土压平衡顶管

土压平衡顶管（共7篇）

土压平衡顶管 篇1

1 改进后的机械顶管工艺流程

顶管工艺流程的确定对施工过程控制有着重要的指导意义, 现改进后的顶管工程中, 是在以往机械顶管工程的基础上对机械顶管工艺流程进行了优化, 形成了更科学合理的机械顶管工艺流程, 使施工各道工序衔接更加紧凑;工作效率得到提高。

2 注浆减摩控制技术

在顶管顶进施工时, 随着管节顶进长度的增加, 顶推力也在不断增加, 目前施工中主要采用膨润土触变泥浆来降低摩擦系数的大小, 其主要作用有以下两个方面:润滑作用、填充和支撑作用。

1) 基本要求。顶进管道与地层之间要保证一定的环状间隙, 一般不应小于20mm;对于较坚硬的土层, 一般要求的间隙更大, 甚至达到30mm, 这样在顶进管到外周才能形成一个比较完整连续的润滑膜, 才能保证减摩效果。

2) 注浆管理

(1) 控制注浆时间、压力: (1) 控制好每次顶进的注浆时间。遵循“边顶边注”的原则, 严格控制每次注浆时间不超过3min。 (通过时间继电器来实现) ; (2) 控制好注浆压力。为了保证浆液的连续性和注浆压力, 在施工中将双活塞定量泥浆泵变为三活塞变量注浆泵。

(2) 施工注浆管理要求: (1) 遵循“同步注浆与补浆相结合”和“先注后顶、随顶随注、及时补浆”的注浆原则; (2) 做好管道进洞的注浆工作, 避免产生干摩擦; (3) 合理布设注浆孔以及注浆管的间距; (4) 采用全段注浆和分段注浆相结合的方式。中继间未启动时, 采用全段注浆。中继间启动后, 注浆重点为每次顶推的区间, 其余各段则保持不动; (5) 顶进过程注浆时, 注浆的方向从后向前进行, 防止阻滞现象的发生。

3 中继间技术

在长距离、大管径顶管施工中, 如果仅仅依靠主顶泵站提供顶力, 顶进距离就会受到限制。中继间技术是解决长距离顶管施工顶推力过大的最有效的措施之一, 它的出现使长距离顶管成为可能, 施工安全性能得到提高和保证。

1) 中继间组成。中继间由前壳体、后壳体和均压环、密封环、油缸固定架组成。

2) 中继间设置原则。 (1) 中继间产生的最大顶力不能超过混凝土管材的允许顶力; (2) 布设中继间时必须考虑对其所能提供的设计顶力预留足够的安全系数和地层条件。可以根据以下经验数据确定中继间的布设位置:第一中继间位置一般按照中继间所能提供设计顶力的60%计算;其他中继间按照中继间所能提供设计顶力的80%计算。

4 土压平衡控制管理技术

顶管施工, 尤其是土压平衡顶管施工中, 核心就是保持顶管机前仓的土压平衡, 减少施工过程中的地层损失和地面沉降。

1) 土压平衡管理原理。土压平衡式顶管属于封闭式顶管, 顶管推进时前端刀盘旋转切削地层, 切削下来的土体进入土仓。当切削土体充满土仓时, 在顶力作用下, 致使切削土体对开挖面加压。当该加压压力与地层的土压、水压相等, 且螺旋出土机的出土 (泥) 量与刀盘的切削量相等时的这种状态称之为土压平衡。在土压平衡式顶管施工中, 保持合适的土压, 对于地层稳定、顶进安全以及顶进质量都具有非常重要的意义;

2) 土压力的控制管理。如螺旋输送机的排土量不变, 则顶进速度与土压力成正比。因此, 要保持机舱内控制土压力不变, 就必须把顶进速度调节在一个合适的范围之内。当初始顶进时, 须反复进行试验, 只有当初始顶进比较正常了。一般情况下, 当排土量达到进尺空间土质量的95%~100%时, 都视为正常。

5 纠偏控制管理技术

在顶管施工过程中, 由于地层条件等各种情况的综合影响, 顶管机受到的作用力不断在发生变化, 同时由于顶管机内部设备布置的原因, 都会造成顶管机在顶进过程中偏离设计轴线和高程的问题。因此为了保证顶管施工质量, 需要不断对顶管机实施纠偏作业。纠偏是指顶管机或管道偏移设计轴线, 利用顶管机的纠偏装置或其它措施, 改变或修正顶进方向, 减少偏差, 使管道按照设计轴线顶进。

1) 纠偏方法: (1) 小角度纠偏。根据顶管工程实践, 每次纠偏角度不大于0.5°; (2) 纠偏过程应保持平稳, 不能大起大落; (3) 利用测量成果, 绘制管道走势图, 提前预判顶管机的走势。一般在机械顶管施工中, 使用液压纠偏油缸作为纠偏装置。土压平衡机械顶管施工具有保护环境、施工速度快、受天气影响小、适合西北地区的地质条件等优点, 在西北地区具有良好的社会经济效益, 是今后给排水管道发展的方向, 是构建资源节约型社会和循环型经济的重要举措。

参考文献

[1]给水排水管道工程施工及验收规范 (GB50268-2008) .

[2]工程测量规范 (GB50026一2007) .

[3]葛金科, 沈水龙, 许烨霜编著.现代顶管施工技术及工程实例[M].中国建筑工业出版社.

土压平衡顶管施工技术的应用探讨 篇2

某水源管道工程采用ϕ2 648×24 mm钢管, 材质Q235B, 单管长度为6m, 质量10.18 t。钢管采用手工电弧焊连接, 焊条采用E4303。焊缝现场100%超声波检测, Ⅲ级焊缝。钢管外防腐采用环氧玻璃钢, 厚度大于3 mm。钢管覆土5.5 m, 穿越长度52 m。

钻探资料显示, 管道所处土层为粉土, 密度适中, 土壤含水率25%左右, 稳定水位2.5 m, 初见水位1.5 m, 标准冻土深度0.6 m。根据调档查阅资料及现场踏勘, 该土层地下市政设施多且复杂, 管线摆放空间狭窄, 地上空间限制多, 交通压力大, 决定采用土压平衡顶管掘进技术进行施工。

2 技术措施及效果分析

2.1 减阻措施

2.1.1 玻璃钢外防腐上涂抹石蜡

钢管外防腐直接与土层接触, 外防腐的好坏对顶管产生的摩擦阻力影响很大。选择粗糙度较小的材料进行管道外防腐, 是减小摩擦阻力的重要手段。环氧树脂玻璃钢防腐层粗糙度只有0.01 mm～0.05 mm, 且耐磨性、绝缘性、附着力等指标均满足顶管工程的要求, 故成为顶管管材外防腐的首选。同时在玻璃钢外防腐上涂抹润滑剂石蜡, 也可以减小管材与土壤的摩擦阻力。

