浅析超大直径泥水盾构刀盘扭矩的组成及影响因素

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泥水平衡盾构法隧道以其施工安全、掘进能力强、有效维护切削面稳定等优势已成为城市地下工程跨越大江、大河的首选工法。在盾构法隧道施工中，复杂地质条件，盾构机掘进速度，刀具贯入度，进出泥浆比重、密度 、流量，刀盘设计参数，同步注浆速率、注浆量等都在不同程度上影响着掘进质量和速度，而刀盘扭矩是以上因素的综合体现，故研收稿日期：2013-04-22l16究刀盘扭矩对于设定掘进参数与机械配置从而满足掘进需要是相当关键的。下面从研究刀盘扭矩的组成及计算模型人手，分别从掘进参数、地质条件、隧道线形方面分析了影响刀盘扭矩的诸多因素。

2 超大直径泥水平衡盾构机刀盘扭矩的组成2.1 泥水平衡式盾构机刀盘扭矩的常用计算方法文献[1]提出了闭胸式盾构机刀盘扭矩的估算方法，认为驱动刀盘扭矩的总扭矩应由以下分量组成，包括切削阻力矩 ，刀盘前面的摩擦阻力矩 ，刀盘外周的摩擦阻力矩 ，刀盘背面的剪切阻力矩铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2013 f7J· 其 他 ·，土的搅拌力矩 ，机械损失力矩 ，刀盘总扭矩为：TTl (1)通成用下式表示：OL x D (2)式中， 为刀盘装备扭矩；D为盾构直径；OL为扭矩系数。

l × 2 × O式中，OL 为支承系数，由刀盘支承方式决定。

就中心支承式刀盘而言，OL 0.8～1；对中间支承方式而言， 0.9～1.2；对周边支承式而言， 1.1～ 1.4。

：为土质系数。对密实砂砾 、泥岩而言，OL 0.8～1；对固结粉砂、黏土而言，OL 0.8～0.9；对松散砂而言，OL 0.7-0.8；对软粉砂土而言， 0.6～0.7。

根据实际工程现场数据和模拟试验数据，式(2)有不足之处，当盾构掘进机外径较小时，计算得到的装备扭矩偏小，造成盾构掘进机的切削能力不足；当盾构掘进机外径较大时，计算得到的装备扭矩偏大，造成盾构掘进机的切削能力不能得到充分发挥。

2.2 南京长江隧道工程的刀盘扭矩计算根据南京过江隧道特有的地质条件 ，通过分析刀盘扭矩计算模型，结合南京过江隧道泥水平衡盾构机的结构特点，计算了盾构刀盘扭矩。

(1)刀盘总体设计参数(见表 1)表 1 刀盘总体设计参数盾体直径 D/m 14.93刀盘半径 R/m 7.47刀具数量 n/psc(按旋转方向) 140轴支撑力 /(kN·m。) 70o摩擦系数厂 0.02黏性土附着刀盘力 a/kPa 1.5刀盘开口率A 3O%刀盘厚度 B/m 0.65(2)线路途经地质条件该工程范围内将遇到的地质包括粉质黏土、粉砂和砾石。隧道线路主要在地层 8的粉质细砂中。

表 2 隧道途经各地层主要地质参数土壤比重 内摩擦角 黏性土附着刀盘力 地层 名称(kN·m ) /(。) 。/(kN·m- )4 粉质细黏土 17.9 4.4 156 粉质细黏土 17.9 5.4 187- 粉质细砂 9.7 30，8 O72 粉土 19.1 25 138 粉质细砂 19.8 31 98-1 细黏土 18.7 7.9 249 粉质细砂 19.2 29.8 810 砾砂 20.7 32.7 12在计算相关的刀盘扭矩时，我们考虑的地层为第8层。

(3)刀盘扭矩计算扭矩的计算考虑了如下的力 J：开挖刀具的阻力，刀盘前、后壁的摩擦力，刀盘轮缘的摩擦力，主驱动单元(齿轮、轴承)摩擦力。

①开挖刀具的受力计算根据 ROWE/BARNES l3 提及的公式，刀具的阻力通过二维切削力模型计算得到，计算结果如表3所示。

表3 按照 ROWE/BARNES计算模型计算出来的切削刀具所受的力统计土壤比重 /(kN·m。) l9.8刀具宽度b/m O.22刀具长度 lo/m： O.23贯入度 t/m 0.2切削角 /(。) 60倾斜滑动面∥(。) 29.5粘附力a/(kN·mI2) 0.9下内聚力 cu/(kN·m ) 9土壤内摩擦角 (。) 3l刀具表面摩擦 △/(。) 2O.67周界速率 IJ/(m·s ) 0.694FT/kN 1.O3Fa/kN O.05Fe kN O.80Fg/kN 0.04F№ /kN 2.46FX/kN 2.62F ，kN O.39②刀盘前、后壁的摩擦力计算开挖仓中的泥浆对刀盘扭矩的影响依赖于支撑压力和泥浆与刀盘之间的摩擦系数。

