盾构设计（精选11篇）
盾构设计 篇1
摘要：对盾构用电量进行了估算,提出了高压供配电方式的选择原则,并总结了箱变的具体施工要求,同时对电缆的敷设及总体布线方法进行了详细阐述,为今后盾构施工用电设计提供了参考依据。
关键词：盾构,负荷估算,供配电,布线
1 概述
地铁施工大多数采用的是土压平衡式盾构机和泥水盾构机,这两种盾构机在用电设备配置方面有所不同。对于地铁不同的施工特点和地质要求,供电方式也不一样。
泥水盾构机和土压平衡式盾构机用电设备配置相比,泥水盾构机在洞外增加了泥水分离设备、调制浆设备、进排浆设备、进排浆中间接力设备。在高压配电方面又增加了很多支路。
2 盾构用电量估算
盾构TBM施工用电,首先根据设备的配置和实际情况进行用电设计,尽量一次规划设计实施。供电总容量必须满足用电设备的负荷需要。盾构TBM用电负荷及配套设备用电负荷(不同规格的盾构TBM配置各有差异)可比照表1,表2进行核算。
3 高压供电方式的选择
如果施工地质条件好,又不赶施工周期的情况下,从经济的角度考虑,高压供电可采取单回路供电,但盾构机上和地面上必须配备全自动发电机(供控制系统、保压系统、照明系统、抽水、门吊等设备用电)。
如果施工地质条件不好,又要赶施工周期的情况下,这时高压供电必须采取双回路供电,也就是全具全备。主供停电,通过转换将备供送上,施工用电设备正常运行。但盾构机上和地面上必须配备全自动发电机。
对于单回路供电方式,如果高压停电,全自动发电机会自动检测将与外电自动断开并启动和供给相应的设备用电(供控制系统、保压系统、照明系统、抽水、门吊等设备用电)。
对于双回路供电,全具全备的方式,如果主供高压停电,在中心配电室进行转换,将备供投入使用。注意主供电源和备供电源必须有互锁;当主、备供都停电时,全自动发电机将启动投入使用。
4 箱变的施工要求
对于土压平衡盾构机来说,由于用电设备比泥水盾构机用电设备少,如果供电方式是单回路供电时,配套一台组合箱变,满足盾构10 kV高压供电和0.4 kV低压供电的需要。箱式综合变电站配有高压进线装置、计量装置、出线装置、变压器和低压配电柜等。盾构10 kV出线柜应具备速断过流、零序接地保护、分离脱扣等功能。10 kV高压进洞为盾构掘进机供电,箱内10/0.4的变压器为洞外各设备供电。
图1的供电方式是单回路供电。总负荷为盾构总功率加盾构配套设备功率。如果是泥水盾构供电时或者是供电方式是双回路供电时,由于泥水盾构机用电设备比较多(泥水分离设备、调制浆设备、进浆设备、进排浆中间接力设备),并且又不集中。双回路由于增加了两回路的转换设备,那就必须在工地建立临时用电中心配电室。
箱变的基础要求防水、防鼠、通风良好,电缆敷设方便。
5 电缆的敷设
高压电缆使用铠装电缆,根据负荷选择线径。高压电缆敷设通过场地或者承压道路时,必须有保护措施,如电缆沟槽、钢管护套。在弯曲部分按照电缆外径的10倍曲率敷设。竖直敷设必须有夹持护套,不得自由悬垂,洞内敷设沿墙悬挂,施工人员无法随意触及,并有标识牌“高压电缆禁止触摸”来警示。
盾构施工段,按照盾构电缆卷筒上电缆长度,订购标准长度的延伸电缆(在施工条件允许的情况下也可以订购超过标准长度的电缆,对电缆实施二次施放,以减少高压接头数量),提前按照高压快速接头的要求制作好高压电缆的接头。当盾构机上电缆卷盘上移动电缆延伸到头时,提前敷设固定好延伸电缆,收卷盾构机上卷盘移动电缆,最后连接恢复供电并掘进。
6 分支箱规范
如果是泥水盾构机,盾构中间有接力泵站供电时需制作电缆分支。电缆分支箱是户外高压电器设备,用于电力电缆的联接和分接。采用内装SF6绝缘气体的高性能六氟化硫负荷开关或真空负荷开关和可触摸屏蔽型硅橡胶电缆接头,有较强的有功负载及空载电缆电流的开断能力和短路电流的关合能力,要求配装接地故障指示器。保证分支回路可以自由地退出和投入运行,其他回路不受影响。负荷开关上要附装熔断器。当分支回路发生短路故障时,回路上的熔断器可快速断开故障回路,并撞击负荷开关的脱扣器使之分闸,隔离故障回路,保证了非故障分支回路的供电连续性。
分支箱符合以下标准:GB 3804-90 3-63 kV交流高压负荷开关;GB 311.1-97高压输变电设备的绝缘配合;GB 11033.2-89额定电压26/35 kV及以下电力电缆附件基本技术要求;GB 4208-93外壳防护等级;GB 11032-2000交流无间隙金属氧化锌避雷器;带电部分为全绝缘、全密封结构;采用防洪可触摸型电缆头,还可以耐洪水侵袭;户外箱用3 mm厚的不锈钢板焊接成形,按用户要求外表分为镜面或砂面喷塑(驼灰色或环保绿色);内框架用3 mm厚的不锈钢板焊接成形,按用户要求外表分为镜面或砂面喷塑(驼灰色或环保绿色);负荷开关及进、出线电缆接头固定在柜架上面,整体安装在户外箱内,操作机构室、电缆进、出线室均为全封闭小室;开关室内装SF6负荷开关,其开关型号分别为FLN48-12D,SFG-12型及全封闭充气式SF6负荷开关或真空断路器;电缆进线室内装可触摸屏蔽型硅橡胶电缆接头及带电显示装置。
7 总体布线方法
盾构TBM洞内施工的供电变压器,中性点原则上不允许接地。盾构上的辅助临时用电设备,外壳必须采用接地保护,使用带零线的四线漏电断路器对设备予以保护。盾构接地线可以从洞外专线引入,或利用循环水管或钢轨引入。利用循环水管或钢轨引入时,应保证连接处可靠连接。
隧道内、生活区及办公区照明线路的母线均由照明配电箱引出,采用铜芯导线成三相五线制架空布设。洞内照明采用防水日光灯,每10 m安装一盏,每30 m安装应急照明灯一盏,每100 m设配电箱一个,以备临时用电用。工地夜间施工照明用投光灯,利用架高杆或已有建筑物安放。
站厅层、站台层配电箱分层集中放置。对整个施工供电要绘制施工供电分布图,按照从首端开始标号的原则,对所有的配电箱编号,写明用途,控制设备名称和走向。
参考文献
[1]任贺英.智能化配电系统中的多现场总线技术[J].中国新技术新产品,2009(3):98.
浅谈地铁盾构隧道的耐久性设计 篇2
摘要：随着中国城市化的发展，城市轨道交通在我国各大城市交通中发挥着越来越重要的作用。作为“百年工程”，城市轨道交通的耐久性设计是必须要考虑的问题。文章结合地铁盾构隧道的结构体系及构造特点，根据目前传统设计方法，总结了耐久性设计的基本内容，并引述国内出现的改善耐久性的新工法。
关键词：盾构隧道；耐久性设计；环境类别和作用等级；管片制作；构造措施
0.引言
随着国家城市化进程的加快，传统道路交通的低利用率以及结构性缺陷等原因，已无法满足现代都市的交通需求。交通拥堵造成的生活不便、环境污染、城市运营成本增加等一系列问题，是政府普遍面临的难题，到目前为止，城市轨道交通是长久解决交通拥堵的较好方案，已成为各中大型城市争先发展的基础设施，至2014年末，我国累计有19个城市建成地铁运营里程2539km，预计到2020年全国拥有轨道交通的城市将达到50个，届时我国轨道交通运营里程将超过6000km，也就是说未来几年城市轨道交通的建设将保持高速增长。
现行《地铁设计规范》（GB50157-2013）规定了地铁主体结构的设计基准期（使用年限）为100年，对于地铁这类投资大、建设周期长、质量要求高的“百年工程”，其地下结构耐久性至关重要，这一要求在工程设计和施工中如何具体反映和体现，是目前工程界人士日益关注的问题。
地铁盾构隧道与岩土、地下水等介质紧密接触，并不断受到侵蚀，并且要承受疲劳、超载、地震等外来作用，同时结构所用材料自身的性能也会不断退化，从而使隧道各部分产生不同程度的损伤和劣化，产生一系列危害（如隧道漏水、变形过大、差异沉降、裂损、坍塌等）。例如上世纪70年代建成的香港地铁部分区间隧道，运营20年之后发现内排钢筋锈蚀，导致混凝土保护层剥落，影响到运营安全及使用寿命。香港地铁花费了大量资金，在不影响正常运营的前提下，利用夜间停运的短暂几个小时，采用超高压水刀铲除内排钢筋及其保护层，然后喷钢纤维混凝土（植筋）后再添扎内排钢筋，用聚合物混凝土补强修复；国内地铁区间隧道、过江隧道等一些地下工程也遇到了类似问题。地铁建设资金投入大，后期维修、改建困难，因此对结构耐久性要求更高。本文就地铁盾构隧道耐久性设计进行简要阐述。
1.地铁盾构隧道耐久性的影响因素分析
国内地铁盾构隧道一般采用预制平板型钢筋混凝土管片，混凝土结构埋置于地下岩土中，同时受到地下水或其它侵蚀性介质的影响，其耐久性影响因素存在较大的复杂性和不确定性，主要因素包括如下几个方面：
（1）环境因素，包括岩土、隧道内外部温湿度、地下水、CO2、特殊离子环境、侵蚀性物质环境、杂散电流等。
（2）材料因素，包括水泥品种、水胶比、掺合料、外加剂、螺栓的耐腐蚀性、密封垫的耐久性、防腐涂料等。
（3）结构因素，包括结构尺寸与构造、应力状态及水平、裂缝程度、不均匀沉降、砂层液化、外荷变化、地震作用、爆炸冲击波等。
