盾构机技术研究

摘 要：为适应地铁、铁路、引水等大型工程建设的盾构需求，我国正开展研发、设计和制造具有自主知识产权的国产盾构机的相关工作，掌握盾构机自主研发技术一直是我国盾构行业亟待解决的重要课题。基于上述背景，本文将基于广船国际研制的Φ8 780 mm盾构机对相关技术做一个初步的探讨。

关键词：盾构机；技术；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

随着我国轨道交通的发展，盾构设备的使用越来越广泛，盾构设备的国产化亦日益迫切，因此，应该在引进国外先进盾构设备的同时，不断加强各方面的技术力量，开发适合我国国情和不同地质环境情况下使用的国产盾构机。现以广船国际设计制造的φ8 780 mm土压平衡式盾构机为例，介绍盾构机的主要参数的设计确定。

1 盾构机主要参数设计要求

盾构机是一种特殊的工程机械，每台盾构机都应该适用其所参与的工程需要。其主要参数设计必须有相应的盾构工程条件，一般由业主在招标文件中提供，并最终在双方共同确定的技术规格书中落实要求和具体参数。

2 刀盘装置

盾构机刀盘主要由刀盘主体结构、刀具、刀盘附属结构以及刀盘驱动装置构成，刀盘的设计主要依据工程的地质施工条件所决定，下面初步介绍盾构机刀盘装置的设计。

2.1 刀盘主体结构

刀盘一般分为面板式和辐条式两种（图1），主要根据掘进隧道所在的地质特征而定，辐条式刀盘由于其开口率较大(60%~95%)，对开挖面不能起到很好的支护作用，主要应用于地质条件比较单一稳定的环境；面板式刀盘开口率较小(25%～45%),可以利用其本体结构对开挖面起到很好的支护作用，面板式刀盘由于其结构比较牢固，还可安装滚刀进行岩层的隧道掘进施工，因此，面板式刀盘主要应用在软、危、岩等复杂地质条件下施工。

本次Φ8 780 mm盾构机为适应所应用的盾构标段（珠三角地区），采用了面板式焊接结构刀盘，开挖直径8 820 mm，开口率约30%，材料选用Q345B。

通过建立三维模型，根据刀盘的受力状况进行有限元分析(图2)，要求其所受最大应力和最大形变都在允许范围之内。

2.2 刀具的选用及布置

盾构机刀具的布置和选用是否适合应用工程的地质条件，直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。

1）刀具的选用

盾构机刀具一般分为切削刀和滚刀以及辅助刀具，切削刀一般又分为齿刀、刮刀和先行刀等，滚刀一般为盘形滚刀，辅助刀具包括周边保护刀、刀具保护刀、仿形刀、磨损检测刀等。

对于不同的地层的开挖，盾构机刀具采用不同的形式，开挖地层为岩层时采用盘形滚刀，地层为较软岩层时采用齿刀，地层为软土或破碎软岩时可采用刮刀，其他刀具根据施工需要进行选用（图3）。

此次Φ8 780 mm盾构机所施工的地层既有岩层，又有土层，因此在此台盾构机刀盘上既选用了滚刀，又选用了刮刀，其中刮刀144个，外周保护刀12个，刀座保护刀40个，磨耗检测刀(液压式) 2个，注入孔保护刀8个，单刃滚刀17英寸40个，双刃滚刀17英寸5个，中心滚刀17英寸4个。

2）刀具的布置

刀具布置不但要考虑刀具的种类，而且还要考虑整个刀盘面不同半径的运动特性和结构特性。

滚刀刃口一般高于刀盘面110 mm，在刀盘表面半径方向上的滚刀分布以80～100 mm左右的轨迹间距为原则，平均分配各滚刀在辐条上的位置。

刮刀在刀盘面上一般低于滚刀20~35 mm，让滚刀起到先一步压碎岩石的作用，刮刀在其后可将碎裂的岩石刮下并带至开口部位。在刀盘面的半径方向上，刮刀的布置按滚刀的轨迹进行布置，刀盘中心每条轨迹布置一把刮刀，在其他轨迹上布置多把刮刀，每条轨迹上应布置辐条数量一半的刮刀。

为了稳定刀盘的开挖直径，在刀盘的圆周外壁，均匀布置了周边保护刀。刀盘面上还布置了磨损检测刀，以便检测刀具的磨损情况。为了便于曲线施工，在刀盘的周边还布置了可以伸缩仿形刀和超挖滚刀。

根据以上原则我们完成Φ8 780 mm盾构机的刀具布置（图4）。

2.3 刀盘附属结构

为了提高盾构机的掘进效率，在刀盘上还布置了其他附属结构，主要包括搅拌棒以及多种添加剂的注入口。

刀盘背面的搅拌棒可以带动土仓中的泥土运动，加强土仓中土渣的流动性，以防止土渣在土仓和刀盘上凝结泥饼。

在掘进过程中还必须在刀盘面注入泡沫以及膨润土等添加剂，增加开挖面稳定性以及改良土渣性质，降低刀具磨损，提高掘进效率，因此，在刀盘面上必须设置泡沫以及膨润土等添加剂的主入口。