2.1.2 触变泥浆减阻

触变泥浆的主要成分是膨润土。膨润土种类繁多, 为加强膨润土的膨润效果, 本工程采用了造浆率较高的钠基膨润土。它是在天然钙基膨润土中加入纯碱, 经研磨加工制成, 膨胀率12%～18%, 配比为膨润土:水=1∶8, 并加入适量CMC (粉末化学浆糊) 和纯碱作为增粘剂和润滑剂, 密度为1.15 g/cm3。

2.1.3 顶管掘进机制作时机头直径大于钢管外径

本工程注浆采用移动式注浆, 即利用注浆泵把储浆池中的触变泥浆通过安装在钢管内部的注浆管道输送至顶管的前部, 在管材周围形成均匀的浆套, 使管材与土壤的湿润摩擦变为管材与触变泥浆的液体摩擦, 从而大大减小顶管外壁的摩擦阻力。因此在掘进机制作时机头外径比管材外径多出6 mm, 既减小了管材外壁与土壤的摩擦阻力, 又利于触变泥浆在管材外围形成3 mm厚的浆套, 从而大大提高了触变泥浆的减阻作用。

以上减阻措施的应用取得了预期效果。原计划顶进52 m, 总顶力7 060 kN (此总顶力为减阻后顶力) , 因拆迁未到位等原因实际顶进58m, 主顶油缸平均顶力7 020 kN, 与计算顶力较为接近。

2.2 纠偏措施

本工程纠偏系统由4只纠偏油缸组成, 分布在距管道垂直中心线左右各45°角位置上, 根据掘进机中激光测量系统提供的数据纠偏。油缸直径100 mm, 顶力500 kN/个, 行程50 mm。顶进过程中激光经纬仪自始至终进行跟踪测量, 纠偏系统随时根据激光点的左右上下位置进行纠偏。采取慢顶勤测勤纠的方法进行控制。当高程及中心线均出现偏差时, 要先纠高程偏差, 后纠中心线偏差。

施工组织设计允许偏差:①过程中中心线偏差10 cm, 高程偏差正负10 cm;②出洞时中心线偏差50 mm, 高程偏差正40 mm负50 mm。实际结果:中心线偏差负150 mm, 高程偏差负250 mm。纠偏效果不理想, 且机头出洞时沿顺时针方向旋转了90°。分析原因如下:

(1) 顶管管材口径较大, 顶管长度较短。口径较大造成钢管弯曲曲率半径较大, 纠偏需要较长距离才能达到预期效果, 而顶管长度较短也限制了纠偏功能的发挥, 这是纠偏效果不理想的主要原因。

(2) 顶管管材为钢管且单节管长较长。钢管管材接口为刚性接口, 为纠偏增加了难度, 同时管节6m的长度也使纠偏油缸动作难度加大。

(3) 顶管掘进机机头太重, 这是造成中心线向下偏移的主要原因。顶管掘进机机头重20余t, 且机头前部由于刀盘、纠偏油缸、封闭工具管, 各种信号电缆等设施配备较集中, 形成前重后轻的布局, 造成机头刃进土层后由于重力原因下扎, 从而引起钢管中心线向下偏移。

(4) 由于减阻措施效果较好, 助盘旋转扭矩较大, 因此带动管材旋转。

2.3 控水措施

本工程采用多层次降水结构, 主要有大口井降水、深层水泥搅拌桩蔽水、止水墙与止水圈止水、工作坑设泵抽水等四项控水措施。具体做法如下:

(1) 主顶工作井周边打6口ϕ500 mm大口井, 副工作井周边打4口ϕ500 mm大口井, 井深15 m, 井内设泵昼夜抽水。利用井点降水的漏斗效应及多口井点降水的叠加效应, 使主副工作井周围的地下水位始终保持在工作井底板之下, 形成工作井内的干槽作业环境。

(2) 工字钢桩外侧打一圈深层水泥搅拌桩, 桩径600 mm, 长15 m, 含灰量15%, 桩与桩之间叠加200 mm, 洞口部位不喷灰。它可有效防止地下水穿透工字钢桩向工作井渗透, 起到蔽水作用。

(3) 洞口处浇筑C30混凝土止水墙一道, 止水墙厚度0.3 m。止水墙内预埋螺栓, 连接特制的双层止水圈, 双层止水圈含胶量大于50%, 止水墙、止水圈中心线与管中心线一致。因为顶管的进行是动态过程, 如洞口处封闭不严, 很有可能造成洞口上方土层塌陷、坠落, 所以止水墙既有止水作用, 又有防止洞口处土层塌陷的作用。止水圈密封更好, 它可与管材紧紧挤在一起, 防止地下水及触变泥浆回流至工作井。

(4) 工作井底板四周设0.3 m×0.3 m排水沟, 1%坡向集水井。井内设泵昼夜抽水, 使渗入工作井的地下水及时被抽走, 保证底板干槽作业。

实际作业中, 大口井昼夜抽水, 井内水位始终保持在地面以下11 m～12 m;降水后开挖工作坑, 坑内作业环境较好;止水圈处未见地下水及触变泥浆, 止水效果较好;工作井内始终比较干燥, 坑内排水沟有少量水, 通过排水泵排除, 水泥搅拌桩发挥了蔽水作用。以上控水措施得当, 控水层次分明, 有针对性, 效果非常理想。

2.4 后背加固措施

完善的控水措施弥补了工字钢桩不蔽水、惧流沙的缺点, 故本工程工作井采用工字钢桩作为承力结构, 具体做法如下:后背采用40#工字钢桩竖排密打, 其他三侧采用40#工字钢桩横排咬打, 桩长12 m。工作井共设上、中、下三道矩形支架, 四角加焊三角支撑, 中间加设两道ϕ300 mm钢管横撑。为满足后背承力要求, 后背处横向码放32井工字钢, 码放高度2.5 m, 宽5.5 m, 工字钢之间点焊牢固, 连为一体。然后立一块5.5 m×2.5 m×0.02 m钢板, 钢板后摆放4 m×2.5 m×0.3 m钢制后背铁。这样既保证了足够的强度与刚度, 防止后背发生位移, 又保证了后背与主顶油缸的垂直度及力的传递效果。经土工和力学计算, 总顶力7 060 kN, 后背承载力8 050 kN, 承载力大于顶力, 后背安全。

实际作业中, 最大顶力7 520 kN, 接近后背承载力。经监测, 顶进时后背最大位移10 mm, 已接近极限。以上事实说明设计后背承载力偏小, 风险较大, 应加大安全系数。笔者认为, 一般后背承载力不应简单大于总顶力, 而至少应为总顶力的1.3倍才算安全。

3 结束语

(1) 顶进机头旋转会影响机头内各项仪器设备的使用、操作。建议今后顶管前, 在机头上焊接导向钢板, 以解决这一问题。

(2) 顶管工程依靠单一的纠偏装置并不完善, 还要辅以其他的技术措施, 如在顶进机头后面的钢管上设置配重块、顶管导轨采取小角度上扬等措施, 才能取得较好的效果。

(3) 减阻措施可有效降低摩阻, 减轻顶管后背压力, 直接影响顶进设备配置及后背结梅形式设计, 对于降低顶管工程造价具有重要意义。

(4) 顶管掘进机机头重量布局应合理, 并尽量减轻机头重量, 以缓解土压平衡顶管掘进技术中心线普遍向下偏移的问题。

(5) 粉质土层中, 工字钢桩结构辅以充分合理的控水措施符合顶管工程工作井的施工特点及技术要求, 该措施技术成熟, 造价合理, 值得在今后的工程中推广。 [ID:3717]

