盾构隧道盾构机选型与适应性分析.pdf
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1、2023年6 月第2 期焦作大学学报JOURNAL OF JIAOZUO UNIVERSITYNo.2June 2023盾构隧道盾构机选型与适应性分析张军1.2 丁韬12 月席培胜1:2梦璇2 周冠宇1.2(1.安徽建筑大学土木工程学院,安徽合肥2 30 6 0 1;2.安徽省城市建设和地下空间工程研究中心,安徽 合肥 2 30 6 0 1)摘要:针对黏土地层盾构机施工过程中刀盘易结泥饼的情况,以合肥市轨道交通一号线三期工程为背景,对盾构机推力、扭矩进行相关计算,并对盾构机刀盘刀具进行适应性改造,即采用中心鱼尾刀,选择辐条式刀盘,采用不同安装高度的多排阶梯式主切削刀以及辅助切削刀。结合盾构机选
2、型,通过分析现场施工的监测数据,探究盾构机的设计推力和扭矩是否满足该区段施工要求,刀盘刀具与该地层是否有着良好的适应性,同时,对盾构机的主体设备、刀盘型式、刀具布置和动力系统做出客观、真实的适应性评价。研究结果表明,施工盾构机推力达到30 0 0 0 kN以上,扭矩8 0 0 0 kNm以上,盾构机方可顺利施工。这样的结果将为各地盾构机选型提供借鉴与参考。关键词:盾构;推力;扭矩;刀盘刀具;地层适应性中图分类号:U455文献标志码:A文章编号:10 0 8-7 2 5 7(2 0 2 3)0 2-0 0 7 7-0 6伴随城市轨道交通的迅速发展,愈来愈多的城市将地铁作为解决城市交通拥堵的手段之
3、一。在地铁隧道的施工当中,盾构法显示出巨大的优势,如施工速度快、相对安全、成本相对较低等。盾构法施工的顺利进行除了需要计算推力和扭矩等参数,刀盘刀具的选型与配置也显得尤为重要。在黏土地层施工时,经常因盾构机选型不当而造成经济损失。合肥市地铁建设时间较短,盾构施工区间多为黏土地层,目前,针对该地层缺少系统性研究-1。因此,本文以合肥市地铁物流大道站一瑶海公园站区间施工过程中盾构机选型为例,根据地层地质条件计算推力、扭矩关键参数,并对盾构机刀盘刀具进行适应性改造。1.盾构选型主要参数现有的盾构机主要分为土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机,可根据地层透水系数、地下水压大小、地层颗粒级配等因素对盾构机
4、进行选型,详见表1。盾构施工中,主要从刀盘的选型,刀具的优化配置、推力扭矩的设置对盾构机进行选型分析。表1主要盾构类型及适应条件盾构机类型地层渗透系数地下水压土压平衡式10-710-4m/s泥水平衡式10-7m/s1.1盾构机刀盘分类盾构机是一种用于地下挖掘的重型施工设备,由旋转刀具驱动头部旋转,并挤压安装在上面的各种工具进行切割和推进。它有机地结合了掘进、排渣和衬砌等多种功能,并具有快速、安全、对围岩损伤小等优点,能有效降低劳动强度,提高工效。盾构刀盘是盾构掘进的核心部件,其性能对盾构机的效率起着决定性作用。合理选择刀盘类型可以大幅提升盾构机的使用寿命以及工程质量,提高盾构机的工作效率。张海
5、波等建立了虚拟仿真分析模型,在此基础上分析研究了土压平衡式盾构机,由此得出了各种载荷条件下的结构应力和模态特性。开口率指开口面积占刀盘总面积的比例。根据开口率的不同,将刀盘分为辐条颗粒级配0.3MPa卵石,粗砂收稿日期:2 0 2 2-12-12作者简介:张军(19 9 8 一),男,安徽合肥人,安徽建筑大学土木工程学院硕士研究生,研究方向:地下结构计算理论。478式刀盘、面板式刀盘和辐条面板式刀盘,常见刀盘特性见表2。表2 常用刀盘特性刀盘种类开口率结构简单,刀具磨损率低,开挖面土辐条式60%左右压易控制,造价较低;仅适用于特殊地层,开挖时需严格实施满仓掘进。刀盘扭矩大,刀具磨损率高,面板对
