《土压平衡盾构机主要技术参数的选择.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土压平衡盾构机主要技术参数的选择.doc（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、土压平衡盾构机主要技术参数的选择陈英盈(北京住总市政工程有限责任公司 , 北京 100029) 摘 要 简要介绍盾构设备的基本组成 , 同时说明在设备采购过程中应根据土压平衡盾构施工的特点及工程线路地质状况对设备提出各系统主要技术参数配置的使用要求 。 关键词 盾构 ; 土压平衡 ; 后配套 ; 技术参数 中图分类号 U45513 + 9 文献标识码 C 文章编号 100121366 (2004) 0620050203Choice of ma in techn ical para meter of earth pressure balance shiel d machineCHEN Ying2
2、ying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 10 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
3、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 岩间的缝隙注浆填充 , 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 - 5 m/ s3 。水渗透系数过大时加处 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 。
4、 根据北京地区的地质特点及地铁穿越的地层主要为盾构 , 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 。1EPB 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 。切削刀盘2211 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 。胸板式是保持
5、刀盘的面板 , 在刀头 切削位置留洞进土 , 对前方土体有一定的支撑作用 , 防止大块土塌方 。但开口率小的胸板式刀盘在 粘土层容易产生土粘在板上的问题 , 进土效率较 低 , 所以在粘土层常选用辐条式刀盘或开口率大的 胸板式刀盘 。辐条式刀盘将刀具沿径向布置在 46 根辐条上 , 开口率较大 , 切削下来的土料很容易进入土仓 , 在搅拌中也不易粘到辐条背面 。在卵石 层中施工时 , 这种刀盘形式有利于卵石 、砾石与土 体的剥离 , 减少摩擦 。但由于刀盘的刚度降低 , 增表 1盾构机主要技术参数表构机直径为 6125 m , 属于中等直径尺寸 , 采用中间支撑方式 , 主轴承外径 216 m
6、 。213盾构推力的确定盾构的推力主要由盾构与地层之间的摩擦阻力F1 、刀盘正面土压力 F2 、盾尾密封与管片之间的摩擦阻力 F3 3 部分组成 , 其它还有变向阻力 、切 口环前端的贯入阻力 、后方台车的牵引阻力等 。F1 =DL c2F2 =D Pd/ 4F3 =Dc式中 : D 为盾构机外径 , L 为盾构机长度 , c 为松弛土的粘着力 , Pd 为刀盘中心处侧向土压力 , c 为每米管片长度摩擦阻力 (经验值) 。盾构在施工中经常需要纠偏 、转向 , 因此盾构 的推力实际上要比计算出来的大 , 盾构实际配备的 推力约为计算值的 115 倍 。还有一种计算总推力的 经验公式F = /
