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土压平衡盾构机选型
1选型程序
由于施工与工程本身的各种条件密切相关，盾构法施工较之一般的隧道施工技术具有更大的针对性，即盾构机本身与工程之间的适应性，什么样的工程条件决定了需要什么样的盾构机。因此在盾构法施工当中，盾构机的选型问题非常突出，选型成功与否，直接决定着掘进施工的成败。
盾构法修建隧道所需的土建技术是通过盾构机的一系列操作来反映的，因此盾构机选型的过程是一个土建技术与机电技术有机结合的复杂过程。
一般盾构机选型流程如图1－1所示。

图1－1 盾构机选型流程图
图1－1盾构机选型流程图

2选型依据
2.1工程、水文地质条件
1）工程地质
需要着重考虑下述施工地层特性的影响：
隧道埋深及上覆地层的软硬程度；
掘进地层的软硬程度及软硬不均情况的分布；
岩石抗压强度；
岩石完整性系数；
岩石变形模量大小；
不良地质与特殊地质的有无；
2）水文地质
岩土的富水性及渗透性大小；
地下水类型及赋存与补给方式；
地下水力联系好坏；
2.2掘进长度及过程
除掘进总长度以外，有无调头、过站施工。
2.3管片尺寸、拼装
盾构隧道管片外径、内径，管片厚度，管片宽度，分块数，管片的拼装方式。
2.4线路平面条件
平曲线半径、直线段曲线段长比率。
2.5线路纵断面条件，隧道埋深
竖向转弯半径，最大坡度，最小坡度，竖曲线个数。隧道平均埋深，最小埋深等。
2.6掘进速度要求
2.7掘进方向误差要求
一般不超过±50mm。
2.8地表沉降量要求
一般情况下须控制在+10mm/-30mm范围内；
2.9盾构机寿命
分主要部件寿命及主轴承寿命要求。
2.10周围环境
1）地面建筑物

建筑物分布密度；
建筑物平面与盾构隧道相位置关系；
建筑物层高、结构类型、完好程度、重要程度、规模大小；
建筑物基础类型、桩基与盾构隧道的相对位置关系。
2）地下管线
地下管线平面分布、埋深、类型、抵御变形能力、重要程度、盾构隧道相对位置关系有关。
2．11盾构机价格
除价格因素外，盾构机制造商的业绩、信誉、实力、售后服务水平、允许的制造周期等因素。
3盾构机可靠性设计
由于盾构推进的不可逆转性；在推进过程中基本不存在大范围深层次维修的空间及时间；再加上单段掘进距离较长，因此一旦推进开始，除了少量可快速处理的问题允许出现以外，一般不应也不能出现较大的机电故障及缺陷问题，这既是施工进度方面的需要，也牵涉了很大的质量、安全问题。因此盾构机的可靠性设计显得十分重要。一般在选型时以下几个方面需要予以重点考虑:
1>．盾构机设计参数是否按照掘进区间的工程条件确定。
2>．主轴承寿命大小设计。
3>．螺旋输送机的耐磨性及密封性设计。
4>．刀盘扭矩大小的设计。
5>．刀盘开口率及耐磨性设计；刀具类型、数量、刀间距；刀体材料及抗压性能；换刀方式。
6>．土仓内碴土改良系统的设计（数量、分布及防堵塞设计）。
7>．铰接设计方式，可否满足曲线施工、方向修正时的要求。
8>．设计平均掘进速度能否满足要求。
9>．控制系统是否具有自动及手动控制模式，能控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机转速等参数。数据采集处理传输系统的及时有效性，是否具有故障自动诊断系统。
10>．盾构机掘进方向控制能力及自动纠偏能力牵涉的导向系统设计。