2.4 刀盘主驱动装置

刀盘主驱动装置是盾构机的核心部件，它一般由刀头支撑、土砂密封、主轴承、驱动部件等组成，其主要结构与行星减速机结构相似，通过电机或马达对主轴承上的齿圈进行驱动，以带动整个刀盘旋转（图5）。

盾构机常用的驱动方式有变频电机式和液压马达式，变频电机驱动具有噪音小、机械效率高以及内部温度稳定的优点，还可通过变频实现刀盘的无级调速。

刀盘轴承装置一般使用三排滚式大口径轴承(图6)。大口径轴承通过主轴向滚排、反轴向滚排、径向滚排来承受作用于刀盘装置的负载。

刀盘驱动部的土砂密封采用最多的是封唇型密封。在其内周侧、外周侧各装备径向1排，轴向2排。对各密封之间自动供应油脂，从而提高止水性能及降低密封的滑动阻力。

在刀盘主驱动装置中，驱动扭矩(及盾构机的挖掘扭矩)是其关键参数，它直接关系到主轴承以及驱动电机减速机的主要参数。一般认为盾构机（轴承型中间支承方式）的挖掘所需扭矩T由以下各要素构成：T = T1 + T2 + T3 + T4 + T5+ T6。

T1：克服泥土切削阻力所需的扭矩

T2：克服与泥土的摩擦阻力所需的扭矩

T3：克服机械阻力（径向负载）所需的扭矩

T4：克服机械阻力（轴向负载）所需的扭矩

T5：克服密封阻力所需的扭矩

T6：中间梁的搅动而产生的负荷扭矩。

刀盘主驱动装置中主轴承、主密封以及驱动电机为整台盾构机的关键部件，在技术规格书中盾构机业主方一般会明确提出其寿命时间，因此，需要对其进行寿命计算，在计算时主要根据工程状况，结合关键部件厂家提供的寿命计算方法进行计算。

3 盾体结构

3.1 盾体直径

盾构直径是指盾壳的外径，而与刀盘、同步注浆用配管等突出部分无关。盾构直径必须根据管片外径、盾尾间隙和盾尾钢板厚度进行确定，可按以下公式计算出盾构直径：

D=d+2(x1+δ+x2)

式中：D:盾构直径

d:管片外径(由工程条件决定)

x1:盾尾间隙(由工程条件计算所得)

δ:盾尾钢板厚度(由工程条件计算所得)

x2:其他设备所需(由工程条件所得)。

此次Φ8 780 mm盾构机管片外径d=8 500 mm，通过计算(计算方法见下文)得盾尾间隙x1=30 mm，盾尾钢板厚度δ=60 mm，盾尾注浆管布置所需x2=45，由此可得盾尾直径为8 770 mm，考虑到盾构掘进的便利性（刀盘、前盾、后盾直径逐渐减小），因此，此次前盾体直径取8 780 mm。

3.1.1 盾尾间隙

盾尾间隙是指盾壳钢板内表面与管片外表面的空隙。盾尾间隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定(图7)。

根据实际经验，盾尾间隙一般取20～40 mm，此次Φ8 780 mm盾构机计算所得盾尾间隙的最小需求值为19 mm，我们设定了盾尾间隙30 mm。

3.1.2 盾尾钢板厚度

盾尾钢板厚度主要由其受力情况所决定，盾尾强度是与土壤条件、埋深、盾体的钢板厚度、材料等条件有关，通过对盾尾强度的分析得出所需盾尾厚度。

1）整体受力分析

见图8。

垂直负载P1、P2为：

P1=γ’ H+γwHw+Po

P2=P1+S

式中：

H:覆土厚度（一般指埋深）

H1:可考虑的负荷高度（根据太沙基理论计算所得）

HW:盾构机顶部到地下水面之间距离（工程水文条件）

φ:土壤内摩擦角（由土质条件决定）

γ:泥土容重（由土质条件决定）

γ’:泥土容重（地下水面下）

γw:水的容重（含水平均密度）

γ0:盾构壳体材料的密度

t:盾构壳体的厚度

R:盾构机外半径

S:盾构壳体恒载的反作用力

g:盾构壳体的容重

P0:地面负荷（由工程状况决定）

K:土壤反作用系数（由土质条件决定）

C:土壤内聚力（由土质条件决定）

K0:自然土压系数 = 1

R:盾构机外半径。

2）应力分析

我们可以通过建立三维模型进行有限元分析(图10)，快速的验证盾尾钢板厚度是否满足强度要求。

此次Φ8 780 mm盾构机盾壳所采用材料为Q235B，其许用应力为235 N/mm2,通过计算所得，当盾尾板厚为60 mm时，最大应力为119.07 N/mm2，安全系数为1.34，最大变位最大变位3.081 mm，完全满足使用要求。

3.2 盾构长度

盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖形式、运转操作、衬砌形式和盾构机的灵敏度(即盾壳总长L与盾构外径D之比)。一般在盾构直径确定后，灵敏度值一般可按经验数据进行参考设计:

