一、工程概况
宁和城际轨道交通NH-TA06标包含一站一区间，分别为华新路站、春江新城站～华新路站区间。 隧道长度：春江新城站～华新路站区间左右线总长度为3262.842m（左线长1635.5m，右线长1627.342m）；左右线间距: 13m～14.6m；隧道覆土厚度最小约11.1m，最大约49.61m；平面最小曲线半径为450m,区间最大坡度为22‰。
两区间隧道内净空：φ5.5m，管片外径φ6.2m.管片采用强度等级C50，抗渗等级P12。宽度1.2m，厚度为350mm。错缝连接，28个M30螺栓，强度等级为5.8级，螺母强度等级8.0级。
二、本段工程施工的难点
1、本标段区间隧道主要穿越强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、中风化安山岩。
2、盾构机在上软下硬地段掘进，由于下断面岩石强度大、上端面土层强度低，易发生开挖面失稳、隧道抬头、超挖量过大引起地层沉降等现象； 3、沿线下伏J3l层全~中风化凝灰岩、安山岩，均具有强度高、低压缩性的特性。天然状态下
强度高，最高强度可达94MPa，对盾构刀具的磨损大，强度要求高，隧道穿越该岩层时应选择适宜强度的刀具，并及时检查、更换。 4、区间地层系上统龙王山组凝灰岩、安山岩，裂隙发育，局部岩体呈碎裂状，构造裂隙处有地下水分布，其透水性及赋水性受裂隙发育情况影响分布不均，局部水量较大。
三、对盾构机的设计要求
基本功能要求
⑴要求盾构具有开挖系统、开挖面稳定辅助支撑装置、出碴系统、碴土改良系统、人闸气压装置、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、自动测量导向系统、超前钻探和注浆（自动计量）等基本功能。 ⑵对地层的适应性及开挖能力的要求
区间隧道主要穿越强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、中风化安山岩。盾构设计时应重点考虑以下问题：
①具有土压平衡和气压平衡掘进功能；
②具有足够的破岩能力；
④合理的刀盘及刀具设计，恰当的刀盘开口率和合理的开口位置；
家用管道疏通机
⑤具有高水压状态下的防水密封能力；
⑥能够对较大的岩土进行破碎，有效防止堵管；
⑦刀盘、刀具、盾壳、等具有足够的耐磨性；
⑧具有盾体防扭转能力；
⑨足够能力的同步注浆系统；
⑩碴土改良系统；
⑪盾构的防喷涌功能；
⑫防止刀盘中心结泥饼；
⑬合理的人舱设计；
⑭超前钻探和注浆。
1 密封性能的要求
场区地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，松散岩类孔隙水有孔隙潜水及孔隙承压水。其透水性及赋水性受裂隙发育情况影响分布不均，局部水量较大。故主驱动和盾尾密封应可以承受0.4MPA的水压力。能有效止水，防止发生高压涌水突泥情况。
⑷对刀具及更换的要求
根据本隧道地层的分布及特点，对刀具的要求如下：
根据不同地层的破岩机理，合理选择和布置刀具，既有可切削硬岩的滚刀，又有可切削土层的刮刀和齿刀等多种刀具，以供优选；
刀具应可以根据地层的要求实现互换，且所有刀具应能从刀盘背后进行更换；对刀具的磨损状况应能进行检测；
⑸对掘进精度控制的要求
盾构设备应具有良好的方向控制能力和导向能力，包括：
①盾构本身应具有灵活的纠偏和转向能力，最小转弯半径不大于350米；
②具有先进的激光导向系统和自动曲线拟合功能；
③掘进方向允许误差控制在±50mm以内。
⑹环境保护
盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要求，无大的噪声、震动等；再者要求盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成污染。
⑺掘进速度满足计划工期要求
根据计划工期安排，要求盾构区间平均月进度不小于210m，困难地段的掘进速度大于180m/月,可以满足计划工期要求。
四、盾构机的比选及参数计算
卫生裤头不同类型的盾构适用的地质类型也是不同的。盾构的选型必须做到针对不同的工程，不同的地质特点进行针对性设计，才能使盾构更好的适应工程。城市地铁盾构区间常用的盾构类型有三种：泥水加压式、土压平衡式、复合式盾构，这三种盾构机各有不同的特点和适用范围。
三种盾构机的技术、经济比较见表1。程控步进衰减器系统
表1盾构机选型比较表
比较内容 | 泥水加压盾构机 | 土压平衡盾构机 | 复合式盾构机 |
适用的地层 | 砂层、软流塑淤泥 | 砂层、各种土层及岩层 | 土层及岩层 |
占用的场地 | 约6000m2 | 2500～4000m2 | 2500～4000m2 |
对环境影响 | 产生废弃泥浆，污染 | 有轻微污染 | 有轻微污染 |
地表沉降 | 小 | 较小 | 较小 |
洞内作业环境纸扇 | 好 | 较好 | 较好 |
工程费用 | 高 | 新型混凝土搅拌机低 | 较高 |
| | | |
由于本区间隧道主要穿越强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、中风化安山岩地层，为了保证盾构机满足所有地层的掘进要求，因此本工程采用复合式土压平衡盾构机。
1 盾构关键参数的计算