7、4 D 2式中 : 为推力系数 , 取 110 。214刀盘扭矩的确定盾构配备的扭矩由 9 部分组成 , 下面是每部分 的计算公式 。刀盘的切削扭矩M 1 = qu h max R 0 / 2式中 : qu 为无侧限 抗 压 强 度 , hmax 为 刀 盘 每 转的最大切削深度 , R 0 为最外圈刀具的半径 。刀盘自重产生的旋转阻力矩M 2 = GR 1g式中 : G 为 刀 盘 自 重 ; R 1 为 轴 承 的 接 触 半 径 ; g 为滚动摩擦系数 。刀盘的推力荷载产生的旋转阻力矩M 3 = W p R gg式中 : R g 为轴承推力滚子接触半径 , W p 为 推力荷载 ( W
8、p = R 2 Pd , 为刀盘密闭率 , Pd 为水平土压力 , R 为刀盘半径) 。密封装置产生的摩擦力矩施工条件对刀盘设计有很大影响 ,不同围岩条件对刀头及盾构各部分磨损 、破坏有很大区别 。施工总长度较长时要考虑刀盘和刀头的耐久性 。更换 刀头 、修复刀盘的方式宜在中间竖井处进行 , 或考 虑将刀头设计成易于更换结构 , 如转动式 、移动 式 , 或辐条设计成转动式 , 将刀头退到土仓内更换 刀具 , 比进入刀盘前面要减少危险 。切削刀头的磨 损量应进行预测 , 北京地区的施工经验表明刀具在 不均匀卵石层中磨损的同时容易发生崩角的现象 , 所以 要 精 心 设 计 刀 头 的 形 状
9、并 合 理 控 制 推 进 速 度 。212 刀盘的支撑方式刀盘通过轴承与盾构机前体连接 , 其支撑方式 一般有 3 种 : 中心支撑 、中间支撑 、周边支撑 。中心支撑是在轴线位置布置轴承 。其优点是轴承结构 小 , 密封面积小 , 容易保证密封质量 , 但盾构壳体周边的刚度较差 , 故适合用于小直径盾构机 。周边 支撑是将刀盘支撑在盾构周边壳体结构上 , 支撑刚 度好 , 但轴承尺寸大 , 密封结构复杂 , 适合用于大直径盾构 。中间支撑介于前两者之间 。制造商根据 机构布置等因素综合考虑这个问题 。我们采购的盾M 4 = 2 3 F ( n1 R 2s1 + n R 2 )2 s2式中
10、: 3 为密封与钢之间的摩擦系数 , F 为密封的压力 , n1 、 n2 为密封圈数 , R s1 、 R s2 为密 封的安装半径 。刀盘前表面上的摩擦力矩492004/ 6建筑机械化主 项副项盾 体直径 、长度 ( 前体和中体) 、盾构类型 、机器 最小水平转弯 半 径 、最 大 工 作 压 力 、土 压 感 应 计 、气闸人行门 、带法兰螺旋输送机 ( 超前钻)盾 尾型式 、铰接油缸数量 、油缸内外直径 、行程 、 盾尾密封 、油脂管数量 、注浆口数量推进油缸数量 、分组数量 、油缸顶杆端支承 、推进力 、 行程 、工作压力 、伸出速度 、缩回速度刀 盘数量 、型式 、直径 、旋转方向
11、 、刀具类型 、喷 嘴数量 、仿型刀 、中心回转体刀盘驱动装置数量 、型式 、液压马达数量 、额定转矩 、最大 脱困转矩 、转速 、功率 、主轴承型式 、主轴承外 径 、主轴承寿命人 闸数量 、型式 、长度 、直径 、工作压力 、容纳人数管片拼装机数量 、型式 、抓紧系统 、自由度 、旋转角度 、 管片宽度 、举升油缸行程 、纵向行程 、控制方式螺旋输送机数量 、型式 、直径 、功率 、最大转矩 、转速 、 最大出土量 ( 理论值) 、出料口皮带输送机数量 、驱动方式 、带宽 、带长 、输送速度 、输 送量后配套设施管 片 储 送 架 、管 片 吊 车 、吊 车 轨 道 、液 压 系 统 、冷
12、却系统 、注浆系统 、注浆泵 、压力测量装 置 、主驱动装置润滑泵 、盾尾油脂泵 、控制台 、 主配电柜 、变压器 、水管卷筒 、电缆卷筒 、控制 导向系统M 5 =p R 3 Pd/ 3式中 : p 为土层与刀盘之间的摩擦系数 。 刀盘圆周面上的摩擦反力矩M 6 = 2RB Prp式中 : B 为刀盘宽度 ; Pr 为作用在刀盘周边 上的平均压力刀盘背面的摩擦力矩M 7 = 2R 3p 018 Pd/ 3假定土舱内碴土压力为刀盘正面测向土压力的80 % 。 刀盘开口槽的剪切力矩M 8 =R 3 C (1 - )添加剂注浆孔提高螺旋输送机对压力水的密封性 。添加剂有 4 种类型 , 即矿物类材
