城市轨道交通地铁项目盾构区间的主要施工方案.doc

城市轨道交通地铁项目盾构区间的主要施工方案第1节 盾构机设计根据对本区段地质勘探报告的详细分析以及地层数据统计，本区间最大线路纵坡29 ,最小纵坡为4.154，最小竖曲线半径为3000m。区间左线覆土9.5m11m，右线覆土约19m26m。区间左线隧道主要穿越圆砾、砾砂<3-5>、中粗砂<3-4>、卵石<3-6>、硬塑状残积层<6-2>地层；右线隧道主要穿越残硬塑状残积层<6-2>、变质砂岩全风化带<8-1>、变质砂岩强风化带<8-2>地层。结合XXX地铁施工众多工程实例，认为本标段隧道通过的围岩岩质大部分强度比较低，适合采用盾构法施工。1.1盾构选型要求本工程所选的盾构机必须满足以下要求：（1）为满足从岩石层到软土层及复合地层的切削工作等本工程盾构机采用复合型土压平衡式盾构，同时具备土压平衡掘进模式、半敞开式及敞开式掘进模式。（2）要求刀盘结构在尽可能大的开口率条件下，强度高、刚性好，既能适应粘性土地层中土压平衡掘进时大扭矩切削排土要求工况，又能适应在岩石地层和受力不均匀复合地层的大推力工况。（3）推进油缸和铰接油缸布置具备良好的纠偏功能，保证在不均匀复合地层中的轴线控制。（4）具备高精度的盾构机导向测量系统。（5）具有良好可靠的泡沫和添加剂注入系统，用于开挖面、土仓及螺旋机中土体的改良。（6）盾构机所配置的滚刀必须有足够的破岩石能力。（9）刀具选择及布局要求合理，安装、拆卸方式简便牢固。（8）具备人员和材料进出用的气压人行闸，并且配有土仓自动调压装置，以适应软弱围岩中的换刀要求。（9）螺旋机出土口须具备防喷涌的设施及保压功能，并具有排堵功能。（10）盾构机主机的密封装置在压力状态下具有良好的防水功能。1.2盾构设计特点要求1.2.1针对区间地质特点的设计要求（1）扭矩、推力设计要求大，可以使用于XXX各种粘性大砂土层和各种岩层的盾构工程。盾构机设计最大扭矩623tm，掘进推力可达4000tf，主轴承直径D=30000mm，相对较大，完全适应该区间地质条件。（2）刀盘驱动主轴承寿命大于10000小时，并且须设计有对主轴承油温、主轴承密封泄露监测等装置，能够随时发现主轴承及主轴承密封的异常情况，以采取必要的保护措施，提高主轴承运转的可靠性。（3）有改良碴土的设计盾构机须配备有泡沫和膨润土添加系统，可通过刀盘面板上孔道、土仓隔板上孔道，及螺旋输送机筒壁孔道分别或同时向开挖面、土仓、螺旋输送机内部多方位地注入泡沫或膨润土，并且在刀盘背面和土仓隔板上各安装有搅拌臂，用于改善碴土的塑流性和防止泥饼的产生，刀盘中心。（4）耐磨性的加强刀盘母体须采用耐磨性、焊接性、冲击韧性极好的16MnR材料制作，在刀盘外缘设有三圈可更换的耐磨条，面板外缘和正面也须采用高硬度耐磨焊丝拉网堆焊5mm厚的保护层，极大地提高刀盘母体的耐磨性，同时，所有刮刀须镶装用高强度合金钢制成的刀头，能完全满足本区间掘进中对刀盘耐磨性高的要求。另外，土仓仓壁和螺旋输送机的筒壁均采用耐磨材料制作，在螺旋输送机的入口处、叶片和轴，盾体切口环外缘等易磨损部位也都须堆焊有耐磨层，提高这些部位的耐磨性。（5）有良好的应对地下水的能力盾构机须采用轴式螺旋输送器，配备有双闸门装置和保压泵碴装置，能完全满足本工程在不良地质条件下掘进时发生涌水、涌泥时保压掘进的需要。另外，主轴承密封、中盾和尾盾铰接处密封、盾尾密封最大设计工作压力须达4bar,能完全满足盾构机在高水压地质条件下掘进时的防水需要。（6）有针对不良地质段掘进时加固地层的设计和装置拼装机上安装一台超前钻机用于盾构机前方和壳体四周的地质超前钻探和钻孔注浆加固。沿盾壳周圈布置6个钻孔，在盾壳前部布置2个钻孔用于前方的超前钻探，钻机配备1米长钻杆，对位于盾构机前方的地层进行钻孔和注浆作业，进行地层的加固，确保盾构机安全可靠地通过不良地质段。1.2.2 适应小曲线半径掘进的设计和满足管片拼装的要求（1）盾构的中体和盾尾采用铰接装置，可满足较小半径曲线的推进转弯和纠偏。适用最小半径可达250米，满足在小曲线半径下掘进时纠偏的需要。