摘要：本文介绍了土压平衡顶管技术中减阻、纠偏、控水和后背加固等技术措施的应用情况及实际效果, 提出了解决问题的方法和建议。

土压平衡顶管 篇3

1 顶管施工基本原理

管道敷设前, 需在管线一端预先进行工作坑的建造, 在坑内向轴线后方顶进, 并进行一组油缸地布置, 要求左右对称设置。随后在油缸前面导轨上放置需铺设的管道, 工具管则安装于管道最前端。油缸顶进过程中, 以工具管为基础, 对前方管道起到推动作用, 促使其穿过坑壁内预留穿墙孔将管道向土内压入, 同时, 通过挖掘将工具管内的泥土向管外排出。如油缸达到最大行程后缩回, 可将顶铁放入, 随后油缸不断顶进。所有坑内导轨上管道进入土内后, 可将下一节管道吊入, 随后不断顶进, 直至顶完所有管道。

2 工程案例

某污水管道为市区污水北排的主干管, 管径为1650毫米, 3.46千米为工程总长度, 粘土、粉质粘土层为官位部分土质, 部分官位处于粘土、粉土、粉砂交接位置。选取钢筋混凝土管道, 该管道标高为0.22~2.7米之间。为更好地提升工程质量, 结合本工程具体情况, 可选取顶管技术进行污水管道施工。泥水平衡与土压平衡机械顶管都能对大口径钢筋混凝土管施工要求进行最大限度满足, 本文以土压平衡机械顶管技术作为污水管道施工方式, 以期为提升工程质量提供可靠的保障。

3 施工流程

土压平衡机械顶管技术作为污水管道工程施工的重要技术之一, 施工单位必须重视设备选型, 规范施工工艺, 只有这样才能保证整个工程质量并推动交通工程的快速发展, 才能为国民经济增长提供可靠保障。

3.1 设备选型

选取Telemale (顶管施工) 加泥式土压平衡顶管机进行施工, 2500毫米为其外径, 2000毫米为成孔管内径。顶管掘进机土压控制土压仓土压随意在0到20Kpa之间设定。土压仓土压通过螺旋输送机转速进行土仓压力螺旋输送机地调整, 可选用手动、自动两种方式。自动设置时由土仓土压计对螺旋输送机转速进行有效控制。该机械通过土压仓加泥作用对土质流塑性进行改变, 更好地全断面实现土压平衡, 加泥能力为每分钟0.13立方米。也可掺加泡沫对砂砾石层内设备正常顶进安全性进行有效提升。

3.2 施工测量

测量器具与设备是市政污水管道工程施工测量的主要机械设备, 根据设计规定在实地进行管道具体标定, 为市政工程施工作业提供便利。恢复中线测量、测设施工控制桩等都是污水管道施工测量的主要任务, 完成测量放线工作后, 应对管道施工人员进行技术交底。

3.3 顶管进洞止浆方式

顶管施工工作坑进洞与出洞、管子与洞口之间应进行间隙预留, 并做好封闭工作。如封闭效果差, 从间隙内将有泥浆流出, 将对坑内作业产生极大的影响, 甚至导致洞口坍落情况, 为此必须将止浆设施设置在洞口, 如图1所示。

3.4 顶进

该机械机头包含可控流量加泥系统, 顶进施工中, 在每方出土加泥量10%有效控制土压仓加泥粘土层与粘土砂层加泥量, 30%到35%之间控制砂、砂砾石层每方出土加泥量, 顶进时根据出土流塑性进行加泥量地增加或减少。根据顶进施工工具管中心、高程情况, 要求进入土层后工具管每顶进300毫米进行1次以上测量, 完成全段顶进工作后, 可测量各个管节接口位置的轴线位置、高程, 存在错口时应对其相对高差进行测量。

3.5 触变泥浆减阻

为降低顶进阻力、加大顶进长度、避免塌方管道, 顶进施工中可在管壁、土壁缝隙内将触变泥浆注入, 以此形成泥浆套, 降低管壁、土壁之间的摩擦阻力。按照由前到后的顺序添加触变泥浆, 顶进相应距离, 可实施补浆作业。为达到充分分散膨润土的作用, 可根据下表1进行触变泥浆进行配置。

3.6 回填注浆

回填注浆位置应在初衬支护拱顶上部, 因喷浆质量不佳, 无法密切接触土壤, 或因拱顶沉降导致各种缝隙的产生, 通过注浆方式对缝隙填实, 可保证施工后期沉降量大大减少。

3.7 土体加固

土体密实注浆是土体承载力提升、土体渗透系数降低地重要方式, 该方式可对地面沉浆影响进行有效消除。

本工程压密注浆600毫米为其影响半径, 500毫米为其有效半径, 布孔排距可确定为1米。

其中结构物土体加固范围为5米, 分层压密注浆可在工作坑、接受井车距井壁外侧附近1.5米以外位置进行。选取由外到内的施工方式注浆, 避免浆液流失。注浆作业可分层由下向上进行, 每次拔管长度为0.5米, 0.3~0.4MPa为注浆压力。选取高速拌浆桶作为注浆设备, 5分钟为每桶拌浆最高时间, 以此满足浆液供需要求, 选取直径32毫米高压软管作为压浆管。选取直径20塑料管为出气孔, 选取直径20毫米白铁管为注浆孔, 并进行球阀安装。

3.8 地面沉降控制

首先, 实时压浆对顶进过程内出现的间隙进行施工, 达到地层支撑的作用, 并对地面沉降进行有效控制, 其次, 减阻提升顶进间距, 以此对中间井应用量大大降低。

最后, 根据施工现场具体情况, 观测点顺着管道中心线与其垂直方向进行设置, 在顶管前对原始地面高程进行准确测量, 伴随顶管作业对其地面高程变化值、沉降值进行定期测量。选用注浆加固技术对顶管工作井、接收井出入洞口进行补强, 以此避免洞口坍塌情况的发生。

4 结语

综上所述, 顶管技术在市政工程建设中得到了广泛地应用与推广。尤其是该技术应用到污水管道工程施工中, 可降低对交通、居民生活的影响, 及改善市容、保护环境。为此, 施工企业应规范施工流程, 实现工程建设的社会效益与经济效益。

参考文献

[1]刘敏.大直径泥水平衡顶管机在沿海地区施工的主要技术措施初探[J].科技创新导报, 2015, (14)

[2]丁翊明.大直径顶管施工中后背力的确定及注浆减阻工艺的应用[J].天津建设科技, 2012, (1) .