11>．管片背侧注浆方式的设计。
12>．人闸的密封性设计。
13>．盾尾密封刷道的可靠性设计。
4盾构机几项重要的技术要求
1>．在遇到不同的地层时可以更换不同的刀具。
2>．必须尽可能多的适应于掘进各种砂土、粘性土、各种强、中、微风化岩地层。
3>．刀盘的驱动和推进系统必须具有足够的扭矩和推力，以确保在软、硬岩中均能提供足够的动力。
4>．盾构必须具有足够的土压平衡调节能力，保证开挖面的稳定，控制地表隆陷不超过+10/-30mm。
5>．土碴改良装置应有泡沫、泥浆、水等注入机构，且可实现自动控制和手动控制，以保证碴土的塑流性和不透水性。
6>．控制系统应具有自动、半自动、手动控制模式，能控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机转速、出碴门开口度等参数。具有故障自动诊断系统。
7>．必须有同步注浆系统，及时有效的对管片背部和地层间的空隙进行充填。
8>．具备自动导向测量及纠偏功能。
9>. 曲线段施工能力。
5 盾构机选型各部需要重点考虑的问题
5.1刀盘
1>．刀具类型、数量及在面板上的分布方式；
2>．刀具布置的层次；
3>．刀间距；
4>．刀具材料、更换方式、破岩能力；
5>．刀盘开口率、刀盘中心区的开口率；开口率的可调节性；
6>．刀盘的支撑方式；
7>．刀盘上泡沫口的数量、分布方式及需要疏通时的便利考虑；
8>．刀盘刚度；
9>．刀盘开挖直径。
10>．刀盘上搅拌棒数量及对碴土的改良设计。

5.2前盾
1>．主轴承密封设计及设计寿命；
2>．刀盘驱动方式，扭矩大小设计；
3>．搅拌棒数量及对碴土的改良设计。
5.3中盾
1>．人闸可靠性设计
2>．千斤顶数量、分区设计、布置方式；
3>．千斤顶推力、工作速度、伸长度；
4>．撑靴防扭及防止管片顶裂设计。
5.4盾尾
1>．铰接量设计、最小转弯半径设计；
2>．同步注浆管数量、管位置及分布设计；
3>．同步注浆管的保护设计、可靠性设计及疏通时的便利考虑；
4>．盾尾密封刷道数、寿命。
5.4螺旋输送器
1>．输送能力；
2>．通过的碴土的最大粒径；
3>．扭矩；
4>．密封性设计；
5>．防涌水、涌泥砂设计；
6>．耐久性设计。
5.5皮带
1>．输送能力；
2>．皮带长度；
3>．曲线施工时防偏设计；
4>．与螺旋输送器接口处及出土口处的防污染措施。
5.5后配套台车
1>．外形尺寸和隧道净空的符合性设计；
2>．砂浆罐体积；
3>．水管、电缆分开布置；
4>．紧凑性设计；
5>．人性化设计；
6>．小半径曲线施工适应能力。

6客大盾构区间盾构机关键参数的计算实例
广州地铁三号线客大暗挖区间～大塘站盾构区间采用两条分离式的单线隧道，两线间距15.2米～11.2米，左右线总共有4个平面曲线段，曲线半径均为1000米。隧道纵断面埋深9.6米到31.3米，区间线路最大坡度为3.0％，最小坡度为0.8％，最大坡长为365米。
区间隧道隧道主要穿越〈7〉岩石强风化带、〈8〉岩石中风化带、〈9〉岩石微风化带，岩性为泥质粉砂岩，局部穿越〈5-1〉可塑或稍密状残积土、〈5-2〉硬塑或中密状残积土、〈6〉岩石全风化带。岩层单轴抗压强度： 1.5Mpa~62.3Mpa；岩层RQD：强~中风化层：20～85%；中风化层：15~90%；中、微风化层：50~90%；微风化层：80~90%。隧道上方主要为中风化、强风化、残积层。区间隧道掘进总长度3017m，采用一台土压平衡盾构机施工。
6.1盾构基本参数的初步确定
1)盾构外径

a. 盾尾间隙X

盾构在曲线上施工和修正蛇行时必须的最小富裕量X1

式中：L为盾尾覆盖的衬砌长度，L=2365mm
R为隧道最小曲线半径，R=1000m
D0为管片外径，D0=6m
所以：

管片组装时的富裕量X2
考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等，通常要在取一定的富裕量。根据各国相近尺寸盾构机外径常用的盾尾间隙（40mm＞X2＞20mm），这里选取X2=30mm。

