鐘堅

摘要：為適應(yīng)地鐵、鐵路、引水等大型工程建設(shè)的盾構(gòu)需求，我國正開展研發(fā)、設(shè)計和制造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)盾構(gòu)機的相關(guān)工作，掌握盾構(gòu)機自主研發(fā)技術(shù)一直是我國盾構(gòu)行業(yè)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(gòu)機對相關(guān)技術(shù)做一個初步的探討。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；技術(shù)；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(fā)展，盾構(gòu)設(shè)備的使用越來越廣泛，盾構(gòu)設(shè)備的國產(chǎn)化亦日益迫切，因此，應(yīng)該在引進(jìn)國外先進(jìn)盾構(gòu)設(shè)備的同時，不斷加強各方面的技術(shù)力量，開發(fā)適合我國國情和不同地質(zhì)環(huán)境情況下使用的國產(chǎn)盾構(gòu)機?，F(xiàn)以廣船國際設(shè)計制造的φ8 780 mm土壓平衡式盾構(gòu)機為例，介紹盾構(gòu)機的主要參數(shù)的設(shè)計確定。

1盾構(gòu)機主要參數(shù)設(shè)計要求

盾構(gòu)機是一種特殊的工程機械，每臺盾構(gòu)機都應(yīng)該適用其所參與的工程需要。其主要參數(shù)設(shè)計必須有相應(yīng)的盾構(gòu)工程條件，一般由業(yè)主在招標(biāo)文件中提供，并最終在雙方共同確定的技術(shù)規(guī)格書中落實要求和具體參數(shù)。

2刀盤裝置

盾構(gòu)機刀盤主要由刀盤主體結(jié)構(gòu)、刀具、刀盤附屬結(jié)構(gòu)以及刀盤驅(qū)動裝置構(gòu)成，刀盤的設(shè)計主要依據(jù)工程的地質(zhì)施工條件所決定，下面初步介紹盾構(gòu)機刀盤裝置的設(shè)計。

2.1刀盤主體結(jié)構(gòu)

刀盤一般分為面板式和輻條式兩種（圖1），主要根據(jù)掘進(jìn)隧道所在的地質(zhì)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(hù)作用，主要應(yīng)用于地質(zhì)條件比較單一穩(wěn)定的環(huán)境；面板式刀盤開口率較小(25%～45%),可以利用其本體結(jié)構(gòu)對開挖面起到很好的支護(hù)作用，面板式刀盤由于其結(jié)構(gòu)比較牢固，還可安裝滾刀進(jìn)行巖層的隧道掘進(jìn)施工，因此，面板式刀盤主要應(yīng)用在軟、危、巖等復(fù)雜地質(zhì)條件下施工。

本次Φ8 780 mm盾構(gòu)機為適應(yīng)所應(yīng)用的盾構(gòu)標(biāo)段（珠三角地區(qū)），采用了面板式焊接結(jié)構(gòu)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(jù)刀盤的受力狀況進(jìn)行有限元分析(圖2)，要求其所受最大應(yīng)力和最大形變都在允許范圍之內(nèi)。

2.2刀具的選用及布置

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

1）刀具的選用

盾構(gòu)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(hù)刀、刀具保護(hù)刀、仿形刀、磨損檢測刀等。

對于不同的地層的開挖，盾構(gòu)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(jù)施工需要進(jìn)行選用（圖3）。

此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機所施工的地層既有巖層，又有土層，因此在此臺盾構(gòu)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(hù)刀12個，刀座保護(hù)刀40個，磨耗檢測刀(液壓式) 2個，注入孔保護(hù)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)布置輻條數(shù)量一半的刮刀。

為了穩(wěn)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(hù)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(jù)以上原則我們完成Φ8 780 mm盾構(gòu)機的刀具布置（圖4）。

2.3刀盤附屬結(jié)構(gòu)

為了提高盾構(gòu)機的掘進(jìn)效率，在刀盤上還布置了其他附屬結(jié)構(gòu)，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(jié)泥餅。

在掘進(jìn)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(wěn)定性以及改良土渣性質(zhì)，降低刀具磨損，提高掘進(jìn)效率，因此，在刀盤面上必須設(shè)置泡沫以及膨潤土等添加劑的主入口。

2.4刀盤主驅(qū)動裝置

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

盾構(gòu)機常用的驅(qū)動方式有變頻電機式和液壓馬達(dá)式，變頻電機驅(qū)動具有噪音小、機械效率高以及內(nèi)部溫度穩(wěn)定的優(yōu)點，還可通過變頻實現(xiàn)刀盤的無級調(diào)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(fù)載。

刀盤驅(qū)動部的土砂密封采用最多的是封唇型密封。在其內(nèi)周側(cè)、外周側(cè)各裝備徑向1排，軸向2排。對各密封之間自動供應(yīng)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(qū)動裝置中，驅(qū)動扭矩(及盾構(gòu)機的挖掘扭矩)是其關(guān)鍵參數(shù)，它直接關(guān)系到主軸承以及驅(qū)動電機減速機的主要參數(shù)。一般認(rèn)為盾構(gòu)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(gòu)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(fù)載）所需的扭矩

T4：克服機械阻力（軸向負(fù)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(chǎn)生的負(fù)荷扭矩。

刀盤主驅(qū)動裝置中主軸承、主密封以及驅(qū)動電機為整臺盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件，在技術(shù)規(guī)格書中盾構(gòu)機業(yè)主方一般會明確提出其壽命時間，因此，需要對其進(jìn)行壽命計算，在計算時主要根據(jù)工程狀況，結(jié)合關(guān)鍵部件廠家提供的壽命計算方法進(jìn)行計算。