（2）推进油缸设计为可分组或单个控制伸缩动作，行程为2200mm，管片拼装机沿隧道轴线运动行程2000mm，旋转角度+/-200，可保证封顶块在任何位置时管片错缝拼装的需要，须满足本工程1500mm管片的拼装要求。1.2.3 满足本区间掘进安全性要求满足本区间掘进安全性要求，主要从地面沉降控制及隧道掘进轴线的精确性两方面来考虑：（1）满足地面最大隆陷值控制在+10mm，-20mm范围内。在土仓中须安装有4个土压传感器，能准确地监测出开挖面各方位的水土压力，并实时显示在盾构机控制室的操作面板上，以便使操作人员根据需要，合理地选择掘进参数，确保盾构机在土压平衡模式下的安全掘进。在注浆管路的末端须安装有浆液压力传感器，能实时检测注浆各部位浆液的压力变化情况，并将此压力信号转换成电信号以数字形式显示在注浆机的控制面板上。以便注浆操作人员根据注浆压力的变化情况，通过自动或手动控制注浆量，使管片与隧道的环向间隙能够及时被浆液填充，并达到足够饱和度。（2）隧道掘进轴线偏差控制在50mm以内。盾构机须采用先进的姿态测量系统和姿态显示系统，直观地显示出盾构机的姿态，以及自动计算出实际值与理想值的偏差。推进油缸分成上、下、左、右4组，各组油缸的压力可通过操纵控制台上的电位计手工调整，也可单独选择。行程、速度能被检测和显示在控制室的操作面板上，速度可以通过控制台连续调整。1.2.4 满足本区间掘进可靠性要求针对本工程施工特点、难点，盾构机须具有以下可靠性，可保证盾构机在本标段顺利施工。（1）设计参数按照本区间的工程条件确定。（2）主要部件的设计寿命大于10km，主轴承的寿命大于10000小时。（3）盾构机为复合型土压平衡式，在土仓内上下左右配置4个具有高灵敏度的土压传感器，通过PLC能将压力传送到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，压力过高过低都会报警，其中一个土压传感器安装在螺旋输送机外壳里，以向操作人员显示螺旋输送机沿线的压降，检测弃土流动性的变化，能很好地控制土压平衡，减少地面沉降，适合本工程软弱及复合地层掘进的需要。（4）刀盘开口率最小为30%，采用较大的主轴承，应适应XXX复杂多变地层，同时须提高中心部位的开口率，中央敞开式可以限制刀盘结构的磨损，既保证了刀盘的强度，又可有效适应本标段不同地层中的掘进。（5）轴承直径须达3000mm，连接刀盘和主轴承的结构附件之间留有很大的通道，同时刀盘开口须设计成梯形，外小内大，以便弃土能容易地进入土仓。（6）刀盘刀具不仅须设置刮刀，同时还须配置盘形滚刀，盘形滚刀适当超前，以便保护刮刀。（7）盾构机刀盘采用液压驱动，实现无极调速，具有较大的扭矩和转速，可适应不同地层的掘进需要。（8）刀盘上须焊接网状耐磨层，防止因刀具的过度磨损而损坏刀盘。（9）管片安装器为6个自由度齿圈式，保证管片容易拼装及拼装的质量。管片拼装机的纵向行程可用来更换盾尾前两道密封刷。（10）螺旋输送机配置二道闸门，通过二道闸门的开启度改变能更好地形成土塞，设置保压泵接口，在必要时起用保压泵防止螺旋机喷涌，确保了在地下水较大地层的掘进；螺旋输送机须具有回缩功能，前端第一节螺旋部分带有焊接的耐磨衬垫，前筒体堆焊有网状耐磨层，增大易磨损部位的耐磨性。 （11）设有自动控制的膨润土及泡沫添加剂注入设备和管路，注入到开挖面、土仓、螺旋输送机中，充分改良土体。（12）采用盾尾同步注浆系统，可及时填充管片与开挖直径之间的间隙，减小沉降。同时，为防止管片上浮，须配置二次注浆管路及一套注浆设备。（13）配置超前钻机及钻探口，超前钻机可方便地安装在盾构机的操作平台上，可以在地质复杂区段对前方地层进行超前钻探及注浆加固。（14）皮带输送机上须装有自动秤量系统传感器，排碴超过上限即报警。（15）具有应对紧急突发事件的能力。如紧急停电时，螺旋机出土闸门可以通过蓄能器（断电后阀门自动打开）自动关闭，保持仓内土体的稳定。（16）数据采集系统灵敏可靠，能将盾构机姿态、推进力、刀盘扭矩、推进速度、螺旋输送机转速等参数进行准确检测，并通过数据处理传输系统进行高效可靠地处理和存储，最后通过各种数字或图表形式显示出来。