[3]李笑, 刘春虎.土压平衡盾构土压平衡比控制的模拟试验研究[J].现代隧道技术, 2011, (4) .

土压平衡顶管 篇4

随着我国社会经济的高速发展、城市化进程的加快,顶管施工技术在开拓城市建设方面,由于其对周围环境影响较小,适应软弱的地质条件及施工速度快等优点,顶管机在城市地下隧道工程得到广泛应用。非开挖埋设地下管道的顶管施工技术,适用于最大可埋设5 600~54 000 mm的地下管道,它具有环保、施工文明、造价合理的特点,尤其是在穿越城市道路及江河的管道工程中应用尤为普遍[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

以郑州市南三环东延线南台路至107辅道高压线路改造工程为例,结合参考文献[11,12,13,14,15]中在软土地区土压平衡隧道施工,对沿线道路、地表建筑沉降规律的经验分析及有关规范,诸如《南水北调东干渠某标段土压平衡盾构施工参数优化研究》、《软土地区深埋盾构开挖对土体扰动特性的影响研究》等,阐述了DN3500土压平衡顶管机曲线隧道施工技术,及在城市地下工程中的应用,其隧道项目位于郑州市东南郊,沿线地形起伏较小,相对高差3.0~6.0 m,线路沿线地貌为发育巨厚的第四系松散堆积物,钻孔揭露深度范围内,地层岩性以粉质黏土、粉土及粉细砂为主,属黄河冲积平原,地形平坦开阔,多有风成沙丘分布,沙丘地面以上高度一般3~5m。勘区内有潮河、七里河流过,隧道全长约3.785km,其中顶管法施工长度3.431 km,明挖法施工长度0.354 km。该工程是大直径、长距离曲线顶管项目,顶管管节采用F型预制钢筋混凝土管,管道内径3.5 m,外径4.14 m。沿线设置竖井10座,其中9座为综合井,1座为接线井。其中1—2号井线路长度471.76 m;2—3号井线路长度498.47 m。均为曲线顶管,曲线半径为1 500 m,坡度为0.316%~0.300%,顶管机由2号工作井分别向1号、3号综合井顶进。通过实测数据技术分析研究,选用平衡性好,对周围土体扰动小,易于操作的DN3500土压平衡顶管机进行掘进作业。

1 施工原理及结构

DN3500土压平衡顶管机,采用TP式大刀盘旋转,顶进油缸推动顶管机前进切削土体,切削下的泥土进入密封的储土仓和螺旋输送机被挤压,形成一定的土压力来平衡顶管机所处土层中的土压力1P和地下水压力2P,同时采用螺旋输送机排出土量的多少或控制顶管机的前进速度,使土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡。土仓内的土压力值P控制在10~20 k Pa,保证开挖面的稳定,防止地面的沉降或隆起,避免破坏周围环境。借助油缸的推力,把顶管机及跟随其后的管子从工作坑一节一节地顶进,至顶管机进接收坑的一种非开挖敷设地下管道的施工工艺。

DN3500土压平衡顶管机,其结构如图1所示,主要由切削搅拌系统、壳体系统、动力系统、测量系统、螺旋输送系统、液压系统、电气系统共七大系统组成。

顶管机技术参数:顶管机外径4 160 mm;刀盘转矩2 250 k N·m;刀盘驱动电机37 k W×7;纠偏油缸200 t×8;最大推进速度30 mm/min;顶管机质量为80 000 kg;顶管机总长为6 000 mm;刀盘转速1.1r/min(变频);纠偏泵站电机5.5 k W;最大纠偏角度3°;螺旋输送机直径为500 mm。

2 施工方案设计

顶管施工前,首先测量引点,然后工作井施工,逐次测量放样;井下导轨机架、液压系统、止水圈等设备安装,地面辅助设施安装,顶管掘进机吊装就位,激光经纬仪安装,掘进机出工作坑,正常顶进,顶管机进接收坑,顶管施工结束。

(1)土压平衡顶管机采用激光导向控制系统,通过在后顶观察台架设的J2-JDE型激光经纬仪发出的光束,射到顶管机内的定位激光靶上,影像被机内摄像机捕捉到传至顶管挖掘系统的电脑内,操作者根据测绘数值,远控操作顶管机内置油缸进行伸缩,调整纠偏切削头部上下左右的偏差,及整个管道水平或垂直方向的调整,偏离精度控制在3 cm内。

(2)根据图纸设计利用Auto CAD专用软件将设计顶管轴线及综合井坐标绘图,利用全站仪对轴线实地放样。对施工隧道两端工作井坐标进行连测,保持坐标精准度一致,采用全站仪、棱镜三角法测量,解析出机头中心坐标,将坐标点输入至Auto CAD上与设计轴线坐标进行校对,确定其相对偏差,利用三角高程及水准测量方法来测量机头高低偏差,调整机头顶进姿态。

(3)根据轴线坐标在地面对顶管轴线进行放样,每隔15 m左右在地面放1个监测点,依据放样点对轴线周围的地下管线、建(构)筑物进行测量,及时与管线产权单位联系,采取有效的安全措施。在顶管横向穿越的街道埋设观测点,根据地测参数、土压,及时调整顶进参量控制好速度,确保不引起地面大范围沉降或隆起,使顶管机安全穿越。

(4)DN3500土压平衡顶管机,沉降控制精度高、掘进快、便于操作维护,安全可靠。该机全断面切削,其切削搅拌面积可达全断面的100%,设计单刀切削搅拌刀盘突出机头表面,在切削过程中机头前方形成空隙,减少了迎面阻力,切削搅拌转矩可自行平衡,掘进中机体不容易偏转。

(5)施工中选择优质的泥浆材料,钠基质膨润土注入管道外侧,形成泥浆润滑套,有效的降低顶进阻力,控制好顶管推进力。

(6)曲线顶管,每个管节处将形成一个管外最大开口间隙S1和管内最小开口间隙S2。为防止间隙S1偏大,发生渗漏、密封失效,把单层密封橡胶圈普通混凝土管,设计为2道楔形密封橡胶圈钢筋混凝土管,其破坏荷载为15 000 k N/节,使用年限为100年,经技术质量验证符合公路加宽承载要求。

3 土压平衡顶管机的施工应用

3.1 施工步骤

顶管机在工作井内安装、调试完毕后,主顶油缸开始向前推进顶管机。掘进机头进入止水圈内接近工作面土层时,启动切削旋转刀盘,同时推进油缸开始挖掘作业,切削下的土质、石块等有转动刀盘带进土仓内挤压,通过螺旋输送机、泥浆泵站输送至地面泥水分离系统,装车运离工地。顶管机完全进入土层以后,在工作井内吊装第1节顶进管,推到尾套处与掘进头连接管一同顶进至设定位置,挖掘循环终止,然后慢慢收回推进油缸到设定位置,接着吊装第2节顶进管,前端插进第1节顶进管尾套内连接好后重复挖掘顶进作业,循环往复逐个推进直至顶管结束。