13、料 、界面活性 材料 、高吸水性材料 、水溶性高分子材料 。施工前要通过技术分析确定使用的添加剂类型 , 然后才能配备相应的设备 , 向设备制造商提出注浆方式 、浆 液类型 。在盾构推进的同时进行注浆为同步注浆 , 推进后迅速注浆为即时注浆 。注浆材料有双液浆和单液 浆两种 , 施工单位需要根据围岩的稳定性确定注浆 时间和浆液类型 。然后在盾构机订货中明确注浆要 求 , 以便配备注浆管道和清洗系统 。4其它因素式中 :C 为土的抗剪应力 。411 顶进油缸及铰接油缸顶进油缸行程一般为管片宽度加操作富裕量100mm 150 mm 。对 于 每 环 管 片 , 最 后 闭 合 块 的 安装从径向或
14、轴向插入 , 如果采用轴向插入 , 要求 油缸有较长的行程 。对于标准型管片 , 其最后的封闭块都可以固定在一个位置 ( 例如顶部) , 此处需 要较长油缸 , 以满足插入行程 。而通用型管片 , 其 管片位置沿圆周总是在变化 , 所以全部顶进油缸都 要做成长油缸 , 具体长度与封闭块厚度 、楔型角度 有关 。当线路转弯半径小于 250 m 时 , 一般要配铰接 油缸 , 将盾构的前体与盾尾实现铰接 , 便于转向 。412 排土系统排土系统包括螺旋输送机和皮带输送机 。螺旋 输送机的扭矩 、出土量 、盾构机推进速度及地质状况等因素有关 , 必须具备保持土仓土压力 、地下水 压力平衡并按照盾构推
15、进量调节排土量的能力 。土 仓上安装土压力传感器 , 随时将数据传输到计算机 中 。操作人员通过螺旋输送机控制土仓压力 , 螺旋 输送机可实现无级调速 , 我们采购的设备其调速范围在 019rp m 。需要时采用调整出土速度的手段 调整压力 , 通过形成土栓防止地下水涌出 , 直至关 闭出土闸门 。螺旋输送机分为有轴和无轴两种 , 外壳和螺杆 也可根据安装 、更换需要设计成几段 。选型时必须确切了解目标地层的土质 、卵石层的最大颗粒尺 寸 、地下水等条件 , 同时考虑盾构直径及隧道内外 的条件 。有时采用无轴型 ,便于大直径的粒料通过 ,(下转第 59 页)刀盘土腔室内的搅动力矩M 9 = 2
16、 ( R 3 2 + R 4 2 ) L 1 C式中 : R 3 为刀盘支撑梁外径 ; R 4 为刀盘支撑 梁内径 ; L 1 为支撑梁长度 。刀盘扭矩 M 为 M 1 到 M 9 之和 。计算中许多 参数要进行假设 , 计算过程不是本文主题 , 我认为具体扭矩及其驱动机构功率配备均可由盾构机厂家提供 , 但采购方要了解其计算内容 , 有利于施工中 的问题处理 。一般估算刀盘额定的驱动扭矩计算公式1T = D3 ( kN m)式中 : 为扭矩系数 。我们采购的盾构机额定 扭矩为 4 350 kN m , 最 大 脱 困 扭 矩 为 5 200 kN m , 可算出其为 1718 。一般取值可在
17、 823 之间 。添加剂注入和搅拌装置添加剂注入装置由泵 、注入孔 、控制机构和管 路等组成 。添加剂的作用是极大地改善土体流动 性 , 减少刀具磨损 , 降低土体渗透性 , 降低刀盘扭 矩 , 同时可以延长刀具寿命 。搅拌装置由刀盘 、盘 背搅拌翼 、中隔壁上的固定翼或驱动翼组成 。搅拌 装置使土体产生相对运动 , 防止发生共转 、附着 、 沉淀等现象 , 使土与添加剂能搅拌较均匀 , 处于流 动状态从而用螺旋输送机输出 。添加剂注入位置 、口径 、口数量需要根据工程 地质条件和不同的目的设置 , 一般在盾构机正前方或外周部分 (为进行超挖部分的填充) 向土体内注入添加剂 , 有时在螺旋输送
18、机上也要布置 12 处350建筑机械化2004/ 6PDO 为 一 点 对 多 点 的 数 据 通 讯 方 式 。PDO(t x) 发送者发送信息到 CAN 总线上 , 也就是把数 据写入映象地址区 , 映象地址区的起始地址为 % Q W200 , 而控制器模块能够根据映象地址将正确 的 PDO 信息包发送到 CANopen 总线 , 图 4 为把 % Q W200 到 % Q W203 地 址 上 的 数 据 作 为 第 一 个 PDO1 信息包 发 送 到 总 线 。同 样 , 从 CANopen 总 线上接收 PDO ( t x) 信息包也就是将需要的 PDO 信息包读取到映象区地址 ,