3盾體結(jié)構(gòu)

3.1盾體直徑

盾構(gòu)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(guān)。盾構(gòu)直徑必須根據(jù)管片外徑、盾尾間隙和盾尾鋼板厚度進(jìn)行確定，可按以下公式計算出盾構(gòu)直徑：

D=d+2(x1+δ+x2)

式中：D:盾構(gòu)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(shè)備所需(由工程條件所得)。

此次Φ8 780 mm盾構(gòu)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(gòu)掘進(jìn)的便利性（刀盤、前盾、后盾直徑逐漸減?。虼?，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(nèi)表面與管片外表面的空隙。盾尾間隙應(yīng)根據(jù)管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結(jié)構(gòu)的安裝等進(jìn)行確定(圖7)。

根據(jù)實際經(jīng)驗，盾尾間隙一般取20～40 mm，此次Φ8 780 mm盾構(gòu)機計算所得盾尾間隙的最小需求值為19 mm，我們設(shè)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(guān)，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(fù)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(fù)荷高度（根據(jù)太沙基理論計算所得）

HW:盾構(gòu)機頂部到地下水面之間距離（工程水文條件）

φ:土壤內(nèi)摩擦角（由土質(zhì)條件決定）

γ:泥土容重（由土質(zhì)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(gòu)殼體材料的密度

t:盾構(gòu)殼體的厚度

R:盾構(gòu)機外半徑

S:盾構(gòu)殼體恒載的反作用力

g:盾構(gòu)殼體的容重

P0:地面負(fù)荷（由工程狀況決定）

K:土壤反作用系數(shù)（由土質(zhì)條件決定）

C:土壤內(nèi)聚力（由土質(zhì)條件決定）

K0:自然土壓系數(shù) = 1

R:盾構(gòu)機外半徑。

2）應(yīng)力分析

我們可以通過建立三維模型進(jìn)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(gòu)機盾殼所采用材料為Q235B，其許用應(yīng)力為235 N/mm2,通過計算所得，當(dāng)盾尾板厚為60 mm時，最大應(yīng)力為119.07 N/mm2，安全系數(shù)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(gòu)長度

盾構(gòu)長度主要取決于地質(zhì)條件、隧道的平面形狀、開挖形式、運轉(zhuǎn)操作、襯砌形式和盾構(gòu)機的靈敏度(即盾殼總長L與盾構(gòu)外徑D之比)。一般在盾構(gòu)直徑確定后，靈敏度值一般可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行參考設(shè)計:

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

由此我們可以估算出盾構(gòu)主體的長度，在詳細(xì)設(shè)計中，考慮工程條件、設(shè)備布置等空間位置對盾構(gòu)長度進(jìn)行完善。

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

盾尾密封結(jié)構(gòu)安裝在盾構(gòu)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(hù)鋼絲免于生銹損壞。

4推進(jìn)裝置

盾構(gòu)機的推進(jìn)裝置主要由多組千斤頂組成，通過計算出盾構(gòu)機推進(jìn)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?shù)臄?shù)量，在盾構(gòu)直徑內(nèi)均布千斤頂，千斤頂?shù)纳炜s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(shè)置行程及壓力傳感裝置。

盾構(gòu)機向前行進(jìn)是靠安裝在支撐環(huán)周圍的千斤頂推動，各千斤頂合力就是盾構(gòu)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(gòu)可能產(chǎn)生的阻力全部計算在內(nèi)。

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

1）泥土和盾構(gòu)殼體間的摩擦阻力

式中：

D: 盾構(gòu)機外徑L: 盾構(gòu)機總長

W: 盾構(gòu)機總重量PV: 垂直負(fù)載

Ph: 水平負(fù)載L: 泥土和盾構(gòu)殼體間的摩擦系數(shù)。2）管片和盾構(gòu)殼體間的摩擦阻力

式中：

WS: 管片的重量

: 管片和盾構(gòu)殼體間的摩擦系數(shù)。3）拖動后備系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力

式中：

WG: 后續(xù)系統(tǒng)的總重量

: 車輪和鋼軌間的摩擦系數(shù)。4）水對刀盤面的壓力產(chǎn)生的阻力

式中：

D: 盾構(gòu)機外徑PW: 刀盤面水壓

由此，所需的推進(jìn)力P可由下式得出：

式中: f 為安全系數(shù)(一般取1~2)。

代入Φ8 780 mm盾構(gòu)機的工程參數(shù)，計算可得所需推進(jìn)力為54 520.9 kN，在綜合考慮油缸大小分布及液壓系統(tǒng)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(dá)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(xiàn)曲線施工的情況，因此，盾構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)。按千斤頂?shù)难b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(gòu)油缸單向推壓，故在拼裝的管片內(nèi)側(cè)容易發(fā)生拉伸彎矩，管片易損壞。

本次Φ8 780 mm盾構(gòu)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(xiàn)上下左右1.5°轉(zhuǎn)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(diào)整泥土排量來控制刀盤土倉內(nèi)的土壓。

通過計算可得盾構(gòu)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(gòu)機的挖掘量，這樣才可以通過調(diào)節(jié)排土量來控制土倉土壓。

本次Φ8 780 mm盾構(gòu)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(shè)置有閘門，采用液壓油缸驅(qū)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(nèi)部土渣。本次螺旋機的后閘門設(shè)置了兩道，分布于螺旋機尾部的軸向和徑向，以實現(xiàn)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(dá)和液壓油缸驅(qū)動，可整體旋轉(zhuǎn)±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(xiàn)6個自由度的動作。

在拼裝機主要結(jié)構(gòu)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(tǒng)

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

9結(jié)束語

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

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