过远程机对盾构机提供远程维护、远程控制和监控掘进并保留掘进过程的数据。

图8-24 数据采集存储系统硬件连接图

它的工作原理和基本功能如下：

★ 收集信号

通过盾构机上的传感器每3秒采集一次各部件的关键信号，包括刀盘、盾体、注浆、碴土运输、温度、后配套操作和测量等。

★ 数据产生

该系统每3秒将采集信号转换为关键数据。

★ 数据的记录及保存

系统在显示屏上显示关键数据的瞬时值、最大值、最小值和累计值，并在每环结束后对本环作业各参数的最终值和平均值进行存储。

★ 系统的工作状态

该系统能准确表示和记录设备所处的状态，分为准备状态、掘进状态和管片组装状态，并在显示屏上表示出来。

★ 管片掘进的开始和结束

系统可以自动判断每环掘进工作的开始和结束。

★ 监视收集数据

系统的数据可在操作室电脑、中央监视室电脑和远程监视电脑之间传输，这三台电脑均能观察到设备当前的工作状况和运行参数。操作室电脑直接通过操作监视器掌握所有数据，中央监视室的电脑也可操作全部参数画面，而远程监视电脑只可显示中央监视室电脑当前画面的数据。

★ 已收集数据的管理

系统对各数据的管理均备有通过统计方法做成的管理画面。

★ 保存数据的表示

系统可以用数值或图表的形式来表示已存储的数据。

★ 报表制作

系统数据可打印，包括每环的报表和每日的报表。

★ 数据的有效利用

数据可以以Excel的形式导出，便于总结。

（7）电气控制系统

①变压器

后配套台车上有一个带±5%接收器、10kV/410V的标准浸入式（硅油）变压器。变压器高压保护使用保险丝，变压器低压保护是采用带变压器连接开关的标准（非插入式、非电机驱动）断路器。

②控制盘

钢板制造防漏形，由漏电保护器、配电用断路器、电磁开闭器、辅助继电器、电流计、电压表、定时器、过电流继电器、各种变换器等构成，控制各个设备。

③运转操作盘

钢板制造防漏型。由按钮开关、切换开关、指示表、指示灯、蜂鸣器、急停按钮构成。日常所需的运转操作通过该操作盘进行，运转状态等通过指示灯确认。

④拼装机操作箱

进行拼装机的旋转、升降、滑动、止晃动、扩张的操作。

⑤急停箱

盾构机内的主机立柱附近一处，机内推进油缸操作箱上的2处，后续台车操作盘上1处设有该箱，如按下按钮，所有的设备都将停止。

（8）通风系统

通风系统由涡轮式三级风机、DN1000送风软管、风管筒、DN600硬风管和次级风机等组成。能将地面的新鲜空气送入隧道，供人员呼吸并有效地降低隧道内的空气温度。能将地面的新鲜空气送入隧道，供人员呼吸并有效地降低隧道内的空气温度。

（9）消防设备

在关键区域安有烟火传感器，并能在控制室引发报警。电气柜通过CO2的注入系统来保护。如果在柜内探有火情，立即有CO2气体注入并灭火。手持式灭火器沿着后配套台车布置。

