謝友慧， 管會(huì)生

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

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盾構(gòu)下坡掘進(jìn)對(duì)推進(jìn)阻力的影響研究

謝友慧， 管會(huì)生*

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

以神華新街6°煤礦斜井盾構(gòu)工程為背景，針對(duì)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)工況，通過(guò)建立盾構(gòu)上作用的水土壓力載荷與坡度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，推導(dǎo)出推進(jìn)阻力與坡度的數(shù)學(xué)公式。結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算水平掘進(jìn)與6°下坡掘進(jìn)各推進(jìn)阻力值，并利用MATLAB軟件繪制下坡掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)阻力隨坡度變化的曲線。結(jié)果表明： 1)6°下坡掘進(jìn)的總推進(jìn)阻力相對(duì)于水平掘進(jìn)僅減小了約8%，坡度小于13°時(shí)，可通過(guò)水平掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)阻力減去重力沿掘進(jìn)軸線上的分量來(lái)近似求得，且偏差小于10%； 2)總推進(jìn)阻力會(huì)隨坡角的不斷增大而減小； 3)當(dāng)坡度大于50.4°后，盾構(gòu)有自動(dòng)向下滑移的趨勢(shì)，刀盤(pán)將自動(dòng)壓緊開(kāi)挖面，導(dǎo)致刀具自動(dòng)嵌入開(kāi)挖面，增加了啟動(dòng)扭矩與換刀的難度。

盾構(gòu)； 下坡掘進(jìn)； 坡度； 推進(jìn)阻力

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外市政交通、水電建設(shè)、地下礦產(chǎn)開(kāi)采等領(lǐng)域的需求增長(zhǎng)，盾構(gòu)已逐步應(yīng)用于傾斜城市地鐵隧道、采礦斜井等工程。盾構(gòu)應(yīng)用于大坡度隧道在國(guó)內(nèi)外已有較多案例。在國(guó)內(nèi)，廣州地鐵5號(hào)線在穿越珠江段時(shí)曾采用3°(5%)的小坡度進(jìn)行了施工；2015年，神東補(bǔ)連塔煤礦2#輔運(yùn)平硐采用雙模式盾構(gòu)以5.43°(9.5%)的坡度連續(xù)下坡掘進(jìn)了2 745 m。在國(guó)外，俄羅斯圣彼得堡自動(dòng)扶梯通道采用土壓平衡盾構(gòu)以30°(57.7%)的大坡度下坡掘進(jìn)，完成了總長(zhǎng)120 m的隧道施工；2006年，南非的德班港隧道，采用泥水盾構(gòu)分別以11.3°(20%)上坡和下坡進(jìn)行掘進(jìn)，完成了總長(zhǎng)492 m的隧道修建[1]；1984年，加拿大布雷頓角發(fā)展公司采用單護(hù)盾TBM以0～11.3°(0～20%)的不同坡度下坡掘進(jìn)，完成了直徑7.6 m、距離超過(guò)3.5 km的煤礦斜井的掘進(jìn)[2]。

推力是盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，同時(shí)也是盾構(gòu)能夠順利施工的重要保證。在下坡掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)受到的推進(jìn)阻力會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)掘進(jìn)狀態(tài)造成影響。對(duì)于盾構(gòu)推進(jìn)阻力，有關(guān)專家學(xué)者開(kāi)展了許多研究，比如： 管會(huì)生等[3-5]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，推導(dǎo)了推進(jìn)阻力計(jì)算式，并對(duì)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)的推力進(jìn)行了研究；江華等[6]分析了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)制，推導(dǎo)了盾構(gòu)推力的理論計(jì)算公式，針對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)推力的組成特征，簡(jiǎn)化了推力計(jì)算公式；鄭崢等[7]利用力學(xué)與量綱的分析方法，建立了盾構(gòu)總推力的力學(xué)模型，采用多元回歸方法對(duì)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)模型中的系數(shù)進(jìn)行反演識(shí)別，揭示了總推力與掘進(jìn)速度、地質(zhì)參數(shù)等因素間的相互規(guī)律；陳仁朋等[8]分析了掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)與圍巖相互作用的規(guī)律，通過(guò)考慮刀盤(pán)擠土效應(yīng)及土艙內(nèi)壓力分布對(duì)推力計(jì)算式進(jìn)行了修正；徐前衛(wèi)等[9]應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)方法，從土壓平衡盾構(gòu)的掘削工作機(jī)制入手，研究均勻軟質(zhì)地層條件下推力的計(jì)算方法及其影響因素，同時(shí)開(kāi)展了掘削模型試驗(yàn)，研究了不同埋深、刀盤(pán)開(kāi)口率、不同土性時(shí)的液壓缸頂進(jìn)推力的變化規(guī)律。