当以上过程出现故障时，可通过在其上安装的故障自动诊断系统进行故障自动检索和显示。（17）激光导向系统，有足够的掘进方向检测能力及纠错能力，能在各种高温、高湿度、高粉尘，振动等恶劣环境下高效可靠地运行，并具有较高的灵敏度和极小的误差。完全能够满足盾构机姿态控制精确度高的要求。（18）具有双仓式气压人行闸设计，设置土仓自动调压装置，保证更换刀具的便利及人员的安全。（19）盾尾设置三道钢丝刷，可通过自动和手动两种模式向盾尾密封处的环型空腔中注入专用密封油脂，以及通过改变油脂注入的压力和数量，保证盾尾的密封效果及可靠性。1.2.5 符合环境保护要求的设计要求（1）地表建筑物保护盾构机具有土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制，保护地表建筑物。本区间地表建筑物密集，地表沉降要求高。对于控制地表沉降，盾构机具有以下设计特点：盾构机能够在土压平衡模式下掘进，能有效的稳定开挖面地层，通过同步注浆保证掘进后管片外表面与隧道壁的环向间隙能够及时得以填充。通过在土压平衡模式下掘进时使用保压泵碴和螺旋输送机双开门装置对出土的控制，可以有效防止地层水流失，避免地层水流失造成的地面沉降。通过土仓密闭设计及辅助保压系统，在刀具更换等情况下也可实现掌子面的稳定。（2）消耗的材料具有环保特点盾构机使用的主轴承密封油脂、盾尾密封油脂均须具有生物可降解性和无毒性，泡沫剂在使用后的一天内即可自行分解，属于绿色环保材料，其环保性能须完全符合欧洲标准。1.3 刀盘、刀具的特点和适应性要求1.3.1 刀盘的特点和适应性要求（1）刀盘主体结构刀盘主体结构由面板、侧板、筋板、外缘板、滚刀座、耐磨合金条和支撑臂焊接而成，整体性强。为了便于安装更多的边缘刮刀和边缘滚刀，边缘区须采用弧面过渡，使整个刀盘呈弧拱设计，可以在有限的区域内增加刀盘的表面积，从而增加滚刀的数量，使得滚刀之间的距离缩小，并且弧面过渡的设计保证了滚刀与开挖面所形成的角度满足一定的要求，这样，改善了滚刀的安装及受力状况，提高边缘滚刀的使用寿命，降低刀具更换频率。 刀盘的开口率（30%），刀盘主体结构的高强度高刚性设计可以保证刀盘能在本工程施工期间不变形、不损坏，适宜大扭矩和大推力的作业工况。（2）刀盘对开挖面的支护性能刀盘设计的开挖直径为6280mm，最小开口率30%。土压平衡盾构机其原理主要是依靠土仓中的受压渣土与开挖面水土压力保持平衡，但刀盘面也可以起到一定的平衡开挖面稳定的作用，因此，剩余90的面积可用于支撑开挖面的稳定，适应本工程软土地层较多、沉降控制严格的要求。但当开挖面失稳时刀盘面积只是起到有限的支撑作用，并不能真正支撑开挖面的稳定，所以必须要在土仓XX立土压以平衡开挖面的土压。（3）刀盘良好的进碴性能采用较大的主轴承，提高中心部位的开口率，刀盘排碴口处的的开口设计须成梯形结构型式，外小内大，有利于使碴土平滑顺畅地进入土仓，防止在面板上产生泥饼现象，提高掘进效率。（4）刀盘防泥饼性能由于本工程盾构机通过<6-2>、6-3、8-1、8-2等地层，在此类地层中掘进时，刀盘中心区和土仓中心区容易粘泥而形成“泥饼”，产生堵仓现象，造成刀盘转动负荷加大，排土不畅，甚至停止转动，同时造成土仓内温度升高，影响主轴承密封的寿命，严重时会造成主轴承密封破坏，“泥饼”现象往往会堵塞滚刀，使滚刀发生偏磨。如果地下水较丰富，螺旋机由于排土不畅而无法形成土塞，排土口就会产生喷涌，从而开挖面失稳发生坍塌。为了防止这种现象出现，采用以下措施：刀盘产生“泥饼”现象与刀具的布置、形式及刀盘的开口率、形状等有关，为了防止“泥饼”现象的发生，刀盘的刀座设计须充分考虑在不同的地质情况下同一位置可安装与不同地层相适应的刀具。在刀盘面板上设置添加剂注入孔，配置自动泡沫和添加剂注入系统，可根据需要向开挖面喷射水、泡沫和膨润土，改善碴土的流动性，减小开挖面泥饼生成的机会。为了防止“泥饼”产生，本工程中将采用注入泡沫，来有效改善碴土的流动性，防止粘性土附着在刀盘上。刀盘上须设有搅拌棒，可以随着刀盘一起转动，辅以仓壁上的固定搅拌棒可起到搅拌破碎碴土的功能。