（10）报警设备

隧道内空间拥挤，在盾构机上一些设备运行时（伸缩或旋转）会对人员安全构成威胁，为此，盾构机装备了一些声光报警装置。

同时，在盾构机上还装备了气体探测和报警装置，在下列情形发出报警。

★ 当氧气浓度小于18vol％

★ 当甲烷浓度大于24％LEL

★ 一氧化碳浓度大于50ppm

★ 当二氧化碳浓度大于0.50vol％

（11）紧急照明

盾构机上装备有紧急照明系统，可在供电突然终止时提供临时照明。

7.7主要尺寸及性能参数

表6-6 主要尺寸及性能参数表

7.8主要参数的计算

除了随标书提交的由厂商提供的设计计算书之外，针对本标段线路的埋深、地质和水文特点，结合有关理论和实际施工经验，我公司对盾构机的有关技术参数进行了校核计算。

7.8.1盾壳直径要求及曲线施工能力

（1）管片所能达到的线路最小转弯半径R见图6.1-23。

图6.1-23 最小转弯半径计算图

∴

＝236843mm

≈237m

管片设计尺寸能够使隧道达到的最小转弯半径R≈237m。

（2）最小盾尾内径D₀

现根据转弯半径R＝350000mm计算最小盾尾筒体内径D0(见图6.1-24中的CD)：

图6.1-24 盾尾最小内径计算图

图6.1–24显示了盾构机在曲线段及曲线转直线段两个阶段掘进中的盾尾的轨迹情形。红线显示的是在第③管片掘进完毕后盾尾筒体内径的理论位置，其轴线沿着线路的切线方向。在盾构机掘进第③管片过程中，为了依靠尾刷封堵地下水和注入的砂浆，最少要有一段管片②遮盖住尾刷，本盾构设计为半环长度（740.5mm），筒体与管片的接触控制点为B。

根据管片尺寸和先前计算，图中：

R=236843mm

GF=1500/2=750(mm)

HA=1519/2=759.5(mm)

ME=1481/2=740.5(mm)

故，

θ=sin－1（GF/R）

=sin－1(750/236843)=0.1814362°

OB=OE=ME / tgθ

=740.5 / tg 0.1814362°=233841.88

OC=OB·cos2θ

=233841.88×cos0.3628724°=233837.19

OD=OH=HA/sinθ

=759.5/sin0.1814362°=239843.08

D₀=CD

=OD－OC

=6005.89≈6006（mm）

（3）间隙裕量

考虑到管片和盾尾承受土压之后会发生变形及偏移、掘进方向控制有一定误差、管片安装存在误差、管片拼装过程需要安装及调整空间、管片不能过度压缩盾尾密封而使密封元件过早失效等诸多因素，在确定盾尾直径时，必须再加上一定的间隙裕量。

盾尾间隙裕量：C＝δ1＋δ2＋δ3

其中：δ1：盾尾内管片的倾斜量

δ2：管片的真圆度公差。

δ3：管片拼装时的余量。

由计算得：当隧道曲率半径R＝250时，δ1＝4.6mm

管片椭圆度公差：δ2

根据隧道标准真圆度公差：当盾构机外径 φ6m≤D<φ8m

δ2＝15mm/2＝7.5mm

管片拼装时的余量：

δ3根据施工实绩一般取8～10mm

基于以上考虑，盾尾间隙裕量（C）:

C≥δ1＋δ2＋δ3＝4.6+7.5+(8～10)＝20.1～22.1

因此，根据以上计算,考虑地质的不均匀性所造成的盾构机偏移轴线，本盾构机盾尾间隙C=45mm。

（4）盾构机的盾尾内径确定

盾尾内径D由最小盾尾内径D₀、间歇裕量所决定：

D＝D₀ + 2×C

＝6006+2×30

＝6066（mm）

由上述计算可得出结论：只要盾尾内径大于6066mm，即可使得盾构机能够转过半径在237m以上的弯道。

本工程中的最小转弯半径为350m，实际所选盾构机的盾尾内径尺寸为6150mm，比理论要求的要大。因此，即使实际转弯半径远比500m小，只要大于237m，均可以实现急剧调整方向的目的，满足地层软硬分布不均或操作不当等情况下的施工要求的。

7.8.2总推力的计算

计算本隧道时的土压力可按全覆土计算。

（1）盾体受力分析

该断面处有关土力学参数及由地表至隧道底部的地层构造如下：

表6-8 岩土力学参数表

盾构机的推力考虑在软岩层<11-1>和<11-1-2>中进行：

（2）在软岩层中掘进时盾构机的推力的计算

根据本标段的埋深条件、地层的土质、地下水及管片衬砌环的特征等条件，参照岩土工程详勘报告，可能出现的最不利受力情况的断面进行计算。

①盾构机所受荷载 见图6.1-25。

在确定盾构机拱顶处的围岩竖向压力P时，取最不利断面的围岩的力学指标为计算依据，对于深埋断面首先按太沙基卸拱理论计算上覆土地层压力，当深埋但小于2倍隧道直径高度取2倍隧道直径高度的上覆土体自重作为上覆土地层压力。当埋深大于2倍隧道直径高度时，按实际埋深来计算，所取断面埋深为21m。

