盾構(gòu)機(jī)技術(shù)研究

鐘堅(jiān)

摘要：為適應(yīng)地鐵、鐵路、引水等大型工程建設(shè)的盾構(gòu)需求，我國(guó)正開(kāi)展研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)工作，掌握盾構(gòu)機(jī)自主研發(fā)技術(shù)一直是我國(guó)盾構(gòu)行業(yè)亟待解決的重要課題?；谏鲜霰尘?，本文將基于廣船國(guó)際研制的Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)對(duì)相關(guān)技術(shù)做一個(gè)初步的探討。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；技術(shù)；研究

Abstract: To meet the need of constructing subway, railroad and water diverting, etc., China is working on the research, design and construction of domestic shield machine. Mastering the shield machine technology has been an important task in this industry. As a result, we will discuss the related technology of φ8780mm shield machines that are manufactured by Guangzhou Shipyard International Company Limited in this paper.

Key words: Shield machine;Technology;Research

隨著我國(guó)軌道交通的發(fā)展，盾構(gòu)設(shè)備的使用越來(lái)越廣泛，盾構(gòu)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化亦日益迫切，因此，應(yīng)該在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備的同時(shí)，不斷加強(qiáng)各方面的技術(shù)力量，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情和不同地質(zhì)環(huán)境情況下使用的國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)?，F(xiàn)以廣船國(guó)際設(shè)計(jì)制造的φ8 780 mm土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)為例，介紹盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù)的設(shè)計(jì)確定。

1盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)要求

盾構(gòu)機(jī)是一種特殊的工程機(jī)械，每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)都應(yīng)該適用其所參與的工程需要。其主要參數(shù)設(shè)計(jì)必須有相應(yīng)的盾構(gòu)工程條件，一般由業(yè)主在招標(biāo)文件中提供，并最終在雙方共同確定的技術(shù)規(guī)格書(shū)中落實(shí)要求和具體參數(shù)。

2刀盤(pán)裝置

盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)主要由刀盤(pán)主體結(jié)構(gòu)、刀具、刀盤(pán)附屬結(jié)構(gòu)以及刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成，刀盤(pán)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)工程的地質(zhì)施工條件所決定，下面初步介紹盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)裝置的設(shè)計(jì)。

2.1刀盤(pán)主體結(jié)構(gòu)

刀盤(pán)一般分為面板式和輻條式兩種（圖1），主要根據(jù)掘進(jìn)隧道所在的地質(zhì)特征而定，輻條式刀盤(pán)由于其開(kāi)口率較大(60%~95%)，對(duì)開(kāi)挖面不能起到很好的支護(hù)作用，主要應(yīng)用于地質(zhì)條件比較單一穩(wěn)定的環(huán)境；面板式刀盤(pán)開(kāi)口率較小(25%～45%),可以利用其本體結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)挖面起到很好的支護(hù)作用，面板式刀盤(pán)由于其結(jié)構(gòu)比較牢固，還可安裝滾刀進(jìn)行巖層的隧道掘進(jìn)施工，因此，面板式刀盤(pán)主要應(yīng)用在軟、危、巖等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工。

本次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)為適應(yīng)所應(yīng)用的盾構(gòu)標(biāo)段（珠三角地區(qū)），采用了面板式焊接結(jié)構(gòu)刀盤(pán)，開(kāi)挖直徑8 820 mm，開(kāi)口率約30%，材料選用Q345B。

通過(guò)建立三維模型，根據(jù)刀盤(pán)的受力狀況進(jìn)行有限元分析(圖2)，要求其所受最大應(yīng)力和最大形變都在允許范圍之內(nèi)。

2.2刀具的選用及布置

盾構(gòu)機(jī)刀具的布置和選用是否適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件，直接影響到盾構(gòu)機(jī)的切削效果、出土狀況和掘進(jìn)速度。

1）刀具的選用

盾構(gòu)機(jī)刀具一般分為切削刀和滾刀以及輔助刀具，切削刀一般又分為齒刀、刮刀和先行刀等，滾刀一般為盤(pán)形滾刀，輔助刀具包括周邊保護(hù)刀、刀具保護(hù)刀、仿形刀、磨損檢測(cè)刀等。