混合式盾构机的刀盘在充满悬浮液的开挖仓中旋转，开挖仓通过空气调节仓的压力控制而保持平衡。

盾体分为2个仓：开挖仓和调压仓；开挖仓包含刀盘于铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2013(7) 117· 其 他 ·其中并充满悬浮液，这些悬浮液提供对开挖面及调压仓的土压平衡力”；气垫压力作用在开挖仓中的悬浮液上，气泡调节仓施加的压力对该悬浮液进行调节。

泥浆和刀盘钢表面之间的抗剪强度计算如下：l · 0 700 kN/m ·0.02 0.9 kN/m 14.9 kN/m式中， 为抗剪强度； 为支撑压力； 为泥浆与刀盘钢表面的摩擦系数.厂；o为粘附力。

前壁扭矩 M ：RMz(1-Ao)l21Tr 71dr9 192 kN·in后壁扭矩 M3：M3(1-Ao)I27rr 1dr9 192 kN·m③刀盘壳体的摩擦力通过垂直及水平土压计算的所用于刀盘壳体的摩擦力如下：壳体表面积：A heI 2wRB 2丌 ×7.47 m x 0.65 In 30.57 m壳体的抗剪强度为：下2 · 0 700 kN/m ×0.02 0.9 kN/m 14.9 kN/m扭矩 M4：M4 r2· h l·R 14.9 kN/m X 30.57 m X 7.47 m 3 409 kN .m④刀盘主驱动(轴 齿轮)的摩擦力扭矩 估算为：M5 3 000 kN ·in根据该工程的几何及岩土力学参数得到的刀盘总扭矩 ：M M1 3 Ms 25.413 MNm3 泥水平衡式盾构机刀盘扭矩的影响因素大直径平衡盾构掘进时影响刀盘扭矩的因素主要包括：盾构隧道线型和施工地质条件的影响；盾构机掘进施工过程中的掘进参数控制的影响。

3.1 隧道线型和施工地质条件的影响(1)隧道埋深及土质条件对刀盘扭矩的影响泥水平衡盾构掘进机在施工过程中会遇到黏土、砂性土、砂砾土等不同地层。由于不同地层具有不同的工程特性，因此泥水平衡盾构机在掘进程中刀盘与地层之问的相互作用关系也不尽相同，甚至相差较大。根据此前应用的刀盘扭矩计算模型以及南京过江隧道盾构掘进参数，通过改变土层参数和盾构埋深，可以得到扭矩变化影响曲线，如图1所示。

委 噩 - 人 ～ ， 芦. - ， -，- - 砾 沙层- 黏 土层图1 隧道埋深及地质条件对刀盘扭矩的影响通过图1中的对比，可见对于黏性土，刀盘驱动扭矩随着埋深的增加逐渐增大，近似成线形变化。

在砂性土和砂砾土中掘进，盾构机刀盘驱动扭矩较之在黏土中有较大增加的同时，扭矩的变化趋势也随之变得相对复杂。

(2)土体参数对刀盘扭矩的影响土体参数如土的黏聚力、内摩擦角、土与钢的摩擦系数等都影响刀盘扭矩的大校同样根据模型中的公式，通过黏土层(土体内摩擦角 28。)与砾砂层(土体内摩擦角 33。)的内摩擦角的比较，可以得到土的内摩擦角必对刀盘扭矩的影响，如图2所示。

图2 土体参数对刀盘扭矩的影响在泥水平衡盾构掘进机施工过程中，为提高土体的塑流性，保证出土顺畅，会采用提高泥浆指标的方法，如提高泥浆的黏性与比重指标等。除提高土体的塑流性以外，膨润土还起到润滑的作用，可使刀盘扭矩减校因此，泥浆里面膨润土含量的提高对刀盘扭矩的降低有-定的效果。