（4）施工因素，管片的生产、运输及安装过程中引起的管片损坏，现场尤其以管片拼装时碰撞、管片就位与盾构掘进姿态不一致、盾构纠偏时管片顶力分布不均匀最容易造成管片缺棱掉角，甚至管片崩裂；另外，管片拼装后的同步注浆分布，能否有效形成管片背后的保护圈，也对管片耐久性至关重要。
地下工程具有工程前期投资大、工程隐蔽性强、后期修复困难等特点，一旦耐久性出现问题，一是难以发现，日积月累，酿成重大安全事故；二是即使发现，也不得不花费大量的资金去修复加固。要提高地铁盾构隧道的耐久性能，应从设计、施工、使用管理等方面综合考虑，针对各种影响耐久性的因素采取相应的措施。作为工程设计人员，设计之初就应当引入耐久性的概念，加强对盾构隧道预制管片、接头螺栓、密封垫等部位的保护，切实做到降低运营维护费用及增加工程使用寿命。
2.地铁盾构隧道耐久性设计方法和内容
混凝土结构的耐久性设计可分为传统经验方法和定量计算方法。目前定量计算方法主要应用在特殊工程、教学科研上，尚未达到在工程中普遍应用的程度。国内现行的混凝土结构设计规范所采用的仍然是传统经验方法或改进的传统方法，即将环境作用按其严重程度定性地划分成几个作用等级，在工程经验类比的基础上，对于不同环境作用等级下的混凝土结构构件，由规范直接规定混凝土材料的耐久性质量要求和钢筋保护层厚度等构造要求。
对于地铁盾构隧道，耐久性设计主要依据国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）进行，同时要满足城市轨道交通行业标准《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）中对结构设计的相关要求。归纳起来，地铁隧道的耐久性设计应包括以下内容：
（1）明确结构的设计使用年限、环境类别和作用等级，作为开展耐久性设计的基础性技术标准。
（2）提出混凝土原材料品质、配合比及耐久性指标要求，作为施工阶段检测和验收的依据。
（3）明确混凝土结构裂缝控制要求，作为结构设计和后期维护的主要技术标准。
（4）采用有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造，如结构尺寸、保护层厚度要求等。
（5）针对严重环境作用，采取防腐蚀附加措施或多重防护策略。
（6）对于地铁隧道，需要考虑杂散电流的腐蚀，采取针对性的防护措施。
（7）提出耐久性所需的施工质量控制要求和验收要求。
（8）提出结构使用阶段的维护与检测要求。
3.环境类别和作用等级
按照傳统方法进行设计，首先需要明确环境类别和作用等级。目前，国内规范对于环境类别定义存在差异，按《混凝土耐久性设计规范》，地铁隧道处于无冻融、无海洋氯化物、无化学腐蚀的条件下，腐蚀机理为混凝土碳化引起的钢筋锈蚀，环境类别为一般环境（I类）。
对于一般环境，判别环境作用等级时，需要考虑的环境因素主要是湿度（水）、温度、CO2与O2的供给程度。如图1所示，由于地铁隧道长期埋置于地下水位以下，外侧与水和土壤直接接触，可按永久的静水浸没环境考虑，环境作用等级为I-B。对于隧道内侧，一般按非干湿交替的室内潮湿环境考虑，环境作用等级为I-B。也有观点认为，地铁隧道内侧处于干湿交替环境中，管片厚度不大，临水面也无防护层，且常有结露水，环境作用等级应为I-C。由于地铁隧道内存在地下水渗漏情况，随着隧道内温度和通风条件的变化，隧道内的湿度也随之改变，但是否达到干湿交替的程度，目前还没有实测数据作为依据。另一方面，目前的规范对干湿交替仅作定性的规定，未明确定量的判断标准。因此，建议针对已运营地铁隧道内的温度、湿度及其变化情况，在一定时期内（如一年）进行持续监测，为判断地铁隧道内环境作用等级提供依据。
图1 地铁隧道环境作用示意图
4.预制管片的材料选择及制作
盾构隧道耐久性的关键是混凝土材料的制备及预制混凝土管片的制作。混凝土的渗透性影响着水和侵蚀性介质在混凝土中的传输速率及聚集效应，因此提高混凝土的抗渗性是改善其耐久性的重点。根据目前工程经验，可通过提高混凝土密实度、降低水胶比至0.35以下、减少水泥用量至130kg/m3以下、掺入活性矿物掺和料等措施，且保证管片的混凝土保护层有足够的厚度，可有效阻止外部侵蚀性介质渗透至钢筋表面，避免钢筋锈蚀，从而大幅度提高管片的耐久性。
另外，可在管片外部涂刷防腐涂料，隔绝或减轻地下水及侵蚀性介质与管片的接触，减少各种化学腐作用；特殊条件下，可掺入钢筋阻锈剂，促使钢筋表面的氧化物钝化膜趋于稳定，使整个钢筋被钝化膜包裹，从而起到抑制钢筋锈蚀的作用。
目前国内地铁盾构隧道，提出了双层衬砌理念，即在单层预制管片衬砌的基础上，在其内侧，增加一层现浇钢筋混凝土衬砌。盾构隧道采用双层衬砌，虽然增加了前期工程投资，但从一定程度上改善了管片的受力，也弥补了由于管片安装过程中形成的裂缝对隧道耐久性的影响。
5.地铁盾构隧道耐久性构造措施
5.1 密封垫
对于地铁盾构隧道，预制管片需要采用大量的螺栓进行拼接，接缝采用密封垫进行防水，接缝总长度是隧道长度的20余倍，确保接缝防水材料防水性能的耐久性至关重要。
密封垫按按功能可分为三类：弹性密封垫、遇水膨胀橡胶密封垫、弹性密封垫与遇水膨胀橡胶复合密封垫。密封垫设计除了要满足防水性能外，还应提出耐久性指标。根据国内设计规范，密封垫材料的一般以硬度、拉伸强度、伸长率等拉伸力学指标来评价防水材料的耐久性。上海长江隧道工程对密封垫进行了专题研究，提出以接触应力松弛的时变特性来表征防水密封垫防水性能的耐久性。
5.2 管片连接螺栓
螺栓表面一般采用锌基铬酸盐涂层进行防腐处理。为提高外露螺栓的耐久性和隧道防水效果，管片手孔一般采用微膨胀水泥进行封堵。根据已运营的盾构区间现场检查情况，存在管片手孔封堵材料凸起和掉落的情况，对运营安全产生不利影响。因此，为确保运营安全，顶部手孔可不作封堵，改为对外露螺栓进行补充防锈处理。
5.3 联络通道特殊衬砌环
目前联络通道特殊衬砌环有三种做法：混凝土管片（后期切割）、全环钢管片、钢管片与混凝土管片组合。从耐久性角度出发，特殊衬砌环宜采用混凝土管片。当联络通道采用冻结法对地层进行加固时，需要在管片上钻孔以安装冻结管，如图2所示。如某地铁盾构区间联络通道，采用冻结法加固，需要在联络通道左右各3环管片上冻结管钻孔，开孔总数一般达到72个，开孔直径130mm，而管片主筋净距85～140mm，不可避免会对管片结构造成损伤，甚至破坏管片钢筋。因此，当联络通道采用冻结法对地层进行加固时，宜采用钢管片。采用钢管片时，应注意以下耐久性问题：
（1）钢管片的厚度除了要满足受力要求外，还应考虑钢管片在使用阶段的锈蚀，适当加固钢板厚度。
（2）对于使用阶段外露的钢管片，应采取防腐措施；并对钢管片内侧空腔回填混凝土，形成钢构件的混凝土保护层。
（3）考虑到防腐涂层在施工过程中的磨损，联络通道施工完成后，应对钢管片进行补充防锈处理，涂刷防腐涂料，增强钢构件的耐久性。
图2 区间联通通道冻结孔布置示意图
5.4 后锚固施工
在地铁机电安装阶段，需要在区间隧道内壁上布设大量供电、通风空调、给排水、动力照明、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、通信、信号、导向等系统设备管线的支架，以及区间疏散平台等附属结构（如图3、4所示）。
目前，国内绝大多数地铁均采用后锚固的方式与隧道结构连接，需要在管片上钻大量的孔洞，削弱管片的受力性能，甚至有时引起管片开裂、钢筋被破坏，影响管片耐久性能。为此，应加强设计接口协调和机电安装阶段后锚固钻孔施工控制：
（1）电缆支架间距模数与管片宽度统一，控制锚栓到管片边缘的距离，避免锚栓设于管片接缝。
（2）严格控制锚固孔洞施工误差：锚孔深度偏差不得大于10mm，垂直度偏差不得大于5°。
（3）打孔前应采用钢筋探测仪进行探测管片钢筋，锚孔应尽量避开受力主筋。如螺栓孔与管片钢筋冲突，应调整螺栓孔位置，严禁破坏管片钢筋。如有废孔，应用化学锚固胶或高强度等级的环氧树脂水泥砂浆填实。
为了避免后锚固施工对隧道管片的不利影响，钢滑槽、绝缘尼龙套管等预埋件技术在台湾、日本等地区得到了普遍的应用。深圳地铁9号线是国内首条在全线盾构法区间采用全环预埋滑槽技术的地铁线路。
图3 区间隧道管线布设示意图
6.结论
影响地铁盾构隧道耐久性的因素很多，综合本文所述，耐久性设计应特别重视如下两点：①受湿度、温度、地铁杂散电流等因素影响，地铁隧道内的环境作用较为复杂，耐久性设计中的环境作用等级取值应考虑上述不利因素的综合影响；②由于地铁盾构隧道的特殊性，其耐久性设计除了混凝土耐久性相关内容外，应高度重视管片制作、接缝防水、连接螺栓、后期钻孔等细部构造措施设计。
工程设计人员应当借鉴国内外取得的成功經验，吸取国内外涌现的新概念、新技术，结合工程实际，运用科学合理的设计方法，以提高地铁区间隧道的耐久性。
参考文献：
[1]王振信.盾构法隧道的耐久性[J].地下工程与隧道，2002（2）
[2]孙钧.崇明长江隧道盾构管片衬砌结构的耐久性设计[J]，建筑科学与工程学报，2008（3）