在眾多研究中，研究者主要通過(guò)盾構(gòu)與地層間的相互作用規(guī)律，建立計(jì)算模型，同時(shí)結(jié)合切削試驗(yàn)來(lái)對(duì)推進(jìn)阻力進(jìn)行研究，而對(duì)于盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)阻力的研究較少，僅有文獻(xiàn)[4-5]對(duì)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)的推進(jìn)阻力進(jìn)行過(guò)研究，但分析不夠全面。本文將以內(nèi)蒙古神華新街臺(tái)格廟盾構(gòu)煤礦斜井工程為背景，針對(duì)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)這一特殊工況，從坡角對(duì)盾構(gòu)上作用載荷的影響方面入手，研究下坡掘進(jìn)狀態(tài)盾構(gòu)推進(jìn)阻力及其隨坡角的變化規(guī)律，以期為斜井盾構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 推進(jìn)阻力的構(gòu)成

[5]研究在下坡掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)的總推進(jìn)阻力

FEPB=F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7-FX。

(1)式中：F1為刀盤(pán)正面水土壓力造成的推進(jìn)阻力；F2為盾殼與周?chē)馏w的摩擦阻力；F3為盾尾與管片的摩擦阻力；F4為切口環(huán)凸出刀盤(pán)時(shí)，切口環(huán)貫入土體時(shí)產(chǎn)生的阻力；F5為盾構(gòu)變向阻力；F6為后配套臺(tái)車(chē)與坡面摩擦阻力；F7為刀具貫入土體產(chǎn)生的阻力；FX為下滑力，即盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)自重沿掘進(jìn)軸線的分量，其方向與掘進(jìn)方向相同，為主動(dòng)力，取為負(fù)。

2 坡度對(duì)盾構(gòu)上作用的水土壓力的影響

盾構(gòu)周?chē)饔玫耐翂毫⒅苯佑绊懙蕉軞づc周?chē)馏w的摩擦阻力，而開(kāi)挖面的水土壓力也直接影響到刀盤(pán)正面阻力。對(duì)下坡掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)上作用的水土壓力載荷進(jìn)行分析是研究下坡掘進(jìn)狀態(tài)盾構(gòu)推進(jìn)阻力的基礎(chǔ)。

2.1 盾構(gòu)周?chē)饔玫耐翂毫?/p>

當(dāng)盾構(gòu)以α角下坡掘進(jìn)時(shí)，設(shè)盾構(gòu)周?chē)哪滁c(diǎn)A作用有垂直土壓力σvθ，如圖1所示，過(guò)盾構(gòu)軸線作鉛垂面(即縱切面)，過(guò)盾構(gòu)軸線作垂直于縱切面的橫切面，過(guò)A點(diǎn)作垂直于盾構(gòu)軸線且平行于縱切面的直線AE；AC為A點(diǎn)的外法線，AC與盾構(gòu)橫切面的夾角為θ。顯然，當(dāng)盾構(gòu)水平掘進(jìn)時(shí)，A點(diǎn)垂直土壓力σvθ與AE重合，與外法線AC的夾角為π/2-θ，而當(dāng)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)，垂直土壓力σvθ與AE成α角度，與外法線AC的夾角為一空間角度λ，這表明盾構(gòu)周?chē)耐翂毫Φ淖饔媒前l(fā)生了改變，盾構(gòu)周?chē)饔玫耐翂毫d荷也因此發(fā)生了變化。A點(diǎn)處土壓力分析平面圖如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)周?chē)鶤點(diǎn)土壓力分析三維圖

Fig. 1 3D analytical diagram of soil pressure on point A around shield

圖2 A點(diǎn)處土壓力分析平面圖

Fig. 2 Plan analytical diagram of soil pressure on point A around shield

如圖1所示，由三余弦定理可得到α、λ、θ之間的關(guān)系為：

(2)

在計(jì)算外法線CA方向作用的土壓力σθ時(shí)可以用A點(diǎn)的垂直土壓力σvθ乘以CA方向上的土壓力系數(shù)而得到[3]。設(shè)CA方向上的土壓力系數(shù)為Kλ，則CA方向上作用的土壓力

σθ=Kλσvθ。

(3)

