陳云節(jié)，趙雷剛，劉發(fā)展，楊 陽(yáng)

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，湖北 武漢430084)

隨著城市地鐵的大量修建，盾構(gòu)施工技術(shù)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于城市地鐵隧道施工中。對(duì)于一般的、均一的地層，像北京、上海等城市，根據(jù)開(kāi)挖面自立性能、土質(zhì)條件、地下水位，便可決定盾構(gòu)、刀盤(pán)刀具類(lèi)型及盾構(gòu)刀盤(pán)所需扭矩。但盾構(gòu)在地下挖掘過(guò)程中將可能遇到復(fù)合地質(zhì)條件，如同一標(biāo)段中可能存在淤泥、黏土、砂層、礫石、軟巖及硬巖等地層，此類(lèi)地質(zhì)條件被稱(chēng)為復(fù)合地層。復(fù)合地層的地質(zhì)條件是非常復(fù)雜多樣的，但總的來(lái)說(shuō)可分為3 大類(lèi):①在掘進(jìn)斷面上不同地層的組合;②在掘進(jìn)軸線方向上地層的不同組合;③上述兩者兼而有之。在復(fù)合地層中掘進(jìn)，若盾構(gòu)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)扭矩選擇不合適，掘進(jìn)方法不正確，將嚴(yán)重影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，增加施工成本。

1 復(fù)合盾構(gòu)對(duì)刀盤(pán)扭矩的要求

針對(duì)復(fù)合地層，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)采用復(fù)合盾構(gòu)技術(shù)，即根據(jù)不同的破巖原理，盾構(gòu)刀盤(pán)采用混合式設(shè)計(jì)，即在同一個(gè)刀盤(pán)上同時(shí)布置兩種或兩種以上類(lèi)型的刀具，如圖1 所示為某一公司的復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)［1］。

圖1 某一復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)

復(fù)合盾構(gòu)能夠適應(yīng)軟土及硬巖等地質(zhì)條件。盾構(gòu)在軟土地層中掘進(jìn)，刀盤(pán)扭矩在砂土中比在黏土中有較大增加，穿越加固區(qū)時(shí)盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩也會(huì)有較大的增大。由于盾構(gòu)隧道上方載荷的變化，穿越地層縱向不均勻，有軟有硬，并且變化頻次多，盾構(gòu)隧道穿越地層同一斷面軟硬不均現(xiàn)象突出等原因，會(huì)引起盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩出現(xiàn)較大范圍的隨機(jī)變化。因此，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)采取合適的掘進(jìn)方法，使盾構(gòu)機(jī)的裝配扭矩對(duì)地質(zhì)條件能有較大的適應(yīng)性［2－3］。

2 復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩的計(jì)算方法

2.1 刀盤(pán)扭矩的構(gòu)成

目前，盾構(gòu)機(jī)扭矩計(jì)算一般參考日本盾構(gòu)扭矩經(jīng)驗(yàn)公式T =αD3(T 為盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩，D 為盾構(gòu)機(jī)外徑，α 為扭矩系數(shù))來(lái)估算［4］。該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)刀盤(pán)扭矩的核算有一定的參考價(jià)值，但沒(méi)有考慮盾構(gòu)機(jī)的埋深、盾構(gòu)機(jī)施工地層的地質(zhì)特性、盾構(gòu)機(jī)與地層之間的相互關(guān)系、刀盤(pán)開(kāi)口率、盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，以及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等因素的影響。

土壓平衡式盾構(gòu)的工作原理為:刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削挖面的泥土，破碎的泥土通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)，在倉(cāng)內(nèi)刀盤(pán)支撐梁的作用下攪拌成塑性流動(dòng)狀態(tài)，再通過(guò)螺旋輸送機(jī)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，然后輸送到停在軌道上的渣土車(chē)上［5］。因此，刀盤(pán)扭矩的主要構(gòu)成包括刀盤(pán)刀具切削土阻力扭矩、與土摩擦的摩擦阻力扭矩、土的攪拌阻力扭矩、軸承阻力扭矩、軸封摩擦阻力扭矩、減速裝置的機(jī)械損失扭矩等，具體如下［6－8］:

