硬岩地层盾构掘进参数拓展分析及应用

李双飞，谢鸿辉

（1.广州交通工程技术有限公司，广东 广州 410011；2.中广核工程有限公司，广东 深圳 518000）

盾构掘进参数控制是盾构掘进施工的重要环节，对于软弱地层，需要选取合理的土仓压力、掘进速度及出渣参数以维持开挖面稳定，控制地层变形；对于硬岩段，应选用合理的推力、贯入度、刀盘转速及扭矩，以实现刀具保护与掘进施工效率的有效匹配。目前国内盾构施工技术研究主要针对软土地层地层稳定性控制方面，硬岩段由于洞室稳定，对掘进参数的管理没有并没有给予足够的重视，其实硬岩洞段的掘进参数控制对刀具的损耗有直接影响，需要给予足够的重视。本文结合掘进参数的统计与滚刀受力数理定量分析，在掘进参数与地层状态之间建立对应关系，为硬岩段盾构掘进施工参数拟定提供依据。

1 盾构与受力有关的掘进参数

1）推力 盾构往前推进的主动力。推力扣除盾构阻力及前仓板泥浆压力后，剩余力值即为围岩与刀具之间沿前进方向的作用力。

2）贯入度 刀盘每转动一圈，设备前进的距离，除周边保径刀外，每个轨迹只布置一把滚刀，所以可以视为滚刀刀刃的切岩深度。

3）刀盘扭矩 刀盘扭矩是刀盘在转动过程中刀具在转动方向上与围岩之间作用力的表现。

2 掘进参数拓展及物理意义

盾构掘进时，推力、贯入度及刀盘扭矩的变化受掌子面围岩条件变化的影响，但局限于单个参数的片面性，参数的变化与地层变化没有绝对的关联关系，例如刀盘扭矩增大有可能是地层变硬，也可能是贯入度增加。所以根据掘进参数所代表的物理意义，拓展出另外3 个掘进参数及参数比：推贯比、扭贯比及扭推比。推贯比：推力与贯入度的比值，单位kN/mm，为便于对比，取千分比。扭贯比：扭矩与贯入度的比值，单位kNm/mm，为便于对比，取百分比。推扭比：刀具受到掘进方向与刀盘转动方向受力的比值，无量纲值。在进行参数拓展中用到的推力、扭矩均为直接作用在刀盘上的力。

有效推力Fe=Fh-fs-Fp

式中Fe——有效推力；

Fh——铰接推力；

fs——前盾摩阻力；

Fp——泥水仓压反作用力。

有效扭矩Te=T-Ti

式中Te——有效扭矩；

T——掘进扭矩；

Ti——空转扭矩。

3 扭推比数值验证

在贯入度一定的情况下，刀具的扭推比接近定值。根据这一特性，分别进行对滚刀受力理论分析以及掘进参数进行统计计算，得到理论扭推比及统计扭推比。

盾构在硬岩地层掘进时，假设掌子面围岩均质，各向同性，滚刀与围岩之间的作用力Q 可以分解为平行于盾构掘进方向及垂直于盾构掘进方向，如图1 所示。

图1 硬岩地层滚刀受力图

由图1 可知

滚刀受到的正向力（平行于盾构掘进方向）

滚刀受到的切向力（垂直于盾构掘进方向）

其中，α为滚刀贯入度δp与贯入宽b的反正切角，由于盘式滚刀为圈形外圈，所以 值与贯入度值为非线性函数关系，如图2 所示，可知

硬岩段掘进有效推力Fd=KΣFn，有效扭矩

理论扭推比

图2 α与δp关系

以某工程项目所使用盾构为例，盾构刀盘共安装滚刀46 把，其中4 把中心双刃滚刀，2 把同轨迹周边保径单刃滚刀，刀盘直径7.76m，中位刀（第23#刀）轨迹半径2.14m，假设有效推力与有效扭矩均分至每把刀具，另外根据记录的掘进参数，可以对刀具实际受力的推扭比进行计算。

实际推扭比

（式中n=46，L=2.14m）。

该项目使用19 寸滚刀，选取了第400～500环的掘进参数进行分析，对比不同贯入度值时刀具受力的理论扭推比与实际掘进参数的统计扭推比，如图3 所示。

图3 扭推比分析图表

从图表中可以看出，在贯入度小于1～7mm区间（微风化花岗岩硬岩地层实际贯入度均小于5mm），理论计算扭推比与实际参数分析的扭推比变化趋势一致，数值存在的偏差分析是实际推进力计算不完全准确所致，综上可知在硬岩地层使用理论扭推比逆向分析刀具受力是可行的。

4 拓展参数的应用

4.1 分析地层变化情况

拓展参数有效避免了贯入度值对参数变化的影响，可以直接从参数变化情况下分析围岩的变化情况。

如图4 所示，选取该工程SSK1+060.5-SSK1+108.5 段（734～773 环）掘进参数图表与勘探地质图进行对比，可以发现从图表中参数与钻孔处地层互为印证，推贯入比与扭贯比参数图表能够更连续地反映实际地层情况。

4.2 盾构掘进参数的控制

从前文中可以得出，在贯入度小于7mm 的情况下，扭推比值准确度较高，且在硬岩段掘进时，刀具受力主要反映为推力大小，在滚刀额定承载值一定的情况下，需要控制有效推力的大小以保护刀具。

图4 拓展参数在地质分析中的应用

式中K——滚刀受力不均匀系数，建议取值0.7～0.8。

——滚刀额定承载力，17 寸刀一般取25t，19 寸滚刀一般取35t。

根据前文中理论扭推比值，根据贯入度值及扭推比的关系，在刀盘扭矩值的基础上对刀具受到的轴向推力进行计算，盾构允许有效扭矩的控制值≤FeRn。

5 结语

基于某工程硬岩段盾构掘进参数的分析，从刀具受力角度，提出了有效推力、有效扭矩两个掘进参数，并在此基础上进一步拓展了推贯比、扭贯比及扭推比3 个参数比。在盾构掘进过程中，可以通过分析参数的变化来监视围岩变化，同时可以定量地控制掘进参数以保护刀具，建议可以刀盘与主轴承连接法兰面设置应力计以实现有效推力的准确采值。

以上拓展参数在该项目的实际应用中得到了验证，可以用于来指导硬岩地层盾构（TBM）掘进施工，不过其在不同岩层地质条件下的通用性还有待进一步验证，拓展参数的进一步应用及推广也有待深入挖掘。