★按太沙基卸拱理论计算

松动高度h₀

式中：φ为土的内摩擦角，φ=21°

γ为土的容重， γ=2t/m³

C为土的粘结力，C= 3.1t/m²

H为最大覆土厚度，H =21m

P₀为地面上置荷载，P₀= 1t/m²

K₀为水平与垂直土压之比，选取K₀=1

B1为自然拱跨度，

式中:R为开挖半径，R=3.14m，故:

P=γh=2×21=42t/m²

★计算截面处隧道上覆土体自重作为上覆土地层压力

Pe =λh+ P₀

h隧道覆土高度

h=21m

Pe=0.45×21+1=10.45t/m²

综上所述:

因Pe=10.45 t/m²＜P= 42t/m²，

盾构机所受压力：

Pe =λh+ P₀

P₀₁= Pe + G/DL

P₁=Pe×λ

P₂=(Pt+γ.D) λ

式中：λ为水平侧压力系数，λ=0.45

h为上覆土厚度，h=21m

γ为土容重，γ=2t/m³

G为盾构机重，G=450 t

D为盾构机外径，D=6.25 m

L为盾构机长度，L=9.5 m

P₀为地面上置荷载，P₀= 1t/m²

P₀₁为盾构机底部的均布压力

P₁为盾构机拱顶处的侧向土压力。

P₂为盾构机底部的侧向土压力。

P_e=10.45t/m²

P₀₁=10.45+450/（6.25×9.5）=18.03t/m²

P₁=10.45×0.45=4.7t/m²

P₂ =(42+2×6.25)×0.45=24.5t/m²

②盾构机推力计算

盾构的推力主要由以下五部分组成：

式中：F1为盾构外壳与土体间的摩擦力 F2为刀盘上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

式中：：土与钢之间的摩擦系数，计算时取＝0.3

式中，为水平土压力，

.f

式中：C为土的粘结力，C=3.1t/m²

.f

式中：W_C 为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m³，管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.1t），两环管片的重量为48.2t考虑。μ_C=0.3

式中：G_h为盾尾台车的重量，G_h≈500t；

θ为坡度， tgθ=0.021

μg为滚动摩阻，μg=0.05

.f

推进时所需推力： F

F = F1+F2+F3+F4＋F5=1626kN {1626tf}

③盾构机实际配备的推力

本盾构机配置的油缸数量、推力及总推力：

推进系统采用1台大排量、高压力的变量泵驱动，泵的工作压力可达34MPa，排量85 cm³/min。单只液压油缸的推力为2000 kN，总推力为40000 kN。

安全率 F0/F ＝4000/1626 =2.46倍

从上述计算可知，所配置的油缸总推力能满足要求。

④推力的经验计算

按照《Mechanised Shield Tunneling》一书（作者：Bernhard Maidl; Martin Herrenknecht；Lothar Anheuser等）介绍的经验公式

Fj=β·D²（kN）

式中，

β——经验系数，按下图取500～1200

D——盾构外径

计算出Fj=(500～1200)×6.25² =19530～46875 kN

本盾构配备的名义总推力是40000 kN，既大于理论计算值，又处于经验计算值之间，说明推力设计是合理的。

7.8.3掘进速度的计算

根据推进系统油泵的排量，在电机转速为1480rpm时的输出流量：

Q泵=1480×85

=125800cm³/min

推进千斤顶的受力面积为：

S_千斤顶=π·D²/4

=3.14×22²÷4

=380 cm²

推进千斤顶可达到的最大推进速度（无荷载）：

Vmax=Q泵÷(20×S_千斤顶)

=181250÷(20×380)