[3]吕志刚.浅析地铁结构耐久性设计[J]，建筑设计，2007（11）
[4]混凝土结构耐久性设计规范，GB/T50476-2008，中华人民共和国住房和城乡建设部，2009（5）
[5]混凝土结构设计规范，GB50010-2010，中华人民共和国住房和城乡建设部，2011（7）
作者简介：
合肥地铁盾构选型设计探讨 篇3
合肥市城市地铁1号线北起合肥站, 南至徽州大道站, 线路全长约25km。太望标段共包括3个区间:太湖路站-水阳江路站区间长度约478m, 隧道覆土厚度6.6~9.4m。水阳江路站-葛大店站区间长度约1 008m, 隧道覆土厚度10.3~17.8m, 最大坡度26‰。葛大店站-望湖城站区间长度约1 430m, 本区间平面共设3个曲线半径, 分别为350m、450m、350m, 最大坡度为25.4‰。盾构主要穿越粘土 (2) 层、粘土 (3) 层局部穿越粉质粘土 (2) 1层等粘性土体, 在粘性土中掘进可能会在刀盘上产生“泥饼”及“糊刀”现象, 影响掘进效率[1]。
2 刀盘选型
2.1 辐条式刀盘
1) 刀盘结构盾构刀盘为4主+4副的辐条式结构 (图1) , 刀梁及牛腿采用圆形钢管, 搅拌扭矩小, 利于碴土流动。本刀盘能较好地适应本标段粘土地层中掘进, 除此之外还广泛适用于淤泥、粉土、粘土、砂层、砾石、卵石层及强度不高的全强风化岩地层。
2) 开口率刀盘整体开口率约60%, 开口在整个盘面均匀分布, 中心部位设有面积足够的开口, 利于土压传递及保持土压平衡, 且开有3个泡沫口, 2个膨润土口, 单管单泵, 保证各口的通畅, 避免在砂质粘性土和全风化岩中掘进产生泥饼。
3) 刀盘配置针对本标段地质情况, 刀盘上配备鱼尾刀1把, 焊接撕裂刀36把, 切刀82把, 刮刀8把, 保径刀12把, 大圆环保护刀24把, 超挖刀1把。同时, 为提高刀盘整体耐磨性, 在刀盘上堆焊耐磨层, 并配置24把贝壳保护刀。
2.2 复合式刀盘
1) 刀盘结构刀盘采用面板式结构 (图2) , 刀盘整体结构强度大, 配置不同的刀具及合适的碴土改良方式, 可以适应各种不同的地层。
2) 开口率整体开口率约36%, 开口在整个盘面均匀分布, 中心部位设有面积足够的开口, 避免在粘性土层产生泥饼, 同时配有与辐条式刀盘相似的碴土改良接口。
3) 刀盘配置初装刀采用可更换撕裂刀, 刀具包括:4把中心双联撕裂刀, 单刃撕裂刀31把, 刮刀32把, 边刮刀8把, 焊接撕裂刀29把, 保径刀8把以及超挖刀1把。
复合式刀盘的结构形式不利于碴土的流动, 其开口率也远小于辐条式刀盘。在本标段粘性土层中掘进时, 为防止结泥饼, 需要进行充分的碴土改良才能达到碴土流畅的效果, 这样就会导致在施工过程中消耗的碴土改良剂大大增加, 最终导致施工成本增加。比较两种刀盘设计方案, 辐条式刀盘更适合于本标段的地质情况。如不考虑管片因素, 当岩石抗压强度低于120MPa, 此类型辐条式刀盘可适用于国内大部分城市, 为提高盾构适应性, 应预留更换复合刀盘的能力和接口。
3 主驱动选型
3.1 驱动形式比选
电机驱动和液压驱动两种驱动形式在盾构设备中都有广泛的应用, 两者各有所长, 现比较如下[3~4]。
1) 液压驱动液压驱动主要在一些非均质地层中得到广泛运用, 由于地层变化较大导致刀盘受到不均匀载荷的冲击, 由于液压驱动是一个柔性系统, 具备一定的自我调节功能, 对非均载荷适应性强。但是, 液压驱动效率较低 (约70%) , 而且在使用过程中能耗较高, 后期维保相对比较复杂, 费用较高。
2) 电机驱动相比之下, 电机的效率相对较高 (约90%) , 而且在使用过程中能耗也相对较低, 后期维保相对比较简单。电驱也有自身的不足, 就是电机与减速机属于刚性传动, 当遇到不均匀载荷冲击时自我调节能力相对较差。为了克服这个缺陷, 在每组电机与减速机之间设计有扭矩限制器。当扭矩过载时, 扭矩限制器会自动脱扣 (可人工手动恢复) , 将电机与减速机的传动链断开, 从而有效保护电机。
针对本标段地层, 全断面几乎均为粘土层, 地层突变因素很小, 从效率以及施工成本来看, 电驱更适合本项目的施工要求。
3.2 驱动参数选择
主驱动采用6组变频电机驱动, 驱动功率660k W, 额定扭矩5 500k Nm, 脱困扭矩6 900k Nm, 最高转3r/min, 扭矩系数20.3, 储备系数大。配置的主轴承直径为3 061mm, 最大使用推力荷载1 250t, 试验推力荷载3 125t, 破坏推力荷载5 000t, 安全系数4, 有效使用寿命≥10 000h。
主驱动采用中间支承方式, 可有效防止中心泥饼产生。利用刀盘主动搅拌棒 (图3) 和承压隔板上被动搅拌棒相对运动进行搅拌, 而且在驱动中心部分增加搅拌棒可增强中心部位碴土的流动性, 有效减少中心泥饼的产生。
4 液压系统
1) 推进及铰接液压系统推进系统包括32根推进油缸、控制阀块和推进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的区域分为4组, 通过调整每组油缸的不同推进压力来对盾构进行纠偏和调向。铰接液压系统油缸选型时需考虑盾构转向角度与方向控制的要求, 推进速度的控制则靠推进阀组来实现, 推进方向及推进速度可实现实时远程调节。推进系统采用压力流量复合控制技术和分区联合控制技术, 能实现对各组液压缸压力和流量的单独控制, 油缸推力和速度分别由比例溢流阀和比例调速阀来调节, 可达到很好的同步控制效果, 同步精度满足盾构工作需要。液压站 (图4) 采用力士乐远程动态恒压变量泵, 位于2号拖车上, 控制阀采用电液换向阀进行方向的切换, 每组控制阀组配有电比例流量、压力阀, 可以实现对推进方向的精确调整。
2) 螺旋输送机液压系统螺旋输送机液压系统采用1个变量泵与1个两档排量的马达组成闭式系统, 共同实现转速控制。通过实时调整马达排量可以实现螺旋输送机高速档与低速档的切换, 进而适应不同地质需要;通过改变电比例控制泵出口流量, 可以实现螺旋输送机的无级变速, 以适应不同推进速度要求。另外, 螺旋输送机后舱门具有紧急状况自动关闭功能。
3) 管片拼装机液压系统拼装机液压系统油源采用力士乐的压力流量复合控制泵, 控制阀采用2组德国哈威的电比例多路换向阀, 可以进行流量精确控制, 从而保证安装机安装管片的精度。安装机的油缸、马达进油口都配有平衡阀, 这样可保证执行机构运动的平稳性及动作的精确性。安装机旋转转速可以实现无级调节, 最大可达到2r/min。安装机抓举头可以停在圆周方向任一位置。
5 其他装置
5.1 螺旋输送机
螺旋输送机为轴式螺旋机, 采用中心尾部驱动, 筒节内径800mm, 最大通过粒径为290×560mm, 具有伸缩功能, 配置2道出料闸门, 多个观察窗口, 9个碴土改良注口, 采用1个双速马达及减速机传动。驱动功率为200k W, 最大扭矩135k Nm, 最高转速25r/min。
5.2 管片拼装机
管片拼装机为中心回转式, 驱动功率55k W, 具有6个自由度, 回转角度为±200°, 回转速度为0~2rpm, 并可实现微调, 所有动作可遥控。推进油缸在拼装时切换到现场控制盘, 便于与拼装机配合操作。拼装机水平运动油缸行程2 000mm, 举升油缸行程为1 200mm。管片拼装机上预留超前钻机的位置及安装孔。
5.3 皮带输送机
采用DTⅡ型固定式皮带输送机, 皮带输送机由倾斜段 (包括接料段和上坡段) , 中间水平段 (分布在1~4号拖车上) , 卸料段构成 (安装在5号拖车上) , 输送总长初步设计为55m (设计联络时确定具体长度) , 输送高度为2.5m。皮带机具有曲线调整功能, 只需调整相应皮带支架的摆动角和驱动装置的摆动角即可适应不同曲线施工。皮带机采用变频驱动, 当碴土堆积或有大卵石输送时, 可降低转速防止皮带打滑。
5.4 管片吊机
管片吊机包括管片吊机轨道梁、吊机行走小车、吊机起吊小车、管片起吊吊具等, 其采用双梁双吊机方式布置, 其轨道梁采用标准H型钢制作, 布置在设备桥和1号拖车上。轨道梁前部与设备桥采用螺栓固定连接, 后部使用卡板与拖车浮放连接, 中部为不完全万向铰接, 以适应盾构转弯要求。
6 小结
通过工程实践证明, 所选盾构主要系统及部件较好地满足了以粘土地层条件为主的地铁项目施工需求, 能够为类似盾构工程提供一定的参考。
参考文献
[1]严辉.盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施[J].现代隧道技术, 2007, (4) :24-27.
[2]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2009.
[3]冯欢欢, 李凤远, 王助锋.盾构液压技术现状与发展趋势[J].建筑机械化, 2012, (5) :77-79.
