软土地层盾构机掘进参数计算研究

2020-06-30肖志平

设备管理与维修 2020年12期

肖志平

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100）

0 引言

软土地层某区间隧道采用盾构工法开挖，盾构外部直径6.2 m，内部直径5.5 m，盾构隧道的最小平面曲线半径460 m，盾构隧道最大坡度13.2‰，盾构管片采用C50 高强防水混凝土，每环混凝土管片宽度为1.2 m，混凝土管片之间采用M30弧形钢螺栓连接。盾构区间隧道的防水形式以管片自防水为主，利用管片之间的相交密封垫实现盾构管片之间的防水。该依托工程盾构隧道主要穿越淤泥质软土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土等地层，为浅埋及中埋隧道，隧道掘进施工难度大，有可能因软弱层排土过多引起地层下沉并造成盾构的偏离，因此有必要开展盾构机掘进参数的计算研究，获得盾构机掘进所需要的推力及扭矩等参数。

1 工程地质概述

软土地层某工程区间隧道地层主要为第四系全新统人工填土层（Qml）、新近沉积层（Q43Nal）、第Ⅰ陆相层（Q43 al）、第Ⅰ海相层（Q42 m）、第Ⅱ陆相层（Q41 al）及上更新统第Ⅲ陆相层（Q3e al）、第Ⅱ海相层（Q3d mc）、第Ⅳ陆相层（Q3cal）、第Ⅲ海相层（Q3b m）、第Ⅴ陆相层（Q3aal）。隧道主要处于粉质黏土层和砂层的交接处。盾构区间穿越地层主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土及少量粉砂，淤泥质粉质黏土天然含水量31%～40%，呈软塑～流塑状，粉质黏土天然含水量18.3%～35.4%，呈流塑～硬塑状，上述土层经搅拌后具有一定的软黏性、流动性和抗渗透性。

依托工程地下水主要有浅部黏性土层中的潜水。浅部土层中的潜水位埋深一般离地表面0.4～2.1 m，年平均地下水位离地表面1.6～1.8 m，地下水位随季节变化较大，夏季水位相比冬季水位高1～2 m。

2 盾构机的选型

针对淤泥质软土、淤泥质粉质黏土、粉土这种特殊地层，采用盾构工法进行隧道掘进，通过盾构掘进保证开挖面稳定安全，并有效控制地层变形，降低振动、噪声等影响城市生活的因素。盾构选型中必须保证具有很强的纠偏抗扭与弯道施工的能力，必须确保各项作业的安全性和可靠性。

根据盾构隧道区域的地质条件与水文条件，通过地层以淤泥质软土、粉土、粉质黏土等软弱地层为主；地层中富含地下水，此类地层虽然具有一定的稳定性，但开挖后在水压力的作用下，开挖面的稳定性难以保证。目前在含水地层中使用最多的盾构主要有泥水加压式盾构、加泥式土压平衡式盾构和土压平衡盾构。泥水加压式盾构需要的泥水分离设备场地大、占地多，不适合市内狭小的空间施工。土压平衡式盾构占地少，适用于本区间隧道的粉质黏土、黏土、粉土和部分砂层，因此从技术角度考虑，本区间隧道盾构建议大部分采用土压平衡式盾构。土压平衡盾构在软土地层中具有非常好的适用性，可通过调节掘进速度、螺旋输料机转速、刀盘仓门大小等参数来控制出土速度，进而调整切削腔室的土压稳定，达到开挖工作面内压力的平衡、土层的稳定并控制地面沉降变形的目的。

3 盾构机掘进参数计算

盾构机掘进参数的计算主要是根据水文地质条件、隧道埋深、隧道尺寸、相关盾构机的结构和性能参数进行。盾构掘进机的主要参数为土压平衡工况下盾构机推力和扭矩。

3.1 盾构机推力计算

（1）盾构机掘进区域地质参数选取。岩土体的破坏模型采用摩尔库伦准则，岩土体的容重取γ=1.9 t/m3；岩土体的内摩擦角取φ=27°；土的粘接力取c=30 kPa；最大覆盖层厚度取Hmax=17.7 m；最小覆盖层厚度取Hmin=12.6 m；地面上置荷载取P0=2 t/m2；在计算区域内的水平侧压力系数取λ=0.61；盾构机相应的机械设备参数如下：设备外径D=6.4 m；机械设备总长度L=7.7 m；设备总重量W=250 t；单环管片的重量Wg=19.29 t；计算区域内水平垂直土压比K0=1。

依托工程盾构隧道沿线的埋深范围为12.6～17.7 m，分别计算17.7 m 埋深处的松动土压力与两倍盾构机设备外径（12.8 m）的土柱压力，对比两者的大小，取较大值作为计算土压力。

