XRE6650e復合式土壓平衡盾構機推進系統計算

孟曉寧 高丙歡 劉國威

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機是一種集機、電、液、光、傳感、計算機、測量、信息技術于一體的專用于隧道建設的工程機械，具有開挖切削土體、改良與輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能[1]，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，被公認為衡量一個國家裝備制造業水平和能力高低的重大關鍵裝備。

復合式土壓平衡盾構機因其對地質條件具有較強的適應性而得到廣泛應用。土壓平衡盾構的工作原理如下：刀盤旋轉切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進入土倉，泥土落到土倉底部后，通過螺旋輸送機運到皮帶機上，然后輸送到停在軌道上的渣車上；盾構機在推進油缸的推力作用下向前推進；盾殼對挖掘出的還未襯砌的隧道起臨時支護作用，承受周圍土層的土壓、承受地下水的水壓，并將地下水擋在盾殼外面；在盾殼的掩護下，管片拼裝機拼裝一次襯砌、注漿系統注入二次襯砌以實現隧道的成形。復合盾構的刀盤上既安裝切刀和刮刀等軟土刀具，又安裝滾刀等硬巖刀具，可用于既有軟土又有硬巖的復雜地層施工[2]。

盾構功能的完善決定了其結構和技術的復雜，設計出與地質條件相適應的盾構設備是隧道成功施工的關鍵，同時，推進系統和驅動系統是盾構機正常施工的首要條件，因此，推進及驅動系統的計算與選型尤為重要。

1 計算初始條件

1.1 XRE6650e設計參數

XRE6650e是公司為服務軌道交通自主研發的主動鉸接、電力驅動的復合式土壓平衡盾構機，該設備采用面板復合式刀盤，可適應復雜的施工地質條件；鉸接形式采用主動鉸接，可實現任意彎曲角度和多方式的方向控制；采用變頻電機驅動，可在0～120Hz范圍內實現無級調速，驅動轉化效率更高。設備主要設計參數有：開挖直徑DK=Φ6680mm；盾構外徑D=Φ6630mm；盾構主機重量GZ=275t；盾尾臺車的重量Gh=200t；適用管片規格為外徑Φ6400、內徑Φ5800、寬度1200/1500mm。

1.2 地質條件

盾構工作過程的力學參數計算受地質因素、土層改良方法、掘進參數等一系列因素影響，是一個非常復雜的問題，本文按水土不分離的條件計算，參照山東省各地區地質條件。主要地質參數選取如下：水平側壓力系數λ=0.47；上覆土體厚度h=20m；土的容重γ=1.94t/m3；地面上置荷載P0=2t/m2；土的粘結力Ct=4t/m2；土的內摩擦角θ=5°。

對于土壓平衡盾構機，盾構機所受的壓力主要有以下5項：盾構機拱頂處的均布圍巖豎向壓力Pe；盾構機拱頂處的側向水土壓力P1；盾構機底部的均布壓力P2；盾構機底部的側向水壓力P3；盾構機的水平土壓力Pd。

根據經驗公式，有：

帶入參數計算后，得：Pe=40.8t/m2；P1=19.18t/m2；P2=45.3t/m2；P3=25.22t/m2；Pd=21.26t/m2。

2 推進系統計算

2.1 盾構推力計算

盾構的推力[3]主要由以下五部分組成：

式中，F1為盾構外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤上的水平推力引起的推力；F3為刀具切入巖土所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩擦阻力；F5為后方臺車的阻力。

（1）盾構外殼與土體之間的摩擦力

(3-2)式中，為土與鋼之間的摩擦系數，取值為0.3，F1=1/4(40.8+45.3+19.18+25.22)×6.63×9.218×0.3×3.14=1878.24t。

（2）刀盤上的水平推力引起的推力

F2=3.14/4×(6.632×21.26)=733.6t

(3-3)（3）刀具切入巖土所需要的推力

式中，nc為盾尾內管片的環數，取2（計算時假定有兩環管片的重量作用在盾尾內）；Wc為一環管片的重量（管片容重為2.5t/m2，管片寬度取1.2m，管片外徑D0為6.4m，管片內徑d為5.8m）；μc為盾尾刷與管片的摩擦系數，μc=0.3。