式中：σθ為CA方向上作用的土壓力；σvθ為A點(diǎn)的垂直土壓力，σvθ=γhθ，根據(jù)圖2的幾何角度關(guān)系可得hθ=h0+hθ1，hθ1=(R-hθ2)cosα，hθ2=Rsinθ，h0=σv/γ；γ為土體容重；R為盾構(gòu)半徑；h0為盾構(gòu)頂點(diǎn)處的松動(dòng)高度或自然拱的拱高；σv為盾構(gòu)頂點(diǎn)處的垂直土壓力，可根據(jù)盾構(gòu)穿越的地層情況選用適當(dāng)?shù)耐翂毫碚撚?jì)算得到，如全覆土理論、太沙基理論、謝家烋理論、比爾鮑曼理論、普氏理論、宋玉香公式[10-11]等。

AC方向上的土壓力系數(shù)Kλ可通過(guò)垂直土壓力系數(shù)與水平土壓力系數(shù)的內(nèi)插法[3]得到，結(jié)合K、α、λ、θ可得：

Kλ=cos2λ+Ksin2λ。

(4)

式中K為水平土壓力系數(shù)。

依據(jù)式(2)—(4)可得外法線CA方向上的土壓力

σθ=σvθKλ=γ[h0+(R-Rsin θ)cos α]·[K+(1-

K)cos2αsin2θ]。

(5)

2.2 刀盤(pán)正面作用的水土壓力

在掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)正面將受到來(lái)自開(kāi)挖面的水土壓力作用，產(chǎn)生正面推進(jìn)阻力。當(dāng)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)，正面的推進(jìn)阻力相對(duì)于水平掘進(jìn)狀態(tài)將有所不同，因此需要重新進(jìn)行分析研究。盾構(gòu)正面土壓力分析示意如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)正面土壓力分析示意圖

2.2.1 刀盤(pán)正面任意一點(diǎn)作用的土壓力

以刀盤(pán)面板上任意一點(diǎn)B進(jìn)行分析，考慮刀盤(pán)與土體之間的摩擦阻力，B點(diǎn)處將受到來(lái)自開(kāi)挖面的水平土壓力作用。

圖4 斜面上應(yīng)力分解

。

(6)

斜面上的正應(yīng)力

σv=T·cosφ

。

(7)

如圖5所示，以盾構(gòu)軸線為x軸，盾構(gòu)前進(jìn)的方向?yàn)閤軸正方向，建立坐標(biāo)系，顯然刀盤(pán)面板平行于yoz平面，則刀盤(pán)面板的單位法向矢量v=(1，0，0)。

圖5 B點(diǎn)土壓力分析計(jì)算示意圖

Fig. 5 Plan analytical diagram of soil pressure on pointBaround shield

設(shè)B點(diǎn)受到的水平土壓力為σfB，其與單位法向矢量v反方向的夾角為α。σf為σfB對(duì)刀盤(pán)面板產(chǎn)生的正應(yīng)力，τf為σfB產(chǎn)生的總切應(yīng)力，根據(jù)式(6)、(7)可得B點(diǎn)處的正應(yīng)力如式(8)所示。

σf=σfB·cosα=γ[h0+(R-rsinθ)cosα]Kpcosα+

(8)

式中：r為B點(diǎn)距刀盤(pán)中心的距離；Kp為朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)(Kp=tan2(45°+φ)，其中φ為內(nèi)摩擦角)；c為土體的黏聚力，松散土c=0。

2.2.2 刀盤(pán)正面任意一點(diǎn)作用的水壓力

當(dāng)盾構(gòu)經(jīng)過(guò)富水地層時(shí)，盾構(gòu)正面將受到水壓力作用，水壓力作用方向始終垂直于刀盤(pán)正面(如圖6所示)。

圖6 盾構(gòu)正面作用的水壓力分析示意圖

根據(jù)圖6可得刀盤(pán)面板上任意一點(diǎn)B處的水頭高度

hfw=hw0+(R-rsinθ)cosα。

(9)

盾構(gòu)正面作用的水壓力可通過(guò)水頭高度與水的容重的乘積計(jì)算。另外，由于地下水需要滲透過(guò)土體作用于刀盤(pán)面板，從而產(chǎn)生水頭損失，因此B點(diǎn)的水壓力

σfw=hfwγwq=[hw0+(R-rsinθ)cosα]γwq。

(10)

式中：hw0為刀盤(pán)頂部的地下水位高度；γw為水的容重；q為依據(jù)土體滲透系數(shù)確定的一個(gè)系數(shù)，一般黏土中取0.3～0.5，砂土中取0.8～1.00[3]。