（2）松动土高度计算。盾构机受力示意见图1。根据高度h0=7.03 m 与几何参数B1=6.06 m 计算松动土压力PS=14.1 t/m2。根据盾构机设备外径计算土压力Pq=γh0，进而得到Pq=25.6 t/m2。对比PS与Pq后取较大值作为计算土压力，因此取Pq=25.6 t/m2进行后续计算。计算压力P0与P01，可得到P0=Pq+2=27.6 t/m2；P01=P0+W/（D·L）=32.7 t/m2。计算侧压力P1与P2，分别得到侧压力P1为20.2 t/m2；侧压力P2为25 t/m2。

（3）盾构机设备所需要的推力。由摩擦阻力、水平推力、刀盘推力及盾尾与管片之间的摩擦力四部分组成，分别用F1、F2、F3、F4表示。盾构机设备的摩擦阻力采用公式F1=1/4×（P0+P01+P1+P2）πDLu 计算，进而得到盾构机设备的摩擦阻力F1=1219 t。

图1 盾构机受力示意

盾构机设备的水平压力引起的推力F2采用公式F2=π/4×（D2·Pd）计算，进而得到盾构机设备水平压力引起的推力F2=383 t。

由土内聚力引起的刀盘推力F3采用公式F3=π/4×（D2·C）计算，进而得到盾构机由土内聚力引起的设备水平推力F3=96.2 t。

盾构机盾尾与管片之间的摩擦阻力F4采用公式F4=Wcμc计算，进而得到盾构机盾尾与管片之间的摩擦阻力F4=115.7 t。

综合F1、F2、F3、F4的计算结果可得到盾构机推力总和F=F1+F2+F3+F4，最终得到盾构机推进所需总推力F=1813.9 t。

以上计算过程综合考虑了摩擦阻力、水平推力、刀盘推力及盾尾与管片之间的摩擦力对盾构机总推力的影响，通过上述计算可基本准确得到盾构机设备所需要的总推力。

3.2 盾构机推进扭矩计算

盾构机设备在推进过程中所需要克服的扭矩包含多部分，切削岩土体所需要克服的旋转扭矩、盾构机设备刀盘自重产生的旋转反力矩、盾构刀盘结构自身旋转所需要克服的机械阻力矩、盾构机刀盘引推力荷载产生的反力矩、盾构机设备装置密封部件所产生的摩擦力矩、盾构机刀盘前端面的摩擦力矩、盾构机设备刀盘后面的摩擦力矩、盾构机刀盘开口处的剪切力矩、刀盘前方土仓内的搅动力矩。

切削岩土体所需要克服的旋转扭矩T1，用公式T1=1/2（quhmaxR2）进行计算，进而得到切削岩土体所需要克服的旋转扭矩T1=3.0 t·m。

盾构机设备刀盘自重产生的旋转反力矩T2用公式T2=G·R1·ug计算，进而获得盾构机设备刀盘自重产生的旋转反力矩T2=0.48 t·m。

盾构刀盘结构自身旋转所需要克服的机械阻力矩T3用公式T3=PtR1ug计算，进而获得盾构刀盘结构自身旋转所需要克服的机械阻力矩T3=2.8 t·m。

盾构机设备装置密封部件所产生的摩擦力矩T4用公式T4=2πumFm（n1Rm12+n2Rm22）计算，进而获得盾构机设备装置密封部件所产生的摩擦力矩T4=4.8 t·m。

盾构机刀盘前端面的摩擦力矩T5采公式T5=2/3（απupR3Pd）计算，进而获得盾构机刀盘前端面的摩擦力矩T5=98.6 t·m。

盾构机刀盘引推力荷载产生的反力矩T6用公式T6=2πDBPzUp计算，进而获得盾构机刀盘引推力荷载产生的反力矩T6=73.5 t·m。

盾构机设备刀盘后面的摩擦力矩T7用公式T7=2/3×（απR3up×0.8Pd）计算，进而获得盾构机设备刀盘后面的摩擦力矩T7=78.8 t·m。

盾构机刀盘开口处的剪切力矩T8用公式T8=2/3·πCτR3（1-α）计算，进而获得盾构机刀盘开口处的剪切力矩T8=51.2 t·m。

刀盘前方土仓内的搅动力矩T9采用公式T9=2π（r22-r12）LCτ计算，进而获得刀盘前方土仓内的搅动力矩T9=24.0 t·m。

盾构机设备掘进过程中所需要克服的总扭矩为切削岩土体所需要克服的旋转扭矩T1、盾构机设备刀盘自重产生的旋转反力矩T2、盾构刀盘结构自身旋转所需要克服的机械阻力矩T3、盾构机设备装置密封部件所产生的摩擦力矩T4、盾构机刀盘前端面的摩擦力矩T5、盾构机刀盘引推力荷载产生的反力矩T6、盾构机设备刀盘后面的摩擦力矩T7、盾构机刀盘开口处的剪切力矩T8、刀盘前方土仓内的搅动力矩T9的总和，最终得到盾构机刀盘总扭矩T=337 t·m。