复合盾构刀盘扭矩的地质适应性研究

时间：2024-07-29

陈云节，赵雷刚，刘发展，杨阳

(武汉船用机械有限责任公司技术中心，湖北武汉430084)

随着城市地铁的大量修建，盾构施工技术已越来越广泛地应用于城市地铁隧道施工中。对于一般的、均一的地层，像北京、上海等城市，根据开挖面自立性能、土质条件、地下水位，便可决定盾构、刀盘刀具类型及盾构刀盘所需扭矩。但盾构在地下挖掘过程中将可能遇到复合地质条件，如同一标段中可能存在淤泥、黏土、砂层、砾石、软岩及硬岩等地层，此类地质条件被称为复合地层。复合地层的地质条件是非常复杂多样的，但总的来说可分为3 大类:①在掘进断面上不同地层的组合;②在掘进轴线方向上地层的不同组合;③上述两者兼而有之。在复合地层中掘进，若盾构刀盘驱动扭矩选择不合适，掘进方法不正确，将严重影响盾构机的掘进效率，增加施工成本。

1 复合盾构对刀盘扭矩的要求

针对复合地层，盾构掘进时应采用复合盾构技术，即根据不同的破岩原理，盾构刀盘采用混合式设计，即在同一个刀盘上同时布置两种或两种以上类型的刀具，如图1 所示为某一公司的复合盾构刀盘［1］。

图1 某一复合盾构刀盘

复合盾构能够适应软土及硬岩等地质条件。盾构在软土地层中掘进，刀盘扭矩在砂土中比在黏土中有较大增加，穿越加固区时盾构刀盘扭矩也会有较大的增大。由于盾构隧道上方载荷的变化，穿越地层纵向不均匀，有软有硬，并且变化频次多，盾构隧道穿越地层同一断面软硬不均现象突出等原因，会引起盾构刀盘扭矩出现较大范围的随机变化。因此，在盾构机掘进过程中，应采取合适的掘进方法，使盾构机的装配扭矩对地质条件能有较大的适应性［2－3］。

2 复合盾构刀盘扭矩的计算方法

2.1 刀盘扭矩的构成

目前，盾构机扭矩计算一般参考日本盾构扭矩经验公式T =αD3(T 为盾构机刀盘扭矩，D 为盾构机外径，α 为扭矩系数)来估算［4］。该经验公式对刀盘扭矩的核算有一定的参考价值，但没有考虑盾构机的埋深、盾构机施工地层的地质特性、盾构机与地层之间的相互关系、刀盘开口率、盾构机的推进速度，以及刀盘转速等因素的影响。

土压平衡式盾构的工作原理为:刀盘旋转切削挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，在仓内刀盘支撑梁的作用下搅拌成塑性流动状态，再通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的渣土车上［5］。因此，刀盘扭矩的主要构成包括刀盘刀具切削土阻力扭矩、与土摩擦的摩擦阻力扭矩、土的搅拌阻力扭矩、轴承阻力扭矩、轴封摩擦阻力扭矩、减速装置的机械损失扭矩等，具体如下［6－8］:

式中:T1为刀盘刀具切削土阻力扭矩;T2为与土摩擦的摩擦阻力扭矩;T3为土的搅拌阻力扭矩;T4为轴承阻力扭矩;T5为轴封摩擦阻力扭矩;T6为减速装置的机械损失扭矩。

2.2 刀盘刀具切削土阻力扭矩

盾构推进过程中，因刀具切削土体所产生的阻力扭矩T1为:

式中:Dc为刀盘直径;qu为地层的单轴抗压强度;tc为刀具的切入深度(tc=v/n，v 为推进速度，n为刀盘转速)。切削阻力矩计算原理如图2 所示。

图2 切削阻力矩计算原理图

2.3 与土摩擦的摩擦阻力扭矩

T2主要由刀圈粘附阻力扭矩和刀盘正面粘附阻力扭矩组成，即T2=T2a+T2b。其中，T2a为刀圈粘附阻力扭矩，T2b为刀盘正面粘附阻力扭矩。

2.3.1 刀圈粘附阻力扭矩

刀圈粘附阻力扭矩是由土体对刀圈产生的摩擦阻力矩，如图3 所示，T2a为:

式中:Co为土体的粘聚力;Lc为刀盘架宽。

2.3.2 刀盘正面粘附阻力扭矩

刀盘正面粘附阻力扭矩是由土体作用于盾构机正面的阻力引起的，如图4 所示，T2b为:

图3 刀圈粘附阻力扭矩计算原理图

图4 刀盘正面粘附阻力扭矩计算原理图

式中:λ 为刀盘开口率。

2.4 土的搅拌阻力扭矩

盾构向前掘进时，刀盘切削下来的渣土通过刀盘开口进入土仓内，再通过刀盘支撑梁搅拌，成为均匀的流塑性土体，所产生的搅拌阻力扭矩为:

式中:Nc为刀盘辐条根数;Rk为搅拌翼通过半径;Lk为搅拌翼长度;Bk为搅拌翼宽度;Nk为搅拌翼根数。

土的搅拌阻力扭矩计算原理如图5 所示。

图5 土的搅拌阻力扭矩计算原理图

2.5 轴承阻力扭矩

轴承阻力矩由刀盘自重的轴承阻力扭矩T4a和刀盘轴向负责的轴承阻力扭矩T4b组成，即:

式中:μ1为滚动摩擦系数;Wc为刀盘自重;Rr为径向滚子设置半径;Phm为水平载荷平均值;Rt为推力滚子设置半径。

2.6 轴封摩擦阻力扭矩

主轴承密封装置摩擦阻力矩为:

式中:μ2为密封于接触滑动面的摩擦系数;Ta为密封压紧阻力;Ns1、Ns2分别为1 号密封组数和2 号密封组数;Rs1、Rs2分别为1 号密封半径和2号密封半径。

2.7 减速装置的机械损失扭矩

减速装置的机械损失扭矩为:

式中:η 为机械驱动损失效率;T 为装配扭矩。

3 复合盾构扭矩地层适应性措施

通过对盾构机刀盘扭矩计算公式的分析可以得出，在隧道埋深H 一定的前提下，土压平衡式盾构机的刀盘扭矩除了与刀盘直径、刀盘开口率，以及刀盘宽度等刀盘的结构形式参数相关以外，还与开挖土体的容重、地层的单轴抗压强度、开挖土体与刀盘面板的摩擦系数，以及压力舱内渣土与搅拌翼的摩擦系数等土体性质参数密切相关。

在具体的盾构隧道工程中，由于盾构机的机械参数及开挖地层的土层条件是一定的，因此，在盾构机掘进过程中应通过有效的土体改良技术降低渣土的摩擦系数来降低盾构机刀盘扭矩。

常用的土体改良技术主要有在土仓及刀盘前面土体注入矿物质和泡沫。注入矿物质的土体改良的适用土层范围较宽，但该方法需要制泥装置和贮泥槽等大规模的设备，因此现在很多盾构都采用泡沫改良法，泡沫添加剂可以直接在盾构台车上生成。不同的地层与泡沫改良法关系如表1所示［9］。

表1 地层与泡沫改良法关系

4 实例验证

根据上述复合盾构刀盘扭矩的计算方法，以某城市地铁3 号线I 标段盾构机为例进行扭矩计算，该标段经过的主要地层为粘土层，经过少量泥质粗砂岩层、粉质粘土夹碎石层，其参数选取及计算结果如表2 和表3 所示。

表2 参数选取

表3 计算结果

从表3 可以看出与土摩擦的摩擦阻力扭矩所占比例较大，说明刀盘与土体的摩擦是影响刀盘扭矩的主要原因;轴承阻力扭矩所占比例较小，在计算过程中几乎可以不计。刀盘扭矩的计算值为3 923.76 kN·m，盾构机刀盘的装配扭矩为5 295 kN·m，掘进中刀盘扭矩占刀盘装配扭矩的74.1%，因此为了防止在掘进过程中经过粘性较大地层时扭矩过大，应采用土体改良，增加土体的流塑性，如图6 为土体改良后螺旋输送机的出土状态，达到了流塑状态，实现了复合盾构扭矩的地质适应性。

图6 施工过程中土体改良后出土状态