盾构司机操作规程 篇4
1、盾构司机必须经专业技术培训合格后方可上岗作业。
2、进入井下施工现场必须严格遵守隧道施工各项安全规定。
3、作业前必须认真复核推进报表及千斤顶编组情况，推进时认真执行技术部门制订的各项规定，未经技术部门的许可不得随意修改推进轴线，在施工中发现问题及时和技术部门联系，确定施工方案。
4、盾构推及管片拼装时要加强对周围环境进行观察，防止千斤顶伸缩时人员进入而发生意外。
5、推进前及时和监测人员联系，熟悉了解轴线上方的建筑物和管线分布情况，防止盲目施工引起地面沉降，损坏地面建筑物和地下管线。
6、盾构驾驶室内严禁非操作人员进入，非盾构司机不得玩弄操作系统。
7、推进时发现设备故障及时反映给有关部门进行修复。
8、推进时严格控制地面沉降，做好同步注浆工作，同步注浆不到位禁止盾构推进。
9、详细做好推进记录和交接班记录。
盾构“中国梦” 篇5
从今天回溯10年。科学家“七年磨一剑”自主研发出盾构“心脏”——液压驱动和控制系统，想“移植”到德国产品“海瑞克”身上一试身手，却屡屡碰壁。首台“中国造”靠谱吗？施工方打退堂鼓，不肯给新系统通电，多次沟通无果，科学家发脾气撂电话。
故事或将在此戛然而止。撂下电话的是中国工程院院士、浙江大学流体动力与机电国家重点实验室教授杨华勇。无奈之余，他只好准备“给国家打报告说项目做不下去了”。
谁料峰回路转。第二天，施工方——中铁隧道集团有限公司有关负责人意外松口：“可以通电！”于是，盾构“中国梦”的故事翻开新篇。
2009年，天津地铁3号线营口道至和平路标段，首台国产复合盾构——“中铁1号”以日掘进22.8米的速度在“督军街”——赤峰道下潜行。它静悄悄经过建筑史上的奇葩、全球独一无二的“瓷房子”（现值98亿），穿过张学良、段祺瑞等名人故居，几乎检测不到地表沉降。
同一年，国产直径11.22米的“进越号”首台泥水盾构为上海世博会重大配套工程——打浦路隧道复线画了个完美的弧度：380米的最小转弯半径刷新世界纪录。
2012年，杨华勇及其产学研团队的“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”项目，将国家科学技术进步一等奖揽入怀中。
国家褒奖的背后，是2009年至2011年新增产值62.83亿元，实现利润10.21亿元，创造税收4.25亿元。
灵感源自船蛀打孔
有“工程机械之王”、“移动式掘进工厂”之称的盾构机，其设计灵感源自小小的船蛀。
1818年，侨居英国的法籍工程师布鲁诺尔看到船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔洞四周以起加固作用。他被灵感眷顾，构建了盾构法隧道掘进施工的原理，发明了敞开式手掘盾构原型。
泰晤士河成了布鲁诺尔的“试验田”。始于1825年，在经历了五次以上特大洪水后，直到1843年泰晤士河河底隧道工程全部完工。
现代盾构机十足“高大上”。集土木、材料、机械、电压、液压、信息、控制等技术之大成。它是在护盾钢筒结构掩护下，能够连续、同步实现切削、排碴、衬砌等隧道一体化掘进作业的高端装备。
回想上世纪六七十年代开挖隧道的经典场面：炸药开道，千余人赤膊挥汗，镐锨锹锄齐上阵，扁担肩扛加手推车一趟趟运土，“工效低、事故多、伤亡大。”杨华勇说，坐火车过秦岭或襄渝线，在每个长点儿的隧道口几乎都看得到当年施工人员长眠的坟头。
而由刀盘刀具系统、刀盘旋转驱动系统、螺旋输送机与密封舱系统、推进系统、管片拼装系统、后配套系统和导向纠偏系统组成的现代盾构机，工作起来“一气呵成”。
先将后配套拖车和设备调入基坑后部，安装始发液压缸和始发反力托架，再将盾首吊入始发井，调整始发位置和姿态。始发液压缸推动盾构进行初始掘进，期间测量系统实时反馈盾构姿态，确保其按预设方向和轨迹掘进。
“钢铁蚯蚓”吞土吐石。在刀盘挤压和刀具切削作用下，刀盘前方土体和岩石被切割破碎，沿刀盘开口进入密封舱，再经螺旋输送机排至输送带，而后到达盾构机尾的矿车，运至隧道口提升至地表，管片也可由矿车运送到盾构机靠近刀盘的前部分。
在切削土体时，推进机构推动盾首前进，当推进距离达到一环管片宽度时停止，盾构进行管片拼装。管片运至拼装机后部，拼装机后退取管片，再回到盾体内部进行拼装，管片环与环之间错开衬砌，一环管片分为六片，分别按照上述步骤进行拼装。拼装完毕后进行同步注浆，推进机构继续向前。
在直径6～15米的大型隧道施工现场完成如此复杂的流程，需要多少人？答案是：每班组仅需12人。
“急诊医生”要当设计师
浙江大学流体动力与机电国家重点实验室教授龚国芳给《瞭望东方周刊》讲了个故事：1995年，中铁隧道集团有限公司从德国购买了一台敞开式全断面硬岩掘进机，用于国家“九五”重点工程西安安康铁路“咽喉”秦岭隧道的开挖。
价格超过3.5亿元的一堆零部件在江南造船厂合体，成为全长256米、刀盘直径8.8米的“巨龙”。工程接近尾声时机器“罢工”，德国专家说要更换液压装置，可新装置要两年后才能到。
施工方把求助电话打到了浙江大学。次日，重点实验室的魏建华教授出发去了秦岭，拆出“生病”的液压装置。魏建华拦了一辆上山接孕妇的救护车才得以下山，而另两位中铁隧道集团的工程师硬是沿着已经打出的隧道，步行穿越18公里，走出白雪皑皑的大山。
魏建华“闭关”半年，终于将液压装置修复，德国巨龙的“心脏”重新起搏。
科研人员被迫穿山入林做盾构“急诊医生”，其时代大背景是经济驶入快车道的中国已经拉开基建大幕——公路、铁路、地铁、水利工程接连上马，城市化建设迅速推进。但国内对盾构的自主研发水平，远远不能支撑市场对盾构的巨大需求。
于是“洋盾构”唱起主角。1990年，上海地铁1号线用的是七台“法国造”；1996年二号线开工，七台不够，又从法国引进两台。同年，延安东路隧道南线工程1300米圆形主隧道，用的是日本造直径11.22米泥水盾构掘进机。2001年后，广州、南京、深圳、北京、天津先后从德、日引进14台直径6.14米～6.34米的土压平衡盾构和复合盾构机，掘进地铁隧道50千米。
“盾构设计技术一直被国外垄断，产品长期依赖进口，高昂的价格制约了盾构的应用，延缓了我国城市地铁的发展，自主研制势在必行。”杨华勇告诉本刊记者。
经济账更能说明问题：单价4000万至6000万元人民币的地铁盾构机，单台平均寿命10～15公里，一条地铁线路有时需20台盾构同时施工。
而处于基础建设期的中国对盾构机的需求占全球50%以上。未来十年，中国还将建设隧道超过一万公里，新增盾构机超过1000台，拉动直接投资超过一万亿元。
2000年7月，在科技部863计划支持下，建设部在北京组织了全国第一次针对盾构装备研制的大学与企业的联合论证会。“这是一件应该上升为国家战略的大事。”作为论证专家之一的杨华勇说。
中国合伙人
2002年，863计划机器人主题启动了对盾构项目的支持，多家企业和高校联合攻关。杨华勇主持召开全国性技术论证会。从北京到杭州，从上海到广州，会开了一个又一个，收集、汇总、分析来自国内外隧道施工现场和制造第一线的难题。
然后是分技术包干——浙江大学负责液压系统，中铁隧道做刀盘刀具，上海隧道做控制系统和后配套系统……
事实上，常年“出急诊”的浙江大学团队早已看清洋盾构有“先天缺陷”——盾构掘进过程中，工程事故占施工量的10%，其中80%是界面失稳、装备失效和方向失准引起的。
失稳——盾构密封舱内控制压力不能与舱外随时变化的水土压力保持始终平衡，偶尔会导致地面塌陷；失效——掘进中突变载荷对盾构动力系统所带来的冲击时常会导致关键部件损坏；失准——纠偏滞后有时使隧道掘进方向偏离设计轴线。
多年攻关，以浙江大学为首的973计划科研团队用三个首创实现“对症下药”：盾构密封舱压力稳定性控制技术、载荷顺应性设计技术、姿态协调性纠偏技术。
“中铁一号”穿过天津“瓷房子”，这里的街道静悄悄，地面沉降小于2毫米，除这一难以测量的骄人成绩令国外同行大跌眼镜外，每米掘进成本还降低了8.3%；
“进越号”在黄浦江底实现了半径380米的转弯，还优雅地下穿500米长的污水南干线、日晖港防汛墙、大楼桩基群和复杂地下管线。
这些是后话。回到21世纪头七年，这些画面只存在于盾构“中国合伙人”的憧憬中。
2004年，浙江大学团队想把自主研发的“中国心”换给正在上海地铁二号线延长段施工的“海瑞克”。
“遭到现场施工人员拒绝，”龚国芳回忆。原因很简单，掘进速度和长度决定工资收入，国货“趴窝”怎么办？
杨华勇“公关”到中铁隧道一位副局级领导那里，仍然无果。“花了国家863计划的经费，就要替国家做事。”正当杨华勇等人黯然神伤，没想到第二天施工现场同意通电。
上海隧道工程股份研制出整台样机“先行号”，也遭冷遇。最后得到时任上海市副市长严隽琪的“背书”，“先行号”才获准试掘一个标段。
结局皆大欢喜。“十五”重大成就展上，中铁隧道和上海隧道各做一台盾构模型参展。时任上海市委书记问展台边的杨华勇：“有什么困难？”
“没有订单！”杨华勇答。
上海市领导视察了上海隧道工程股份，时任市长韩正随后也来到盾构制造工厂。不久，上海市政府下文：不再进口同类盾构。
上海隧道工程股份有限公司因此一下子拿到20多台盾构订单，在迎接世博会的地铁工程中，该公司设计制造的盾构占三成以上。
盾构“国家队”
2014年5月10日，习近平总书记考察郑州中铁工程装备集团有限公司。
这位中国最高领导人说，实现中国梦，装备制造业这个基础必须打牢。装备制造业的核心是技术创新，一个国家综合实力的核心还是技术创新。