式中：μh為后配套拖車與運行軌道間的摩擦系數0.05，F5=200×0.05=10t。

盾構推力必須留有足夠的余量，一般的，取Ft=1.5F=4140t≈ 40572kN。

3.2 推進油缸的配置和選型

推進油缸的選型和配置由盾構的操作性、管片組裝施工方便性等確定，根據盾構各管片分布方位和受力點布置各油缸的最佳位置[4]。推進油缸選型、布置時，必須滿足下列要求[5]：推進系統不僅要考慮滿足盾構設備在掘進中推力的需要，同時還要根據管片拼裝的要求進行配置；推進油缸的推力和數量應根據盾構外徑、總推力、管片結構等因素確定；推進油缸應選用重量輕、耐久性好、結構緊湊的油缸，一般選用高壓油缸；推進油缸一般等間距配置在殼板內側附近，位置的確定要兼顧管片強度；推進油缸配置時，應使推進油缸軸線平行于盾構軸線。

3.2.1 推進油缸的配置

盾構推進時，由于推進油缸直接作用于管片上，因此，推進油缸的布置主要考慮管片的結構形式、分布方位、受力點布置、管片組裝施工方便性等方面的因素。為使管片在徑向受力均衡，設計將油缸沿盾體周向成圓形均勻布置，油缸的推力中心分布在管片的中心圓φ6100mm上（管片外徑φ6400mm，內徑φ5800mm）。

襯砌設計為5+1的形式，即5個標準塊，1個封頂塊，標準塊的角度為67.5°，封頂塊的角度為22.5°。為保證無論管片如何錯動，每塊管片所受推進力總是相等，并且在整個襯砌環上受力均勻，確保管片的貼合均勻密實，要求油缸環向布置的間距角度與管片錯動角相對應，保證油缸合力作用在每塊管片的中心上。因此，推進油缸設計為均布16組（每組中心間距為22.5°），并采用單缸、雙缸（共計22根油缸，4+6+6+6）交替布置的配置方式，如圖1所示。

3.2.2 推進油缸選型

由3.2.1可知，推進油缸個數nt=22，則：

推進油缸的推力F0=Ft/nt=40572/22=1844.18kN。

式中，Pt為液壓系統工作壓力，設計為35MPa；Dt為推進油缸的內徑（缸徑）。

計算得，Dt=259mm，取整有Dt=260mm。

設計油缸壁厚為30mm，則推進油缸的最大外徑為320mm；桿徑dt=0.8Dt=208mm，取整后選型為220mm。

另外，推進油缸的安裝不能和中盾鉸接部分發生干涉，根據盾構外徑φ6630mm，設計中盾鉸接環的內徑為φ6425mm，再考慮安裝間隙30mm，則推進油缸布置外界線不能超過φ6365mm。由前述分析，油缸的推力中心分布在管片的中心圓φ6100mm上，最大外徑為320mm，此時推進油缸布置外界線為φ6420mm＞φ6365mm，無安裝空間。因此，將推進油缸做偏心設計，使球頭部分與缸體部分偏心35mm，此時，球頭部分的推力中心分布在管片的中心圓φ6100mm上，缸體部分的推力中心分布在φ6030mm上，符合設計需求。

圖1 XRE6650e復合式土壓平衡盾構機推進油缸布置圖

推進油缸行程為管片寬度Ls、封頂塊搭接懸出長度Lx、預留間隙a之和，即，

其中，Lx=Ls×(1-4/5)=1200×1/5=240mm；a為滿足盾構轉彎時兩側行程差及安裝管片空間需要而預留的間隙，取660mm；則St=Ls+Lx+a=1200+240+660=2100mm。

綜上：推進油缸選型為φ260/φ220×2100，工作壓力35MPa，最大推力1850kN。

4 結語

本文以自主研發的XRE6650e復合式土壓平衡盾構機為例，運用理論公式、經驗方法和地質條件等介紹了盾構推力的組成和計算方法；根據盾構推力的計算結果設計了推進油缸的配置形式，完成了推進油缸主參數的選型計算，對以后盾構的開發、改造及施工選型起到積極的作用。