土压平衡盾构机主要技术参数的选择

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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)0620050203ChoiceofmaintechnicalparameterofearthpressurebalanceshieldmachineCHENYing2ying盾构法施工将掘进设备通过

2、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。

3、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10-5m/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。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

4、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

5、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4～6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6125m,属于中等直径尺寸,采用中间支撑方式,主轴承外径216m。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F33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=πDLc2F2=π

6、DPd/4F3=πDμc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,μc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=απ/4D2式中:α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M1=quhmaxR0/2式中:qu为无侧限抗压强度,hmax为刀盘每转的最大切削深度,R0为最外圈刀具的半径。刀盘自重产生的旋转阻力矩M2=GR1μ

7、g式中:G为刀盘自重;R1为轴承的接触半径;μg为滚动摩擦系数。刀盘的推力荷载产生的旋转阻力矩M3=WpRgμg式中:Rg为轴承推力滚子接触半径,Wp为推力荷载(Wp=ωπR2Pd,ω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

8、测,北京地区的施工经验表