對(duì)于不同的地層的開(kāi)挖，盾構(gòu)機(jī)刀具采用不同的形式，開(kāi)挖地層為巖層時(shí)采用盤(pán)形滾刀，地層為較軟巖層時(shí)采用齒刀，地層為軟土或破碎軟巖時(shí)可采用刮刀，其他刀具根據(jù)施工需要進(jìn)行選用（圖3）。

此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)所施工的地層既有巖層，又有土層，因此在此臺(tái)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)上既選用了滾刀，又選用了刮刀，其中刮刀144個(gè)，外周保護(hù)刀12個(gè)，刀座保護(hù)刀40個(gè)，磨耗檢測(cè)刀(液壓式) 2個(gè)，注入孔保護(hù)刀8個(gè)，單刃滾刀17英寸40個(gè)，雙刃滾刀17英寸5個(gè)，中心滾刀17英寸4個(gè)。

2）刀具的布置

刀具布置不但要考慮刀具的種類，而且還要考慮整個(gè)刀盤(pán)面不同半徑的運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特性。

滾刀刃口一般高于刀盤(pán)面110 mm，在刀盤(pán)表面半徑方向上的滾刀分布以80～100 mm左右的軌跡間距為原則，平均分配各滾刀在輻條上的位置。

刮刀在刀盤(pán)面上一般低于滾刀20~35 mm，讓滾刀起到先一步壓碎巖石的作用，刮刀在其后可將碎裂的巖石刮下并帶至開(kāi)口部位。在刀盤(pán)面的半徑方向上，刮刀的布置按滾刀的軌跡進(jìn)行布置，刀盤(pán)中心每條軌跡布置一把刮刀，在其他軌跡上布置多把刮刀，每條軌跡上應(yīng)布置輻條數(shù)量一半的刮刀。

為了穩(wěn)定刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑，在刀盤(pán)的圓周外壁，均勻布置了周邊保護(hù)刀。刀盤(pán)面上還布置了磨損檢測(cè)刀，以便檢測(cè)刀具的磨損情況。為了便于曲線施工，在刀盤(pán)的周邊還布置了可以伸縮仿形刀和超挖滾刀。

根據(jù)以上原則我們完成Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)的刀具布置（圖4）。

2.3刀盤(pán)附屬結(jié)構(gòu)

為了提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，在刀盤(pán)上還布置了其他附屬結(jié)構(gòu)，主要包括攪拌棒以及多種添加劑的注入口。

刀盤(pán)背面的攪拌棒可以帶動(dòng)土倉(cāng)中的泥土運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)土倉(cāng)中土渣的流動(dòng)性，以防止土渣在土倉(cāng)和刀盤(pán)上凝結(jié)泥餅。

在掘進(jìn)過(guò)程中還必須在刀盤(pán)面注入泡沫以及膨潤(rùn)土等添加劑，增加開(kāi)挖面穩(wěn)定性以及改良土渣性質(zhì)，降低刀具磨損，提高掘進(jìn)效率，因此，在刀盤(pán)面上必須設(shè)置泡沫以及膨潤(rùn)土等添加劑的主入口。

2.4刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)裝置

刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)裝置是盾構(gòu)機(jī)的核心部件，它一般由刀頭支撐、土砂密封、主軸承、驅(qū)動(dòng)部件等組成，其主要結(jié)構(gòu)與行星減速機(jī)結(jié)構(gòu)相似，通過(guò)電機(jī)或馬達(dá)對(duì)主軸承上的齒圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以帶動(dòng)整個(gè)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)（圖5）。

盾構(gòu)機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式有變頻電機(jī)式和液壓馬達(dá)式，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有噪音小、機(jī)械效率高以及內(nèi)部溫度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，還可通過(guò)變頻實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)的無(wú)級(jí)調(diào)速。

刀盤(pán)軸承裝置一般使用三排滾式大口徑軸承(圖6)。大口徑軸承通過(guò)主軸向滾排、反軸向滾排、徑向滾排來(lái)承受作用于刀盤(pán)裝置的負(fù)載。

刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)部的土砂密封采用最多的是封唇型密封。在其內(nèi)周側(cè)、外周側(cè)各裝備徑向1排，軸向2排。對(duì)各密封之間自動(dòng)供應(yīng)油脂，從而提高止水性能及降低密封的滑動(dòng)阻力。

在刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)裝置中，驅(qū)動(dòng)扭矩(及盾構(gòu)機(jī)的挖掘扭矩)是其關(guān)鍵參數(shù)，它直接關(guān)系到主軸承以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)的主要參數(shù)。一般認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)（軸承型中間支承方式）的挖掘所需扭矩T由以下各要素構(gòu)成：T = T1 + T2 + T3 + T4 + T5+ T6。

T1：克服泥土切削阻力所需的扭矩

T2：克服與泥土的摩擦阻力所需的扭矩

T3：克服機(jī)械阻力（徑向負(fù)載）所需的扭矩

T4：克服機(jī)械阻力（軸向負(fù)載）所需的扭矩

T5：克服密封阻力所需的扭矩

T6：中間梁的攪動(dòng)而產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩。

刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)裝置中主軸承、主密封以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)為整臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，在技術(shù)規(guī)格書(shū)中盾構(gòu)機(jī)業(yè)主方一般會(huì)明確提出其壽命時(shí)間，因此，需要對(duì)其進(jìn)行壽命計(jì)算，在計(jì)算時(shí)主要根據(jù)工程狀況，結(jié)合關(guān)鍵部件廠家提供的壽命計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

3盾體結(jié)構(gòu)

3.1盾體直徑

盾構(gòu)直徑是指盾殼的外徑，而與刀盤(pán)、同步注漿用配管等突出部分無(wú)關(guān)。盾構(gòu)直徑必須根據(jù)管片外徑、盾尾間隙和盾尾鋼板厚度進(jìn)行確定，可按以下公式計(jì)算出盾構(gòu)直徑：

D=d+2(x1+δ+x2)

式中：D:盾構(gòu)直徑

d:管片外徑(由工程條件決定)

x1:盾尾間隙(由工程條件計(jì)算所得)

δ:盾尾鋼板厚度(由工程條件計(jì)算所得)

x2:其他設(shè)備所需(由工程條件所得)。

此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)管片外徑d=8 500 mm，通過(guò)計(jì)算(計(jì)算方法見(jiàn)下文)得盾尾間隙x1=30 mm，盾尾鋼板厚度δ=60 mm，盾尾注漿管布置所需x2=45，由此可得盾尾直徑為8 770 mm，考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)的便利性（刀盤(pán)、前盾、后盾直徑逐漸減?。虼耍舜吻岸荏w直徑取8 780 mm。

3.1.1盾尾間隙

盾尾間隙是指盾殼鋼板內(nèi)表面與管片外表面的空隙。盾尾間隙應(yīng)根據(jù)管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結(jié)構(gòu)的安裝等進(jìn)行確定(圖7)。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，盾尾間隙一般取20～40 mm，此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)計(jì)算所得盾尾間隙的最小需求值為19 mm，我們?cè)O(shè)定了盾尾間隙30 mm。

3.1.2盾尾鋼板厚度

盾尾鋼板厚度主要由其受力情況所決定，盾尾強(qiáng)度是與土壤條件、埋深、盾體的鋼板厚度、材料等條件有關(guān)，通過(guò)對(duì)盾尾強(qiáng)度的分析得出所需盾尾厚度。

1）整體受力分析

見(jiàn)圖8。

垂直負(fù)載P1、P2為：

P1=γ H+γwHw+Po

P2=P1+S

式中：

H:覆土厚度（一般指埋深）

H1:可考慮的負(fù)荷高度（根據(jù)太沙基理論計(jì)算所得）

HW:盾構(gòu)機(jī)頂部到地下水面之間距離（工程水文條件）

φ:土壤內(nèi)摩擦角（由土質(zhì)條件決定）

γ:泥土容重（由土質(zhì)條件決定）

γ:泥土容重（地下水面下）

γw:水的容重（含水平均密度）

γ0:盾構(gòu)殼體材料的密度

t:盾構(gòu)殼體的厚度

R:盾構(gòu)機(jī)外半徑

S:盾構(gòu)殼體恒載的反作用力

g:盾構(gòu)殼體的容重

P0:地面負(fù)荷（由工程狀況決定）

K:土壤反作用系數(shù)（由土質(zhì)條件決定）

C:土壤內(nèi)聚力（由土質(zhì)條件決定）

K0:自然土壓系數(shù) = 1

R:盾構(gòu)機(jī)外半徑。

2）應(yīng)力分析

我們可以通過(guò)建立三維模型進(jìn)行有限元分析(圖10)，快速的驗(yàn)證盾尾鋼板厚度是否滿足強(qiáng)度要求。

此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)盾殼所采用材料為Q235B，其許用應(yīng)力為235 N/mm2,通過(guò)計(jì)算所得，當(dāng)盾尾板厚為60 mm時(shí)，最大應(yīng)力為119.07 N/mm2，安全系數(shù)為1.34，最大變位最大變位3.081 mm，完全滿足使用要求。

