盾構機技術研究

鐘堅

摘要：為適應地鐵、鐵路、引水等大型工程建設的盾構需求，我國正開展研發、設計和制造具有自主知識產權的國產盾構機的相關工作，掌握盾構機自主研發技術一直是我國盾構行業亟待解決的重要課題。基于上述背景，本文將基于廣船國際研制的Φ8 780 mm盾構機對相關技術做一個初步的探討。

關鍵詞：盾構機；技術；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

隨著我國軌道交通的發展，盾構設備的使用越來越廣泛，盾構設備的國產化亦日益迫切，因此，應該在引進國外先進盾構設備的同時，不斷加強各方面的技術力量，開發適合我國國情和不同地質環境情況下使用的國產盾構機。現以廣船國際設計制造的φ8 780 mm土壓平衡式盾構機為例，介紹盾構機的主要參數的設計確定。

1盾構機主要參數設計要求

盾構機是一種特殊的工程機械，每臺盾構機都應該適用其所參與的工程需要。其主要參數設計必須有相應的盾構工程條件，一般由業主在招標文件中提供，并最終在雙方共同確定的技術規格書中落實要求和具體參數。

2刀盤裝置

盾構機刀盤主要由刀盤主體結構、刀具、刀盤附屬結構以及刀盤驅動裝置構成，刀盤的設計主要依據工程的地質施工條件所決定，下面初步介紹盾構機刀盤裝置的設計。

2.1刀盤主體結構

刀盤一般分為面板式和輻條式兩種（圖1），主要根據掘進隧道所在的地質特征而定，輻條式刀盤由于其開口率較大(60%~95%)，對開挖面不能起到很好的支護作用，主要應用于地質條件比較單一穩定的環境；面板式刀盤開口率較小(25%～45%),可以利用其本體結構對開挖面起到很好的支護作用，面板式刀盤由于其結構比較牢固，還可安裝滾刀進行巖層的隧道掘進施工，因此，面板式刀盤主要應用在軟、危、巖等復雜地質條件下施工。

本次Φ8 780 mm盾構機為適應所應用的盾構標段（珠三角地區），采用了面板式焊接結構刀盤，開挖直徑8 820 mm，開口率約30%，材料選用Q345B。

通過建立三維模型，根據刀盤的受力狀況進行有限元分析(圖2)，要求其所受最大應力和最大形變都在允許范圍之內。

2.2刀具的選用及布置

盾構機刀具的布置和選用是否適合應用工程的地質條件，直接影響到盾構機的切削效果、出土狀況和掘進速度。

1）刀具的選用

盾構機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，滾刀一般為盤形滾刀，輔助刀具包括周邊保護刀、刀具保護刀、仿形刀、磨損檢測刀等。

對于不同的地層的開挖，盾構機刀具采用不同的形式，開挖地層為巖層時采用盤形滾刀，地層為較軟巖層時采用齒刀，地層為軟土或破碎軟巖時可采用刮刀，其他刀具根據施工需要進行選用（圖3）。

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

2）刀具的布置

刀具布置不但要考慮刀具的種類，而且還要考慮整個刀盤面不同半徑的運動特性和結構特性。

滾刀刃口一般高于刀盤面110 mm，在刀盤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口部位。在刀盤面的半徑方向上，刮刀的布置按滾刀的軌跡進行布置，刀盤中心每條軌跡布置一把刮刀，在其他軌跡上布置多把刮刀，每條軌跡上應布置輻條數量一半的刮刀。

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

根據以上原則我們完成Φ8 780 mm盾構機的刀具布置（圖4）。

2.3刀盤附屬結構

為了提高盾構機的掘進效率，在刀盤上還布置了其他附屬結構，主要包括攪拌棒以及多種添加劑的注入口。

刀盤背面的攪拌棒可以帶動土倉中的泥土運動，加強土倉中土渣的流動性，以防止土渣在土倉和刀盤上凝結泥餅。

在掘進過程中還必須在刀盤面注入泡沫以及膨潤土等添加劑，增加開挖面穩定性以及改良土渣性質，降低刀具磨損，提高掘進效率，因此，在刀盤面上必須設置泡沫以及膨潤土等添加劑的主入口。

2.4刀盤主驅動裝置

刀盤主驅動裝置是盾構機的核心部件，它一般由刀頭支撐、土砂密封、主軸承、驅動部件等組成，其主要結構與行星減速機結構相似，通過電機或馬達對主軸承上的齒圈進行驅動，以帶動整個刀盤旋轉（圖5）。