3 盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)阻力

3.1 刀盤(pán)正面阻力F1

對(duì)刀盤(pán)面板取一微元進(jìn)行分析，如圖7所示。

刀盤(pán)正面的水土壓力對(duì)該微元的作用力

dF1=(σf+σfw)rdθdr。

(11)

對(duì)式(11)兩邊進(jìn)行積分，同時(shí)考慮刀盤(pán)開(kāi)口率的影響，得到刀盤(pán)正面阻力如式(12)所示。

圖7 刀盤(pán)正面阻力分析

πR2(h0+Rcosα)+(1-η)γwqπR2(hw+Rcosα)+

(12)

式中：η為刀盤(pán)開(kāi)口率；R為刀盤(pán)半徑。

3.2 盾殼與周?chē)馏w產(chǎn)生的摩擦阻力F2

取盾構(gòu)周?chē)骋患?xì)小長(zhǎng)條矩形進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)周?chē)翂毫d荷計(jì)算示意圖

細(xì)小長(zhǎng)條矩形受到周?chē)翂毫Ξa(chǎn)生的正壓力

dN1=σθ·Rdθ·l，θ∈(0,π)。

(13)

兩邊積分可得盾構(gòu)上半部分受到周?chē)馏w的正壓力

cos3α]。

(14)

式中：N1為盾構(gòu)上半部分由土壓力產(chǎn)生的正壓力；l為盾殼長(zhǎng)度。

根據(jù)作用力與反作用力關(guān)系，盾構(gòu)下半部分的正壓力實(shí)際為地基反力，該地基反力等于盾構(gòu)自重與N1之和，因此可得到盾構(gòu)下半部分作用的正壓力

N2=N1+Wzcosα

。

(15)

式中Wz為盾構(gòu)主機(jī)自重。

則盾構(gòu)與周?chē)耐馏w產(chǎn)生摩擦阻力

F2=(N1+N2)μ1。

(16)

式中μ1為盾殼與周?chē)馏w的摩擦因數(shù)。

3.3 盾尾與管片的摩擦力F3、后配套臺(tái)車(chē)與坡面摩擦阻力F6、盾構(gòu)自重產(chǎn)生的下滑力FX

盾構(gòu)下坡掘進(jìn)將影響盾尾中的管片在盾尾密封上的正壓力、后配套臺(tái)車(chē)滾輪在軌道或仰拱面上的正壓力；同時(shí)盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)自重也產(chǎn)生沿掘進(jìn)方向的分力，即下滑力。盾尾與管片的摩擦力F3、后配套臺(tái)車(chē)車(chē)輪與軌道或仰拱面的摩擦阻力F6、下滑力FX分別為：

F3=μ3(Wsn4cosα+πD0bwpTn5)。

(17)

F6=μ2Wpcosα

。

(18)

FX=Wzsinα+Wpsinα。

(19)

式中：n4為盾尾內(nèi)管片環(huán)數(shù)；Ws為每環(huán)管片的自重；D0為管片外徑；bw為每道盾尾密封刷與管環(huán)的接觸長(zhǎng)度；pT為盾尾密封刷的壓強(qiáng)；n5為盾尾密封刷的層數(shù)；μ3為盾尾密封刷與管片的摩擦因數(shù)；μ2為后配套臺(tái)車(chē)車(chē)輪與仰拱面或鋼輪與軌道的滾動(dòng)摩擦因數(shù)；Wz為盾構(gòu)主機(jī)自重；Wp為后配套臺(tái)車(chē)自重。

3.4 切口環(huán)貫入阻力F4、盾構(gòu)變向阻力F5、刀具貫入阻力F7

3.4.1 切口環(huán)貫入阻力F4

如果盾構(gòu)切口環(huán)未凸出刀盤(pán)時(shí)，則無(wú)切口環(huán)阻力；切口環(huán)凸出刀盤(pán)時(shí)，需考慮切口環(huán)貫入土體時(shí)產(chǎn)生的阻力，此時(shí)切口環(huán)阻力

(20)

式中：D為盾殼外徑；Di為盾殼內(nèi)徑；qe為切口環(huán)插入處地層的反壓強(qiáng)度；Z為切口環(huán)插入地層深度；pe為切口環(huán)貫入處地層的摩阻力強(qiáng)度，對(duì)于黏土取土體黏聚力c，對(duì)于非黏土取該處的平均土壓。