（5）刀盘的抗磨损性能刀盘设计须充分考虑本标段部分断面的底部岩石强度，使用土压平衡式掘进的特点，在刀盘外周磨损机会较多的部位堆焊大量的网格状耐磨合金层，如刀盘面板正面及外周、搅拌棒、刀盘边缘板和滚刀刀座等处；此外，还须在刀盘外缘板上设计若干道耐磨合金环和硬质合金刀具，从而大大提高刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。1.3.2 刀具的特点和适应性要求考虑本区段的地质情况，在此种地层将采用滚刀和刮刀的组合来完成掘进施工。盾构机主要采用盘型滚刀、普通刮刀、片式刮刀三种刀具来完成本标段的盾构施工。（1）盘型滚刀的选择依据盘型滚刀广泛用于复合型土压平衡式盾构机，具有很好的破碎能力和寿命。盘型滚刀有3种形式：轮毂上有1个刀环的单刃盘型滚刀，轮毂上有2个刀环的双刃盘型滚刀，轮毂上有3个刀环的三刃盘型滚刀。这3种形式的盘型滚刀在刀盘上的不同组合，可以切削各种不同抗压强度的岩盘。盘型滚刀系列技术参数见表8-1。表8-1 盘型滚刀系列技术参数表盘型滚刀直径 (英寸)1215.51919砾层掘进时容许荷载 （单刃）(tf)405990100岩石掘进时容许荷载 （单刃）(tf)12.8182232刀刃宽度 (mm)16162222砾层掘进时刀刃容许磨损量(mm)18202530各种单轴抗压强度的岩盘与盘型滚刀之间的选择关系见图8-1。图8-1 岩盘抗压强度与盘型滚刀之间关系在岩石中掘进时，在布置盘型滚刀时应尽可能的多增加盘型滚刀数量使其切削轨迹间距变小，减少每一滚刀所受的荷载，提高其寿命。将刀盘的边缘形状设计成弧形，增加刀盘的表面积，使配置盘型滚刀数量增加，并且由于在刀盘外周设计成弧形，有利于刀盘外周盘型滚刀的布置和受力状况。（2）刀具类型及其作用本次将选用的滚刀为单刃滚刀、双刃滚刀 ，主要用于破碎岩石和软土中的孤石，须分别被安装在刀盘边缘、正面及中心区域。用于泥质岩层切削的刀具主要为刮刀，须分布在刀盘边缘及开口两侧。考虑到本工程在岩石层和软弱的土质中使用，刀具母体须采用耐冲击性及耐磨性优越的E5材质，切刀和刮刀配有碳钨合金刀齿。并且考虑到盾构机的重复使用及切削刀磨损而需进行更换的情况，在结构安装上考虑采用螺栓联接的形式，以便在维修及切削刀具磨损较严重时，可以更换。（3）刀具的更换滚刀的安装须采用背装式螺栓连接，刮刀的安装采用辐条两侧螺栓连接，均可在切削仓内进行刀具更换，无需暴露在没有支撑的开挖面上，充分保证换刀人员的安全。与在刀盘正面安装的形式相比，背装式的设计也为刀具的更换提供了较大的作业空间，使刀具的更换速度得以明显的提高。刀具的更换时间可参考切削刀盘累计转数表的显示值，求出滚刀掘削距离，以及通过掘进过程中推进力、扭矩增大，推进速度极低，开挖声音异常等来判定，但是由于XXX地层的复杂性，很难准确地从上述原因中判定刀具的磨损状况。适时检查滚刀（特别是最外周）的磨损情况，及时更换。1.4 各种掘进模式对不同地层的适应性复合型土压平衡式盾构机的掘进模式主要有土压平衡掘进模式、敞开式掘进模式以及介于两者之间的半敞开模式三种，各有其工作特点和适用的地质条件。所选的盾构机可在掘进过程中根据不同的地质情况选择不同的掘进模式以便达到最好的掘进效果。1.4.1 土压平衡掘进模式土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使开挖室里充满了泥土、天然水或添加的水和泡沫的混合物。该混合物被刀盘梁以及固定的和运动的拌和棒进行搅拌。开挖过程中，通过调节螺旋输送机的转速以平衡进渣与排渣量，使混合物保持在要求的土压力。开挖室里的土压每时每刻都受到控制并保持，水土压力实现动态平衡，从而保持开挖面的稳定性，减少地面的沉降。在开挖过程中，螺旋输送机的转速随着土压传感器的指示会作相应的调整。如果其它运行参数（如推力、注入量）之一发生变化，螺旋输送机的转速会调整使得压力与要求值一致。泥土与螺旋输送机外壳和螺旋叶片的摩擦会产生必要的压降，从而保持入口和出口的压力差。（参见图8-2）图8-2 土压平衡模式示意图盾构机压力控制操作一般有两种模式，根据前方土体情况适当采用。