=16cm/min

7.8.4盾构机刀盘所需扭矩的计算

（1）敞开式掘进时所需的扭矩

隧道通过硬岩地层时，一般采用敞开式掘进模式，盾构机刀盘所受的阻力矩主要是全部滚刀转动破岩时所受的摩擦阻力的力矩。最大扭矩TC发生在最大推力的时候，可用下式求得：

TC=ψ·Pd·r1 + ψ·Pd·r2 +…+ ψ·Pd·rn

=ψ·Pd·Σrn

式中，

ψ——单把滚刀的摩擦阻力系数。根据有关实验资料，取0.12

Pd——单把滚刀的最大容许荷载，230kN

N滚——滚刀的总数，36

rn——每个滚刀的相应安装半径

Σrn——所有滚刀安装半径的累计总和，根据厂家的设计图纸计算出其值为55.456m

TC=0.12×230×55.456

=1663.68

≈1664 kNm

根据厂家提供的技术参数表和 "刀盘驱动系统转速—扭矩关系图"中的曲线B可知，在敞开式模式下本机的刀盘驱动系统能提供的最大扭矩为2100kNm（此时的转速可达n=3.75rpm），大于掘进所需的最大扭矩。因此，刀盘驱动系统配置的扭矩满足硬岩地层的施工要求

（2）土压平衡掘进时所需的扭矩

软岩层掘进，多采用土压平衡掘进模式，土仓充满碴土，刀盘转动需要较大的扭矩。此时一般均向土仓加入大量的泡沫、泥浆类土壤改性物质。碴土的性质与开挖面的土体相比，有明显的改变。一般地，改良后碴土的内摩擦角φ＝5˚。盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。在进行刀盘扭矩计算时：

式中：M1为刀具的切削扭矩

M2为刀盘自重产生的旋转力矩

M₃为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩

M₄为密封装置产生的摩擦力矩

M₅为刀盘前表面上的摩擦力矩

M₆为刀盘圆周面上的摩擦力矩

M₇为刀盘背面的摩擦力矩

M₈为刀盘开口槽的剪切力矩

M₉为刀盘土腔室内的搅动力矩

a．刀具的切削扭矩M₁

式中：C_г：土的抗剪应力，

Cг=C+Pd×Mgφ=3.1+22×tg21°=10.3t/m²

h_max：刀盘每转的最大切削深度，h_max=6cm/转

R₀：最外圈刀具的半径，R₀=3.14m

b．刀盘自重产生的旋转力矩M₂

M₂=GRμ_g

式中：G：刀盘自重，刀盘重量为G=45t

R：轴承的接触半径，为R=1.6m

μg：滚动摩擦系数，计算时取为μg=0.004

M₂=45×1.6×0.004=0.29t.m

c．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M₃

M₃=W_pR_gμ_z

W_p=απR_c²P_d

式中：W_p：推力荷载

α：刀盘封闭系数，α=0.7

R_g：轴承推力滚子接触半径，R_g=1.6m

R_c：刀盘半径，R_c=3.14

μz：滚动摩擦系数，μz=0.004

P_d：水平土压力，P_d=22t/m²

W_p=0.7π×3.14²×22=477t.f

M₃=477×1.6×0.004=3.1t.m

d．密封装置产生的摩擦力矩M₄

M₄=2πμ_mF（n₁R_m1²+n₂R_m2²）

式中：μ_m：密封与钢之间的摩擦系数，μ_m=0.2

F：密封的推力，F=0.15t/m

n₁ 、n₂ ：密封数，n₁=3 n₂=3

R_m1、R_m2：密封的安装半径，R_m1=1.84m R_m2=2.26m

M₄= 2π×0.2×0.15×（3×1.84+3×2.26）=23t·m

e．刀盘前表面上的摩擦力矩M5

式中：α：刀盘开口率，α=0.30

μ_P：土层与刀盘之间的摩擦系数，μ_P=0.15

R：刀盘半径，R=3.14m

f．刀盘圆周面上的摩擦力矩M₆

M₆=2πR²BP_Zμ_P

式中：R：刀盘半径，R=3.14m

B：刀盘宽度，B=0.7m

P_Z：刀盘圆周土压力

P_Z=（Pe+P₀₁+P₁+P₂）/4=（10.45+18.03+4.7+24.5）/4=14.4t/m²

M₆=2π×3.14²×0.7×14.4×0.15=93.7t.m

g．刀盘背面的摩擦力矩M₇

M₇=2/3[（1-α）πR³μ_P×0.8P_d]