3.4.2 盾構(gòu)變向阻力F5

當(dāng)盾構(gòu)蛇形或曲線掘進(jìn)時(shí)，將受到變向阻力

F5=πDL2kδh/(12lJ)[2]。

(21)

式中：δh=Bg/Rc(Bg為管片寬度，Rc為曲線施工半徑)；lJ為推進(jìn)油缸的安裝半徑。

3.4.3 刀具貫入土體產(chǎn)生的阻力F7

不考慮切刀磨損時(shí)，每把切刀受到的貫入阻力為Ft，在軟弱地層中滾刀和切刀所受推力相當(dāng)，1把周邊刮刀承受相當(dāng)于6把切刀的推力[13]。如果刀盤(pán)上同時(shí)布置有滾刀、切刀和周邊刮刀時(shí)，則刀具貫入阻力

(22)

式中：n1、n2、n3分別為滾刀、切刀和周邊刮刀數(shù)目；Ft為每把切刀的貫入阻力。

4 坡角對(duì)推進(jìn)阻力影響的實(shí)例分析

4.1 工程概況

內(nèi)蒙古新街臺(tái)格廟盾構(gòu)煤礦斜井坡度為6°，斜井總長(zhǎng)度為6 553 m，包含明挖段及盾構(gòu)掘進(jìn)段2部分，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)埋深為15.8 m，最大埋深為685 m，全程近乎為直線掘進(jìn)，采用具備開(kāi)式單護(hù)盾TBM模式和閉式土壓平衡盾構(gòu)模式且可在洞內(nèi)相互轉(zhuǎn)換的雙模式盾構(gòu)來(lái)完成煤礦斜井施工。在圍巖軟弱不穩(wěn)定、地層含水時(shí)采用土壓平衡盾構(gòu)模式掘進(jìn)，在圍巖穩(wěn)定性好且無(wú)水時(shí)采用開(kāi)式單護(hù)盾TBM模式掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中自上而下依次穿越第四系、白堊系和侏羅系安定組、直羅組與延安組。盾構(gòu)穿越的地層以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖及灰綠色砂質(zhì)泥巖為主，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度在20～60 MPa，平均38.5 MPa左右，多集中在22 MPa左右；圍巖等級(jí)多數(shù)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，屬于力學(xué)強(qiáng)度不高的不穩(wěn)定或弱穩(wěn)定巖層[14]；部分地層含水。為了防止地下水沿著管片外圍逐漸向下積累形成高水壓，在管片外每隔50 m設(shè)置一道隔水環(huán)，最大水頭高度不超過(guò)5.2 m(50 m×sin 6°)。土壓平衡模式下盾構(gòu)有關(guān)參數(shù)如表1所示。

4.2 坡角對(duì)推進(jìn)阻力的影響

依據(jù)表1參數(shù)，計(jì)算了土壓平衡盾構(gòu)模式下水平掘進(jìn)、6°下坡2種情況下各個(gè)推進(jìn)阻力(見(jiàn)表2)。由于在實(shí)際施工中，盾構(gòu)基本處于直線下坡掘進(jìn)，且切口環(huán)不突出刀盤(pán)，F(xiàn)4、F5基本為0。

為了反映盾構(gòu)總推進(jìn)阻力與坡角的關(guān)系，可以將盾構(gòu)總推進(jìn)阻力分成2部分： 與坡角有關(guān)的部分Fα以及與坡角無(wú)關(guān)部分F，如式(23)所示，可以通過(guò)Fα來(lái)反映總推進(jìn)阻力隨坡角的變化。

FEPB=Fα+F=[F1+F2+F3+F6+(-FX)]+

(F4+F5+F7)。

(23)

式中：Fα=F1+F2+F3+F6+(-FX);F=F4+F5+F7。

另外采用MATLAB軟件編寫(xiě)程序，繪制了各個(gè)受坡角影響的推進(jìn)阻力隨坡角α變化曲線，如圖9所示。

表1 土壓平衡模式下盾構(gòu)有關(guān)參數(shù)

表2 水平掘進(jìn)、6°下坡掘進(jìn)推進(jìn)阻力計(jì)算結(jié)果

Table 2 Calculation results of thrusting resistance of shield when boring horizontally and downhill by 6°

推進(jìn)阻力水平掘進(jìn)數(shù)值/kN比例/%6°下坡掘進(jìn)數(shù)值/kN比例/%減小率/%F20650100190031008F118739.11521818.8F21317363.81303568.61.05F315867.715848.30.13F69004.48954.70.56F7311815.1311816.40FX00-1150-6.1