盾構機常用的驅動方式有變頻電機式和液壓馬達式，變頻電機驅動具有噪音小、機械效率高以及內部溫度穩定的優點，還可通過變頻實現刀盤的無級調速。

刀盤軸承裝置一般使用三排滾式大口徑軸承(圖6)。大口徑軸承通過主軸向滾排、反軸向滾排、徑向滾排來承受作用于刀盤裝置的負載。

刀盤驅動部的土砂密封采用最多的是封唇型密封。在其內周側、外周側各裝備徑向1排，軸向2排。對各密封之間自動供應油脂，從而提高止水性能及降低密封的滑動阻力。

在刀盤主驅動裝置中，驅動扭矩(及盾構機的挖掘扭矩)是其關鍵參數，它直接關系到主軸承以及驅動電機減速機的主要參數。一般認為盾構機（軸承型中間支承方式）的挖掘所需扭矩T由以下各要素構成：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：克服機械阻力（徑向負載）所需的扭矩

T4：克服機械阻力（軸向負載）所需的扭矩

T5：克服密封阻力所需的扭矩

T6：中間梁的攪動而產生的負荷扭矩。

刀盤主驅動裝置中主軸承、主密封以及驅動電機為整臺盾構機的關鍵部件，在技術規格書中盾構機業主方一般會明確提出其壽命時間，因此，需要對其進行壽命計算，在計算時主要根據工程狀況，結合關鍵部件廠家提供的壽命計算方法進行計算。

3盾體結構

3.1盾體直徑

盾構直徑是指盾殼的外徑，而與刀盤、同步注漿用配管等突出部分無關。盾構直徑必須根據管片外徑、盾尾間隙和盾尾鋼板厚度進行確定，可按以下公式計算出盾構直徑：

D=d+2(x1+δ+x2)

式中：D:盾構直徑

d:管片外徑(由工程條件決定)

x1:盾尾間隙(由工程條件計算所得)

δ:盾尾鋼板厚度(由工程條件計算所得)

x2:其他設備所需(由工程條件所得)。

此次Φ8 780 mm盾構機管片外徑d=8 500 mm，通過計算(計算方法見下文)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，考慮到盾構掘進的便利性（刀盤、前盾、后盾直徑逐漸減小），因此，此次前盾體直徑取8 780 mm。

3.1.1盾尾間隙

盾尾間隙是指盾殼鋼板內表面與管片外表面的空隙。盾尾間隙應根據管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結構的安裝等進行確定(圖7)。

根據實際經驗，盾尾間隙一般取20～40 mm，此次Φ8 780 mm盾構機計算所得盾尾間隙的最小需求值為19 mm，我們設定了盾尾間隙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，盾尾強度是與土壤條件、埋深、盾體的鋼板厚度、材料等條件有關，通過對盾尾強度的分析得出所需盾尾厚度。

1）整體受力分析

見圖8。

垂直負載P1、P2為：

P1=γ H+γwHw+Po

P2=P1+S

式中：

H:覆土厚度（一般指埋深）

H1:可考慮的負荷高度（根據太沙基理論計算所得）

HW:盾構機頂部到地下水面之間距離（工程水文條件）

φ:土壤內摩擦角（由土質條件決定）

γ:泥土容重（由土質條件決定）

γ:泥土容重（地下水面下）

γw:水的容重（含水平均密度）

γ0:盾構殼體材料的密度

t:盾構殼體的厚度

R:盾構機外半徑

S:盾構殼體恒載的反作用力

g:盾構殼體的容重

P0:地面負荷（由工程狀況決定）

K:土壤反作用系數（由土質條件決定）

C:土壤內聚力（由土質條件決定）

K0:自然土壓系數 = 1

R:盾構機外半徑。

2）應力分析

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

此次Φ8 780 mm盾構機盾殼所采用材料為Q235B，其許用應力為235 N/mm2,通過計算所得，當盾尾板厚為60 mm時，最大應力為119.07 N/mm2，安全系數為1.34，最大變位最大變位3.081 mm，完全滿足使用要求。

3.2盾構長度

盾構長度主要取決于地質條件、隧道的平面形狀、開挖形式、運轉操作、襯砌形式和盾構機的靈敏度(即盾殼總長L與盾構外徑D之比)。一般在盾構直徑確定后，靈敏度值一般可按經驗數據進行參考設計:

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

由此我們可以估算出盾構主體的長度，在詳細設計中，考慮工程條件、設備布置等空間位置對盾構長度進行完善。

此次Φ8 780 mm盾構機在綜合考慮各方面因素后，所設計的盾構主體長度11 100 mm，切口環長度950 mm，支撐環長度5 435 mm，盾尾長度4 715 mm。3.3盾尾密封

盾尾密封結構安裝在盾構機盾尾后端，其作用是防止來自管片與機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，使其成為一個既有塑性又有彈性的整體，油脂又能保護鋼絲免于生銹損壞。