6、面板式20%左右开挖面有一定机械支撑作用;黏土地层中易结泥饼,开挖面压力不易控制。辐条面35%左右板式1.2常用盾构机刀具分类及布置将破岩方式作为分类依据时,刀具可分为滚压刀、切削刀以及辅助刀具三类,其适应性分析详见表3。表3常用刀具分类及特性破岩方式刀的种类齿形滚刀刀盘开口槽两侧滚压破岩盘形滚刀刀盘开口槽两侧切刀刀盘开口槽两侧切削破岩提前松动地层,先行刀辐条中间刀箱清除边缘渣土,边缘刮刀刀盘外圈辅助刀具仿形刀刀具的空间布置方法分为两种,一种是同心圆设计法,另一种是阿基米德螺线设计法。理论上,阿基米德布置法是最有效、最快速的方法,其能将全部刀具布置到一个辐条上,使刀具绕轴心做圆周运动,进而完成
7、一次圆周切削。但实际施工过程中,该布置法会使刀头制作和安装变得愈加困难,严重影响土的有效流动性,因此,施工中常采用同心圆设计法。一般根据施工区间的地质特点,为快速完成施工任务,可设换刀地点,对刀盘正面磨损严重的刀具进行更换。2.盾构机动力系统计算2.1盾构推力计算盾构施工现场环境恶劣,而盾构机的推力和扭矩是盾构法施工所需的重要参数,其与刀盘刀具关系密切。盾构试样机刀盘在掘进过程中所受载荷主要有推进阻力和切削阻尼矩。刀盘掘进过程中,刀盘所受焦作大学学报载荷主要通过刀盘作用到掌子面,因此,可以将掌子面上岩土抵抗刀盘推进的反作用力视作施加在刀盘结构上的外载荷,即刀盘推力。正面推力主要通过刀盘、传适应
8、性分析力环和轴承等传递到盾构前壳。刀盘径向土压力由图1所示计算而成。盾构施工过程中所需推力大小F,可由公式(1)和表4计算得出。F=F1+F2+F3+F4+Fs其中,F为盾构推进所受阻力合力,Fi为盾构外壳与土体的摩擦力;F2为盾尾密封于管片之间的摩阻力;Fs为刀盘正面土压力;F4为拖车拖拉力;Fs为切兼具以上特点土所需要的推力。P布置位置作用滚压破碎岩石切削软土击碎卵石确保开挖直径控制开挖和超挖刀盘外缘深度2023年6 月(1)PP4DPdP盾构推力F1F2F3F4F5FF注:Pe=yh+p:P=入 Pe:P2=(P。+y D):p a =P +C/D L。2.2刀盘扭矩的计算在盾构掘进机掘
9、进时,刀具扭矩是一个非常重要的控制因素。一般情况下,刀盘的扭矩需要在一个合理的范围内,这反映了刀盘能够切割所遇到的地层,或者刀盘适合地层。盾构机刀盘扭矩及其计算方法的研究对于土压平衡盾构掘进机的设计制造及施工都具有非常重要的意义,土压平衡盾构机的刀盘扭矩计算采取经验公式T=D3=i 2gD3T=BTP,PP.P图1刀盘径向土压力表4盾构推力计算表计算公式Fi=i(DoLpw+w)=M(DaL L pt p+Pa+w)F2=niWsu2+n2TDbp2l3F3=3.14/4(D2Pa)F4=w4 4Fs=T/4(D2C)F=Fi+F2+F3+F4+FsF,=1.15F(2)第2 期其中,D为刀盘
