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第1章 隧道盾构工法的发展 1

1．1 概述 1

1．2 国内盾构工法的发展 2

1．2．1 我国隧道状况 2

1．2．2 我国盾构工法的发展 2

1．3 复合地层盾构机组的发展历程 5

1．3．1 广州地铁一号线的经验与教训 5

1．3．2 复合地层盾构 5

1．4 复合地层的工程地质与水文地质 6

1．4．1 广州地区的地质构造与地层分布 6

1．4．2 广州地区水文地质特征 7

1．4．3 广州地区工程地质和水文地质评价 8

第2章 复合地层盾构机组的形式及其属性 9

2．1 全断面隧道掘进机组 9

2．1．1 适合不同地层的隧道掘进机组 9

2．1．2 适合开挖各种抗压强度岩石的隧道掘进机组 12

2．2 复合地层盾构机组的属性 13

2．2．1 工程的环境条件 14

2．2．2 工程地质及水文地质 14

2．2．3 工程的线路平面、纵剖面、横剖面及衬砌管片结构设计条件 15

2．3 围岩强度与复合地层盾构机组施工 15

2．3．1 复合地层盾构机组对工程地质及水文地质的适应性 15

2．3．2 复合地层盾构机组对隧道土压的适应性 16

第3章 复合地层盾构机组几何设计及其基础资料 17

3．1 复合地层盾构机组的主要组成 17

3．1．1 盾构主体主要组成 17

3．1．2 后配套台车的主要配置 17

3．2 盾构主体盾壳各功能段的划分 18

3．2．1 切口环的功能 18

3．2．2 支承环的功能 18

3．2．3 盾尾的功能 18

3．3 盾构主体的几何设计 19

3．3．1 盾壳的外径 19

3．3．2 盾构主体的总长度 20

3．4 中折装置 21

3．4．1 中折装置的功能 21

3．4．2 中折装置的结构 22

3．5 盾尾密封装置 23

3．5．1 盾尾密封装置的功能及设计技术要求 23

3．5．2 盾尾密封装置结构 23

3．5．3 刷式密封件 24

3．6 设计的基础资料 24

3．6．1 地层稳定性、破岩机理分析的工程地质及水文地质资料 24

3．6．2 工程设计图纸 25

第4章 复合地层盾构机组破岩机理与刀具设计 26

4．1 破岩方式及破岩机理概述 26

4．1．1 切削破岩机理 26

4．1．2 滚压破岩机理 27

4．2 切刀的设计与应用 28

4．2．1 切刀的设计 28

4．2．2 切刀在复合地层中的应用 35

4．3 盘形滚刀的设计与应用 37

4．3．1 滚刀的种类 37

4．3．2 盘形滚刀刀刃形式及标准规格 39

4．3．3 典型盘形滚刀组的结构形式 39

4．3．4 滚刀的选材 40

4．3．5 盘形滚刀组合密封的设计 45

4．3．6 盘形滚刀轴承的选择与计算 48

4．3．7 典型盘形滚刀的装配与调整 76

4．4 复合地层盾构机组刀盘刀具的配置 81

4．4．1 刀盘刀具配置 81

4．4．2 盘形滚刀的直径和刀间距的选择 81

第5章 盾壳和刀盘结构设计 83

5．1 盾壳的设计荷载 83

5．1．1 垂直土压力和水平土压力 83

5．1．2 水压力 83

5．1．3 自重 84

5．1．4 上覆荷载 84

5．1．5 变向荷载 84

5．1．6 开挖面前方压力 84

5．1．7 刀盘装备扭矩 87

5．1．8 刀盘驱动装置装备功率的确定 90

5．1．9 装备总推力的确定 90

5．1．10 其他荷载 92

5．2 盾壳结构设计 92

5．2．1 盾壳结构的设计原则和基本理论 92

5．2．2 盾壳结构设计方法 93

5．2．3 软土地层盾构机组的盾壳材料 96

5．2．4 复合地层盾构机组的盾壳材料 98

5．2．5 特殊环境下的盾壳选材 99

5．3 盾壳结构设计的许用应力 101

5．3．1 盾壳结构的许用应力 101

5．3．2 几种常用典型钢材牌号建议采用的许用应力 101

5．4 刀盘设计 104

5．4．1 刀盘的结构形式 104

5．4．2 刀盘的支承方式 105

5．4．3 刀盘结构设计 106

第6章 主轴承设计 109

6．1 刀盘主轴承的特点 109

6．1．1 刀盘支承的主要形式 109

6．1．2 刀盘主轴承的工作特点 109

6．1．3 刀盘主轴承的形式选择 109

6．2 作用于刀盘主轴承的荷载分析 111

6．2．1 作用于刀盘主轴承的荷载 111

6．2．2 刀盘主轴承设计计算荷载参数的确定 112

6．3 径向圆柱滚子轴承与轴向推力圆柱滚子轴承组合型刀盘主轴承的设计 112

6．3．1 组合型刀盘主轴承主要形式 112

6．3．2 组合型刀盘主轴承的设计 112

6．3．3 径向基本额定动荷载Cr和轴向基本额定动荷载Ca的计算 114

6．3．4 径向基本额定静荷载Cor和轴向基本额定静荷载Coa的计算 119

6．3．5 接触应力的验算 120

6．4 组合型刀盘主轴承固定螺栓组的设计 127

6．4．1 组合型刀盘主轴承在组合装配时固定螺栓组的预紧要求 127

6．4．2 固定螺栓组的设计计算 127

