唐天東

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037）

1 工程概況

臺州市域鐵路建設(shè)項目（城西站—萬昌路站），該項目的盾構(gòu)段路線為：起點(diǎn)為城西站，途徑西月河橋、北山河橋、豪城公寓，終點(diǎn)為萬昌路站。整個盾構(gòu)線路大部分位于中華北路下側(cè)，該施工段的設(shè)計范圍是城西站—萬昌路站，整個隧道區(qū)間長度為：左側(cè)2 139.633 m，右側(cè)2145.360 m。線路平面最小曲線半徑為700 m，最大縱坡21%。

2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的參數(shù)評價方法

為了確保此次研究的實(shí)用性以及評價活動的科學(xué)性，本文對比分析了不同刀盤形式的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能，選擇兩款國內(nèi)自主研發(fā)的盾構(gòu)機(jī)。一是鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵的土壓力平衡式鉸接盾構(gòu)機(jī)；二是鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。這兩臺盾構(gòu)機(jī)均用于臺州市域鐵路建設(shè)項目，為此次研究分析提供施工現(xiàn)場的實(shí)際數(shù)據(jù)。

2.1 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備性能參數(shù)

結(jié)合兩條不同類型的盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)使用的是面板式刀盤，小開口率刀盤的半徑分別為R0=417 mm、R1=1 627 mm、R2=542 mm，刀盤厚度B=1 000 mm，鋼土摩擦系數(shù)μ=0.2。刀盤上各個刀具的排布較雜亂。為了便于后續(xù)計算，將刀盤中任意一根刀具的排布情況作為計算依據(jù)，進(jìn)一步來看，7 個切刀距離刀盤的距離分別為0.75 m、1.25 m、1.67 m、2.17 m、2.46 m、2.75 m 和3.087 m，刀盤轉(zhuǎn)動過程中，42 把刀具同時發(fā)揮作用，刀盤中的中心刀主要發(fā)揮攪拌的作用。左、右線都要配置滾刀。

結(jié)合圖1，鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)刀盤表面的大開口數(shù)量、小開口數(shù)量均為8 個，與中心開口共同形成刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為便于后續(xù)計算，直接使用刀盤表面的摩擦扭矩減去開口表面的摩擦扭矩，二者之間的差值即面板摩擦扭矩T2。假設(shè)刀盤的大口徑長度L1=2 271 mm，開口的夾角ψ1=8.15°=0.142 rad，小口徑長度L2=774 mm，夾角ψ2=21.8°=0.38 rad，在這種情況下，大開口、小開口距中心刀的距離分別是L3=929 mm 和L4=2 426 mm，將中心開口部位理解為矩形，那么其中心口的外援部位與中心刀之間的距離是L5=1 161 mm，寬度L6=516 mm，刀盤面板的扭矩T2計算表達(dá)式如下：

圖1 刀盤開口尺寸示意圖

式中，μ為鋼土摩擦系數(shù)；R為刀盤半徑，m；x為徑向位置；γ為土體重度，kN/m3；H為埋深，m；k為側(cè)向土壓力系數(shù)；r為刀盤外徑，m。

對于盾構(gòu)機(jī)，安裝有刀具的部分相當(dāng)于盾構(gòu)機(jī)刀盤的攪拌扭矩是刀梁單側(cè)表面與土體之間產(chǎn)生的摩擦阻力的扭矩總和，結(jié)合力學(xué)原理來看，攪拌扭矩計算表達(dá)式如式（2）所示。總計存在4 個主刀梁、4 個副刀梁，刀梁厚度B=465 mm，鋼土摩擦系數(shù)μ=0.3，為保證后續(xù)計算便捷，將式（3）細(xì)化為式（4）：

式中，T3為扭矩總和；σ為土壓艙壓力，kPa。

結(jié)合以上分析，兩種不同類型的盾構(gòu)在相同地質(zhì)條件下進(jìn)行作業(yè)，鐵建重工集團(tuán)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩明顯大于鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)，主要是因為前者（右線）的面板摩擦扭矩、攪拌扭矩較大，這反映出面板式的刀盤結(jié)構(gòu)在掘進(jìn)過程中消耗的能量要明顯超出后者（左線）刀盤，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以保證刀盤在運(yùn)行過程中的安全性與穩(wěn)定性，但是對城市地鐵地下施工安全管理要求比較大，因此，可適當(dāng)增大能量消耗。在實(shí)際分析盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能時，并不能只關(guān)注能量消耗，也應(yīng)考慮到其他方面的影響因素。

2.2 掘進(jìn)速度計算實(shí)例

結(jié)合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度的計算函數(shù)來看，為了計算出盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行速度，應(yīng)先得出刀盤開口的參數(shù)，其主要涉及以下參數(shù)：直徑de、截面積A、濕周χ、渣土的平均流速vi、渣土的流量Qi、刀盤平均速度v0。鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)最大功率為840 kW，刀盤半徑R=4.4 m，刀盤面積2.17 m2，大口占表面積的2.71%，截面積A1=0.871 8 m2，濕周χ1=5.136 m，直徑del=0.339 5 m。小口表面積為0.64%，截面積A2=0.205 9 m2，濕周χ2=1.987 m，直徑de2=0.207 2 m。中心占刀盤表面積3.6%，截面積為A3=1.177 m2，濕周χ3=5.5 m，直徑de3=0.428 m。

鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)：中心刀間距為101.5 mm，正面刀間距為78 mm；最大功率743 kW，刀盤半徑R=4.4 m，刀盤表面積31.57 m2，大口占刀盤表面積6.91%，截面積A1=2.181 5 m2，濕周χ1=8.342 m，直徑de1=0.523 m。中心開口的表面積是2.3%，截面積A2=0.726 m2，濕周χ2=3.669 m，直徑de2=0.395 8 m。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)能計算出兩種不同類型盾構(gòu)機(jī)在相同地質(zhì)條件下的掘進(jìn)速度，具體來看，右線的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度比鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度慢。

3 掘進(jìn)性能評價分析

3.1 能耗性能預(yù)測及評價分析

經(jīng)過對比，鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的能耗超出鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)能耗將近一半，主要是因為前者的刀盤扭矩比較大，該設(shè)備掘進(jìn)過程中的最大運(yùn)行速度為0.001 7 m/s，此時刀盤的轉(zhuǎn)動速度為0.163 rad/s，設(shè)備推進(jìn)速度為80 mm/min，最大刀盤的扭矩為249 kN·m，通過計算可以得出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的能耗為65.45 kW，刀盤運(yùn)行過程中的能耗為839 kW，占總功率的93%。鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)的刀盤運(yùn)行能效12×250 kW，占總功率的95%，由此可以發(fā)現(xiàn)刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計會對盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能效造成顯著影響[1]。

3.2 效率性能預(yù)測及評價分析

圖2 中兩條曲線都出現(xiàn)了波動，其中，鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率曲線波動較小，其掘進(jìn)效率標(biāo)準(zhǔn)差是0.005 2，鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)差是0.019 7，遠(yuǎn)大于前者，這直接反映出在掘進(jìn)過程中，右線的盾構(gòu)機(jī)對于地質(zhì)環(huán)境具備良好的適應(yīng)性。

圖2 計算刀盤扭矩對比圖

3.3 穩(wěn)定性性能預(yù)測及評價分析

前面己經(jīng)指出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時由于刀盤尺寸較大，其不同部位所處埋深不同，使得刀盤表面的壓強(qiáng)在徑向上呈梯形分布，刀盤表面的壓強(qiáng)也會呈現(xiàn)出差異。為了獲取精準(zhǔn)的刀盤壓強(qiáng)分布狀況，在評價時應(yīng)根據(jù)部分開口率進(jìn)行計算，以便于計算出各個區(qū)域的刀盤壓強(qiáng)。圖3 中展示的內(nèi)容為刀盤表面與地層之間的關(guān)聯(lián)圖，將半徑范圍內(nèi)劃分為不同的份額，為多層區(qū)域地層計算時提供便捷。

圖3 刀盤扇形劃分與地層對應(yīng)示例圖

結(jié)合圖3 來看，刀盤表面的區(qū)域分化是根據(jù)平面坐標(biāo)進(jìn)行劃分的，徑向位置x、扇形劃分α分別代表坐標(biāo)的2 個參數(shù)量，圖中不同深度的區(qū)域代表不同地層下的刀盤區(qū)域，當(dāng)區(qū)域劃分越精準(zhǔn)時，最終的計算結(jié)果精準(zhǔn)度就越高。

進(jìn)一步來看，在相同的地質(zhì)條件下，兩種盾構(gòu)機(jī)的刀盤表面的推力波動差異性并不是很顯著，這與地質(zhì)參數(shù)存在緊密關(guān)聯(lián)。兩種不同類型的盾構(gòu)機(jī)在帶盤表面壓強(qiáng)分布反面存在顯著差異，鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤底部壓強(qiáng)峰值為180 kPa，鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)刀盤的極值為210 kPa，可以發(fā)現(xiàn)前者在壓強(qiáng)分布方面優(yōu)勢更顯著。

3.4 特殊地段掘進(jìn)措施

在地質(zhì)條件復(fù)雜、地層變化起伏大、含水量高的地段及硬巖地段及花崗巖含量較高地段掘進(jìn)時，應(yīng)盡可能通過鉆探勘察的方式查明地質(zhì)條件，準(zhǔn)確判斷當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)開挖系統(tǒng)工作性能與掌子面地層特性的匹配情況，采取合理的掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，硬巖段盾構(gòu)采用小推力、大扭矩、大轉(zhuǎn)速模式，采用1 500～1 800 t 推力，5 800～6 200 kN·m扭矩等參數(shù)，并加強(qiáng)土壓平衡控制，可確保掘進(jìn)過程中不產(chǎn)生地面塌陷，安全通過硬巖段。

3.5 掘進(jìn)性能評價結(jié)論

整體而言，鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在能量消耗、掘進(jìn)效率方面不具優(yōu)勢，但是其在穩(wěn)定性方面明顯領(lǐng)先鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)。城市地鐵施工過程中，均以保證施工人員的安全為第一原則，選擇盾構(gòu)機(jī)時應(yīng)將盾構(gòu)機(jī)施工過程中的穩(wěn)定性作為首要考慮因素。由此來看，在當(dāng)前倡導(dǎo)環(huán)保節(jié)能的背景下，應(yīng)在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，選擇使用右線大推力，刀盤適中開口率，多布置滾刀，渣土有效改良的螺旋機(jī)筒體加強(qiáng)的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工比較合適。

4 結(jié)語

此次研究主要對盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能進(jìn)行評價，首先簡單介紹兩種不同類型的盾構(gòu)機(jī)的基本情況；然后確定出在相同地質(zhì)條件下兩種盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)，最后對盾構(gòu)機(jī)的能量消耗、掘進(jìn)效率、穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析，并總結(jié)出最終的評價結(jié)論。