式中:T1為刀盤(pán)刀具切削土阻力扭矩;T2為與土摩擦的摩擦阻力扭矩;T3為土的攪拌阻力扭矩;T4為軸承阻力扭矩;T5為軸封摩擦阻力扭矩;T6為減速裝置的機(jī)械損失扭矩。

2.2 刀盤(pán)刀具切削土阻力扭矩

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，因刀具切削土體所產(chǎn)生的阻力扭矩T1為:

式中:Dc為刀盤(pán)直徑;qu為地層的單軸抗壓強(qiáng)度;tc為刀具的切入深度(tc=v/n，v 為推進(jìn)速度，n為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速)。切削阻力矩計(jì)算原理如圖2 所示。

圖2 切削阻力矩計(jì)算原理圖

2.3 與土摩擦的摩擦阻力扭矩

T2主要由刀圈粘附阻力扭矩和刀盤(pán)正面粘附阻力扭矩組成，即T2=T2a+T2b。其中，T2a為刀圈粘附阻力扭矩，T2b為刀盤(pán)正面粘附阻力扭矩。

2.3.1 刀圈粘附阻力扭矩

刀圈粘附阻力扭矩是由土體對(duì)刀圈產(chǎn)生的摩擦阻力矩，如圖3 所示，T2a為:

式中:Co為土體的粘聚力;Lc為刀盤(pán)架寬。

2.3.2 刀盤(pán)正面粘附阻力扭矩

刀盤(pán)正面粘附阻力扭矩是由土體作用于盾構(gòu)機(jī)正面的阻力引起的，如圖4 所示，T2b為:

圖3 刀圈粘附阻力扭矩計(jì)算原理圖

圖4 刀盤(pán)正面粘附阻力扭矩計(jì)算原理圖

式中:λ 為刀盤(pán)開(kāi)口率。

2.4 土的攪拌阻力扭矩

盾構(gòu)向前掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)切削下來(lái)的渣土通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)，再通過(guò)刀盤(pán)支撐梁攪拌，成為均勻的流塑性土體，所產(chǎn)生的攪拌阻力扭矩為:

式中:Nc為刀盤(pán)輻條根數(shù);Rk為攪拌翼通過(guò)半徑;Lk為攪拌翼長(zhǎng)度;Bk為攪拌翼寬度;Nk為攪拌翼根數(shù)。

土的攪拌阻力扭矩計(jì)算原理如圖5 所示。

圖5 土的攪拌阻力扭矩計(jì)算原理圖

2.5 軸承阻力扭矩

軸承阻力矩由刀盤(pán)自重的軸承阻力扭矩T4a和刀盤(pán)軸向負(fù)責(zé)的軸承阻力扭矩T4b組成，即:

式中:μ1為滾動(dòng)摩擦系數(shù);Wc為刀盤(pán)自重;Rr為徑向滾子設(shè)置半徑;Phm為水平載荷平均值;Rt為推力滾子設(shè)置半徑。

2.6 軸封摩擦阻力扭矩

主軸承密封裝置摩擦阻力矩為:

式中:μ2為密封于接觸滑動(dòng)面的摩擦系數(shù);Ta為密封壓緊阻力;Ns1、Ns2分別為1 號(hào)密封組數(shù)和2 號(hào)密封組數(shù);Rs1、Rs2分別為1 號(hào)密封半徑和2號(hào)密封半徑。

2.7 減速裝置的機(jī)械損失扭矩

減速裝置的機(jī)械損失扭矩為:

式中:η 為機(jī)械驅(qū)動(dòng)損失效率;T 為裝配扭矩。

3 復(fù)合盾構(gòu)扭矩地層適應(yīng)性措施

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩計(jì)算公式的分析可以得出，在隧道埋深H 一定的前提下，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)扭矩除了與刀盤(pán)直徑、刀盤(pán)開(kāi)口率，以及刀盤(pán)寬度等刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式參數(shù)相關(guān)以外，還與開(kāi)挖土體的容重、地層的單軸抗壓強(qiáng)度、開(kāi)挖土體與刀盤(pán)面板的摩擦系數(shù)，以及壓力艙內(nèi)渣土與攪拌翼的摩擦系數(shù)等土體性質(zhì)參數(shù)密切相關(guān)。

在具體的盾構(gòu)隧道工程中，由于盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械參數(shù)及開(kāi)挖地層的土層條件是一定的，因此，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)通過(guò)有效的土體改良技術(shù)降低渣土的摩擦系數(shù)來(lái)降低盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩。

常用的土體改良技術(shù)主要有在土倉(cāng)及刀盤(pán)前面土體注入礦物質(zhì)和泡沫。注入礦物質(zhì)的土體改良的適用土層范圍較寬，但該方法需要制泥裝置和貯泥槽等大規(guī)模的設(shè)備，因此現(xiàn)在很多盾構(gòu)都采用泡沫改良法，泡沫添加劑可以直接在盾構(gòu)臺(tái)車(chē)上生成。不同的地層與泡沫改良法關(guān)系如表1所示［9］。

表1 地層與泡沫改良法關(guān)系

4 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)上述復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩的計(jì)算方法，以某城市地鐵3 號(hào)線I 標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)為例進(jìn)行扭矩計(jì)算，該標(biāo)段經(jīng)過(guò)的主要地層為粘土層，經(jīng)過(guò)少量泥質(zhì)粗砂巖層、粉質(zhì)粘土夾碎石層，其參數(shù)選取及計(jì)算結(jié)果如表2 和表3 所示。

表2 參數(shù)選取

表3 計(jì)算結(jié)果

從表3 可以看出與土摩擦的摩擦阻力扭矩所占比例較大，說(shuō)明刀盤(pán)與土體的摩擦是影響刀盤(pán)扭矩的主要原因;軸承阻力扭矩所占比例較小，在計(jì)算過(guò)程中幾乎可以不計(jì)。刀盤(pán)扭矩的計(jì)算值為3 923.76 kN·m，盾 構(gòu) 機(jī) 刀 盤(pán) 的 裝 配 扭 矩 為5 295 kN·m，掘進(jìn)中刀盤(pán)扭矩占刀盤(pán)裝配扭矩的74.1%，因此為了防止在掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)粘性較大地層時(shí)扭矩過(guò)大，應(yīng)采用土體改良，增加土體的流塑性，如圖6 為土體改良后螺旋輸送機(jī)的出土狀態(tài)，達(dá)到了流塑狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合盾構(gòu)扭矩的地質(zhì)適應(yīng)性。

圖6 施工過(guò)程中土體改良后出土狀態(tài)

5 結(jié)論

(1)由于復(fù)合盾構(gòu)需能適應(yīng)軟土及硬巖等地質(zhì)條件，因此提出了復(fù)合盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)扭矩的地質(zhì)適應(yīng)性。

(2)通過(guò)對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)工作原理的分析，得出了刀盤(pán)扭矩的構(gòu)成，并運(yùn)用力學(xué)原理及數(shù)學(xué)公式得到了刀盤(pán)扭矩各分量的計(jì)算方法。

(3)通過(guò)對(duì)復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩的影響因素分析，提出了土體改良的刀盤(pán)扭矩的地質(zhì)適應(yīng)性措施。

(4)應(yīng)用實(shí)例對(duì)掘進(jìn)過(guò)程復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩進(jìn)行了計(jì)算，并通過(guò)土體改良實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)的正常掘進(jìn)。

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