提高大盾构主轴承受力方法分析

姜宗恒，叶 忠

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

随着国内长大隧道市场蓬勃发展，常压刀盘泥水盾构因其安全、适用地层广等特点在许多隧道领域开始快速应用。但因大直径盾构施工工程一般埋深大，泥水仓建压压力较高，使的泥水仓提供的泥浆反作用力占据了大部分的主轴承总接触力，降低了刀具的破岩挤压力。

为减缓以上情况，通过中心仓加压技术应用，可抵消刀盘受到的中心区域泥水反压力，另可降低主轴承轴向滚子受力，增大了主轴承总接触力，为后续类似工程提供参考。

1 案例说明

深圳春风隧道工程盾构采用常压刀盘泥水盾构，盾构开挖直径为15.8m，刀盘共计81 个滚刀轨迹，83 刃刀具，单刃滚刀额定轴向受力为31.5t，盾构主轴承具备伸缩功能，主驱动直径为7.6m，主驱动额定承载力设定为4500t，总接触力-受力说明如图1 所示。

图1 总接触力说明

掘进全断面硬岩过程中，岩石最高强度为173MPa，根据计算水土压力，泥水仓顶部压力设定为5.0bar，掘进过程刀盘挤压力最大为1800t，中心仓反力为2700t，贯入度为3mm；降低泥水仓压力1.5bar 后，中心仓反力为1890t，刀盘挤压力剩余最大为2610t，试验挤压力2500t，贯入度为5mm，掘进效率大幅提高，由于隧道工程位于深圳罗湖区，穿越建筑物较多，另盾构掘进掌子面局部破碎，后续盾构施工仍设定泥水仓顶部压力5bar。

在忽略刀盘大圆环与土体摩擦力、主驱动伸缩摩擦力等情况下：总接触力F=中心仓反力F1+刀盘挤压力F2。

2 中心仓加压技术介绍

因主轴承总接触力受限，通过中心仓加压技术，抵消中心区域泥水仓反压力（图2），降低主轴承滚子受力，可有效提高主轴承总接触力设置限制。主轴承及刀具受力情况分析如下。

图2 加压前后力学示意图

2.1 力学分析和原理

中心仓通过加压可以减少刀盘作用于主轴承的轴向承载力（图3）。中心仓加压后中心仓以外区域的压力在刀盘箱体内相互抵消，中心仓区域的压力通过中心仓传递至驱动箱法兰结构件，同时反作用于刀盘中心区域，减少刀盘作用于主轴承的轴向承载力，主轴承能力不变的情况下，可以增加刀盘刀具的破岩能力。

图3 轴向受力滚珠机械图

中心仓加压前主轴承总接触力（轴向承载力）=F1+F2。

中心仓加压后主轴承轴向承载力=F1+F2-F4。

2.2 中心仓反力区域面积计算

主轴承直径7.6m，中心仓内可提供反力区域面积约为：3.14×2.762=23.92m2。

2.3 中心仓反力计算

根据中心仓反力区域面积，采用中心仓加压后可提供的反力及分摊至每把滚刀（刀具数量按照83 刃计算）的轴向力如表1 所示。

表1 中心仓加压对应滚刀受力表

3 实时性分析

由于常压刀盘盾构施工过程中，作业人员需进入中心仓检查刀筒螺栓、检查传感器或换刀频繁，人员进仓作业时必须保证中心仓在常压状态下，中心仓加压至3bar，再降低至零，累计需要105min（表2），提高1mm/min 掘进速度，每环可降低22min 掘进时间，采用此种方式应合理安排工序，比较加压前后刀具磨损速率及异常损坏情况，使施工效率最大化。

表2 中心舱加/减压时间表

4 结论和建议

因目前大盾构施工大埋深、高水压越来越多，地层强度较高，但主轴承总接触力已不能满足施工需求，中心仓加压技术能够解决目前施工困境，但目前没有试验施工案例，不能发现潜在问题，下一步将进行试验，使本技术逐步成熟。