（1）推进油缸速度不变，通过改变螺旋输送机转速，改变排土量来保持开挖面的稳定。（2）螺旋输送机转速不变，通过改变推进油缸的推进速度，改变掘削土量来保持开挖面的稳定。1.4.2 敞开式掘进模式敞开式掘进模式一般用于地层自稳条件比较好的场合，即使不对开挖面进行连续压力平衡，在短时间内也可保证开挖面不失稳，土体不坍塌。本盾构机在敞开式模式掘进时，破碎下来的岩土能够尽快落入土仓下部，并由螺旋输送机迅速地排出。敞开模式掘进中，可间断打开仓门，观察破岩、出土和刀具磨损情况，以便及时准备更换刀具、调整掘进参数和及时转换掘进模式。参见图8-3。图8-3 敞开式模式示意图1.4.3 半敞开模式 如果掘进中遇到虽然围岩稳定、但富含地下水的地层；或者施工断面上大部分围岩稳定，仅有局部会出现失压崩溃的地层，此时应采用半敞开模式（参见图8-4）。增大推进速度以求得快速通过，并暂时停止螺旋机出土。关闭螺旋机出土闸门，使土仓的下部充满碴石，向开挖面和土仓中注入适量的添加材料（如膨润土、泥浆或添加剂）和压缩空气，使土仓内碴土的密水性增加，同时也使添加材料在压力作用下渗进开挖面地层，在开挖面上产生一层致密的“泥膜”。通过气压和泥膜阻止开挖面涌水和坍塌现象的发生，再控制螺旋机低速转动以保证在螺旋机中形成“土塞”，是完全可以安全快速地通过这类不良地层的。使用这种掘进模式，既可维持开挖面稳定，又可达到较高的掘进速度。图8-4 半敞开模式示意图1.4.4 各种模式的比较对掘进过程中需要采用的土压平衡模式、半敞开模式、敞开式模式等三种掘进模式的掘进功耗、对设备配置要求、掘进速度、适用地层进行比较。表8-2 各种掘进模式比较表项 目土压平衡模式半敞开模式敞开式模式掘进功耗大较大小对设备配置要求具有土压传感器，较高的控制精度，添加注入系统，刀盘驱动系统能提供较大的扭矩，刀盘牢固刚性好。除了具有土压平衡掘进的配置以外，还应具有压气系统。要求设备的推力足够大，刀盘驱动系统能提供较大的转速，刀具承载力高且耐磨性能好。掘进速度慢较快快1.5主要参数计算针对本标段线路的埋深、地质和水文特点，结合有关理论和实际施工经验，我公司对盾构机的有关技术参数进行了计算。1.5.1 盾壳直径要求及曲线施工能力（1）管片所能达到的线路最小转弯半径R见图8-5。图8-5 最小转弯半径计算图 236843mm239m管片设计尺寸能够使隧道达到的最小转弯半径R239m。（2）最小盾尾内径D0现根据转弯半径R350000mm计算最小盾尾筒体内径D0(见图8-6中的CD)：图8-6 盾尾最小内径计算图上图显示了盾构机在曲线段及曲线转直线段两个阶段掘进中的盾尾的轨迹情形。红线显示的是在第管片掘进完毕后盾尾筒体内径的理论位置，其轴线沿着线路的切线方向。在盾构机掘进第管片过程中，为了依靠尾刷封堵地下水和注入的砂浆，最少要有一段管片遮盖住尾刷，本盾构设计为半环长度（940.5mm），筒体与管片的接触控制点为B。根据管片尺寸和先前计算，图中：R=236843mmGF=1500/2=950(mm)HA=1519/2=959.5(mm)ME=1481/2=940.5(mm)故，=sin1（GF/R）=sin1(950/236843)=0.1814362OB=OE=ME / tg=940.5 / tg 0.1814362=233841.88OC=OBcos2=233841.88cos0.3628924=233839.19OD=OH=HA/sin=959.5/sin0.1814362=239843.08D0=CD=ODOC=6005.896006（mm）（3）间隙裕量考虑到管片和盾尾承受土压之后会发生变形及偏移、掘进方向控制有一定误差、管片安装存在误差、管片拼装过程需要安装及调整空间、管片不能过度压缩盾尾密封而使密封元件过早失效等诸多因素，在确定盾尾直径时，必须再加上一定的间隙裕量。盾尾间隙裕量：C123其中：1：盾尾内管片的倾斜量2：管片的真圆度公差。3：管片拼装时的余量。