(3)隧道线型的影响南京过江隧道在江 中段，施工坡度小(大约1%)；在尾段，施工坡度较大，达到了4.5%的坡度，随着坡度的增加，在掘进施工中的盾构机俯仰角也随着相应的增加，施加在掌子面的主动土压力也要随着俯仰角的增加而增加，在刀盘贯人度及其他参数保持118 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2013 f7J· 其 他 ·恒定的前提下，刀盘扭矩会随着主动土压力的增大而相应的增大。在排除了江中与尾端由于覆土层与水位的不同对刀盘扭矩所造成影响后，比较了这两段由于施工线型的不同对刀盘扭矩的影响，如图3所示。

- - 。 i ---Y - - I--◆-. L- -.-.- - ..-. - 坡度4.5% 坡度 1%图 3 隧道线型对刀盘扭矩的影响从图3中的2组数据的显示可以看出，在施工坡度为 1%时，刀盘扭矩在 8～10 MNm范围内变化；在施工坡度为4.5%时，刀盘扭矩在 14～16 MNm范围内变化。在假定隧道埋深相同的情况下，4.5%坡度时的刀盘扭矩 比 1%坡度的刀盘扭矩提高了大约30% ～40%，提高幅度还是比较明显的。这说明在隧道施工中如果存在坡度比较大时，必须在施工中予以充分的重视，降低刀盘扭矩，维护好刀盘整体性与施工的连续性。同理，在施工过程中存在平曲线时，它的存在对于超大直径的盾构机的施工影响尤其重大，当存在较须径的平曲线时，盾构机在转弯过程中将要受到很大的侧向土体压力，势必会增加盾构机的刀盘扭矩，增加盾构机的负荷，需要在施工中引起高度的重视。

3.2 盾构机掘进施工过程中的掘进参数控制的影响盾构机掘进系统主要包括两大组成部分，盾构机姿态定位系统与掘进操作系统。这里所讲的掘进参数指的只存在于掘进操作系统。其主要包括：刀盘转速、贯入度、注浆量、千斤顶的压力、掘进速度、推力、刀盘扭矩、注浆压力。值得注意的是，所提及的参数中，只有贯人度、转速、注浆量为可以主动设定的参数，其余为被动显示参数，这里主要讨论总结刀盘转速、贯入度、掘进速度设定参数对刀盘扭矩的影响。

掘进速度是单位时间内掘进的长度，刀盘转速反映了单位时间内刀盘转动的圈数，贯人度描述的是刀具插入前方土体的深度。三者的计算式关系如下：掘进速度 ：贯人度 x刀盘转速。

贯入度与掘进速度变化趋势-致。欲减小贯入度则必须通过降低掘进速度人手。从上述的计铁道建笳技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY算式和图形可以看出，掘进速度是被动显示参数，关键是要设定贯人度和刀盘转速从而就能得到相应的掘进速度，设定贯入度与转速的目的是为了有效的控制刀盘施工过程中扭矩在额定扭矩的30%～ 40%。在 实 际 的工 作 中-般 的刀 盘转 速在l r/min，有效的减少了刀盘扭矩，很好的控制了施工过程中的扭矩在额定刀盘扭矩的30% ～40%之间，在实际操作过程中，我们也是按照这样的匹配模式进行转速和贯人度的设定的。

4 结论(1)根据南京过江隧道特有的地质条件，通过分析各种刀盘扭矩计算模型，结合南京过江隧道泥水平衡盾构机的结构特点，给出了在刀具、刀盘前后板、刀盘壳体、刀盘主驱动四大因素共同作用下的刀盘扭矩的计算模型，指出刀盘扭矩的计算应根据工程实际工况决定，不应-味的采用固定的计算公式，否则会造成额定刀盘扭矩计算过大，引起盾构机自身载荷增加，造成施工成本增加；反之，额定刀盘扭矩计算过小，引起盾构机在地层中脱困能力降低，影响工程顺利进行。

(2)简要的总结了影响刀盘扭矩的2个主要方面：-是盾构隧道线型和施工地质条件方面的影响；二是盾构机掘进施工过程中的掘进参数控制方面的影响。并以南京长江隧道为工程背景，通过实际施工数据的比较，给出了各种因素影响下的刀盘扭矩的表现形式。指出了在隧道坡度达到或者超过4.5%时，贯入度超过刀具固定长度时，刀盘扭矩会出现大幅度的提升，对于刀盘的完好性及施工的安全性都会产生不利的影响，在施工过程中必须引起足够的重视。对于掘进参数对刀盘扭矩的影响，通过给出实际的两种参数匹配的模型，依据过江隧道的实际工程需要，比选出了最合理的-种参数模型，为以后的大型隧道盾构施工的操作参数的选定给出了参考。