3.2盾構(gòu)長(zhǎng)度

盾構(gòu)長(zhǎng)度主要取決于地質(zhì)條件、隧道的平面形狀、開(kāi)挖形式、運(yùn)轉(zhuǎn)操作、襯砌形式和盾構(gòu)機(jī)的靈敏度(即盾殼總長(zhǎng)L與盾構(gòu)外徑D之比)。一般在盾構(gòu)直徑確定后，靈敏度值一般可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考設(shè)計(jì):

小型盾構(gòu)(D=2-3 m)L/D=1.50中型盾構(gòu)(D=3-6 m)L/D=1.00大型盾構(gòu)(D>6 m)L/D=0.75。

由此我們可以估算出盾構(gòu)主體的長(zhǎng)度，在詳細(xì)設(shè)計(jì)中，考慮工程條件、設(shè)備布置等空間位置對(duì)盾構(gòu)長(zhǎng)度進(jìn)行完善。

此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)在綜合考慮各方面因素后，所設(shè)計(jì)的盾構(gòu)主體長(zhǎng)度11 100 mm，切口環(huán)長(zhǎng)度950 mm，支撐環(huán)長(zhǎng)度5 435 mm，盾尾長(zhǎng)度4 715 mm。3.3盾尾密封

盾尾密封結(jié)構(gòu)安裝在盾構(gòu)機(jī)盾尾后端，其作用是防止來(lái)自管片與機(jī)體盾尾部空隙的地下水及土砂的滲入。一般采用2～3道。各道鋼絲刷之間填充油脂，使其成為一個(gè)既有塑性又有彈性的整體，油脂又能保護(hù)鋼絲免于生銹損壞。

4推進(jìn)裝置

盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)裝置主要由多組千斤頂組成，通過(guò)計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)所需總推力大小，以及管片單位面積所能承受的壓力大小，得出所需千斤頂?shù)臄?shù)量，在盾構(gòu)直徑內(nèi)均布千斤頂，千斤頂?shù)纳炜s速度一般由工程需要所定(6~8 cm/min)，千斤頂一般分組控制，并設(shè)置行程及壓力傳感裝置。

盾構(gòu)機(jī)向前行進(jìn)是靠安裝在支撐環(huán)周圍的千斤頂推動(dòng)，各千斤頂合力就是盾構(gòu)的總推力，在計(jì)算推力時(shí)，一定要將工程的施工全過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)可能產(chǎn)生的阻力全部計(jì)算在內(nèi)。

以土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的挖掘進(jìn)程為例，會(huì)出現(xiàn)下列阻力 (F1, F2, F3, F4)。

1）泥土和盾構(gòu)殼體間的摩擦阻力

式中：

D: 盾構(gòu)機(jī)外徑L: 盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)

W: 盾構(gòu)機(jī)總重量PV: 垂直負(fù)載

Ph: 水平負(fù)載L: 泥土和盾構(gòu)殼體間的摩擦系數(shù)。2）管片和盾構(gòu)殼體間的摩擦阻力

式中：

WS: 管片的重量

: 管片和盾構(gòu)殼體間的摩擦系數(shù)。3）拖動(dòng)后備系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力

式中：

WG: 后續(xù)系統(tǒng)的總重量

: 車輪和鋼軌間的摩擦系數(shù)。4）水對(duì)刀盤(pán)面的壓力產(chǎn)生的阻力

式中：

D: 盾構(gòu)機(jī)外徑PW: 刀盤(pán)面水壓

由此，所需的推進(jìn)力P可由下式得出：

式中: f 為安全系數(shù)(一般取1~2)。

代入Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)的工程參數(shù)，計(jì)算可得所需推進(jìn)力為54 520.9 kN，在綜合考慮油缸大小分布及液壓系統(tǒng)壓力情況，最終采用了24根千斤頂（3 000 kNx2 450 sx35 Mpax24 No.），其實(shí)際裝備總推力可達(dá)72 000 kN，完全滿足施工要求。