6．4．3 固定螺栓螺母材料选择 132

6．4．4 固定螺栓组连接紧固扳手作业空间要求 135

6．5 组合型刀盘主轴承材料选择和主要零部件硬度要求 137

6．5．1 组合型刀盘主轴承材料选择 137

6．5．2 组合型刀盘主轴承主要零部件硬度要求 138

6．6 组合型刀盘主轴承的密封设计 142

6．6．1 组合型刀盘主轴承密封的功能 142

6．6．2 组合型刀盘主轴承密封的形式及选择 142

6．6．3 组合型刀盘主轴承密封设计 142

6．7 润滑剂的选择 144

6．7．1 润滑剂选择的原则 144

6．7．2 润滑脂 145

6．7．3 润滑油 145

6．8 组合型刀盘主轴承的磨损计算 145

6．8．1 组合型刀盘主轴承的摩擦特性 145

6．8．2 组合型刀盘主轴承的摩擦力矩计算 146

第7章 刀盘驱动装置 148

7．1 刀盘驱动装置的设计要求 148

7．1．1 刀盘驱动的特点 148

7．1．2 刀盘驱动扭矩与转速特性 148

7．2 刀盘驱动方式及其选择 149

7．2．1 刀盘驱动方式 149

7．2．2 刀盘驱动方式的选择 149

7．3 电动机直接驱动装置 150

7．3．1 电动机直接驱动装置的传动链 150

7．3．2 电动机的选择 151

7．3．3 笼型感应电动机的启动及调速 159

7．4 电动机输出轴与行星齿轮减速器输入轴的连接 164

7．4．1 磁粉离合器 164

7．4．2 液力偶合器 167

7．5 行星齿轮减速器 172

7．5．1 轮系 172

7．5．2 行星齿轮传动的传动比 175

7．5．3 行星齿轮传动的效率 176

7．5．4 渐开线齿轮行星齿轮传动的主要参数确定 179

7．5．5 行星齿轮传动的受力分析 189

7．5．6 行星传动齿轮强度计算 189

7．5．7 行星齿轮传动的结构设计与计算 194

7．5．8 盾构机组的典型行星齿轮减速器 208

7．6 刀盘驱动装置传动链最后一级齿轮传动副的设计 211

7．6．1 刀盘驱动装置传动链最后一级齿轮传动副传动的特点 211

7．6．2 齿轮副传动的分类和优缺点 211

7．6．3 齿轮传动的选择原则及类型选择 212

7．6．4 渐开线圆柱齿轮传动 214

7．6．5 齿轮传动副大、小齿轮材料 228

7．7 液压马达驱动装置 230

7．7．1 液压马达驱动装置的传动链 230

7．7．2 液压马达驱动装置的液压系统 231

7．7．3 液压马达驱动装置液压系统计算 237

第8章 盾构液压推进系统 240

8．1 盾构液压推进系统的设计 240

8．1．1 推进油缸工作压力的确定和结构设计要求 240

8．1．2 推进油缸的配置 240

8．1．3 推进油缸的行程和工作速度 241

8．2 推进油缸的主要结构尺寸 242

8．2．1 推进油缸的荷载组成与计算 242

8．2．2 推进油缸的主要结构尺寸计算 243

8．3 推进油缸设计 245

8．3．1 推进油缸的缸筒内径和活塞杆外径与行程 245

8．3．2 推进油缸结构 246

8．3．3 推进油缸主要零件的材料 248

8．3．4 推进油缸主要零件的技术要求 256

8．4 推进油缸的布置和推进油缸液压系统计算 258

8．4．1 推进油缸的布置 258

8．4．2 推进油缸液压系统计算 259

第9章 液压、供电、控制系统 261

9．1 液压系统 261

9．1．1 液压系统设计原则 261

9．1．2 液压马达驱动的液压系统 261

9．1．3 推进油缸的液压系统 263

9．2 供电系统 265

9．2．1 供电系统设备选型和布置 265

9．2．2 典型供电系统 265

9．2．3 低压配电回路 267

9．3 掘进推进测量系统 271

9．3．1 掘进推进测量系统的组成及技术要求 271

9．3．2 典型掘进推进测量系统 271

第10章 其他部分 273

10．1 压气系统 273

10．1．1 压气施工 273

10．1．2 压气系统设备配置 273

10．1．3 压气系统的技术要求 274

10．2 排渣土（送排泥）装置 276

10．2．1 硬岩全断面隧道联合掘进机组的排渣土装置——铲斗装置 276

10．2．2 土压平衡式盾构的排渣土装置 277

10．2．3 泥水加压式盾构机组的送排泥装置 282

10．3 管片拼装机 289

10．3．1 管片拼装机的技术要求 289

10．3．2 管片拼装机的主要性能 290

10．3．3 管片拼装辅助设备 290

10．3．4 管片拼装机的设计计算 291

10．4 管片衬砌环壁后同步注浆系统 292

10．4．1 同步注浆系统的技术要求 292

10．4．2 同步注浆系统的设备配置 292

10．5 添加剂注入系统 293

10．5．1 添加剂注入系统的技术要求 293

10．5．2 添加剂注入系统的设备配置 293

10．6 后配套台车 294

10．6．1 后配套台车的功能 294

10．6．2 后配套台车的技术要求 294

10．6．3 后配套台车的主要形式 294

参考文献 295