由计算得：当隧道曲率半径R250时，14.6mm管片椭圆度公差：2 根据隧道标准真圆度公差：当盾构机外径 6mD<8m 215mm/29.5mm管片拼装时的余量：3根据施工实绩一般取810mm基于以上考虑，盾尾间隙裕量（C）:C1234.6+9.5+(810)20.122.1因此，根据以上计算,考虑地质的不均匀性所造成的盾构机偏移轴线，本工程盾构机盾尾间隙要求为C=45mm。（4）盾构机的盾尾内径确定盾尾内径D由最小盾尾内径D0、间歇裕量所决定：DD0 + 2C6006+2306066（mm）由上述计算可得出结论：只要盾尾内径大于6066mm，即可使得盾构机能够转过半径在239m以上的弯道。本工程中的最小转弯半径为350m，实际所选盾构机的盾尾内径尺寸应大于6066mm，比理论要求的要大。因此，即使实际转弯半径远比500m小，只要大于239m，均可以实现急剧调整方向的目的，满足地层软硬分布不均或操作不当等情况下的施工要求的。1.5.2 总推力的计算计算本隧道时的土压力可按全覆土计算。（1）盾体受力分析该断面处有关土力学参数及由地表至隧道底部的地层构造如下表8-3。表8-3 岩土力学参数表地层代号岩土名称天然密度(g/cm3)凝聚力c(kPa)内摩擦角静止侧压力系数<11-1>全风化花岗岩片麻岩1.9419.219.40.39<11-1-2>全风化花岗岩片麻岩1.9618210.39盾构机的推力考虑在软岩层<11-1>和<11-1-2>中进行。（2）在软岩层中掘进时盾构机的推力的计算根据本标段的埋深条件、地层的土质、地下水及管片衬砌环的特征等条件，参照岩土工程详勘报告，可能出现的最不利受力情况的断面进行计算。 盾构机所受荷载见图8-7。在确定盾构机拱顶处的围岩竖向压力P时，取最不利断面的围岩的力学指标为计算依据，对于深埋断面首先按太沙基卸拱理论计算上覆土地层压力，当深埋但小于2倍隧道直径高度取2倍隧道直径高度的上覆土体自重作为上覆土地层压力。当埋深大于2倍隧道直径高度时，按实际埋深来计算，所取断面埋深为21m。a.按太沙基卸拱理论计算图8-7 盾构受力图松动高度h0式中：为土的内摩擦角，=21为土的容重， =2t/m3 C为土的粘结力，C= 3.1t/m2 H为最大覆土厚度，H =21mP0为地面上置荷载，P0= 1t/m2K0为水平与垂直土压之比，选取K0=1B1为自然拱跨度，式中:R为开挖半径，R=3.14m，故:P=h=221=42t/m2b.计算截面处隧道上覆土体自重作为上覆土地层压力Pe =h+ P0h隧道覆土高度h=21mPe=0.4521+1=10.45t/m2综上所述:因Pe=10.45 t/m2P= 42t/m2，盾构机所受压力：Pe =h+ P0 P01= Pe + G/DLP1=PeP2=(Pt+.D) 式中：为水平侧压力系数，=0.45 h为上覆土厚度，h=21m为土容重，=2t/m3 G为盾构机重，G=450 t D为盾构机外径，D=6.25 m L为盾构机长度，L=9.5 m P0为地面上置荷载，P0= 1t/m2 P01为盾构机底部的均布压力P1为盾构机拱顶处的侧向土压力。 P2为盾构机底部的侧向土压力。Pe=10.45t/m2P01=10.45+450/（6.259.5）=18.03t/m2P1=10.450.45=4.9t/m2P2 =(42+26.25)0.45=24.5t/m2盾构机推力计算盾构的推力主要由以下五部分组成：式中：F1为盾构外壳与土体间的摩擦力 F2为刀盘上的水平推力F3为切土所需要的推力 F4为盾尾与管片之间的摩阻力F5为后方台车的阻力式中：土与钢之间的摩擦系数，计算时取0.3式中，为水平土压力，.f式中：C为土的粘结力，C=3.1t/m2.f式中：WC 为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m3，管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.1t），两环管片的重量为48.2t考虑。