盾构机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，在盾构机参数计算的方法上存在很多的不确定因素。至今应用的盾构机参数计算方法在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些经验性的计算方法。以下计算是在参考盾构机生产厂家提供的有关计算资料、国内其它盾构机的实际应用参数以及其它相关文献资料的基础上，根据宁和城际轨道交通一期工程土建施工NH-TA06标工程的地质勘察报告，按照经验进行的，计算结果显示，盾构机的选型是符合地质需求的。
1.1盾构机直径的计算
盾构机外径取决于管片外径、保证管片安装的富裕量、盾构结构形式、盾尾壳体厚度及修正蛇行时的最小余量等。
盾尾外径为： D=φg+2 (δ+ t )
式中：φg—管片外径，φg =6200mm
t—尾盾盾壳厚度，一般t=40～50mm，取t=50mm；
δ—盾尾间隙，一般δ=40～60mm；
盾尾间隙δ主要考虑保证管片安装和修正蛇行时的最小富裕量。盾尾间隙δ在施工时即可以满足管片安装、又可以满足修正蛇行的需要，同时应考虑盾构施工中一些不可预见的因素。取δ=50mm。
将以上参数代入，得：
盾尾外径为： D=φg +2 (δ+ t )=6200＋2［50＋60］
=6420mm
刀盘直径应考虑刀盘外圈防磨板的磨损后仍能保证正确的开挖直径，刀盘外径一般比前盾外径大20mm-60mm。因此刀盘直径：D刀=6440～6480mm。
综合本工程地质特点以及线路曲线半径等因素，刀盘直径设计为6480mm
1.2盾构机主机长度的计算
盾构机总长度由前盾、中盾、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分。 盾构机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。
根据国外盾构机设计经验，一般在盾构机直径确定后，盾构灵敏度值（即盾壳总长L与盾构外径D之比）的参考值如下：
小型盾构（D=2～3m），L/D=1.5
中型盾构（D=3～6m），L/D =1.35
大型盾构（D > 6m ） ，L/D =1.2
本工程的盾构直径≥6m，盾构主机长度的经验计算值如下：
L=1.2D
式中：D—盾构直径，取D=6440mm；
L=1.2×6440≈7720mm
刀盘厚度一般为450mm～500mm
因此，盾构主机长度：L主机=500＋7720=8200mm
1. 3盾构机重量的计算
根据《盾构隧道设计施工指南》，并类比其它类似直径的盾构，盾构主机的重量按下式进行估算：
W=(5.0～7.5)D
式中：D—盾构外径，取D=6.48m
则主机重量：W=（5.0～7.5)×6.482=210～315t
取主机重量W=300 t
1. 4 所需刀盘扭矩的计算
1. 4.1影响扭矩的因素
盾构在软土中推进时的扭矩包含切削扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盘的旋转阻力矩（克服与泥土的摩擦阻力所需的扭矩）、刀盘所受推力荷载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土仓内的搅动力矩。
在复合地层中推进时，在安装有滚刀的情况下，采用土压平衡模式掘进，此时，还应加上滚刀破岩所产生的扭矩Tr
刀盘扭矩的计算包括：
① 刀盘切削扭矩T1；
② 刀盘自重形成的轴承扭矩T2；
③ 刀盘轴向荷载形成的轴承扭矩T3；
④ 密封装置摩擦力矩T4；
⑤ 刀盘前表面摩擦扭矩T5；
⑥ 刀盘圆周面的摩擦反力矩T6；
⑦ 刀盘背面摩擦力矩T7；
⑧ 刀盘开口槽的剪切力矩T8无水氯化镁；
⑨ 滚刀破岩产生的扭矩Tr。
1.4.2刀盘切削扭矩
软土地层中：
推进速度: V＝50mm/min=5cm/min=3m/h
刀盘转速： n=1.0rpm
刀盘每转切深： hmax=V/n=5cm=0.05m
中砂的抗压强度： qu=150.70kPa
刀盘直径： Dd=6.4m
T1＝n×[qu×hmax×(Dd×n)2]
=1.0×[150.70×0.05×（6.4×1.0）2]＝308.63 kNm
复合地层中：
推进速度: V＝20mm/min=2cm/min=1.2m/h
刀盘转速： n=1.5rpm
刀盘每转切深： hmax=V/n=1.3cm=0.013m
中砂的抗压强度： qu=150.70kPa
刀盘直径：Dd=6.4m
T1＝n×[qu×hmax×(Dd×n)2]
=1.5×[150.70×0.013×（6.4×1.5）2]＝270.83 kNm
计算总扭矩时取较大值。
1.4.3刀盘自重形成的轴承旋转反力矩
T2＝WR1μg
式中：W—刀盘自重，取W ＝550kN（经验值）
R1—主轴承滚动半径，取R1＝2.5m
μg—轴承滚动摩擦系数，μg＝0.001
T2＝550×2.5×0.001＝1.38 kN.m
1.4.4刀盘轴向推力荷载形成的旋转阻力
T3=Pt·R1·μg
式中，Pt—为刀盘推力荷载
Pt=α×π×()2×Pd
式中：α为刀盘不开口率，α=1-0.4=0.6
D为刀盘直径，D=6.4m
Pd为盾构前面的主动土压（静止土压）
Pd=57.82kN/m2
所以:Pt=α×π×()2×Pd
=0.6×π×3.22×57.82=1115.47kN
T3=Pt·R1·μg=1115.47×2.5×0.001=2.8kN.m
1.4.5主轴承密封装置摩擦力矩
豫公网安备41160202000603
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