盾尾间隙
考虑到安装盾尾密封要占有一定的间隙，管片拼装时可能出现错台等因素，参照国内外同类工程的实际经验，本盾构机盾尾间隙选取X=35mm＞31mm，可满足最小曲线半径为1000m的转弯要求。
b. 盾尾厚度t
盾尾厚度根据其尺寸及所受的地层压力而定，在满足强度、刚度的条件下，应尽可能小；类比国内同类工程的实际经验，经过计算，本台盾构机选取盾壳厚度a=50mm；盾尾尾板的厚度为b=30mm，盾尾厚度t=a+b=80mm。
盾构尾部的外径为：
为了减小盾构机推进时的阻力，将盾构机设计成前部稍大，后部稍小。
故： 盾构支撑环外径为：6240 mm
盾构切口环外径为：6250mm
刀盘开挖直径为：6280 mm
2)盾构长度
盾构长度的初步确定依据铰接型盾构长度与切口环、支承环、盾尾长度及管片宽度有关。也与盾构机的灵敏度有关，盾构机的灵敏度决定着盾构机的方向控制能力及推进的稳定性。灵敏度值愈小，盾构机推进的蛇行现象愈严重，但盾构机调整方向愈容易；灵敏度值愈大，其方向稳定性愈好，但弯道推进超挖量大。考虑到本标段的地质特点，根据经验，灵敏度参考值选偏小值，为：
D＞6m时，
式中：La为盾构机前端到铰接中心的长度，
D为盾构机的外径，D=6250mm。
La=0.75D=0.75×6250=4687.5mm
选取La=5035mm
盾尾长度一般用下式计算：
Lb=Li+C+Ls+C’+Lp
式中：Li为安装千斤顶的长度，取Li=350~400mm
Lr为管片宽度，Lr=1500mm
Lp为安装盾尾密封材料的长度，取Lp=865mm
C为管片组装余量， C=500mm

C’为其它余量， C’=25~50mm
Lb=3240~3315mm
参照类似直径及管片宽度1500mm的铰接型盾构，取盾尾长度Lb=3285mm
La+Lb=5035+3285=8320mm
取盾构长度：L=8320mm
3)盾构重量
类比同类工程，本盾构机的重量选取为340t。
6.2盾构机的推力和扭矩计算
盾构机的推力和扭矩计算包括软土和硬岩两种情况进行。
1)在软土中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算
地层参数按〈6〉岩石全风化带选取，由于岩土体中基本无水，所以水压力的计算按水土合算考虑。选取可能出现的最不利受力情况埋深断面进行计算。根据线路的纵剖面图，〈6〉层埋深不大，在确定盾构机拱顶处的均布围岩竖向压力Pe时，可直接取全部上覆土体自重作为上覆土地层压力。
盾构机所受压力：
Pe =γh+ P0
P01= Pe + G/DL
P1=Pe×λ
P2=(P+γ.D) λ
式中：λ为水平侧压力系数，λ=0.47
h为上覆土厚度，h=12.8m
γ为土容重，γ=1.94 t/m3
G为盾构机重，G=340 t
D为盾构机外径，D=6.25 m
L为盾构机长度，L=8.32 m
P0为地面上置荷载，P0=2 t/m2
P01为盾构机底部的均布压力
P1为盾构机拱顶处的侧向水土压力
P2为盾构机底部的侧向水土压力
Pe=1.94×12.8+2=26.83 t/m2
P01=26.83+340/（6.25×8.32）=33.37t/m2

P1=26.83×0.47=14.89t/m2
P2 =(26.83+1.94×6.25)×0.47=18.3t/m2
(1)盾构推力计算
盾构的推力主要由以下五部分组成：