“中铁一号”静悄悄经过“瓷房子”，一役成名。中铁隧道随后拿到八台盾构机新订单。此后不久，这家隧道施工行业的“大佬”孵化出独立的中铁工程装备集团有限公司，专门从事盾构机的设计制造。目前订单编号已经超过202台。
仅2009～2011年国产盾构机就达132台，行销国内26个城市，并向新加坡、印度、马来西亚、泰国和伊朗小批量出口，与英国和俄罗斯等五国签订了出口意向。
国产盾构机在300多个地铁、公路、铁路、水利与国防等各类隧道工程施工中得到应用。
2011年，国产盾构机已占当年新增盾构机的60%。预计2015年可占国内新增市场的80%以上。德日产品在中国市场售价降低四分之一以上，订单继续剧减。
习近平登上一台近百米长的盾构机后配套平台，进入小小的主控室，问中铁装备设计研究总院副院长蒲晓波：“这么大的一台设备，一个人可以操作吗？”
11年前，中铁隧道集团有限公司内打算自主设计制造盾构装备，28名青年每人一台笔记本电脑，加入产学研团队。
没过多久，工资发不出，20人各奔前程，只剩下“八大金刚”，其中就有指着60多个实体按钮及屏幕上的触控按钮，给总书记作介绍的蒲晓波。
彼时，没人会料想到中铁工程装备集团有限公司——中国最大、全球第二的盾构机设计和制造基地的诞生。2013年，中铁装备自主研制的世界最大矩形盾构机，成功应用于郑州中州大道下穿工程，开创矩形盾构机应用于市政道路建设的先河。
2013年，“郑州造”盾构机交货47台，新签合同额21.38亿元，产值22.52亿元。
“中铁一号”在天津一战成名后，与中国中铁同台竞争的中国铁建股份有限公司，2009年起在长沙也开始了盾构自主设计制造，“八大金刚”之一程永亮受邀加入新成立的中国铁建重工集团有限公司，铁建重工很快也与以杨华勇为首席的863、973科研团队对接成功。2013年，“长沙造”盾构机交货32台，产值15.83亿，在手合同22.52亿元。目前他们的盾构产品订单累计到了120号。
盾构转弯设计方法的研究 篇6
1 盾构转弯的操作原理
盾构的主机较长, 一般在9m以上, 通常采用铰接的形式, 使其刚性结构断开, 并可在密封的前提下达到一定的转角, 从而实现隧道的转弯要求。目前盾构有主动铰接和被动铰接两种形式。主动铰接位于前盾和中盾之间, 但是盾体内部空间有限较难布置, 且操作较复杂, 对司机的素质要求较高。被动铰接位于中盾和尾盾之间, 被动铰接油缸采用随动形式, 可以根据隧道的掘进方向自动调整尾盾的掘进曲线, 基本适应一般隧道掘进的要求, 因此, 被动铰接形式在转弯半径大于300m的施工中较为常用。
被动铰接的设计转角能够达到1.5°。在盾构曲线掘进的过程中, 司机通过控制不同分区内推进油缸的压力和行程来控制盾体的姿态, 从而实现正确的掘进线路。
铰接油缸除了参与盾体的转弯, 还负责拖拽尾盾。拖拽的力包括尾盾和隧道之间的摩擦力以及盾尾刷和管片外壁之间的摩擦力, 等于有杆腔内的油压乘以有效面积再乘以铰接油缸的数量。铰接油缸在盾体内圆周均布, 在45°、135°、225°和315°的位置分别配有一个行程传感器, PLC通过对反馈的行程数据进行分析, 可以自动或者手动的进行随后的操作。
铰接系统有3种工作模式, 分别为自由、伸长和缩回模式。自由模式下, 铰接油缸基于盾体中心处于自由铰接的状态, 此时, 无杆腔接油箱, 各油缸的有杆腔相互连通, 液压油在外力作用下为达到平衡, 在各有杆腔内自由流动, 从而达到调节尾盾位置效果。伸长模式下, 铰接被断开, 有杆腔和无杆腔皆通油箱, 铰接油缸可以随着盾体的掘进被拉长。缩回模式下, 无杆腔接油箱, 向有杆腔注入高压油, 使得铰接油缸被缩短。
2 盾构转弯的设计方法
2.1 管片环组合形式及拼装方法
目前盾构隧道施工一般采用3种管片环的组合形式。第一种为标准管片环、左转弯管片环和右转弯管片环的组合形式;第二种为左转弯管片环和右转弯管片环的组合形式;第三种为通用管片环的组合形式。第一种凭借施工简单、操作方便的优势在国内普遍应用, 而其他两种则因施工复杂、操作困难而较少使用。
在盾构直线掘进的过程中, 除了需要纠偏, 一般均采用标准管片环进行直线隧道的拼装。在盾构曲线掘进的过程中, 一般通过采用标准管片环和转弯管片环组合的形式进行曲线隧道的拼装。以国内地铁隧道通用的6m外径、1.2m宽的管片环为例, 转弯管片环的中间宽度为1.2m、楔形量为48mm, 转弯管片环和标准管片环的数量比为U。当U=1∶1时, 转弯半径为300m;当U=3∶7时, 转弯半径为500m;当U=1∶3时, 转弯半径为600m;当U=3∶13时, 转弯半径为800m;当U=3∶17时, 转弯半径为1 000m。本文研究当U=3∶2, 即转弯半径为250m的情况, 如图1所示。
2.2 盾构主机转弯的设计方法
铰接系统将盾构主机分成两部分。前半部分包括刀盘、前盾和中盾, 以及其内部的管片桥、管片安装机、螺旋输送机等。后半部分只有尾盾及其内部结构。通常前半部分相对较长, 且直径相对较大。因此, 如果盾构能够实现预计的曲线掘进, 就必须保证前半部分能够布置在曲线隧道内。盾构壳体的几何关系为, 刀盘直径>前盾直径>中盾直径, 这种倒锥型结构保证了盾构在没有仿形刀辅助的情况下可以进行曲线掘进。如图2所示。
由铰接系统的工作原理可以知道, 铰接油缸在外部载荷的作用下, 可以自由伸缩, 尾盾随之被动地在隧道和管片之间摆动, 直到达到瞬时的相对平衡。于是可以确定尾盾相对主机前半部分轴线的转角。如图3、图4所示, U=3∶2, 即转弯半径为250m的情况下, 盾构开挖直径6.28m, 主机相对转角约为1.2°, 铰接油缸的相对行程差约为120.68mm。
2.3 盾构后配套转弯的设计方法
盾构的后配套通常由连接桥和拖车组成。后配套由主机通过连接桥的牵引向前行进。连接桥两端分别支撑在管片桥和1号拖车上, 拖车则通过金属车轮坐在隧道底部的轨道上。
拖车车轮的一般结构如图5所示, 其中的一个轮子带有双边轮缘, 用于控制转弯, 1台拖车一般有4组这样的轮子。
通过几何作图可以判断, 当带轮缘的轮子布置在拖车内侧的时候, 拖车可以适应相对较小的极限转弯半径, 相反则只能适应相对较大的极限转弯半径, 如图6所示。因此, 为了追求小转弯半径, 将带有轮缘的轮子布置在拖车的内侧是一个可选方法。
注意到相对于带轮缘的轮子的外侧拖车结构, 这部分结构在拖车转弯的时候处于转弯曲线的外侧, 且下一辆车的外侧结构也是这种情况, 于是通过绘图法可以知道, 这样的车轮布置使得拖车在转弯的时候扭转动作相对较小。反之, 将带有轮缘的轮子布置在拖车的外侧的时候结果却是相反的, 这样对于拖车之间, 具有相对运动的各种管路、走台甚至皮带机的结构都非常不利。
另外, 后配套沿线的皮带运输机和风管也都需要进行针对转弯的设计。
2.4 盾构转弯关键点的校核
所谓转弯关键点就是盾构转弯时, 结构之间有相对运动, 且距离较近的部位。在盾构转弯设计的时候需要着重校核的关键点有:螺旋输送机和连接桥、螺旋输送机和二次吊机、螺旋输送机和皮带机、管片桥和皮带机、二次吊机和皮带机、二次吊机和管片安装机以及拖车之间的管路和走台的相对位移。需要适应转弯的连接有:二次吊机在管片桥和连接桥上的连接、一次吊机在连接桥和拖车上的连接。
3 结语
本文对盾构转弯的设计方法进行了研究, 分析的项目包括隧道管片、主机、铰接、车轮、拖车等, 内容详细, 方法清晰, 望同仁能够得以参考和讨论。
摘要：描述了盾构转弯的操作方法, 剖析了铰接系统的工作原理。对盾构转弯的设计方法进行了研究, 包括隧道管片转弯、主机转弯、尾盾转弯、后配套转弯等, 并配合图解对拖车的转弯进行了详细的分析和总结。
关键词：盾构,转弯,铰接,车轮
参考文献
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谈盾构隧道的抗震设计方法 篇7
过去人们一般认为，地下结构较难受到地震灾害影响。然而，近年来地下结构在大地震中受到严重破坏的案例屡见不鲜。1995年兵库南部大地震中[1]，神户地铁系统的大开车站和上尺车站发生了坍塌而彻底破坏，并造成了地铁上方的国道路基大量坍塌，同时震区还有100多座隧道发生不同程度的破坏，导致日本南部交通瘫痪。2008年汶川大地震，四川灾区的56座隧道发生了不同程度的损坏[2]，破坏主要方式包括二次衬砌开裂、涌水、初期支护变形、洞口边坡崩塌、洞门裂损等。
近年来世界各地高烈度地震灾害频繁，地下结构的抗震减震问题逐渐引起了高度重视，成为工程界一个重要的研究方向。
同其他方法建造的隧道相比，盾构隧道建设历史尚浅，且大多并未建造在地震高发区，因此其震害资料也就相对较少。随着地下工程项目的持续开发，施工环境的日益复杂，针对盾构隧道的抗震设计问题将会越来越多地涌现在我们面前，必须作进一步的研究，并将成果应用于指导实际工程的设计与施工。
1 震害机理与特征
盾构隧道常规的衬砌结构是将预制管片用螺栓拼装而成，接头的刚度比管片本身小很多，同其他方法修筑的隧道相比，盾构隧道属于柔性的预制结构，加上隧道的单位体积质量同原有土体相比小得多，而地震动的振动能量被周围土体吸收衰减很大，因此在惯性力作用下，盾构隧道很难产生共振现象，抗震研究中很少考虑惯性力的影响。同明挖法相比，盾构法对原始土层的扰动较小，在地震时盾构隧道具有与周围土体共同变形的特征。盾构隧道为地下线形结构物，隧道沿线地基的力学性质和地层情况会产生各种变化。考虑到不同地层的地震反应差别较大，且各点的相位差别随着距离增大而越发明显，隧道轴向一定间隔的两点间土体会发生相对位移，这对盾构隧道的影响比较严重。