C=0.3式中：Gh为盾尾台车的重量，Gh500t；为坡度， tg=0.021g为滚动摩阻，g=0.05推进时所需推力： FF = F1+F2+F3+F4F5=1626kN 1626tf推力的经验计算按照Mechanised Shield Tunneling一书（作者：Bernhard Maidl; Martin Herrenknecht；Lothar Anheuser等）介绍的经验公式Fj=D2（kN）式中，经验系数，按下图8-8取5001200；D盾构外径。图8-8 推力Fj与盾构外径D关系曲线计算出Fj=(5001200)6.252 =1953046895 kN1.5.3 掘进速度的计算根据推进系统油泵的排量，在电机转速为1480rpm时的输出流量：Q泵=148085=125800cm3/min推进千斤顶的受力面积为：S千斤顶=D2/4=3.142224=380 cm2推进千斤顶可达到的最大推进速度（无荷载）：Vmax=Q泵(20S千斤顶)=181250(20380)=16cm/min1.5.4 盾构机刀盘所需扭矩的计算 （1）敞开式掘进时所需的扭矩隧道通过硬岩地层时，一般采用敞开式掘进模式，盾构机刀盘所受的阻力矩主要是全部滚刀转动破岩时所受的摩擦阻力的力矩。最大扭矩TC发生在最大推力的时候，可用下式求得：TC=Pdr1 + Pdr2 + Pdrn=Pdrn式中，单把滚刀的摩擦阻力系数。根据有关实验资料，取0.12；Pd单把滚刀的最大容许荷载，230kN；N滚滚刀的总数，36；rn每个滚刀的相应安装半径；rn所有滚刀安装半径的累计总和，根据厂家的设计图纸计算出其值为55.456m。TC=0.1223055.456=1663.681664 kNm（2）土压平衡掘进时所需的扭矩软岩层掘进，多采用土压平衡掘进模式，土仓充满碴土，刀盘转动需要较大的扭矩。此时一般均向土仓加入大量的泡沫、泥浆类土壤改性物质。碴土的性质与开挖面的土体相比，有明显的改变。一般地，改良后碴土的内摩擦角5。盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。在进行刀盘扭矩计算时：式中：M1为刀具的切削扭矩； M2为刀盘自重产生的旋转力矩；M3为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩 ； M4为密封装置产生的摩擦力矩；M5为刀盘前表面上的摩擦力矩； M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩；M9为刀盘背面的摩擦力矩； M8为刀盘开口槽的剪切力矩；M9为刀盘土腔室内的搅动力矩。a刀具的切削扭矩M1式中：C：土的抗剪应力，C=C+PdMg=3.1+22tg21=10.3t/m2hmax：刀盘每转的最大切削深度，hmax=6cm/转R0：最外圈刀具的半径，R0=3.14mb刀盘自重产生的旋转力矩M2M2=GRg式中：G：刀盘自重，刀盘重量为G=45t R：轴承的接触半径，为R=1.6m g：滚动摩擦系数，计算时取为g=0.004M2=451.60.004=0.29t.mc刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3M3=WpRgzWp=Rc2Pd式中：Wp：推力荷载 ：刀盘封闭系数，=0.9 Rg：轴承推力滚子接触半径，Rg=1.6m Rc：刀盘半径，Rc=3.14 z：滚动摩擦系数，z=0.004 Pd：水平土压力，Pd=22t/m2Wp=0.93.14222=499t.fM3=4991.60.004=3.1t.md密封装置产生的摩擦力矩M4M4=2mF（n1Rm12+n2Rm22）式中：m：密封与钢之间的摩擦系数，m=0.2F：密封的推力，F=0.15t/mn1 、n2 ：密封数，n1=3 n2=3Rm1、Rm2：密封的安装半径，Rm1=1.84m Rm2=2.26mM4= 20.20.15（31.84+32.26）=23tme刀盘前表面上的摩擦力矩M5式中：刀盘开口率，=0.30 P：土层与刀盘之间的摩擦系数，P=0.15 