3.2 施工难点及措施

顶管施工时,曲线管道顶进中激光指向不能通视,管道内无法布置永久导线点,只有利用每节管段顶进结束时,进行人工延测校核,测量繁琐紧张且难度大。

施工管线长,顶进摩擦力对顶进阻力影响比较大,采用注泥浆减少摩擦力的办法,降低顶进阻力。

穿越市政道路时,曲线顶管要加强纠偏校准顶向工作及所穿区域地表沉降监测的管理。

3.3 安全施工措施

(1)施工前向社会发布公告及宣传条幅、标志、标语等,提示过往车辆谨慎慢行。在施工区段的上下游外200 m处,分别设置“前方施工、减速慢行”的橘黄色标志及LED夜间警示标志,减少过往车辆对路基的扰动。

(2)加强顶管施工人员的安全教育及顶管机的检查保养工作。工程技术人员要勤检勤测,绘制轨迹信息图,建立顶进测量数据档案,做好技术指导及时调整方案。

(3)按设计要求加强管材制作的规格与质量管理,使管材外表光滑平整,管口圆顺,圆度、壁厚符合要求,并作好防腐处理。

(4)顶管后背,按设计的最大顶力进行稳定性验算,要有足够的强度和刚度。安装后座与顶进油缸时,严格按规范要求,水平度在3 mm内,垂直度在2 mm内;安装导轨时,严格控制导轨轴线和导轨顶面位置,轴线倾斜度与设计轴线一致,轴线位置偏差为3 mm,顶面高程偏差为0~+3 mm,两轨内距偏差为±2 mm。

(5)穿墙前,应对工具管进行检修、调试、做止水试验,完毕后拆除闷板及时顶进,防止涌水、涌泥砂而造成坍方。

(6)施工中加强测量管理,有偏即纠对小角度纠偏采取连续纠偏顶进措施,同时触变泥浆压送及管段补浆,保持泥浆充足减小推进阻力。

(7)管道内的设备和管路要布置匀称,防止管道扭转,必要时采取单边压重的方法纠扭管道;顶管机纠偏与特征段纠偏共同作用时,要注意纠偏角度的控制,既要满足施工轨迹的要求,又要防止管道的失稳。

(8)顶管施工过程中,若发现油泵压力骤增,应即时检查解决。中继环顶进阻力增大时,应根据土质条件及时优化泥浆配比补浆,降低顶进阻力,根据计算适当拉长或缩短中继环的间距,并增加或减少中继环的数目。

(9)穿越公路时,顶管区域地面要提前做好施工安全警示,备好应急物资。

4 施工效果

土压平衡顶管施工能保持地面的稳定,施工中所穿越的市政设施、管线等不再拆迁、重装,解决了城市道路因反复开挖影响交通与环境污染的难题,对复杂的城市地形和交通布局能提供经济、快速、可靠的解决方案。

顶管施工平均日顶进20~30 m,一次性连续顶进最长可达500 m,作业效率高,施工进度快,缩短了工期,降低了施工成本;工作人员在井坑内指挥吊装管段、装拆方便。总之,土压平衡顶管机在大直径曲线段的应用,为城市地下管网隧道施工提供了典范,特别是无开挖条件的地区,顶管施工的应用会越来越优越。

5 结论

(1)土压平衡顶管机适应性强,它适用于N值0~50的各种土质,也适用于无地下水渗透系数比较大的沙卵石地层;有完善的土体改良系统,适用土质范围广,施工排出的弃土可直接装车运走,不需要处理;它可在管顶距地面覆土0.8倍的管外径浅土层中施工。

(2)土压平衡顶管与同口径的泥水平衡顶管相比,附属设备少、耗电少,只需要控制好土压力P值即可,施工管理简单,操作方便、安全可靠。

浅谈土压平衡盾构机选型 篇5

广州轨道交通十三号线一期工程施工一标, 区间为丰乐路站~12号盾构井, 采用二台土压平衡盾构机施工。本区间左线长1254.396m, 右线长1222.357m。区间主要沿主要干道敷设, 沿线下穿大量建 (构) 筑物, 结合线路设置、地质条件、埋深等综合考虑, 本区间主要采用土压盾构法施工, 中间风井及盾构井采用明挖法施工, 联络通道及泵房采用矿山法施工。盾构隧道内径为φ5400mm, 管片厚度为300mm, 宽度为1500mm, 厚0.3m, 每环由6块组成, 错缝拼装、纵向10弯螺栓、环向12弯螺栓。管片类型为标准环加左、右转弯环。

2. 工程的地质情况

采用盾构法的区间, 盾构主要穿越地层为全、强、中风化粉砂岩、全、强、中风化花岗岩, 局部穿越淤泥质土、淤泥质粉细沙层。中风化含砾砂岩、泥质粉砂岩岩石天然抗压强度范围值fc=5.27~26.72MPa, 平均值fc=17.58MPa, 标准值fc=15.93MPa;混合花岗岩中风化带岩石天然抗压强度范围值fc=12.41~36.92MPa, 平均值fc=26.84MPa, 标准值fc=21.05MPa;

区间隧道结构底板大多处于强、中风化岩层之上, 局部坐落于淤泥质砂层之上, 岩层分布稳定, 强度高, 能满足承载力要求。隧道洞身经过地层主要有<2-2>、<2-3>、<6>、<7>、<7Z>和<8Z>, 围岩级别一般为Ⅳ~Ⅵ, 岩土层强度差别大, 中风化岩层抗压强度高, 盾构机将在软硬差别很大的地层中通过, 易造成盾构机抬头走偏, 影响盾构掘进施工, 难度较大;拱顶主要层位有<2-2>、<6>、<7>, 其中砂层具中等透水性, 处理不当易坍塌, 发生地面沉陷、突水等工程事故, 应注意对砂层进行固结处理。

3. 土压平衡盾构的针对性设计

3.1 刀盘

刀盘结构:采用准面板结构设计, 可安装滚刀, 开口率34%。开口在整个盘面均匀分布, 保证刀盘掘进过程中碴土顺利进入土仓。刀盘背面有主动搅拌棒, 与前盾上的被动搅拌棒一起对土仓内渣土进行搅拌。刀盘设有渣土改良喷口, 为单向结构, 背部配有疏通管路, 从而有效降低中心结泥饼的概率。

滚刀:滚刀尺寸为17寸, 刀高175mm, 中心双联滚刀为6把, 单刃滚刀32把, 共44个刃, 滚刀刀间距不大于85mm。刀盘开挖直径处设计6250mm, 为保证开挖直径, 延长换刀时间, 滚刀的安装通过两个楔形块、拉紧块和长螺栓锁紧刀轴, 能实现刀具的快速安装和拆卸。

刮刀:刮刀结构分为刀体、硬质合金和耐磨层。在刀具背部的刀盘面板上焊接有刀具保护块, 保护块上焊接有与刀具材质相同的合金材料, 保护块主要作用到刀盘工作中。

边刮刀:刀盘边刮刀结构分为刀体、硬质合金和耐磨层, 整体呈弧形。边刮刀整体分为2块, 刀盘为整体结构, 刀具设计充分考虑洞内换刀方便、节约成本等因素, 具有同侧左右侧都可互换的特点。边刮刀采用分体式, 可使安装及拆卸功能得以实现, 较整体式具有更换便捷、重量较轻, 同时经济性好等优势。