由现有的震害实例分析，盾构隧道的典型震害形式可以归纳为如下4个方面[3]:
1)混凝土管片端部受损;2)竖井接头处附近的环向接头受损;3)隧道曲线部分的混凝土二次衬砌横向裂缝，直线处的混凝土二次衬砌起拱线上下45°位置产生纵向裂缝;4)不均匀沉降及漏水。对稳定的地基，其地震活动实际上属于弹性振动，围岩产生的相对位移全部或者部分作用于管片结构，使管片壁产生交替的压应变和拉应变，压应变与管片结构原有的压应变叠加后，可能造成混凝土压屈而剥落;而拉应变大于结构原有压应变时，则会导致管片开裂。对不稳定的地基，隧道地震破坏的主要方式为断层错位造成的结构剪切破坏、边坡崩塌和地基液化。
2 研究方法
地下结构的抗震设计，我国现行相关规范中的方法是参照地面结构抗震的思路，对系数进行简单修正，以增强结构的抗震性能。这种方法显然不能准确地反映地下结构地震响应的实际特点。要进行切合实际的研究，按照分析手段大致可分为三类:原型观测、模型试验和理论分析[4]。
2.1 原型观测
原型观测是对隧道衬砌结构在经历地震动作用时的受力、变形和破坏情况进行观测与分析，来了解结构响应特点的一种研究方法。根据研究的主动程度，可分为震害调查和现场实验两种。震害调查是在地震发生后对结构损伤情况进行调查，不过在现阶段地震的发生还无法准确预测，也就无法提前布设监测仪器，因此地震发生时隧道结构的实时动力响应很难获取。此外，各种边界条件和地震波输入机制在实际地震中无法调整，其影响效应也就无法单独进行具体分析。在一定程度上，现场实验可以弥补上述弱点。
2.2 模型试验
模型试验法是对隧道结构模型输入地震激励，来研究其动力响应特性。在各种试验方法中，应用较广泛的是振动台试验。模型试验可以对理论分析的建模与计算合理性进行检验，通过实时测量考察地基与衬砌结构之间的动力作用机理，可以很好地弥补纯理论分析的不足，是一种必不可少的分析方法。
2.3 理论分析
目前地下结构的抗震理论分析方法种类繁多[5]，大致可分为解析法和数值法两类，而这两类又可以作进一步的细分。下面对几种常见的理论分析进行介绍。
2.3.1 静力法[6]
静力法的核心思想是认为结构的各组成部分与地震动有着相同大小的加速度。基本公式为:
其中，F为结构重心处的地震惯性力;Kc为地震系数;Q为结构的重量。
该法计算的结构内力，一般比动力响应分析值大。在计算刚度特大、变形特小的地下结构时，静力法至今仍被认为是适用的。
2.3.2 反应位移法[5]
反应位移法的核心思想是在地震时结构受地基变形的约束并产生应变、应力和内力。反应位移法的计算原理是将线状结构物视作弹性地基梁，围岩的地震位移作为初始条件施加在弹性地基梁上，然后计算弹性地基梁的响应，基本公式为:
其中，[K]包括地下结构的刚度[Kt]和地基抗力[Ks];{ug}为地震变位。
2.3.3 数值法[4]
数值法是国内地下结构抗震研究中应用最为普遍的方法。通过合理的简化和参数设置，将实际工程转换为可计算的数值模型，通过计算得出隧道结构和周边围岩的地震响应。同以上两种方法相比，数值法可以对一些工程环境复杂的隧道进行抗震分析，且可以考虑土体的非线性和非均质性对隧道结构动力特性的影响。
3 抗震措施
从理论上看，考虑到盾构隧道的地震响应特征和震害机理，提高抗震性能有以下三种措施[3]:
1)地基位移控制;2)提高隧道衬砌结构自身抗震性能;3)降低地基和隧道衬砌间相互作用。
从地基方面着眼，最可靠的办法是在隧道线形规划阶段即避开不良地层，如断层和液化区域等。但在实际工程中，只从抗震角度来规划隧道线形几乎是不可能的。如果只考虑局部地基处理，可采用地基控制法，比如采用注浆压密或振冲加密来防止地基的液化。不过，采用这种方法时，如果地基改良范围过大，经济性差将成为其致命弱点。
提高隧道结构自身抗震性能，主要是改变衬砌结构的刚度、质量、强度、阻尼等性能[7]，以降低结构的地震响应和损坏程度。其中的重点是设置合理的结构刚度。现行规范的抗震理念是通过加大衬砌厚度、提高配筋率等手段来提高结构刚度以抵御变形。然而这种方法使结构承受的地震荷载也随之增大，而材料用量和建设成本也会相应大幅增加。较小的结构刚度能够有效地减少结构的地震响应，减小地震应力，但结构抵御变形的能力也随之降低，不仅影响隧道使用，还有可能导致结构的局部破坏。在这种情况下，延性结构是相对有效的解决办法[8]。适当保证隧道结构的刚度，用部分构件在地震时进入塑性消耗能量，同时通过较大的延性使结构能够适应大变形而不致垮塌。不过延性结构方案也存在自身的弊端，比如结构变形过大且进入塑性破坏阶段，将为震后修复造成很大困难;隧道内的附属设施由于变形加大而破坏等等。
减震技术近年来得到了越来越多的关注，在地下结构也有很好的发展前景。它的原理是采用一道减震层来隔离围岩和衬砌结构，从而减小地震对衬砌结构的作用强度。此外，减震层还能吸收和损耗一部分地震能量。
减震层按布置形式可分为板式和压注式。板式减震层是将减震材料制成板材，应用于现场施工。王明年等[9]对海绵橡胶作为减震层的隧道结构进行了振动台模型试验，试验结果表明，减震层非常有效，使隧道衬砌应变接近均匀，且应变越大，减震效率越高。压注式减震层则是将一些原为液状的材料以注浆的方式填充到围岩与管片之间的缝隙，硬化后即作为减震层。这类材料需具有一定弹性、韧性和耗能能力，并便于注浆施工。
4 结论与展望
目前对盾构隧道的抗震减震分析方法和措施的研究工作已经展开，但还没形成系统的分析理论和完善的可行性应用措施。随着地下空间的大开发，在高烈度地震区开展盾构施工的工程案例会越来越多，有必要进行更深入的理论和实验研究。
参考文献
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沈阳地铁盾构隧道设计浅谈 篇8
盾构施工方法为暗挖施工中的一种,具有良好的隐蔽性,不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响,能较经济合理地保证隧道快速施工,可在盾壳支护下安全地进行开挖、衬砌等。其施工中噪声、振动引起的公害小,对周围环境基本没有干扰,逐渐成为城市隧道施工的首选工法。在沈阳地铁一、二号线的建设中盾构法就得到了大量的成功使用,在下穿密集楼群及浑河时体现了其巨大作用,是其它工法不可替代的。
本文就沈阳地铁一、二号线盾构法隧道设计主要标准及原则、盾构机选型、管片结构设计和管片排版等关键问题进行详细的阐述,为今后的设计提供了可靠的参考经验。
2 盾构机选型
盾构隧道的成功与否,关键之一是选择好适合地层特性的盾构机。沈阳地铁区间所在地层主要为中、粗砂及砾砂层,地下水位埋深较深,埋深在7m左右,此水文地质条件下一般选用土压平衡盾构。在下穿浑河段时由于水头较高,含水层较厚,则采用泥水加压平衡盾构机施工。
3 管片构造及结构设计
3.1 主要设计标准及原则
(1)结构的安全等级为一级;
(2)结构抗震按7度设计,人防按6级人防考虑;
(3)隧道防水等级为二级;
(4)裂缝宽度控制:迎土面侧不大于0.2mm,结构内侧不大于0.3mm;
(5)地表沉降控制标准:一般沉降量在30mm以内,隆起量10mm。
(6)管片接缝防水要求:环缝、纵缝张开6mm时,在0.6MPa外水压力下不漏水;
(7)管片衬砌结构变形验算:直径变形≤1‰D(D为隧道外径),接头张开量<4mm。
3.2 管片构造
(1)单、双层衬砌选用
盾构法施工隧道的衬砌一般分为单层和双层两种衬砌形式。单层衬砌,施工工艺单一、工程实施周期短、投资省,可确保施工进度,其衬砌圆环的变形、管片接缝的张开量及混凝土裂缝的开展和防水性能,均能控制在预期的要求内,可完全满足地铁隧道的设计要求。沈阳地铁中盾构隧道均采用单层钢筋混凝土装配式结构形式,盾构管片型式为平板型。
(2)衬砌环分块
国内地铁区间单线隧道大多采用6块模式,即3块标准块(B块)+2块邻接块(L块)+1块封顶块(K块),运营期间工作状态良好。沈阳地铁一、二号线已建工程具体分块情况为3块标准块(中心角67.5°),2块邻接块(中心角67.5°)和1块封顶块(中心角22.5°)。目前所建工程中无双线并行盾构区间。
(3)衬砌拼装方式
衬砌圆环有通缝、错缝两种拼装方式。错缝拼装能使圆环接缝刚度分布趋于均匀,减少结构变形,可取得较好的空间刚度。通缝拼装施工难度较小,衬砌环内力较错缝衬砌环小,可减少管片配筋量,但衬砌空间刚度稍差。从北京、上海等地盾构管片的错缝拼装实践来看,管片衬砌的制作和拼装精度可以满足错缝拼装的要求,衬砌的刚度和防水效果均较满意。因此,工程中衬砌环采用错缝型式。
(4)衬砌环宽度
根据目前钢筋混凝土管片应用的经验,衬砌宽度多在900～1500mm之间。在工程中,应综合考虑各方面因素,并根据工程的具体条件以及实际的施工经验,现有盾构机举重臂能力及千斤顶行程等客观条件,选择既经济又合理的环宽尺寸。衬砌环宽度的比较见表1。
(5)衬砌环厚度
