【摘要】土壓平衡式盾構(gòu)機是隧道建設(shè)工程中常用的機械設(shè)備，在我國城市地鐵建設(shè)等隧道施工建設(shè)中發(fā)揮重要作用。為了提高盾構(gòu)機的掘進性能，建立系統(tǒng)的盾構(gòu)機的掘進性能評價方法十分必要。本文對盾構(gòu)機在隧道掘進過程中的能耗、效率及穩(wěn)定性的方面建立評價函數(shù)，提出具體的盾構(gòu)機掘進性能的評價方法。

【關(guān)鍵詞】土壓平衡；盾構(gòu)機；掘進性能；評價方法

盾構(gòu)機在地下工程的掘進過程中，其掘進系統(tǒng)需要對土體進行切削、攪拌并且要對開挖面的穩(wěn)定進行維護。刀盤切削系統(tǒng)、盾體推進系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)是盾構(gòu)機的重要部件，盾構(gòu)機的掘進性能評價是指在一定的地質(zhì)條件下，設(shè)置合理的參數(shù)，系統(tǒng)對工程掘進的能力和開挖面穩(wěn)定性維護的能力。本文從盾構(gòu)機的掘進能耗、掘進效率以及掘進的穩(wěn)定性三方面建立評價盾構(gòu)機的掘進性能指標，丟盾構(gòu)機在掘進施工中的性能做出評價。

1、盾構(gòu)機掘進性能的評價指標

1.1盾構(gòu)機掘進參數(shù)評價指標

盾構(gòu)機的掘進參數(shù)主要分五個方面：

（1）盾構(gòu)機液壓推力。液壓推力是盾體前進的推動力，直接對開挖面的穩(wěn)定造成影響過大的推力會對前方土體造成擠壓移動產(chǎn)生地面隆起，過小的推力會是土體運動方向傾向于刀盤方向?qū)е碌乇沓两?。液壓推力對掘進進程有直接的影響，是重要的掘進參數(shù)。

（2）刀盤扭矩。它是刀盤旋轉(zhuǎn)工作的動力，直接影響刀具對于巖土的切削能力，更是盾構(gòu)脫困的主要動力。對于切削困難的土體，需加大扭矩，但要與盾體推力相適應(yīng)，以避免施工事故的發(fā)生。

（3）刀盤轉(zhuǎn)速。刀盤轉(zhuǎn)速是刀盤扭矩設(shè)定是否合理的直接體現(xiàn)，同時刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩的乘積等于盾構(gòu)驅(qū)動電機的有效功率，是評價盾構(gòu)機掘進能耗的重要指標。

（4）掘進速度。盾構(gòu)機掘進的平均速度，在掘進過程中盾構(gòu)機的前進速度在時間上是變化的。掘進速度與機器的能耗和工作效率息息相關(guān)。

（5）螺旋輸送機轉(zhuǎn)速。螺旋輸送機是排除渣土的重要部件，其轉(zhuǎn)速與扭矩呈正比。轉(zhuǎn)速影對土壓倉的壓力值造成影響，是影響盾構(gòu)機掘進性能的重要指標。

1.2盾構(gòu)機地質(zhì)參數(shù)評價指標

（1）土體容重。這是地質(zhì)參數(shù)中最重要的一項，通常根據(jù)地平面以下的濕容重來進行計算，是地質(zhì)條件的綜合反映的參數(shù)，與盾構(gòu)機的掘進參數(shù)有直接關(guān)聯(lián)，直接影響盾構(gòu)機的掘進性能。

（2）埋深。埋深是指盾構(gòu)機地表與刀盤中心軸線的距離，其直接對刀盤的參數(shù)和掘進參數(shù)造成影響，過大的埋深會使盾構(gòu)機的壓力控制變的更加困難，不利于盾構(gòu)機的穩(wěn)定掘進。