磨损检测:刀盘设置有多处磨损检测装置, 防止漂石破坏刀盘盘体。

3.2 主驱动

配置的主轴承直径3061mm, 最大使用推力荷载1250t, 试验推力荷载3125t, 破坏推力荷载5000t, 安全系数4。有效使用寿命≥10000小时。

8组液压马达驱动 (已经预留1组驱动安装位置, 共可安装9组驱动, 安装9组驱动时, 额定扭矩6750k Nm) , 额定扭矩6000k Nm, 脱困扭矩7200k Nm, 可以满足在对扭矩要求较高的地层中掘进;最高转速3.7r/min, 可以满足在风化岩中较快转速的掘进要求。

3.3 组合式渣土改良系统

3.3.1 泡沫系统

采用5路布置, 可以和膨润土在同一时间注入刀盘前部, 还可以与膨润土管路共用。泡沫混合液中的水量和压缩空气的流量由流量传感器进行检测, PLC控制电闸门的开度, 得到最佳的混合比例。应用单管单泵进行设计, 如果刀盘喷口阻力出现不一样的时候, 每路泡沫仍然可以等量地进行喷出, 使淤泥质黏土中掘进时的泥饼问题得到有效地避免。

3.3.2 膨润土系统

膨润土系统一般采用软管作为注入泵, 而选取两台注入泵进行单独注入, 一台注入泵用于碴土改造, 另一台用于盾壳外润滑。如遇特殊情况, 两台注入泵则都用于碴土改造。

可为施工单位提供洞外膨化方案, 将大量膨润土通过管路输送到设备上安装的膨润土罐内, 通过软管泵从刀盘前部、土仓及螺旋机注入膨润土, 使地层细颗粒数量增加, 因而可以形成良好级配, 有助于顺利出渣, 使磨损的现象有效地减少。

配置的盾壳外膨润土注入系统, 从盾壳外部注入膨润土或黏土, 可有效减少砂层盾体的摩擦阻力, 防止卡盾。

3.3.3 聚合物注入系统

可以选取聚合物注入系统, 如果喷涌出现, 在土仓底部以及螺旋机内进行聚合物的注入, 这种措施可以有效地避免喷涌的出现。

3.4 同步注浆系统

3.4.1 单液同步注浆系统

注浆系统由两台SCHWING柱塞泵站提供动力。泵送注浆量可以通过控制液压流量来调整。4个出口都装有压力传感器, 并将每个注浆点上的传感器发出的信号用来控制注浆的过程。

3.4.2 双液二次补强注浆系统

为了及时补充注浆效果, 防止地表沉降及管片上浮, 从管片背部进行补强注浆的二次注浆系统。可以根据需要选配二次注浆系统, 设备已预留安装位置。

3.5 人舱设计

人舱包括主舱和辅舱, 两舱横向连接, 之间有舱门边通。通过前盾板上的门可以由主舱进入开挖仓。辅舱的作用是在出现紧急情况时出入。人仓压缩空气为一套全气动式气体保压系统, 可以使必须带压进舱作业的时候, 保证设备的性能以及人员的安全性。

3.6 盾体设计

3.6.1 前盾

前盾由壳体、压力隔板、主驱动连接座、人舱连接座、螺机连接座和连接法兰组成, 前盾直径设计为Φ6250mm。

前盾设计为锥形, 并在前部切口焊有5mm耐磨层, 增加耐磨性。为了改善渣土的流动性, 土压仓内隔墙上设有4个搅拌棒, 搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料, 增加和易性。

前舱压力隔板布置有风、水、电接口, 方便带压进舱换刀时使用。

3.6.2 中盾

中盾由壳体、连接法兰和两道隔板组成, 直径Φ6240mm, 长度为2806mm;采用主动铰接形式, 盾壳厚度为40mm。

沿中盾盾壳圆周上半部180°设计10根超前注浆管, 可对地质进行超前钻探, 注浆加固, 防止开挖面坍塌造成地表沉陷。同时在盾体压力隔板上布置7个超前注浆孔, 可通过刀盘开口往隧道正前方钻孔及加固。

中盾和盾尾之间设计有两道密封, 一道为橡胶密封, 一道为紧急气囊密封。正常情况下, 橡胶密封起作用。在涌水或橡胶密封需要损坏需要更换时, 使用紧急气囊密封。

3.6.3 盾尾

盾尾由铰接密封环和壳体组成, 壳体直径Φ6230mm, 盾尾长度3890mm, 壳体厚度50mm。

所有注浆及油脂管路都镶嵌在盾壳上。每根注浆管均留有2处观察孔, 利于管路保护、清洗和维修。注浆管共10根, 其中4根备用。油脂管数量12根, 各6根通向两个尾刷密封室。

尾刷密封由3排密封刷组成, 防止浆液漏进盾体内部, 在土压平衡时还有保持其各自压力的作用。

盾尾间隙30mm。满足安装管片及调向要求。

盾尾尾部有一排止浆板。耐磨钢板制成的止浆板可以防止砂浆填充到盾体前部, 也可以防止盾体前部的泥浆影响注浆效果。

3.7 螺旋输送机

采用900mm内径轴式叶片螺旋输送机, 驱动采用一个双速马达及减速机传动。螺旋轴及叶片外圆焊有耐磨合金块及耐磨层并在耐磨块上堆焊耐磨网格, 磨损严重后可予以更换, 最大通过粒径340×560mm, 出渣能力为420m3/h。配置有前闸门和两道出料闸门, 出料闸门采用下部出碴结构, 防止了螺旋机出口堆渣现象发生。

当发生螺旋轴卡住现象, 可以通过控制液压马达正反转来摆脱。必要时可打开设置在螺旋输送机筒体上的观察窗门来对壳体内部进行清理。

当地下水比较丰富, 期土层的透水系数高, 螺旋机的碴土难以形成“土塞”导致螺旋机喷涌的现象发生率较高。防止喷涌的设计如下:防喷涌设计:螺旋轴采用双闸门设计。

(1) 盾构机出土口设置2个闸门, 交替开启以降低喷涌压力。

(2) 预留了膨润土和高分子聚合物注入接口, 必要时, 可向土仓壁和螺旋机内注入膨润土或高分子聚合物, 以缓解螺旋机的喷碴压力。

(3) 设置有保压泵接口, 必要时可连接泥浆泵或泥浆管, 缓解喷碴压力。

3.8 推进及铰接系统 (主动铰接)

推进系统共21根油缸, 分成4组。上下左右各组分别为5根、6根、5根、5根油缸, 通过调整每组油缸的不同推进速度对盾构进行纠偏和调向。每组油缸安装了一个内置行程传感器。通过这4根均布的带传感器的油缸行程显示, 可以判断此时盾构的掘进姿态。推进行程满足安装1500mm宽度管片。