19、 图 5 为从总线上把第一 个 PDO1 信 息 包 读 取 到 映 象 区 的 % IW200 到 % IW203 地址 。SDO 通讯方式 , 如 E3002025 显示器模块与其它各个模块都采用这种方式 。一方面 , SDO 通讯方式 能够实现采集信号的实时显示 , 以获得机器的当前工作状态 , 这些参数包括动臂和摇臂的角位移 、摇臂的上升位置 、车体速度 、车体 转 弯 、油 缸 压 力 等 。另一方面 , 该方式下操作者能够在线预先设置 的控制参数 , 比如智能铲取的压力门槛值 、油门位置的初始值 、动臂和摇臂的角位移初始值等 。SDO 为点对点的数据通讯方式 。SDO 客户机 发送
20、需要的信息到 SDO 服务器 , SDO 服务器发送 应答信息返回给 SDO 客户机 。SDO 数据通讯可以 不只是一问一答 , 也可以传输更多的报文 。 参考文献 1 CAN in Auto matio n 协会. CANopen Co mmunicatio n Pro2file Feat ures Z. 2000 .图 4 发送 PDO 信息包到总线2邹宽明 . CAN 总线原理和应用系统设计 M .北京 :北京航空航天大学出版社. 1996 .3用张舒原 , 吴运新. CANBU S 技术在智能装载机中的应装备制造技术 , 2003 , (3) : 23 - 25 .( 编辑 吴学松)J
21、 .图 5 从总线上接收 PDO 信息包213以 SDO 数据传输方式通讯节点模块与非节点模块之间的数据通讯都采用 收稿日期 2004203226 作者简介 隆志力 ( 1976 - ) , 男 , 博士在读 , 主要从事机电设 备的控制与测试研究.(上接第 50 页)其粒料的最大通过尺寸为 d = D - B ( D 为螺旋壳 体内径 , B 为螺 旋 叶 片 宽 度) 。由 于 中 间 是 空 的 ,以上是对盾构设备采购中需要进行选择的技术参数进行一些分析 , 由于每个工程情况不同 , 设备 厂家设计思路不同 , 在确定设备加工要求时可能出 现更多需要协调的问题 , 需要根据厂家资料和工程
22、 资料具体计算分析 , 有些参数由厂家计算后提供 。 参考文献 似乎对土体出现涌水等异常现象的控制力较差 ,土质透水性好时不宜采用 。现多数采用有轴型 ,粒料的最大通过尺寸为 B 。当其皮带输送机将渣土从螺旋机出料口传送到运渣车中 , 它的排放能力要大于螺旋机的出土能力 。413后配套系统盾构机的后配套系统安装在几组台车钢架上 ,通过各种管道将各系统的动力部分和执行部分连接 起来 。主要包括冷却系统 、顶进及铰接油缸的液压泵站系统 、添加剂泵站系统 、壁后注浆泵站系统 、 主驱动装置的润滑泵 、盾尾油脂泵 、空气压缩机 、高低压配电系统 、控制台等 。还应配备管片吊车及 其轨道 、管片储送架
23、。还有测量系统 , 在后部一定距离布置全站仪 , 对盾构机的行进随时监控 。1 日 土木学会 . 朱 伟译. 隧道标准规范 ( 盾构篇)及解说 M .北京 : 中国建筑工业出版社 , 2001 .2施仲衡 . 当代土木建筑科技丛书 地下铁道设计与施工 M .西安 : 陕西科学技术出版社 , 2003 .3 德 B 1Maidl , M1 Herrenknecht , L1Anheuser . 机械化盾构隧道掘进杭州 : 浙江大学出版社 , 2002 .( 编辑 羌荣生)M . 收稿日期 2004203230 作者简介 陈英盈 ( 1963 - ) , 女 , 浙江宁波人 , 高级工程师 , 总工程师 , 施工机械化协会常务理事 , 从事建筑机械使用管理 、 钢结构设计施工 , 北京市朝阳区太阳宫路芍药居甲 2 号 1592004/ 6建筑机械化file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56