M₇=2/3（0.7×π×3.14³×0.15×0.8×22）=120t.m

h．刀盘开口槽的剪切力矩M₈

式中：Cτ：土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地取C=0.01Mpa=1M/m²，φ=5°

C_τ=C+P_d×tgφ=1+22×tg5=2.7 t/m²

i．刀盘土腔室内的搅动力矩M₉

M₉=2π（R₁²－R₂²）LC_τ

式中：d₁ ：刀盘支撑梁外径，d₁=4.8m

d₂ ：刀盘支撑梁内径，d₂=3.84 m

L：支撑梁长度， L=0.8 m

M₉=2π（2.4 ²-1.92²）×0.8×3.1=32 t.m

刀盘扭矩M为M1～M9之和

M=3.1+0.3+3.1+26+64+93.7+120+53+32=395t.m

（3）盾构刀盘扭矩的经验计算

盾构刀盘扭矩可按如下常用的经验公式计算求得：Mc=a×Dc³

式中：

Mc——刀盘扭矩（M×m）

a——扭矩系数，土压平衡盾构可取 a=1.8～2.3，

Dc——刀盘开挖直径，6.28m

则 Mc= a×Dc³= (1.5～2.0)×6.28³= 4460 ～ 5690kNm

本盾构机额定扭矩T=7000kNm，最大扭矩Tmax=9550kNm，大于掘进所需的最大扭矩，且处于经验计算值之间。因此，刀盘驱动系统配置的扭矩满足硬岩地层的施工要求。因此，该盾构的扭矩设计取值合理。

7.8.5螺旋输送机的参数计算

（1）输送量QT

D_c——盾构机开挖直径，6.28m

V_n——盾构机正常工作掘进速度

V_max——正常工作最大掘进速度，取60mm/min，即3.6m/h

k——松散系数，取1.6

则，理论碴土实方量

q=V_max·πD_c²/4 =3.6×3.14×6.28²/4

=111.5m³/h

排出的碴土松方量：

Q_T=1.6q =1.6×111.5

=178m³/h

（2）配置的螺旋输送机理论出土量Q

Q=60×n_螺×π×(D_螺²-d_螺²) ×L_螺/4 =60×25×3.14×(0.7²-0.20²)×0.56/4

=291m³

式中，

D_螺——螺旋外径，700mm

d_螺——螺旋轴直径，200mm

L_螺——螺旋节距，560mm

n_螺——螺旋机转速，0-25rpm

Q>Q₁ 满足施工的出土要求。

7.8.6刀盘驱动系统所需的功率

采用盾构机刀盘驱动设计的最大工作扭矩所需的功率来验算：

P=T_D×n_D×2π/60=7300×1.15×2π/60=884Kw

式中，

T_D——刀盘驱动设计的最大工作扭矩，7300kNm

n_D——刀盘设计最大扭矩时的最大转速，1.15 rpm

主轴承齿轮传动的效率为0.98，因此，刀盘驱动系统所需功率为：

P'=884/0.98=902kW

盾构机配备的电机功率为3×315=945kW，满足刀盘驱动的需要。

7.8.7推进系统所需的功率

以推力为盾构机配置的最大推力40000kN，掘进速度为最大速度60mm/min来计算，因此，推进系统所需的功率为：

P = F×V_MAX = 40000×0.06/ 60

= 40kW

液压系统的传动效率取为0.75，可知推进系统所需的功率为：

P_推=P_推/0.75

=53kW

盾构机配备的电机功率为75kW，而实际上当盾构机以最大速度掘进时不可能以配置的最大推力推进，推进系统所需的功率一般为推进所需的推力F和此时根据本工程进度及地质条件要求而确定的速度V的乘积，一般要比上述计算小得多。所以，配置的功率能满足盾构机掘进的要求。

7.9附图

1）盾构机总体图；

2）刀盘（滚刀布置）；

3）刀盘（撕裂刀布置）。

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