盾构采用主动铰接形式, 铰接油缸由14根组成, 最大铰接拉力3460t。在曲线段掘进时, 盾尾自动随管片调整姿态, 在4个不同位置的铰接油缸配置了内置位移传感器, 用来监测圆周方向不同位置的铰接油缸行程。铰接系统适用极限200m的曲线半径要求。

3.9 皮带输送机

一般我们都是采用DTII固定式皮带输送机, 其中输送总长约55m, 输送速度为2.5m/s, 其中皮带机具有曲线调整功能, 需要调整皮带的相应摆动角和驱动装置的摆动角可以适应不同曲线的施工。

3.1 0 管片吊机

管片吊机主要是从管片车上将管片卸载后将管片运输到设备桥区间的输送器上方, 将管片旋转90°放在输送器上, 再将管片输送器送到管片安装机抓取范围内。

在轨道梁尾部布置由电缆卷筒, 吊机用电缆线及控制线经卷筒引出。行走形式为链轮链条式, 能便满足运行坡度50‰以及更大坡度的需求, 链条采用夹板固定方式。管片吊机梁在设备桥与拖车接口处断开为圆弧搭接, 可以适应在弯道上运行。

结语

理论分析和实践经验可以充分证明:此盾构机完全能够适应广州市轨道交通十三号线施工1标丰乐路站—12盾构井区间的施工要求, 故该盾构机选型具有可行性, 得到了评审专家一致的认可和通过。

参考文献

[1]张庭华.土压平衡盾构土舱压力控制技术研究[J].铁道标准设计, 2011 (8) :113.

土压平衡盾构机低压管路系统改造 篇6

以往盾构机上低压系统所采用的材料是无缝钢管, 这种材料价格高, 制作成本高, 而且在工地使用时管道内容易产生水锈, 水锈会在滤芯、散热器 (图1) 、减速机毛细冷却管路内淤积堵塞管路 (图2) , 影响冷却效果进而对整个设备的性能造成影响。

在工地, 遇到这种问题往往是最让人头疼的, 用户不得逐一拆开滤芯、冷却器、减压阀、冷却管路, 一点点清理水锈。耗费的人力物力无法估算, 而且对我们设备在市场上的声誉有很大影响。

针对以上问题, 通过反复的计算和实验, 我认为选用镀锌管替代以往使用的无缝钢管能够从根本上解决水锈的问题。镀锌管作为常用的管道施工材料, 具有防腐性能可靠, 价格便宜, 易于采购等特点, 并且广泛应用于消防、民用和工业供水等领域。但是镀锌管有一个致命的缺点就是不能够焊接。因为一旦焊接, 其表面的镀锌层就会被破坏, 反而更容易生锈腐烂。以往其他领域使用镀锌管的连接方式都是沟槽式连接, 但是由于我们水系统压力比较高, 一般都在7-9bar左右, 而沟槽连接方式是3-5bar的承压能力, 所以传统的连接方式不适于盾构机上使用。

不过这个问题可以通过设计并加工一种特殊的螺纹连接的接头来解决。设计这种接头时必须考虑易于加工和安装, 并且承压能力要高于系统工作压力。经过查找相关资料和研究比对, 我设计了一种一头是Zg内螺纹, 一头是公制外螺纹的接头 (图3) 。镀锌管可以用套丝机加工Zg外螺纹, 与接头Zg内螺纹连接;接头的另一头公制外螺纹可以与标准的软管扣压接头连接。这样就很好的解决了镀锌管的连接问题。

使用这种方法后, 管道的连接方式由原来的焊接变成机械加工螺纹连接, 生产效率会成倍提高, 而且由于镀锌管的优良的防锈性能, 低压系统还不会生水锈, 使设备的寿命和性能成倍的提高, 其经济和社会效益无法估量。

下面是我们将使用镀锌管作为低压管路材料的项目成本与未使用镀锌管的成本进行的比较, 从中我们就能看到使用镀锌管后带来的效益。

低压系统管路材料改造效益计算书 (钢材价格以当时市场价为准) :

原来使用无缝管, 每吨价格为7500元,

镀锌管价格为每吨4150元,

每台设备使用管路7吨左右,

那么材料费节省: (7500-4150) ×7=23 450元/台。

焊接材料及人工费用:

焊材每吨目前为5 750元 (含电费) ;

一台设备管路焊接需消耗焊条1.75吨;

焊材节省费用:5 750×1.75=10 062.5元/台。

人工费用目前氩弧焊工每人220元/天, 需要焊工2人, 配管工一人配合组对进行焊接。

按照一台设备制造周期3个月, 就是90天。

焊工人工费用:220×90×2=39 600/天配管工:150×90=13 500元/台。

焊接接头节省:目前盾构机使用的焊接接头规格大概有5种, 每种价格不同, 但是平均价格都在35元左右, 一台盾构机使用接头按照700个计算:35×700=24 500元/台。

安装费用节省:以前安装焊接的管路时, 必须反复测量管路尺寸, 焊接后管路很长或者形状不规则, 安装非常不方便, 现在使用镀锌管的螺纹连接后工作效率大大提高, 所有部分都可以到设备上进行连接, 非常方便快捷, 效率提高一倍以上。

原来一台设备需要管路工10人, 装配时间需要3个月, 使用镀锌管螺纹连接后, 按效率提高一倍计算:

150元×10×90/2=67 500元/台。

水锈的清理费用和社会效益:

原来使用无缝管的时候, 管路到工地经常因为水锈发生堵塞, 清理起来非常麻烦, 以水电二局第一台设备到工地后清理水锈的成本计算, 大概在2万元, 使用镀锌管之后这2万元就节省下来了。

那么低压管路材料的改造, 一台盾构机就可以节省:

23450+10062.5+39600+13500+24500+67500+20000=198612.5元/台。

由此可以看出, 盾构机低压系统的改造能够给施工成本、设备性能带来极大的提高, 为企业带来可观的经济和社会效益。

摘要：本文所述是根据土压平衡盾构机低压管路特点, 将低压管路系统材料由原无缝钢管改为镀锌管的分析和实践过程。并对两种材料使用后的成本进行了比对分析, 以详实的数据论述材料改进后巨大的经济和社会效益。

关键词：盾构机低压系统,镀锌管,水垢堵塞,冷却器

参考文献

[1]白云, 丁志诚主编.隧道掘进机施工技术, 2008.

[2]洪开荣, 陈馈主编.盾构施工技术, 2009.

[3]张金和主编.水暖管道施工, 2010.