2、盾構(gòu)機掘進性能評價

2.1掘進能耗的評價方法

盾構(gòu)機的能耗與上一段所討論的性能評價指標息息相關(guān)，性能指標的不同，能耗波動也不同，建立掘進能耗的評價方法，要充分考慮各掘進參數(shù)對其的影響比重。在盾構(gòu)機進行工程掘進施工之前，首先要做好準備工作，根據(jù)地質(zhì)資料所反映的地質(zhì)參數(shù)對地質(zhì)比重、埋深、含水量等各項重要地質(zhì)參數(shù)進行預(yù)測，計算出影響盾構(gòu)機掘進性男女的地質(zhì)性能評價指標。其次要對盾構(gòu)機掘進系統(tǒng)的各項參數(shù)，如：刀盤結(jié)構(gòu)、液壓推力、扭矩等參數(shù)進行確定，計算掘進性能評價指標。根據(jù)實際掘進能耗E的值和期望值E 的比值的百分比ε作為實際掘進能耗水平的評價標準，對機器能耗進行評價，如圖1所示：

當(dāng)ε為正值時，說明實際掘進能耗比預(yù)期的能耗高，ε值越大掘進參數(shù)的設(shè)定越不合理，另外還要考慮到地質(zhì)因素對掘進性能的影響。

2.2掘進效率的評價方法

任何地質(zhì)參數(shù)的確定，都可以根據(jù)地質(zhì)學(xué)的方法來進行。對于盾構(gòu)機來說，其最佳掘進參數(shù)可以根據(jù)能耗評價的方法來獲取。根據(jù)機器的能耗水平，對改地質(zhì)環(huán)境下的盾構(gòu)機掘進效率計算出最佳值。在實際的施工中，通過對施工中實際記錄的各項參數(shù)的計算，得到實際掘進施工的效率值。通常來說，掘進效率的計算是根據(jù)其評價函數(shù)來進行計算的，屬于有量綱，對其評估是有一定的誤差存在的。為了更加準確的對其進行評估，需要對掘進效率值采用歸一化的方法進行轉(zhuǎn)化處理，使其轉(zhuǎn)化為無量綱的形式，將量綱數(shù)字向相對數(shù)值進行轉(zhuǎn)換。在評價盾構(gòu)機的掘進效率是，可采用線性函數(shù)轉(zhuǎn)換的方法來實現(xiàn)。以來表示歸一轉(zhuǎn)換后的掘進效率，以和來分別表示盾構(gòu)機掘進效率的最大值和最小值，則其關(guān)系式為：

（1）

2.3穩(wěn)定性的評價方法

要保證掘進施工的安全，保持盾構(gòu)機的穩(wěn)定非要重要，大部分的安全事故都是因為開挖面失去穩(wěn)定性導(dǎo)致的。盾構(gòu)機在掘進的過程中國，開挖面土體是否穩(wěn)定跟刀盤的推理有主要的關(guān)系，過大的推理會使土體在滑移面上向遠離刀盤的方向移動，從而導(dǎo)致地面產(chǎn)生隆起；相反，過小的推理會是土體向刀盤方向滑移運動，從而導(dǎo)致地面產(chǎn)生沉降。因此，開挖面穩(wěn)定性的評價需要根據(jù)土力學(xué)理論來建立。相對于土體來說，盾構(gòu)機的刀盤有更大的剛度，在土體有交互流動性的情況下也將刀盤作為擋土結(jié)構(gòu)發(fā)揮擋土墻的作用，將過大和過小兩種推力對土體失穩(wěn)狀態(tài)作為建立盾構(gòu)機穩(wěn)定性評價標準的基礎(chǔ)，刀盤推力處于兩種極限的中間狀態(tài)時，開挖面是穩(wěn)定的。

地質(zhì)報告是根據(jù)探孔的數(shù)據(jù)記錄來制定的，因此采集后的地質(zhì)參數(shù)和計算得到的刀盤正面推力極值只有在探孔處才為準確值，通常使用線性插值來得到探孔之間的數(shù)值，實際刀盤正面推力變化應(yīng)保持在兩個極值的范圍內(nèi)，才能使開挖面保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

3、結(jié)語

進行盾構(gòu)機掘進性能評價的評價指標的確定首先要選擇關(guān)鍵參數(shù)作為基礎(chǔ)條件，通過科學(xué)合理的計算方法活動性能評價指標。再根據(jù)刀盤的拓撲結(jié)構(gòu)及其分析方法進行掘進性能函數(shù)的構(gòu)建，對盾構(gòu)機在掘進過程中的能耗、掘進的效率和掘進的穩(wěn)定性進行正確的評價，以達到對盾構(gòu)機掘進性能的整體綜合評價，采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC在安全施工的前提下，達到低能耗、高效率的完成隧道掘進施工。

參考文獻

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