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层主要为粉细砂及砾砂地层，地层稳定性差，渗透性和流动性强，不存在粘结堵塞等问题，因此不适合选用辐条式刀盘结构，而面板式刀盘结构开口率过小，对渣土流动性及刀具磨损影响显著，仅适合于淤粘土地层，不适合本工程。鉴于以上分析，建议本工程采用辐条面板式结构，开口率取40%左右。此外，本工程部分里程穿越地层含中风化砂岩，盾构应采用滚刀和刮刀可共存、可互换的复合式刀盘以实现在软土和基岩中顺利掘进。刀盘结构示意见右图。 6.2.2 刀具组合配置

1）滚刀

由于本工程隧道断面所含基岩主要为中风化及强风化砂岩，岩石强度不高，建议刀盘正面配置双刃滚刀，边缘配置单刃滚刀，刃间距40~80 mm，滚刀与切削刀（刮刀）高差35~40 mm。

2）羊角刀

单刃滚刀 双刃滚刀 羊角刀

羊角刀是专门配合复合刀盘而设计，刀头采用对称切削刀形式，刀座与滚刀刀箱相配合，可实现滚刀与其互换，满足不同地质条件下刀具灵活配置的目的

3）切削刀

切削刀（刮刀）安装在刀盘开口槽的两侧，是切削软土（粘土、砂土、砂卵石等）的主要刀具，同一个轨迹上一般有多把切削刀。

4）先行刀

先行刀一般安装在辐条中间的刀箱中，先行刀超前切刀布置，使得先行刀超前切削地层从而保护切刀避免其切削到砾石或块石地层。

5）周边刮刀

也称铲刀，布置在刀盘的外圈，用于清楚边缘部分的开挖渣土，防止渣土沉积，确保刀盘开挖直径以及防止刀盘外缘的间接磨损。

6）仿形刀

安装在刀盘的外缘上，通过液压油缸动作，利用编程控制，利用仿形刀进行超挖并

盾构设备选型 11

控制超挖量。

7）磨损检测刀

磨损检测刀主要为磨损自动检测而设计，通过在普通刮刀或先行刀内安装液压管路，当刀具磨损后，液压管失压，同时将信号反馈到控制室，便于工作人员根据工程实际采取针对性措施。

切削刀 先行刀 周边刮刀 磨损监测刀

6.2.3耐磨措施

除安设上述刀具外，在刀盘结构几个比较易磨损的部位需采取以下保护措施： （1）在刀盘每个进渣口的周圈进行硬化处理； （2）在刀盘的中心和外圈进行硬化处理； （3）在刀盘外圈设保护刀具。

刀盘外圈硬化处理示意图

3.3 盾构主要技术参数的计算 6.3.1 概述

盾构选型中，刀盘驱动扭矩、推进系统的推力等主要技术参数的计算非常重要，以

盾构设备选型 12

便设计出与地质条件相适应的盾构。盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，由于受地质因素、土层改良方法、掘进参数等一系列因素的影响，在盾构参数计算的方法上存在很多不确定因素。 6.3.2 盾构外径

盾构外径取悦据管片外径、保证管片安装的富余量、盾构结构形式、盾尾壳体厚度及修正蛇形时的最小余量等。

盾尾外径为D?DS?2(??t)

式中，DS为管片外径，t为盾尾壳体厚度，?为盾尾间隙。

盾尾间隙?主要考虑保证管片安装和修正蛇形时的最小富余量。盾尾间隙?在施工时可以满足管片安装又可以满足修正蛇形的需要，同时应考虑盾构施工中一些不可遇见的因素。盾尾间隙一般为25~40mm。

本工程盾构管片厚度暂定60cm厚，管片内直径13.30m，隧道平曲线最小半径为1000m，最大纵坡4.5%，盾构隧道较长区间处于曲线上对盾尾间隙及同步注浆的要求要予以充分考虑。 6.3.2 刀盘开挖直径

刀盘开挖直径应考虑刀盘完全防磨损后仍能保证正确的开挖直径。在软土地层施工时，刀盘开挖直径一般大于前盾构外径0~10mm，在砂卵石地层或硬岩地层中，刀盘的刀盘磨损较严重，刀盘开挖直径一般应大于前盾外径30mm。 6.3.4 盾壳长度

盾壳长度L由前盾（切口环）、中盾（支承环）、盾尾三部分组成。盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式及封顶块的插入方式。

盾壳长度L??D

根据国外盾构设计经验，一般对大直径盾构（D?9m）取??0.7~0.8； 6.3.5 盾构重量

盾构的重量是盾壳、刀盘、推进油缸、铰接油缸、管片安装机、人仓、碎石破碎机、送排泥管路等安装在盾壳内的所有设备的重量综合。

对泥水盾构，一般W?(45~65)D2，D为盾构外径（m），W为盾构主机重量（kN）。

盾构设备选型 13

6.3.6 盾构推力

在设计盾构推进装置时，必须考虑的主要阻力有如下六项：①盾构推进时的盾壳与周围地层的阻力F1②刀盘面板的推进阻力F2③管片与盾尾的摩擦力F3④切口环贯入地层的贯入阻力F4⑤转向阻力（曲线施工和纠偏）F5⑥牵引后配套拖车的牵引力F6。

推力必须留有足够的富余量，总推力一般为总阻力的1.5~2.0倍。

Fe?AFd

A为安全储备系数，可取2.0

Fe为盾构装备总推力

Fd为盾构推进总阻力。Fd?F1?F2?F3?F4?F5?F6 各项阻力计算可参阅相关文献及现有施工经验。 6.3.7 刀盘扭矩

刀盘扭矩的计算包括刀盘切削扭矩、刀盘自重形成的轴承扭矩、刀盘轴向荷载形成的轴承扭矩、密封装置摩擦力扭矩、刀盘前表面摩擦扭矩、刀盘圆周面摩擦反力扭矩、刀盘背面摩擦扭矩、刀盘开口槽剪切力扭矩。

刀盘设计扭矩T为上述各项的综合

刀盘驱动扭矩应有一定富余量，扭矩安全系数可取2.0 6.3.8 主驱动功率

W0?AwT?/?

W为主驱动系统功率，kW；

Aw为功率储备系数，可取为1.5~2.0；

T刀盘额定扭矩kNm

?刀盘角速度；

?主驱动系统的效率； 6.3.9 推进系统功率

Wf?AwFv/?w

Wf为推进系统功率，kW；

盾构设备选型 14

Aw为功率储备系数，可取为1.5~2.0；

F 为最大推力kN

v 为最大推进速度，m/h

?w为推进系统的效率

6.3.10 同步注浆系统能力

Qp?0.25??v(D2?Ds2)/? ?为地层注入系数 D为刀盘开挖直径 Ds管片外径 V最大推进速度m/h

?注浆泵效率。 6.3.11 泥水输送系统能力

（1）开挖土体流量

Qe?0.25?D2v D为刀盘开挖直径 V最大推进速度m/h （2）排泥流量

Q2?Qe(?e??1)/(?2??1) Qe为开挖土体流量

?e为开挖土体密度 ?2为排泥密度

?1为送泥密度

（3）送泥流量

Q1?Q2?Qe

在以上计算基础上要求考虑一定的富余量，通常富余量可取为1.5~2.0。