盾構(gòu)下坡掘進(jìn)時(shí)推力計(jì)算式較復(fù)雜，可考慮通過(guò)水平掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)阻力減去重力在掘進(jìn)軸線上的分量(即下滑力)來(lái)近似求得下坡掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)阻力，但存在一定的偏差，偏差情況可通過(guò)式(24)來(lái)反映。

圖9 推進(jìn)阻力坡角變化曲線

Fig. 9 Curves of relationship between shield thrusting resistance and slope gradient

(24)

式中： ξ為偏差率； F0為水平掘進(jìn)時(shí)計(jì)算的推進(jìn)阻力； FEPB為盾構(gòu)以坡角α下坡掘進(jìn)時(shí)計(jì)算的推進(jìn)阻力。

通過(guò)MATLAB程序繪制了偏差率與坡角的關(guān)系曲線，如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)偏差率隨坡角增大而增大，偏差率小于10%時(shí)，坡角小于13°。

圖10 偏差率隨坡角的變化曲線

5 結(jié)論與討論

1)通過(guò)建立的盾構(gòu)上作用的水土壓力載荷與坡度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，推導(dǎo)出推進(jìn)阻力與坡度的數(shù)學(xué)公式。

2)盾構(gòu)以6°下坡掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)阻力相對(duì)于水平掘進(jìn)減少約8%。

3)隨著坡角的增大，總推進(jìn)阻力不斷減?。欢軞づc周?chē)貙拥哪Σ磷枇κ强偼七M(jìn)阻力的主要部分，且隨著坡角增大減小幅度越來(lái)越大。

4)理論上當(dāng)坡角達(dá)到50.4°時(shí)，此時(shí)下滑力剛好克服了其他與坡角有關(guān)的推進(jìn)阻力，盾構(gòu)處于有自動(dòng)向下滑移趨勢(shì)的臨界狀態(tài)；當(dāng)坡角超過(guò)50.4°后，下滑力所提供的推進(jìn)動(dòng)力可使刀盤(pán)壓緊開(kāi)挖面，但下滑力與推進(jìn)系統(tǒng)提供的可控推力有所不同，下滑力不能控制。若盾構(gòu)處于停機(jī)狀態(tài)，刀盤(pán)上刀具將自動(dòng)嵌入開(kāi)挖面，從而增大刀盤(pán)的啟動(dòng)扭矩，同時(shí)也使刀具更換變得更加困難。

5)當(dāng)坡角小于13°時(shí)，下坡掘進(jìn)的推進(jìn)阻力可通過(guò)水平掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)阻力減去重力在掘進(jìn)軸線上的分量來(lái)近似求得，且偏差率小于10%。

另外，受限于盾構(gòu)內(nèi)的帶式出渣機(jī)、螺旋輸送機(jī)、管片調(diào)運(yùn)設(shè)備等的工作角度，在實(shí)際施工中盾構(gòu)下坡掘進(jìn)一般很難達(dá)到很大坡度，本文的研究成果可為斜井盾構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工提供一定的理論參考。

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Research on Influence of Shield Boring Downhill on Thrusting Resistance

XIE Youhui, GUAN Huisheng*

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The model of mathematical relationship between water and soil pressure on shield and gradient of slope is established; the mathematical relationship between shield thrusting resistance and slope gradient is deduced; the shield thrusting resistance when boring horizontally and downhill by 6° are calculated; and the curves of relationship between shield thrusting resistance and slope gradient are described by software MATLAB, by taking shield-bored inclined shaft of Xinjie Mine in Inner Mongolia for example. The results show that: 1) Compared to boring horizontally, the total thrusting resistance of shield when boring downhill by 6° is 8% smaller. The total thrusting resistance of shield when boring downhill by 6° nearly equals to that subtracting component of gravity along axial line from total thrusting resistance of shield boring horizontally when the gradient is less than 13°. 2) The total shield thrusting resistance decreases with the gradient increase. 3) The shield will slide downhill when the gradient is larger than 50.4°； as a result, the cutters on cutterhead would be invaded into excavation face which would induce hard torque start and cutter replacement.

shield; boring downhill; gradient; thrusting resistance

2016-11-07；

2016-12-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAB10B00)

謝友慧(1991—)，男，江西贛州人，西南交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)槎軜?gòu)設(shè)計(jì)及理論。E-mail： 18280338613@163.com。*通訊作者： 管會(huì)生， E-mail： ghs822@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.012

U 45

A

1672-741X(2017)04-0462-07