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

由此我们可以估算出盾构主体的长度，在详细设计中，考虑工程条件、设备布置等空间位置对盾构长度进行完善。

此次Φ8 780 mm盾构机在综合考虑各方面因素后，所设计的盾构主体长度11 100 mm，切口环长度950 mm，支撑环长度5 435 mm，盾尾长度4 715 mm。3.3 盾尾密封

盾尾密封结构安装在盾构机盾尾后端，其作用是防止来自管片与机体盾尾部空隙的地下水及土砂的渗入。一般采用2～3道。各道钢丝刷之间填充油脂，使其成为一个既有塑性又有弹性的整体，油脂又能保护钢丝免于生锈损坏。

4 推进装置

盾构机的推进装置主要由多组千斤顶组成，通过计算出盾构机推进所需总推力大小，以及管片单位面积所能承受的压力大小，得出所需千斤顶的数量，在盾构直径内均布千斤顶，千斤顶的伸缩速度一般由工程需要所定(6~8 cm/min)，千斤顶一般分组控制，并设置行程及压力传感装置。

盾构机向前行进是靠安装在支撑环周围的千斤顶推动，各千斤顶合力就是盾构的总推力，在计算推力时，一定要将工程的施工全过程中对盾构可能产生的阻力全部计算在内。

以土压平衡式盾构机的挖掘进程为例，会出现下列阻力 (F1, F2, F3, F4)。

1）泥土和盾构壳体间的摩擦阻力

式中：

D: 盾构机外径 L: 盾构机总长

W: 盾构机总重量 PV: 垂直负载

Ph: 水平负载 L: 泥土和盾构壳体间的摩擦系数。2）管片和盾构壳体间的摩擦阻力

式中：

WS: 管片的重量

: 管片和盾构壳体间的摩擦系数。3）拖动后备系统产生的阻力

式中：

WG: 后续系统的总重量

: 车轮和钢轨间的摩擦系数。4）水对刀盘面的压力产生的阻力

式中：

D: 盾构机外径 PW: 刀盘面水压

由此，所需的推进力P可由下式得出：

式中: f 为安全系数(一般取1~2)。

代入Φ8 780 mm盾构机的工程参数，计算可得所需推进力为54 520.9 kN，在综合考虑油缸大小分布及液压系统压力情况，最终采用了24根千斤顶（3 000 kNx2 450 sx35 Mpax24 No.），其实际装备总推力可达72 000 kN，完全满足施工要求。

5 铰接装置

在隧道施工中一般会出现曲线施工的情况，因此，盾构机需要配备铰接装置，作为曲线段施工时的辅助装置。铰接装置是将盾构机机体分割成前体和后体，铰接密封安装在分割部位。用铰接油缸连接前体和后体的结构。按千斤顶的装备方法不同，有将千斤顶固定在前体上的前体推压型（被动铰接），和将千斤顶固定在后体上的后体推压型（主动铰接）两种类型（图11）。各种方式的铰接都有各自不同的特征，前体推压型是盾构油缸单向推压，故在拼装的管片内侧容易发生拉伸弯矩，管片易损坏。

本次Φ8 780 mm盾构机为主动铰接，采用16个3500 kN的千斤顶，总推力56 000 kN，行程300 mm，可实现上下左右1.5°转向。

6 螺旋输送机

螺旋输送机是一个排出泥土的装置，用来排出由刀盘挖掘出的泥土。它也可以通过调整泥土排量来控制刀盘土仓内的土压。

通过计算可得盾构机的挖掘量及螺旋机的理论排土量，其中螺旋机的理论排土量必须大于盾构机的挖掘量，这样才可以通过调节排土量来控制土仓土压。

本次Φ8 780 mm盾构机螺旋机的理论排土量约340 m3/ h，其实际挖掘量约290 m3/h。在螺旋输送机的前后都设置有闸门，采用液压油缸驱动，并带有保压装置，以便在需要时用来封闭土仓及螺旋机内部土渣。本次螺旋机的后闸门设置了两道，分布于螺旋机尾部的轴向和径向，以实现更快速便捷的排土。

7 管片拼装机

管片拼装机主要用于隧道管片的衬砌,通过液压马达和液压油缸驱动，可整体旋转±200°，上下伸缩，前后伸缩，在抓斗部位还可前后摇摆，左右摇摆，实现6个自由度的动作。

在拼装机主要结构确定后，我们必须对其装备扭矩、管片推压力等校核，以满足管片拼装机实际使用的需要。

8 其他系统

除了上述盾构机的基本构造，盾构机根据各工程项目的需要还配备了必须的电气控制系统、自动导向系统、数据采集系统以及后配套系统(包括注浆设备、膨润土设备、冷却水设备、设备、盾尾油脂设备、压缩空气设备、控制室、皮带输送机以及其他电气设备等)。

9 结束语

广船国际制造的2台Φ8 780 mm土压平衡式盾构机现已交付客户使用，已顺利开展地下隧道掘进工作，1号机已完成200环试掘进，相比同线路上正在使用的其他品牌盾构机，广船国际制造的盾构机性能先进、可靠，掘进速度效率高，得到了用户的好评。通过此次盾构机设计制造，为今后广船国际盾构机的技术研究以及关键部件国产化打下了基础。

参考文献

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