5鉸接裝置

在隧道施工中一般會(huì)出現(xiàn)曲線施工的情況，因此，盾構(gòu)機(jī)需要配備鉸接裝置，作為曲線段施工時(shí)的輔助裝置。鉸接裝置是將盾構(gòu)機(jī)機(jī)體分割成前體和后體，鉸接密封安裝在分割部位。用鉸接油缸連接前體和后體的結(jié)構(gòu)。按千斤頂?shù)难b備方法不同，有將千斤頂固定在前體上的前體推壓型（被動(dòng)鉸接），和將千斤頂固定在后體上的后體推壓型（主動(dòng)鉸接）兩種類型（圖11）。各種方式的鉸接都有各自不同的特征，前體推壓型是盾構(gòu)油缸單向推壓，故在拼裝的管片內(nèi)側(cè)容易發(fā)生拉伸彎矩，管片易損壞。

本次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)為主動(dòng)鉸接，采用16個(gè)3500 kN的千斤頂，總推力56 000 kN，行程300 mm，可實(shí)現(xiàn)上下左右1.5°轉(zhuǎn)向。

6螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)是一個(gè)排出泥土的裝置，用來(lái)排出由刀盤(pán)挖掘出的泥土。它也可以通過(guò)調(diào)整泥土排量來(lái)控制刀盤(pán)土倉(cāng)內(nèi)的土壓。

通過(guò)計(jì)算可得盾構(gòu)機(jī)的挖掘量及螺旋機(jī)的理論排土量，其中螺旋機(jī)的理論排土量必須大于盾構(gòu)機(jī)的挖掘量，這樣才可以通過(guò)調(diào)節(jié)排土量來(lái)控制土倉(cāng)土壓。

本次Φ8 780 mm盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)的理論排土量約340 m3/ h，其實(shí)際挖掘量約290 m3/h。在螺旋輸送機(jī)的前后都設(shè)置有閘門，采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，并帶有保壓裝置，以便在需要時(shí)用來(lái)封閉土倉(cāng)及螺旋機(jī)內(nèi)部土渣。本次螺旋機(jī)的后閘門設(shè)置了兩道，分布于螺旋機(jī)尾部的軸向和徑向，以實(shí)現(xiàn)更快速便捷的排土。

7管片拼裝機(jī)

管片拼裝機(jī)主要用于隧道管片的襯砌,通過(guò)液壓馬達(dá)和液壓油缸驅(qū)動(dòng)，可整體旋轉(zhuǎn)±200°，上下伸縮，前后伸縮，在抓斗部位還可前后搖擺，左右搖擺，實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的動(dòng)作。

在拼裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)確定后，我們必須對(duì)其裝備扭矩、管片推壓力等校核，以滿足管片拼裝機(jī)實(shí)際使用的需要。

8其他系統(tǒng)

除了上述盾構(gòu)機(jī)的基本構(gòu)造，盾構(gòu)機(jī)根據(jù)各工程項(xiàng)目的需要還配備了必須的電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及后配套系統(tǒng)(包括注漿設(shè)備、膨潤(rùn)土設(shè)備、冷卻水設(shè)備、潤(rùn)滑設(shè)備、盾尾油脂設(shè)備、壓縮空氣設(shè)備、控制室、皮帶輸送機(jī)以及其他電氣設(shè)備等)。

9結(jié)束語(yǔ)

廣船國(guó)際制造的2臺(tái)Φ8 780 mm土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)已交付客戶使用，已順利開(kāi)展地下隧道掘進(jìn)工作，1號(hào)機(jī)已完成200環(huán)試掘進(jìn)，相比同線路上正在使用的其他品牌盾構(gòu)機(jī)，廣船國(guó)際制造的盾構(gòu)機(jī)性能先進(jìn)、可靠，掘進(jìn)速度效率高，得到了用戶的好評(píng)。通過(guò)此次盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造，為今后廣船國(guó)際盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)研究以及關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化打下了基礎(chǔ)。

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[5]陳湘生等. 復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)隧道綜合技術(shù)[M].北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2011

[6]陳饋等.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京: 人民交通出版社, 2009

[7] 《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》(GB50446-2208).北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007