直径6.14m复合型土压盾构掘进机 .doc

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1、直径6.14m复合型土压盾构掘进机【提要】：本文结合广州地铁区间隧道掘进工程，设计改制2台复合型土压盾构，满足在高水压软土和风化岩混合地层条件掘进施工的要求。论文介绍了复合型切削系统和其他盾构主要系统的设计计算，重点论述了刀盘刀具的选型和地层条件的适应性的技术难题。【关键词】：地铁隧道盾构掘进机土压平衡Abstract:ThearticleincorporatingrunningsectiontunnellingatGuangzhouMetro,designstorefurbish2Mixshields(EPBM)tosatisfyconstructionrequirements

2、oftunnellingthroughhighwaterpressuresoftsoilandweatheredrockimplicatedsoil.ThispaperpresentsdesignandcalculationofMixshieldcuttingsystemandothermajorsystemsoftheshield,focusingondiscussionoftechnicalproblemsconcerningtypeselectionofdiskcutterandsoilconditionadaptabilityKeywords:metrotunnel,sh

3、ieldmachine,earthpressurebalance.1国内外现状2000年以来，我国各大城市的地铁工程建设得到了迅速的发展，地铁区间隧道工程越来越多地采用盾构法施工，土压平衡盾构具有土层适应性强、干出土、机械化程度高、掘进速度快、对环境影响小的特点，得到广泛的应用。泥水加压盾构由于其泥水分离的成本高和复杂性而很少应用。一般的土压盾构主要适用于软土地层，最适用于淤泥质土和一般的粘土。在砂性或砾石地层中掘进，必须对切削土进行改良，加注润滑剂，提高土体塑流性。广州、深圳地铁隧道的掘进地层比较复杂，既有软土又有软岩，甚至硬岩，一般的土压盾构不适用软、硬混合地层的掘进，复合型

4、土压盾构由于其刀盘上装有切削软土和岩石的两种以上的刀具，而成为广州、深圳地铁工程的首选。上海隧道工程股份有限公司于1999年中标承建广州地铁2号线，海珠广场站——江南新村站区间隧道工程，全长1.７km，隧道穿越地层主要为残积土、全风化岩、强风化岩、中风化岩和弱风化岩，风化岩强度从2~46MPa不等，且穿越珠江底高水压富含水地层。隧道地层纵剖图见图１。根据地层条件和业主提出的利用已经掘进了约6km的2台φ6.14m泥水加压盾构的要求，对原泥水加压盾构进行了改制、设计，并完成了2台φ6.14m复合型土压盾构的制造、安装和掘进施工，积累了复合型土压盾构的设计和制造的经验。2盾构选型和主

5、要施工性能要求5掘进广州地区地层的盾构性能，既要求能切削强度较低的粉质粘土，又能切削强度达40MPa的粉砂岩、泥灰岩层，一般的土压平衡盾构和泥水加压平衡盾构均不能切削软岩。经反复论证比选，确定盾构型式为复合型，即其切削大刀盘上分别装有切削残积土的割刀和切削软岩的盘型滚刀。由于盾构切削的岩体可能产生大块岩石，使常用的带中心轴的螺旋输送机不利出碴，因此应选用可运出大石块的带式螺旋输送机。盾构改制的关键是大刀盘切削系统和带式螺旋机出土系统的设计，制造安装。根据业主要求，用于掘进施工的φ6.14m复合型盾构指定由已经在一号线掘进施工约3km的2台φ6.14m泥水加压平衡盾构改制(图2)。

6、3盾构主要技术参数和计算方法盾构设计，主要技术参数包括总推力、刀盘切削扭矩、螺旋输送机、管片拼装机等。复合型土压平衡盾构简图（图3）。3.1盾构总推力（F）盾构在推进过程中可能遇到岩土层稳定与不稳定两种情况，因此考虑盾构总推力的时候，必须顾及此两种情况。3.1.1硬岩盾构总推力(F硬)一般硬岩盾构推力按（刀盘滚刀所需有效推力+盾构自重）计算。广州地铁2号线隧道轴线穿越强风化带岩土外，还穿越微风化带的岩土层，岩性为粉砂质泥岩、砂砾岩、砾岩等。单轴极限抗压强度fc=31.2MPa，抗剪断强度c=3.4MPa,根据我公司长期对TBM盾构技术的研究，决定采用盘形滚刀和标准割刀组合布置的刀

7、盘来开挖此隧道。刀盘上采用φ400mm的41把盘型滚刀为主体进行全断面破岩，以紧跟滚刀排列的86把割刀作辅助破岩。滚刀在破岩过程中有垂直方向的切入力VF与滚刀在岩土上滚压的滚动阻力RF，而且锐刃滚刀与钝刃滚刀所需的推力不一样，41把盘型滚刀的推力为F1=ΣVFi+RFi，i=1～41经计算，滚刀所需的有效推力F1理论为790.5×104N根据实验室和现场累积，F2应为1025×104N设计选取FgFg＝F2＝1025×104N3.1.2土压平衡盾构总推力(F土)土压平衡盾构在推进