衬砌厚度的确定应根据隧道所处地层的条件、覆土厚度、断面大小、接头刚度等因素综合考虑确定,并应满足衬砌构造(如手孔大小等)、防水抗渗以及拼装施工(如千斤顶作用等)的要求。一般情况下,板式管片的厚度按照隧道直径的5%～6%考虑,对于外径6000mm的隧道,其管片厚度为300～350mm。沈阳地铁在软土地层及穿越浑河段中,管片为350mm厚,在基底承载力较好的砾砂或砂卵石地层中,一般为300mm厚,且在同一区间内应采取同一厚度,通过调整管片内配筋来满足不同埋深时对其形成的压力。
(6)管片连接
沈阳已建地铁盾构区间管片环缝和纵缝均采用弯螺栓连接,环向管片间设2个单排螺栓,纵向共设16个螺栓(即封顶块设1个螺栓,其它管片每块设3个螺栓)。管片重心处设一个吊装孔,兼作二次注浆孔。
3.3 曲线段管片排版与线路拟合
3.3.1 衬砌环组合形式
为了满足盾构区间隧道线路拟合精度的需要,必须选择合适的衬砌环的形式,我们在曲线段管片排版组合考虑了以下三种方案,并进行了比较,具体见表2。
3.3.2 曲线段管片排版
(1)楔形管片(转弯环)
楔形管片用于曲线段施工或盾构方向控制。盾构隧道是通过一定组合的标准衬砌环和楔形环来拟合理论曲线的,常根据线路上的最小曲率半径设计一种楔形环。楔形管片最大宽度与最小宽度的差值及楔入角可用下述公式计算:
式中:δ—楔形管片环最大宽度与最小宽度的差值;
s—标准管片环的宽度;
s′—楔形管片环的最大宽度;
m—曲线段标准管片环数目;
n—曲线段楔形管片环数目;
D—隧道外径;
R—至隧道中心处的隧道曲线半径;
θ—楔入角。
(2)拟合比例
根据上述公式,在沈阳地铁最小半径R=300m,假定标准环与楔形环数量比例为1∶1时,楔入量δ=48mm<50mm,楔入角θ=0.46°。这样在此基础上可推导出,同样楔形环拟合不同半径曲线下的拟合比例。见表3:
(3)线路拟合误差要求
对于不同的曲线段均以计算优选的最佳衬砌排列组合方案来拟合,使隧道推进轴线与设计轴线的一般拟合误差≤10mm,局部≤20mm。
3.4 衬砌设计
(1)计算模型及方法
管片衬砌计算模型为“荷载-结构”模型:地层不仅对衬砌结构施加主动荷载(地层的主动土压力),而且还对衬砌结构施加被动的弹性抗力,弹性抗力采用弹性地基梁理论给予确定,结构与地层间的相互作用可用受压弹簧来模拟。
考虑管片接缝处刚度远小于正常断面刚度,计算时,采用折减后的管片刚度ηEI;同时,考虑错缝拼装对内力的增加影响,在计算结果中引入弯矩增大率ξ修正内力,ηξ为经验数值,一般按0.6≤η≤0.8、0.3≤ξ≤0.5取值。
(2)荷载计算
地层压力是地下结构所承受的主要荷载,分为竖向压力和水平压力。浅埋时竖向压力按全土柱重量考虑;深埋时竖向压力按泰沙基公式进行计算。水平压力:根据结构受力过程中墙体位移与地层间的相互关系,可分别按主动土压力、静止土压力或被动土压力计算。
4 联络通道设计
4.1 土体预加固
联络通道采用暗挖法施工,为保证工程施工期间土体的稳定,在破除管片前必须对隧道周围的地层进行加固。加固方法可采用地面旋喷加固,采用Φ550@400的旋喷桩,双重管工艺,要求加固后土体的无侧限抗压强度≥1MPa,渗透系数≤1×10-8cm/s。
4.2 开洞处管片设计
地铁一号线中盾构隧道中连接联络通道管片为钢管片,可方便拆卸。随着混凝土切割技术的发展,二号线中部分连接联络通道管片已换为加强混凝土管片:在开洞处共设4环加强混凝土衬砌环,2环开洞,开洞宽度为1.6m,2环相邻环,通缝拼装。在联络通道施工前,在盾构隧道内架设临时钢支撑,以确保在洞口打开时及开挖过程中盾构隧道衬砌的安全和受力转换。
特殊衬砌计算工况、计算模式:
工况一:盾构推进阶段—考虑衬砌与地层共同作用,并计及接头刚度的弹性铰圆环或曲梁、弹性铰模型计算。
工况二:开口阶段—按不等刚度圆环进行内力、变形计算,并以架设临时支撑后的不等刚度圆环复核变形。
5 防水设计
5.1 管片防水
(1)管片自身防水采用高精度、高强度的C50防水混凝土,其抗渗标号根据自身埋深确定。
(2)衬砌外注浆防水:通过同步注浆与二次注浆充填空隙。
(3)管片接缝(纵缝、环缝)中设置了弹性密封垫和嵌缝等两道防水措施。
(4)螺栓孔及吊装孔采用遇水膨胀橡胶圈作为螺栓孔防水措施,利用压密和膨胀双重作用加强防水。
5.2 盾构隧道与端头井、通道接头防水
(1)盾构进出洞防水
盾构隧道与端头井的接头防水,包括施工阶段的临时接头与竣工后的永久接头防水。临时接头主要由帘布橡胶圈及其压紧装置构成,辅以井圈注浆堵水。永久接头为钢筋混凝土接头,它与井壁、管片的接缝也由多道遇水膨胀止水条进行密封。
(2)与联络通道连接处防水
联络通道与区间盾构管片接头处是防水的薄弱环节。联络通道的二衬与区间管片接头处设置两道遇水膨胀橡胶止水条;而且为避免二次衬砌混凝土的收缩变形,接头部位采用微膨胀混凝土。
6 结论
(1)目前,沈阳地铁一号线已运营,地铁二号线部分盾构区间已竣工验收。盾构隧道衬砌环采用不设榫槽平板型管片,错缝拼装、弯螺栓连接等构造形式,其施工操作、管片变形都在设计预期范围内,实践证明这种构造形式适用于沈阳地铁。
(2)设计中在曲线段采用左右转弯环+标准环进行排列组合,拟合不同半径的曲线,其拟合误差在允许控制范围。说明采用此种衬砌环组合形式应用是合理的。
(3)盾构区间防水措施含两大类:一类是管片防水措施,一类是与通道、盾构井的接头防水。从目前来看,防水效果达到了设计要求,防水措施是成功的。
(4)由于中国地域辽阔,各地水文地质情况差异较大。到现在为止,我国在盾构隧道设计方面没有成熟的设计规范和标准可循。致使在同一区域内已建并投入使用的一些成功工程案例成为宝贵的可循经验。
参考文献
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盾构隧道管片设计模型的改进 篇9
地铁管片采用装配式衬砌时,衬砌结构是由圆弧形管片拼装成环,每环之间逐一连接而成的。管片与管片之间,环与环之间通过螺栓连接,对于如何估计管片接头的力学性态是一大难题[1,2,3]。
随着地铁建设的快速发展,如何准确计算装配式衬砌管片的内力,是管片设计的当务之急。
目前,在地铁管片设计中,用的较多的是惯用法模型。惯用法模型是假定接头和管片的刚度相等、土层被动抗力按照假设分布。这种模型简化显然与实际工程状况不符。在不考虑整体稳定性时,惯用法模型计算的内力偏大、变形偏小。
本文对目前广泛应用的惯用法模型的接头简化进行了改进,推导了改进惯用法模型的内力和位移求解公式;并结合北京地铁十号线亮马河站—农展馆站区间段勘测与设计资料,对惯用法模型及其改进模型进行了对比分析,与数值解法等做了综合验证分析。结果表明,本文推导的公式是可靠的,对地铁管片的设计和施工具有理论和实践意义。
1改进的惯用法模型及其内力公式推导
1.1 力学模型的建立
目前使用最多的模型是惯用修正法,见图1。本文考虑到管片接头的刚度降低,影响内力和应力,所以将接头处理方式进行了改进,改进的惯用法模型见图2。由于荷载和结构均对称,取其一半计算。内力求解模型见图3。
1.2 内力公式的推导
各种荷载情况下结构任意截面上的内力公式:
其中,
2本文改进惯用法模型推导的公式与现用惯用法公式计算结果的比较
2.1工程实例
本文以北京地铁十号线一期工程亮马河站—农展馆站区间(区间里程:K16+959.0～K17+645.3)段隧道为工程背景,地质参数如表1所示。地下水位标高为10.1 m,洞的中心距离表面土层33 m,洞口直径6.0 m。
2.2计算结果分析
本文改进惯用法模型推导的内力和位移公式与现用的惯用法公式在特殊截面处的内力值比较见图4。主要结论如下:
1)由图4a)可知,由本文推导公式计算的正弯矩值数值小于由现有公式计算的数值,说明在现用的惯用法模型的理论计算中不考虑接头影响,截面弯矩值偏大,设计偏于安全,不经济。2)由图4b)可知,本文公式计算的截面剪力绝对值大于现用设计公式计算的剪力绝对值。截面剪力相差不大,仍说明现用的惯用法模型设计偏于安全,但不经济。3)由图4c)可知,两种模型的公式计算的轴力值在衬砌的上半圆各截面处几乎完全相同,在控制截面即水平直径端点处截面轴力值一样。在与竖向夹角90°～180°范围内衬砌各截面轴力变化趋势出现分歧,现用设计公式计算结果呈继续上升趋势,而本文推导公式计算结果是呈下降趋势。
参考文献
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盾构维修保障专家系统 篇10
关键词：盾构；维修保障；专家系统
城市现代化建设进程不断加快，交通拥堵的情况下，改善交通的方式就是修建隧道，通过地铁、轻轨等交通工具方便人们出行。隧道建成投入使用后会面临管理维修的问题，但是当前我国盾构维修保障工作还存在一定的问题，相关部门一定要重点研究，促进技术不断创新，完善盾构维修保障专家体系，保障实时交流和指导，为我国现代交通建设奠定技术基础。
一、当前我国盾构维修方法存在的问题
第一，相关设备性能落后。虽然盾构方法已经有近百年的使用经验，相关的技术也不断完善，尤其是气压平衡技术、水和泥平衡技术和土地压力平衡技术等，但是我国现代交通建设发展比较晚，我国选用的相关设备比较落后，主要就是不适用我国地理环境复杂的现状，尤其是复杂的地下土层结构，当前的设备难以正确运行。第二，运用盾构维修方法的时候难以兼顾自然环境。隧道的盾构结构容易受到地面建筑的影响，这个过程中会发生破坏电路、供水渠道等，也会影响地下水压等问题，在施工的时候难以兼顾保护自然环境的职责，往往会破坏低下结构，或是改变低下水循环通道，不利于自然链的正常运转[1]。另外，破坏自然环境可能会造成隧道坍塌等事故，严重危机人们的生命和财产安全。第三，隧道施工位置的复杂性不利于盾构维修，正如上一点提到的内容，我国地理结构复杂，土地资源和河流资源面积比较广，运用盾构维修方法有很大的困难，尤其是复杂地形和水下的隧道管理。