式中：F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力
F2为刀盘上的水平推力引起的推力
F3为切土所需要的推力
F4为盾尾与管片之间的摩阻力
F5为后方台车的阻力

，

式中：C为土的粘结力，C=4.5t/m2

式中：WC 、μC为两环管片的重量（计算时假定有两环管片的重量作用在盾尾内，当管片容重为2.5t/m3，管片宽度按1.5m计时，每环管片的重量为24.12t），两环管片的重量为48.24t考虑。μC=0.3

式中：Gh为盾尾台车的重量，Gh≈160t；
θ为坡度，tgθ=0.025
μg为滚动摩阻，μg=0.05

盾构总推力：
(2)盾构的扭矩计算
盾构配备的扭矩主要由以下九部分组成。在进行刀盘扭矩计算时：

式中：M1为刀具的切削扭矩
M2为刀盘自重产生的旋转力矩
M3为刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩
M4为密封装置产生的摩擦力矩
M5为刀盘前表面上的摩擦力矩
M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩
M7为刀盘背面的摩擦力矩
M8为刀盘开口槽的剪切力矩
M9为刀盘土腔室内的搅动力矩
a．刀具的切削扭矩M1

式中：Cг：土的抗剪应力，
Cг=C+Pd×tgφ=4.5+14.52×tg20°=9.78t/m2
hmax：刀盘每转的最大切削深度，hmax=8cm/转
R0：最外圈刀具的半径，R0=3.14m

b．刀盘自重产生的旋转力矩M2
M2=GRμg
式中：G：刀盘自重，计算时取刀盘的自重为G=55t

R：轴承的接触半径，计算时取为R=2.6m
μg：滚动摩擦系数，计算时取为μg=0.004
M2=55×2.6×0.004=0.57t﹒m
c．刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩M3
M3=WpRgμz
Wp=απRc2Pd
式中：Wp：推力荷载
α：刀盘封闭系数，α=0.70
Rg：轴承推力滚子接触半径，Rg=1.25m
Rc：刀盘半径，Rc=3.14
μz：滚动摩擦系数，μz=0.004
Pd：水平土压力，Pd=14.52t/m2
Wp=0.70π×3.142×14.52=312.83t
M3=312.83×1.25×0.004=1.56 t﹒m
d．密封装置产生的摩擦力矩M4
M4=2πμmF（n1Rm12+n2Rm22）
式中：μm：密封与钢之间的摩擦系数，μm=0.2
F：密封的推力，F=0.15t/m
n1 、n2 ：密封数，n1=3 n2=3
Rm1、Rm2：密封的安装半径，Rm1=1.84m Rm2=2.26m
M4= 2π×0.2×0.15×（3×1.842+3×2.262）=4.80 t·m
e．刀盘前表面上的摩擦力矩M5

式中：α：刀盘开口率，α=0.30
μP：土层与刀盘之间的摩擦系数，μP=0.15
R：刀盘半径，R=3.14m

f．刀盘圆周面上的摩擦力矩M6
M6=2πR2BPZμP
式中：R：刀盘半径，R=3.14m

B：刀盘宽度，B=0.775m
PZ：刀盘圆周土压力
PZ=（Pe+P01+P1+P2）/4=（26.83+33.37+14.89+18.3）/4=23.35t/m2
M6=2π×3.142×0.775×23.35×0.15=167.09t·m
g．刀盘背面的摩擦力矩M7
M7=2/3[（1-α）πR3μP×0.8Pd]
M7=2/3（0.70×π×3.143×0.15×0.8×14.52）=78.33t·m
h．刀盘开口槽的剪切力矩M8