土压平衡盾构机主轴承的力学分析 篇7

盾构机是集隧道施工中的开挖、取土、支撑、衬砌于一体的机械化设备,盾构机施工速度快、精度高、安全性好,盾构机以其特有的优势在轨道建设中广泛应用。盾构机在进行盾构作业时承受着复杂的力及力矩[1],而主轴承作为支撑盾构机刀盘的主要承载部件,承担着盾构机运转过程中的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件。

刀盘驱动系统是盾构机的主要部件,加工及安装精度高,制作难度大,在施工中不可维修。考虑到盾构机在砂土、沙砾等土层中推进施工,所以要求盾构刀盘系统中的重要部件的使用寿命与刀盘同步。盾构机主轴承一般为内齿式三排圆柱滚子组合轴承(见图1),要求能同时承受轴向力、径向载荷以及倾覆力矩。盾构机主轴的驱动扭矩可达5100k N·m,扭矩系数为2.2,采用大扭矩马达驱动。通过8个变频驱动电机各带动1个小齿轮,与轴承的内齿相啮合,从而带动整个刀盘运转。

2 盾构机刀盘系统受力分析

由于我国地质复杂,盾构机掘进时会遇到非常复杂地层环境。盾构机切削刀一般采用锲形刀具。盾构机刀盘在工作过程中主要承受轴向的推力F和刀盘旋转工程中的扭矩T。

盾构机刀盘旋转切割土体,并由主油缸向前推进,从而实现连续的机械化掘进。刀盘不断将开挖面前方土体切削下来,并通过传送机构将土体传送到后方的车体上运送到地面。盾构机向前推进的同时,切削刀随刀盘旋转[2]切削土体时,与土体开挖面产生复杂的相互作用,随着土体的不同,刀盘的切削形式和切削原理大不相同,则将对刀盘的磨损、换刀及盾构掘进速率产生非常大的影响,因此正确模拟盾构机刀盘的受力情况将是非常重要的。盾构机所受推力F等于盾构机在运动方向上下左右各面的摩擦力及刀盘所受切削阻力之和(盾构机外载荷受力图见图2)。

2.1 刀盘推进力

盾构机推进力[3,4]原则上要大于所有推进阻力之和。盾构机推进阻力主要由以下几个方面组成:(1)盾构机四周与土体之间的摩擦阻力或粘结阻力F1;(2)推进时刀刃前端贯入阻力F2;(3)作用在刀盘上推进阻力F3;(4)变向阻力F4;(5)盾构机内衬与盾尾板间的摩擦阻力F5;(6)后方牵引台车的牵引阻力F6。因此,

但实际上常根据盾构直径作快速估算,对土压式盾构机,一般每平方米推力P为(0.5~1.0)×106N,盾构刀盘直径D,推力上坡、转弯及脱困的直线倍数为1.5。因此,

2.2 盾构扭矩计算

盾构机所需总扭矩T总[3,4]由土体条件、盾构形式、盾构构造和盾构直径决定。一般由以下几部分组成:(1)土壤切削扭矩T1;(2)刀盘与土壤摩擦阻力所需扭矩T2;(3)因搅拌土壤产生的阻力扭矩T3;(4)刀盘周边摩擦扭矩T4;(5)密封阻力扭矩T5;(6)刀盘自重产生的旋转力矩T6;

式中,一般取K=1.4~2.3。

3 盾构机主轴承校核计算

由盾构机主刀盘受力分析可知,盾构机主轴承主要承受轴向推力F总推,倾覆力矩T总。

假设某盾构机主轴承结构参数为:上下排滚动体分布圆直径D,上排滚柱直径d01,有效工作长度L01,数量Z01;下排滚柱直径d02,有效工作长度L02,数量Z02;第三排(竖排)滚柱直径d03,有效工作长度L03,数量Z03;滚道表面淬火60HRC(682HV),承受载荷轴向力F总推,倾覆力矩T总,按滚柱式回转支撑的轴向额定静负荷容量公式,上、下排滚道的轴向额定静负荷容量Coa。由于盾构机主要承受轴向力,因此径向力基本上按正常的三排组合滚子轴承设计要求设计即可。

按照滚动轴承理论,径向额定静负荷容量Car。

按照滚动轴承安全系数f计算公式

按照上面三排组合滚子轴承参数计算轴承的回转摩擦力矩。

按照求出的e值,查出转盘轴承的计算参数KG。

对于滚柱式轴承KH=1.26,因此,

式(5)~式(13)请见文献[5]。

4 刀盘直径6.3m的刀盘实例计算

某工程沿线的隧道覆土厚度10~20m,地下稳定水位地表下1~2m,隧道直径为6.3m,隧道所处地层为全风化含砾粉砂岩,该标段地表标高为7.9m,隧道拱顶埋深为16.8m,盾壳底部埋深为22.8m。

由于盾构机工作环境的不同,其受力情况很不一样,各个阻力的大小分别与盾构直径、长度、重量、地质土壤性质、各接触面的摩擦系数等因素有关,实际计算时可以根据盾构机的直径做快速估算。盾构机在施工中的总推力及总扭矩按公式(2)、(4)分别是:

总推力:F总=1.6PD2=1.5×0.8×106×6.32=4.76×107N

切削总扭矩:T总=KD3=23×6.33≈5.75×107N·m

然后结合盾构机主轴承的计算公式,对主轴承的承载能力进行校核。盾构机主轴承的结构参数是:上下排滚动体分布圆直径2250mm,上排滚柱直径90mm,有效工作长度90mm,数量64;下排滚柱直径45mm,有效工作长度45mm,数量104;第三排(竖排)滚柱直径40mm,有效工作长度40mm,数量128;滚道表面淬火60HRC(682HV)。承受载荷轴向力4.76×107N,倾覆力矩5.75×107N·m,按照前述公式分别计算各项数值如下:

上、下排滚道的轴向额静负荷容量:

上、下排滚道的当量轴向负荷容量:

盾构机主轴承回转摩擦力矩Mf,首先求出偏心距:

由于e>0.262,按2e/D=0.95查出KG=1.05

由上计算可知,该盾构机主轴承可以满足设计需要。

5 结语

本文对盾构机刀盘进行受力研究,运用理论公式和经验方法对其进行了计算和比较,并通过刀盘受力计算结果来校核盾构机主轴承的安全校核系数和摩擦力矩。计算结果表明,盾构机刀盘受力经验算法较为准确,一般在进行计算时取经验值的上限来进行计算,这样可以提供较大的设计留量来满足不同地质环境的需求,可以通过经验计算来设计盾构机主轴承。希望通过交流,能推进盾构机主轴承的设计和开发。

摘要：盾构机主轴承是盾构机的主要部件,对盾构机的使用寿命起到至关重要的作用。文中运用理论和经验公式对盾构推力和刀盘扭矩进行了计算和比较,并对盾构机主轴承进行了校核计算,对新型盾构机主轴承的研发具有一定的参考意义。

关键词：盾构机主轴承,三排组合滚子轴承,受力分析

参考文献

[1]宋克志,潘爱国.盾构切削刀具的工作原理分析[J].建筑机械,2007(2):74-75.

[2]闵锐.复合型掘进机刀盘的设计分析[J].设计制造,2004(8):68-69.

[3]崔国华,王国强,何恩光,等.盾构掘进机主要技术参数的计算分析[J].矿山机械,2006(12):11-13.

[4]张杰.EPB盾构机刀盘力学分析与优化[D].大连:大连理工大学,2009.