二、维修保障方法的主要内容
（一）对机械设备的维修保障
接卸设备出现问题的时间是不固定的，但是还是从小问题开始，逐渐变成严重的问题，直接影响工作时的效果，甚至不能保障施工人员的安全，也不能保障隧道的安全性。针对这种情况，维修工作显得格外重要，在明确设备性能的前提下，认真分析预定使用寿命，然后进行日常维修工作，尤其是到机器损耗到一定数值的时候，注意更换相应的零件[2]。当然，维修工作也包括保养的工作，这里要规范操作，减少不必要的损耗，注意定期汇报维修工作总结。
（二）对电液的维修保障
不同于机械设备，电液发生故障有着不确定性，没有固定可遵循的规律，所以这个方面的维修工作要严格落实。除了日常的维修工作外，还要逐一排查相关零件，一旦发现问题，哪怕是细小的问题都要注意认真解决。对电压的维修保障工作要注意时效性，与生产厂家配合，做好相关的工作。
三、盾构维修保障专家体系主要的技术手段
（一）专家系统和盾构维修保障专家体系
所谓专家系统，就是当下最流行的专家在线咨询系统，依靠计算机网络技术来完成，这个系统是快速比较困难、复杂性强问题的有效途径，也是保证解决问题时效性的关键。将专家系统与盾构维修保障维修结合起来，是解决工程维修任务量大、规模庞大、工作复杂的重要途径。盾构维修保障专家体系是指运用智能手段，实现对工程维修的实时监控和解决，出现问题自动预警，这样可以减少人的因素的不良影响。
（二）盾构维修保障专家体系的主要技术手段
1、三维立体和动画模拟。通过计算机网络技术，将工程图纸映射到计算机中，运用动画软件、三维立体系统等，实现对整个工程的模拟，这个数据模型比较具体，各部分都包括其中，同时也包括对技术的模拟，便于发现不足从而改进，也便于模拟突发现象，研究解决对策。关键的技术环节就是机械设备和电液零件的仿真，实现模拟操作，通过不断完善，建立相应的系统，完善相关的数据。这里需要强调一点，要将出现问题的原因、解决措施、后续工作等数据都录入其中，完善信息资料库，保证模拟操作的真实性。另外，提高各项设备之间的关联，保证信息传输的时效性，为盾构维修保障工作做好首要工作环节。
2、实时监控和管理。实时监控和管理主要包括以下两种方式：第一，实现实时监控依靠“套接字”的技术，就是网络上的两个程序之间用一个双向的通信连接交换数据。因为这种编程方式数据的准确性高，也相对于标准，所以与普通的电脑硬件不同。“套接字”的服务器两端可以实现同时传输，两端的系统之间交叉性强，分别实现不同的功能，如管理、监控、维修、解答疑问等，但是两端的系统依靠同一个对话程序，从而缩短数据传输之间的时间差；第二，实时管理系统，因为盾构这种方式专业要求高，相关的程序比较复杂，面对庞大的规模实现实时管理，是做好维修保障工作的关键。所以，运用专家系统，实现实时管理，尤其是控制这个工作内容；第三，通过计算机网络技术，将各环节都统一起来，不同的窗口管理不同的工作，这样在发生突发事故的时候，计算机自动预警，便于维修人员及时前往事故地点维修，减少排查的时间，提高工作效率[3]。
3、网络信息平台。盾构维修保障专家体系的最后一个重要内容就是网络信息平台。建立网络信息平台，是实现上面两种技术方法有效性的保障，这个平台的要求比较严格。首先，要建立一个整体的网络平台，技术人员不断更新，根据与其他工程各环节人员的配合，将系统不断完善；其次，在整体平台功能的基础上，做好分支功能，主要就是盾构各个环节的信息录入和监管，将这些支线与总线连接起来；最后，制定相关的法律法规，保障这个平台的合法性。
四、结论
总之，研究盾构维修保障专家体系有重要的现实意义，国家和相关部门一定要重点研究。除了文中提到的几点内容外，各相关人员还要不断提高自身的计算机水平，结合国内外先进经验技术，促进盾构维修保障专家体系方法不断创新，为我国其他领域专家系统提供经验。
参考文献：
[1]崔建.浅析盾构机在不同地质条件下的掘进控制及维修管理[J].科技视界，2014，36：121+178.
基于VB的盾构选型设计计算 篇11
1 盾构关键系统能力设计计算
西安地铁某标段区间地质情况:粉质粘土、粘土、粉细砂、中粗砂、圆砾卵石, 根据地勘结果拟选取土压平衡式盾构, 配置辐条式软土刀盘。隧道区间设计选用管片外径6 000mm, 内径5 400mm。
计算系统初始界面如图1所示, 首先输入地质水文条件相关数据, 得到盾构外载荷等边界条件, 然后进行各项的计算工作。
1.1 装备推力及刀盘扭矩计算
确定盾构边界分布载荷 (上部土压、下部土压、侧压力等) , 是计算盾构装备推力和扭矩等技术参数的前提。
1) 松弛高度
2) 朗肯系数
3) 盾构拱顶竖向载荷
4) 盾构拱底竖向载荷
式中G为盾构自重。
5) 侧向水平载荷 (梯形上底)
6) 侧向水平载荷 (梯形下底)
式中D——盾体直径。
合理确定并设置地质条件等参数, 计算得到盾构分布载荷
装备推力F及刀盘扭矩T的计算方法有经验公式法和理论计算法。表1给出计算系统采用两种方法得到的推力和扭矩值。
工程实际中, 常用经验公式法得到的推力、扭矩值作为选型依据。由表1可以看出, 经验值比理论值的安全系数要高出很多, 这也反映出地质条件的复杂性, 需要设备能力有充足的裕量来应对可能存在的恶劣工况。
1.2 主驱动能力设计校核
1) 初定主要参数主要参数要求:额定扭矩T0=3 906k Nm;最大脱困扭矩Tmax=5 000k Nm;最大转速n=6r/min。刀盘驱动选取液压驱动形式, 初定以下相关参数:驱动组数N=8;大齿圈齿数Z1=101;减速机小齿轮齿数Z2=17;系统压力P=24MPa;马达排量qm=500m L/r。
2) 选型计算减速机减速比i=51.42;采用泵数量Zp=3;选用泵排量qp=750m L/r;采用电机数量Zd=3;选用电机功率P=315k W。
3) 校核计算低速大扭矩时, 刀盘输出扭矩T1=3 634.51k Nm, 刀盘输出转速n1=2.63r/min;高速小扭矩时, 刀盘输出扭矩T2=1 635.53k Nm, 刀盘输出转速n2=5.86r/min, 刀盘脱困扭矩T3=4 956.15k Nm。
1.3 管片拼装能力设计校核
管片安装机设计使管片能够实现回转、平移、举升、俯仰、横摇、偏转6个自由度, 现对回转、平移、举升动作机构的能力进行计算, 并进行设计校核。
1) 主要结构参数
管片外径6 000mm, 内径5 400mm;最大回转半径Rmax=2.7m;最小回转半径Rmin=1.87m。
2) 选型计算
回转机构:减速机减速比i=45.972;选用泵排量qp=140m L/r, 转速1 450r/min;选用马达排量qp=80m L/r。
举升机构:油缸筒径D=130mm, 杆径d=80mm;
平移机构:油缸筒径D=80mm, 杆径d=50mm。
3) 校核计算
回转力矩:最大阻力矩Mf=324.52k Nm, 驱动管片机最大扭矩Tn=407.09k Nm, Tn>Mf。
举升力:设计推力P1=200.05k N (5倍管片重) , 最大推力Ft=424.73k N, Ft>P1;设计拉力P2=80.02k N (2倍管片重) , 最大拉力Fl=329.86k N, Fl>P1。
平移力:平移阻力Ff=15.6k N, 最大拉力Fl=98.01k N, Fl>Ff;最大推力Ft=160.84k N, Ft>Ff。
管片机最大转速nmax=1.83rpm, 设计满足要求。
2 选型计算程序的完备性及可扩展性
盾构装备根据不同的地质条件, 其设计和应用有着较强的针对性和特殊性, 基于程序计算的盾构选型设计有助于进一步提高设计的智能化水平。
值得注意的是, VB程序的可视化对象及其接口的可扩展性为选型计算程序的升级扩展提供可能, 下一步可通过参数化驱动的结构模型 (CAD模型) , 为计算系统赋值, 实现建模和设计计算的同步;反之, 通过设计校核得到满足要求的系统参数, 直接驱动建立结构模型。
3 结论
1) 国内地质条件特点不一, 盾构选型设计计算具有复杂性和反复性, 基于VB语言的计算程序有助于提高盾构选型工作的高效性、可靠性。
2) 以西安地铁某标段区间设备选型为例, 刀盘扭矩和装备推力的选取考虑较大的安全系数, 计算系统直观的给出经验公式法和理论计算的量化关系, 同时也验证了程序计算的有效性。
3) 合理开展盾构选型工作, 直接影响着隧道工程施工的成效。高效的计算工具及手段是开展选型工作的重要内容, 更重要的是应注重对地质水文条件的深入研究, 确保盾构选型的正确性、可靠性。
摘要：盾构选型涉及刀盘开挖系统、主驱动系统、管片拼装系统、螺旋出碴系统等关键系统选型设计, 国内地质条件特点不一, 盾构选型设计计算比较反复, 各系统累计计算量较大, 为了提高盾构选型工作的高效性、可靠性, 本文基于自主开发的Visual Basic程序计算方法, 以西安地铁某标段区间设备选型过程为例对盾构主机各关键系统进行选型设计。
关键词：盾构,选型设计,VB,计算系统[关键词
参考文献
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