式中：Cτ：土的抗剪应力，因碴土饱和含水，故抗剪强度降低，可近似地取C=0.01Mpa=1 t/m2，φ=5°
Cτ=C+Pd×tgφ=1+14.52×tg5=2.27 t/m2

i．刀盘土腔室内的搅动力矩M9
M9=2π（R12－R22）LCτ
式中：d1 ：刀盘支撑梁外径，d1=4.8m
d2 ：刀盘支撑梁内径，d2=3.84 m
L：支撑梁长度， L=0.8 m
M9=2π（2.4 2-1.922）×0.8×2.06=21.46 t·m
刀盘扭矩M为M1~M9之和
M=3.83+0.57+1.56+4.80+41.96+167.09+78.33+45.88+21.46
=365.48t·m
2)在硬岩中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算
地质参数按照<9>层选取,<9>层为岩石微风化带.
盘形单刃滚刀的参数如下:
直径 d=43.2cm(17英寸)，R=21.6cm
刃角 α=60°
每转切深 h=1 cm
刀盘直径 D=6.28m
盘形滚刀刀间距， Bm=2htgφ/2

式中：φ为岩石的自然破碎角，查表选取φ=155°
Bm=2×1×tg155/2=9.5cm≈10cm
(1)盾构推力的计算
硬岩具有完全自稳能力。在硬岩中掘进时，盾构机的拱顶、两侧、底部所受的压力均很小，对盾构机的推进影响不大，盾构机的推力主要消耗在滚刀贯入岩石所需要的推力上，所以可以近似的把滚刀贯入岩石的力看成盾构机的推力，其它在选取盾构机推力的富裕量时进行统筹考虑。
根据力平衡原理和能量守恒原理计算盘形滚刀的滚压推力，每个盘形滚刀的推力
F总=mF力
式中： F力为单个滚刀贯入岩石所需要的力
m为刀盘上安装的盘形滚刀(单刃)的数量

式中：Kd为岩石的滚压系数，查表取Kd=0.55
R压为岩石的抗压强度，R压=62.3Mpa=623kg/cm2
ri为盘形滚刀的刃角半径；ri=8cm
θi为盘形滚刀的半刃角；θi=30°
φ为岩石的自然破碎角，φ=155°

m= D /(2×Bm)
式中：D 为刀盘的外径，D= 6.28m
Bm 为滚刀的刀间距，Bm=10cm
m = 6.28/(2×10×10-2)=31
本盾构机设计双刃滚刀19把，合计单刃滚刀38把，满足需要。
盾构机的总推力：F总=mF力=38×24.64=936.32t
(2)盾构扭矩的计算
硬岩掘进的扭矩主要由以下三部分组成：

式中：T1为刀盘滚动阻力矩计算
T2为石碴提升所需要的扭矩

T3为克服刀盘自重所需要的扭矩
a．刀盘滚动阻力矩计算T1

式中：F为盘形滚刀的滚动力

式中：ξ为与被滚压岩石自由面条件和形状有关的换算系数，ξ=0.8
P力=F压=24.64
h 为每转切深，h =1cm
R为盘形滚刀的半径，R= mm

Bm为盘形滚刀刀间距，Bm=10cm=0.1m

b．石碴提升所需要的扭矩T2
T2=qπR2hμ1R
式中：q为石碴容重，q=2.59t/m3
R=3.14 m
H=1 mm/n
μ1为刀盘系数，μ1=0.70
T2=2.59×π×3.142×0.01×0.70×3.14=1.75t
c．克服刀盘自重所需要的扭矩T3
T3=W1μ1R
式中：W1为刀盘自重，W1=55 t
μ1=0.70
R=3.14m
T3=55×0.70×3.14=120.51t·m
硬岩掘进所需要的力矩T= 204.99+1.75 +120.51= 327.25t·m
3) 推力和扭矩的选取及验证
软土中掘进：推力F=1754.24t，扭矩T=365.48t·m

硬岩中掘进：推力F=936.32t，扭矩T=327.25 t·m
由于盾构在施工中经常需要纠偏、转向，因此盾构的推力实际上要比计算出来的大，按照经验数据，盾构实际配备的推力为计算值的1.5倍。

按照《Mechanised Shield Tunnelling》一书（作者：Bernhard Maidl；Martin Herrenknecht；Lothar Anheuser等）介绍的经验公式进行验算