R：刀盘半径，R=3.14mf刀盘圆周面上的摩擦力矩M6M6=2R2BPZP式中：R：刀盘半径，R=3.14mB：刀盘宽度，B=0.9mPZ：刀盘圆周土压力PZ=（Pe+P01+P1+P2）/4=（10.45+18.03+4.9+24.5）/4=14.4t/m2M6=23.1420.914.40.15=93.9t.mg刀盘背面的摩擦力矩M9M9=2/3（1-）R3P0.8PdM9=2/3（0.93.1430.150.822）=120t.mh刀盘开口槽的剪切力矩M8式中：C：土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地取C=0.01Mpa=1M/m2，=5C=C+Pdtg=1+22tg5=2.9 t/m2i刀盘土腔室内的搅动力矩M9M9=2（R12R22）LC式中：d1 ：刀盘支撑梁外径，d1=4.8m d2 ：刀盘支撑梁内径，d2=3.84 m L：支撑梁长度， L=0.8 mM9=2（2.4 2-1.922）0.83.1=32 t.m刀盘扭矩M为M1M9之和M=3.1+0.3+3.1+26+64+93.9+120+53+32=395t.m（3）盾构刀盘扭矩的经验计算盾构刀盘扭矩可按如下常用的经验公式计算求得：Mc=aDc3式中：Mc刀盘扭矩（Mm）a扭矩系数，土压平衡盾构可取 a=1.82.3，Dc刀盘开挖直径，6.28m则 Mc= aDc3= (1.52.0)6.283= 4460 5690kNm1.5.5螺旋输送机的参数计算（1）输送量QTDc盾构机开挖直径，6.28mVn盾构机正常工作掘进速度Vmax正常工作最大掘进速度，取60mm/min，即3.6m/hk松散系数，取1.6则，理论碴土实方量q=VmaxDc2/4 =3.63.146.282/4=111.5m3/h排出的碴土松方量：QT=1.6q =1.6111.5=198m3/h（2）配置的螺旋输送机理论出土量QQ=60n螺(D螺2-d螺2) L螺/4 =60253.14(0.92-0.202)0.56/4=291m3式中，D螺螺旋外径，900mmd螺螺旋轴直径，200mmL螺螺旋节距，560mm n螺螺旋机转速，0-25rpmQ>Q1 满足施工的出土要求。1.5.6 刀盘驱动系统所需的功率采用盾构机刀盘驱动设计的最大工作扭矩所需的功率来验算：P=TDnD2/60=93001.152/60=884Kw式中，TD刀盘驱动设计的最大工作扭矩，9300kNmnD刀盘设计最大扭矩时的最大转速，1.15 rpm主轴承齿轮传动的效率为0.98，因此，刀盘驱动系统所需功率为：P=884/0.98=902kW1.5.7推进系统所需的功率以推力为盾构机配置的最大推力40000kN，掘进速度为最大速度60mm/min来计算，因此，推进系统所需的功率为：P = FVMAX = 400000.06/ 60= 40kW液压系统的传动效率取为0.95，可知推进系统所需的功率为：P推=P推/0.95=53kW参照以上计算的各参数值，拟采购的盾构机须严格满足相应技术参数的要求，以满足本工程盾构掘进的需要及以后的盾构工程。第2节 盾构施工的前期工作根据工程等现场实际情况，本标段盾构工程前期准备时间较长。在前期任务中，除抓住盾构机设计、制造和运输环节外，还要进行地质补勘，管线及建（构）筑物的调查、核实与保护，盾构施工配套设备设施的选型，管片预生产等诸多工作。2.1补充地质钻探2.1.1补勘目的和方法1、勘察目的：此次补充勘察工作是针对本项目的区间隧道、盾构始发/接收洞门土体加固区等在详勘中不够明晰的区或位置的进一步详细探明，尤其是对隧道范围内盾构施工难度较大的变质沙岩区段及岩面变化较大区段。2、勘察方法：拟采用XY-100钻机钻孔、取芯进行补勘，勘探方法可根据地层岩性和地下水位观测等要求选择。钻探采用普通合金钢钻头或金刚石钻头，单管泥浆护壁反循环钻进或双重管，或其它适宜本地区的勘探工艺。2.1.2 补勘孔的定位1、盾构始发端、接收端位置。2、沿线岩土分层界线起伏变化较大段。3、计划换刀地点周围，会影响范围房屋基础地段。4、在一侧布孔较多，另一侧布孔较少时。2.1.3 补勘质量主要要求