土压平衡盾构机主要技术参数的选择

土压平衡盾构机主要技术参数的选择；摘要：简要介绍盾构设备的基本组成，同时说明在设备；关键词：盾构；土压平衡；后配套；技术参数；盾构法施工将掘进设备通过竖井送到地下一定深度后可；土压平衡(EPB)盾构机具有封闭的土仓，其基本工；土压平衡盾构适合的岩土条件在粘土到砂、中砾石的范；1EPB 盾构基本构成；EPB盾构机由主体和后配套系统组成盾构机的主体结；表1列举了在

土压平衡盾构机主要技术参数的选择

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

盾构法施工将掘进设备通过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lO 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。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，同时对结构与围岩问的缝隙注浆填充，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／s[3] 。水渗透系数过太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粘土、砂、砾石等现状，我们确定选用土压平衡式盾构，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。

1 EPB盾构基本构成

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。 2 切削刀盘

2.1 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人土仓，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，增加了沉降的风险。

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测，北京地区的施工经验表明刀具在不均匀卵石层

中磨损的同时容易发生崩角的现象，所以要精心设计刀头的形状并合理控制推进速度。

2.2 刀盘的支撑方式

轴承与盾构机前体连接，其支撑方式一般有3种：中心支撑、中间支撑、周边支撑。中心支撑是在轴线位置布置轴承。其优点是轴承结构小，密封面积小，容易保证密封质量，但盾构壳体周边的刚度较差，故适合用于小直径盾构机。周边支撑是将刀盘支撑在盾构周边壳体结构上，支撑刚度好，但轴承尺寸大，密封结构复杂，适合用于大直径盾构。中间支撑介于前两者之间。制造商根据机构布置等因素综合考虑这个问题。我们采购的盾构机直径为6.25m，属于中等直径尺寸，采用中间支撑方式，主轴承外径2.6m。

2.3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3部分组成，其它还有变向阻力、切口环前端的贯人阻力、后方台车的牵引阻力等。

F1=πDLc

F2=πD2Pd/4

F3=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1．5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。

3 添加剂注入和搅拌装置

添加剂注入装置由泵、注入孔、控制机构和管路等组成。添加剂的作用是极大地改善土体流动性，减少刀具磨损，降低土体渗透性，降低刀盘扭矩，同时可以延长刀具寿命。搅拌装置由刀盘、盘背搅拌翼、中隔壁上的固定翼或驱动翼组成。搅拌装置使土体产生相对运动，防止发生共转、附着、沉淀等现象，使土与添加剂能搅拌较均匀，处于流动状态从而用螺旋输送机输出。

添加剂注入位置、口径、口数量需要根据工程地质条件和不同的目的设置，一般在盾构机正前方或外周部分(为进行超挖部分的填充)向土体内注入添加剂，有时在螺旋输送机上也要布置1~2处添加剂注浆孔提高螺旋输送机对压力水的密封性。

添加剂有4种类型，即矿物类材料、界面活性材料、高吸水性材料、水溶性高分子材料。施工前要通过技术分析确定使用的添加剂类型，然后才能配备相应的设备，向设备制造商提出注浆方式、浆液类型。在盾构推进的同时进行注浆为同步注浆，推进后迅速注浆为即时注浆。注浆材料有双液浆和单液浆两种，施工单位需要根据围岩的稳定性确定注浆时间和浆液类型。然后在盾构机订货中明确注浆要求，以便配备注浆管道和清洗系统。

4 其它因素

4.1顶进油缸及铰接油缸；顶进油缸行程一般为管片宽度加操作富裕量100m m；当线路转弯半径小于250m时，一般要配铰接油缸，；4．2排土系统；排土系统包括螺旋输送机和皮带输送机；螺旋输送机分为有轴和无轴两种，外壳和螺杆也可根据；乎对土体出现涌水等异常现象的控制力较差，当土质透；皮带输送机将渣土从螺旋机出料口传送到运渣车中，它；4.3后配套系统；盾构机的后配套

4.1顶进油缸及铰接油缸

顶进油缸行程一般为管片宽度加操作富裕量100mm~150mm。对于每环管片，最后闭合块的安装从径向或轴向插入，如果采用轴向插入，要求油缸有较长的行程。对于标准型管片，其最后的封闭块都可以固定在一个位置(例如顶部)，

此处需要较长油缸，以满足插入行程。而通用型管片，其管片位置沿圆周总是在变化，所以全部顶进油缸都要做成长油缸，具体长度与封闭块厚度、楔型角度有关。

当线路转弯半径小于250m时，一般要配铰接油缸，将盾构的前体与盾尾实现铰接，便于转向。

4．2 排土系统

排土系统包括螺旋输送机和皮带输送机。螺旋输送机的扭矩、出土量、盾构机推进速度及地质状况等因素有关，必须具备保持土仓土压力、地下水压力平衡并按照盾构推进量调节排土量的能力。土仓上安装土压力传感器，随时将数据传输到计算机中。操作人员通过螺旋输送机控制土仓压力，螺旋输送机可实现无级调速，我们采购的设备其调速范围在0~19rpm。需要时采用调整出土速度的手段调整压力，通过形成土栓防止地下水涌出，直至关闭出土闸门。

螺旋输送机分为有轴和无轴两种，外壳和螺杆也可根据安装、更换需要设计成几段。选型时必须确切了解目标地层的土质、卵石层的最大颗粒尺寸、地下水等条件，同时考虑盾构直径及隧道内外的条件。有时采用无轴型，便于大直径的粒料通过，其粒料的最大通过尺寸为d=D-B (D为螺旋壳体内径，B为螺旋叶片宽度)。由于中间是空的，似

乎对土体出现涌水等异常现象的控制力较差，当土质透水性好时不宜采用。现多数采用有轴型，其粒料的最大通过尺寸为B。

皮带输送机将渣土从螺旋机出料口传送到运渣车中，它的排放能力要大于螺旋机的出土能力。

4.3后配套系统

盾构机的后配套系统安装在几组台车钢架上，通过各种管道将各系统的动力部分和执行部分连接起来。主要包括冷却系统、顶进及铰接油缸的液压泵站系统、添加剂泵站系统、壁后注浆泵站系统、主驱动装置的润滑泵、盾尾油脂泵、空气压缩机、高低压配电系统、控制台等。还应配备管片吊车及其轨道、管片储送架。还有测系统，在后部一定距离布置全站仪，对盾构机的行进随时监控。

以上是对盾构设备采购中需要进行选择的技术参数进行一些分析，由于每个工程情况不同，设备厂家设计思路不同，在确定设备加工要求时可能出现更多需要协调的问题，需要根据厂家资料和工程资料具体计算分析，有些参数由厂家计算后提供。

参考文献