式中：α为经验系数，按下图取500~1200
D 为盾构外径，D =6.25 m

本盾构机设计总推力为3421t，既大于理论计算值，又处于经验计算值之间，说明盾构机的推力是足够的。

当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时
T=αD3
式中：α：扭矩系数，取α=1.8
T=1.8×6.253=441.6 t·m
本盾构机额定扭矩T=450 t·m，最大扭矩Tmax=530 t·m，可同时满足理论计算及经验计算的要求。
6.3 刀盘的驱动功率
a．刀盘驱动所需功率：

式中：Tc为刀盘驱动的最大扭矩；Tc=530 t·m
n为刀盘最大扭矩时的转速
与盾构机设计的最大扭矩相对应的转速为1 r/m，则刀盘执行机构实际功率为：

b. 液压马达所需总功率：

其中：ηm为马达效率，ηm=0.85
m为液压马达数量，m=8
每个马达功率为：

c. 驱动电机的总功率：

其中：ηd为电机效率，ηd=0.9
本盾构机刀盘电机配备的功率为945kW，在满足上述计算要求的情况下，仍有较大富裕，以应付掘进过程中不明因素的影响。
6.4盾构推进所需功率
盾构机最大推进功率PT可按：
PT=F·V
式中：F---总推力，F=3421t
V---最大推进速度，V=8cm/min
PT=3421×10×8×10-2/60=45.6kW
本盾构机的推进功率取值为55kW，可满足上述要求。
6.5螺旋输送机参数的确定
a．输送量Q
理论出土量QL可按：

式中：D为盾构的开挖直径，D=6.28m
Vmax为盾构的开挖速度，Vmax=8cm/min×60=4.8m/h
α为土的松动系数取为，α=1.5

本盾构机的螺旋输送机的输送能力为400m3/h，可满足计算要求。
b．螺旋输送机驱动功率
螺旋输送机所需功率：

式中：w0为物料阻力系数，取3.2
γ为土的容重，取1.94t/ m3
L、H为螺旋输送机的水平长度和高度
初定螺旋输送机的长度为10m，倾角为23°则：
L=10×cos23°=9.205 m H=10×sin23°=3.907 m
所以，
电机所需功率：
本盾构机螺旋输送机驱动电机在功率315 kW，可以满足上述计算要求。
6.6皮带输送机的参数确定
皮带输送机的输送量应与螺旋输送机的输送量相匹配，按450 m3/h确定皮带输送机的参数进行计算。
确定带宽B

式中：Q为皮带输送机的输送量取450m3/h
Kd为端面系数，查表Kd =355
Kv为速度系数，查表 Kv =0.96
Kβ为倾角系数，查表Kβ=1

V为带速，V=2.5m/s

取标准带宽，B=800mm
b．皮带输送机的功率计算
皮带输送机的功率即为电动滚筒的功率，电动滚筒的功率N可按：

式中：Kq为满载驱动系数，Kq=1.0~1.4，取Kq =1.4
η为效率，取η=0.88
N0为电动滚筒的轴功率：

式中：Kq为空载运行功率系数，查表Kq=0.0165
Lh 为运行长度，Lh =45m
Kz为水平满载运行功率系数，查表Kz=10.89×10-5
V为带速，V=2.5m/s
H为倾斜高度，H=0.5m
查表取Kf=2.8
本盾构机皮带输送机配备功率为30kW，满足上述计算要求。
7结语
1) 在盾构机选型设计中，刀盘的设计极为重要。除了要满足一定的刚度以外,各种刀具的数量、布置方式、刀盘开口率设计的基础在于对地质情况掌握的程度。实际施工中，软硬刀盘的使用需要及时适当，否则可能适得其反。
2) 螺旋输送器、盾尾密封刷的工作性能对掘进效果具有显著的影响，是盾构机中的两个灵魂部件，在选型时要重点考虑其性能。
3) 由于盾构机本身的复杂型，因此掘进的过程是一个机械与土建技术互相拟合的过程，只有两方面都做好了，掘进才会顺利。因此任何将其单独割裂开来的做法都是不合适的。