4推進裝置

盾構機的推進裝置主要由多組千斤頂組成，通過計算出盾構機推進所需總推力大小，以及管片單位面積所能承受的壓力大小，得出所需千斤頂的數量，在盾構直徑內均布千斤頂，千斤頂的伸縮速度一般由工程需要所定(6~8 cm/min)，千斤頂一般分組控制，并設置行程及壓力傳感裝置。

盾構機向前行進是靠安裝在支撐環周圍的千斤頂推動，各千斤頂合力就是盾構的總推力，在計算推力時，一定要將工程的施工全過程中對盾構可能產生的阻力全部計算在內。

以土壓平衡式盾構機的挖掘進程為例，會出現下列阻力 (F1, F2, F3, F4)。

1）泥土和盾構殼體間的摩擦阻力

式中：

D: 盾構機外徑L: 盾構機總長

W: 盾構機總重量PV: 垂直負載

Ph: 水平負載L: 泥土和盾構殼體間的摩擦系數。2）管片和盾構殼體間的摩擦阻力

式中：

WS: 管片的重量

: 管片和盾構殼體間的摩擦系數。3）拖動后備系統產生的阻力

式中：

WG: 后續系統的總重量

: 車輪和鋼軌間的摩擦系數。4）水對刀盤面的壓力產生的阻力

式中：

D: 盾構機外徑PW: 刀盤面水壓

由此，所需的推進力P可由下式得出：

式中: f 為安全系數(一般取1~2)。

代入Φ8 780 mm盾構機的工程參數，計算可得所需推進力為54 520.9 kN，在綜合考慮油缸大小分布及液壓系統壓力情況，最終采用了24根千斤頂（3 000 kNx2 450 sx35 Mpax24 No.），其實際裝備總推力可達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出現曲線施工的情況，因此，盾構機需要配備鉸接裝置，作為曲線段施工時的輔助裝置。鉸接裝置是將盾構機機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構。按千斤頂的裝備方法不同，有將千斤頂固定在前體上的前體推壓型（被動鉸接），和將千斤頂固定在后體上的后體推壓型（主動鉸接）兩種類型（圖11）。各種方式的鉸接都有各自不同的特征，前體推壓型是盾構油缸單向推壓，故在拼裝的管片內側容易發生拉伸彎矩，管片易損壞。

本次Φ8 780 mm盾構機為主動鉸接，采用16個3500 kN的千斤頂，總推力56 000 kN，行程300 mm，可實現上下左右1.5°轉向。

6螺旋輸送機

螺旋輸送機是一個排出泥土的裝置，用來排出由刀盤挖掘出的泥土。它也可以通過調整泥土排量來控制刀盤土倉內的土壓。

通過計算可得盾構機的挖掘量及螺旋機的理論排土量，其中螺旋機的理論排土量必須大于盾構機的挖掘量，這樣才可以通過調節排土量來控制土倉土壓。

本次Φ8 780 mm盾構機螺旋機的理論排土量約340 m3/ h，其實際挖掘量約290 m3/h。在螺旋輸送機的前后都設置有閘門，采用液壓油缸驅動，并帶有保壓裝置，以便在需要時用來封閉土倉及螺旋機內部土渣。本次螺旋機的后閘門設置了兩道，分布于螺旋機尾部的軸向和徑向，以實現更快速便捷的排土。

7管片拼裝機

管片拼裝機主要用于隧道管片的襯砌,通過液壓馬達和液壓油缸驅動，可整體旋轉±200°，上下伸縮，前后伸縮，在抓斗部位還可前后搖擺，左右搖擺，實現6個自由度的動作。

在拼裝機主要結構確定后，我們必須對其裝備扭矩、管片推壓力等校核，以滿足管片拼裝機實際使用的需要。

8其他系統

除了上述盾構機的基本構造，盾構機根據各工程項目的需要還配備了必須的電氣控制系統、自動導向系統、數據采集系統以及后配套系統(包括注漿設備、膨潤土設備、冷卻水設備、潤滑設備、盾尾油脂設備、壓縮空氣設備、控制室、皮帶輸送機以及其他電氣設備等)。

9結束語

廣船國際制造的2臺Φ8 780 mm土壓平衡式盾構機現已交付客戶使用，已順利開展地下隧道掘進工作，1號機已完成200環試掘進，相比同線路上正在使用的其他品牌盾構機，廣船國際制造的盾構機性能先進、可靠，掘進速度效率高，得到了用戶的好評。通過此次盾構機設計制造，為今后廣船國際盾構機的技術研究以及關鍵部件國產化打下了基礎。

參考文獻

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