10、半径;1为支撑系数;2为扭矩系数;3为稳定掘削扭矩系数;T为实际扭矩;B为安全系数,取1.7。3以地铁一号线三期为例进行分析3.1工程概况及地质条件分析物流大道站一瑶海公园站区间始于物流大道站南端,沿新蚌埠路向南延伸至物流大道站,区间采用双线分离线路,其中左线长度15 2 8 m,右线区间长度1550m。隧道区间埋深15.7 2 3.0 m,开挖断面直径6.28m,盾构机隧道内径5.40 m。区间地势开阔,地形略有起伏,高程在14.9 9 18.2 6 m之间,高差为3.2 7 m,沿线场地标高-41.9 9 m,基础形式为独立基础,基础埋深约为地下2.8 m,无地下室。此区间隧道主要穿越黏土
11、地层,各岩土层物理力学指标见表5。表5 各岩土层物理力学指数表岩土重度变形模量侧压力黏聚内摩擦角/系数力/kPa名称/kNm人工18.5填土黏土19.63.2刀盘选型设计盾构机主要分为泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机,土压平衡盾构机适用于黏土、砂土地区,泥水平衡盾构机适用于各种松散地层。盾构区间主要穿越黏土地层,故选择土压平衡盾构机。盾构机刀盘是指带刀具类型数量刀尖距面板高度35 0 mm,厚度16 0 mm,总中心鱼尾刀1刮刀90边缘刮刀12先行刀61仿形刀1张军等:盾构隧道盾构机选型与适应性分析3.3刀具选型设计用于不同盾构隧道的刀具按照形状、作用方式分为不同的类型。其中,在坚硬岩土地层多采
12、用滚刀,/MPa软土地层常采用切削刀具。考虑黏土地区土体特性、11.20.6412.00.45宽130 0 mm,刀体安装小型的先行刀并呈阶梯状布置刀具与刀座采用螺栓连接方式固定,主刀刀具宽度2 5 0 mm,刀尖距面板高度为9 0 mm刀盘外圈强化型贝壳刀,外周轨迹12 把,其余同轨迹均布置2 把先行刀,高度为110 mm,宽度300 mm仿形刀伸出130 mm79有多个进料槽的切削盘体,位于盾构的最前端,由稳定掘削面的面板、出土的槽口、切削地层的刀具以及转动的轴承和驱动机构等组成。刀盘的主要功能是作为刀具的安装载体,进行隧道的开挖,此外,还具有稳定工作面、阻挡大漂石、搅拌土渣等作用。盾构刀
13、盘的主要作用就是在掘进的过程中,将泥土砂石等破碎成小颗粒后再放入刀盘后的舱室内。合肥黏性土在盾构机扰动下,容易造成黏土层状破坏,遇水结成泥饼1-,造成堵塞。为了预防盾构机刀盘在施工过程中起泥饼,故要保证刀盘中心开口率在40%以上。辐条式刀盘适用于地层稳定性好的地区,出土顺畅。考虑该段地层稳定性相对较好,膨胀土对刀盘刀具的磨损较小,刀盘推荐使用开口率为42%的辐条式刀盘,开口均匀分布,开挖直径为6.2 8 m。为保证刀盘刚度,应在刀盘主梁上加焊材料,并采用四牛腿、四主梁加八副梁的结构形式。19142615表6 主要刀具配置及作用布置方法施工难易程度、造价成本等因素,刀具采用同心圆布置方法。刀具配
14、置方式及其作用如表6 所示。3.4动力系统计算3.4.1 推力计算在不同的地质条件下,盾构机所需要的推力、扭矩也不相同。同样的情况下,盾构机掘进所用推力、扭矩超出刀盘、刀具设计最大负载时,会造成刀具的异常损坏。所以,为了提高刀具寿命,需要根据地层松动土体,改善流动性防止结成泥饼切削砂土、黏土等较松散地层校准盾构机开挖直径增加切削土体流动性,降低切削刀扭矩,减少切削刀磨耗,提高刀具切削效率为超挖切削土体创造空间,并在对周边土体开挖扰动小的情况下,实现行进过程的顺利转弯及纠偏作用80变化、岩层强度,适当控制刀盘挤压力,调整掘进推力和扭矩。将表7 的计算参数代人前文所述公式(1),计算出此区间盾构机
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