土壓平衡盾構密封艙壓力場模擬實驗臺設計

劉 暢 孫鐵兵 孟慶琳 于志遠 屈福政

大連理工大學，大連，116024

土壓平衡盾構密封艙壓力場模擬實驗臺設計

劉 暢 孫鐵兵 孟慶琳 于志遠 屈福政

大連理工大學，大連，116024

根據實驗研究要求，在分析現有盾構實驗臺設計的基礎上，提出密封艙壓力場模擬實驗臺的設計方案，以驗證通過數值方法獲得的土壓平衡盾構密封艙壓力分布的準確性以及壓力控制方法的有效性。實驗結果表明，該實驗臺設計方案是可行的，該實驗臺可用于密封艙壓力分布準確性以及壓力控制方法有效性的實驗驗證研究中，能夠為土壓平衡盾構的設計、施工控制提供依據。

土壓平衡盾構；密封艙；壓力場；實驗臺

0 引言

與其他類型盾構機相比，土壓平衡盾構具有使用地層條件廣泛、占地面積小、施工覆土層可相對較淺、施工安全性高、污染小等優點。因此，在國內外城市地鐵、公路、鐵路、市政等隧道工程建設中得到了廣泛應用。

為滿足土壓平衡盾構的安全、高效施工，需要通過調整螺旋輸送機轉速與盾構推進速度來調節密封艙的進出土量，保證密封艙壓力與開挖面上的水土壓力相平衡。由于對密封艙壓力分布規律及其與掘進界面壓力的映射關系認識不清，施工人員主要憑借施工經驗來調整上述掘進參數，因而無法實現高精度的實時控制。針對這一問題，文獻［1－2］分別通過數值模擬方法獲得了密封艙壓力場，探討了特定地層條件下觀測壓力與掘進界面壓力的映射關系，為土壓平衡盾構壓力平衡控制提供了依據。從上述的研究工作可以看出，所采用的碴土模型及參數直接關系到密封艙壓力場分布規律的準確性，有必要進行實驗來驗證不同地質條件下碴土模型是否正確，進而確定密封艙壓力分布規律；同時，為了驗證密封艙壓力控制方法的有效性，也需要進行實驗研究。

目前，與土壓盾構密封艙壓力控制有關的實驗臺主要是帶有可加載土箱的掘進模擬實驗臺。法國隧道工程學會建立了與實際盾構機成1／10比例的實驗臺，通過在配置的模型土體中模擬掘進，進行了盾構機工作參數和地層物理力學特性之間的地層適應性研究［3］；我國上海隧道股份有限公司、同濟大學、浙江大學、西南交通大學等單位也建立了類似的實驗臺，得到了大量的研究成果［4－7］。這類實驗臺多偏重盾構機的地層適應性研究，實驗時間耗費長、成本較高、過程復雜，不適用于進行大量實驗研究。另外，國內外的學者考慮到影響密封艙壓力控制的相關因素，建立了布置有螺旋輸送機的實驗臺來模擬碴土的排出過程，在螺旋輸送機輸送機理、碴土的改良等方面開展了一系列的研究，為盾構的施工提供了依據［8－10］。但是，這種實驗臺沒有充分考慮密封艙內碴土的流動過程，不適用于密封艙壓力場準確性的驗證及壓力控制方法有效性的實驗研究。

針對上述原因，本文提出土壓平衡盾構密封艙壓力場模擬實驗臺的設計方案，對實驗臺的刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩等性能參數進行計算，完成了液壓系統的設計，并且通過初步的實驗數據來驗證實驗臺的可行性。

1 實驗臺組成

1.1 實驗臺機械結構設計

土壓平衡盾構機密封艙壓力模擬實驗臺主要由外桶、模擬盾構機、液壓系統、測控系統等部分組成，整個實驗臺的機械結構如圖1所示。

圖1 模擬實驗臺

外桶的內徑為0.9m，長度為1.85m，右側采用密閉結構，保證實驗過程中不漏水、不漏氣；左側是敞開的，用來裝填碴土和放置模擬盾構機。為了便于改良碴土的裝填，控制與外桶連接的支撐液壓缸可以完成外桶水平至豎直的翻轉。

圖2 實驗臺部件圖

模擬盾構機主要由刀盤、推進機構、螺旋輸送機等組成，圖2a為刀盤的實物圖，其直徑為0.9m，開口率為32%，在刀盤上焊接刀具以達到切削、攪拌碴土的作用。隔板及推進機構的實物圖分別見圖2b和圖2c，推進機構的一端和推進液壓缸鉸接在一起以完成模擬盾構機的掘進；另一端為密封隔板，在模擬盾構機進入外桶內之后，隔板與刀盤、外桶內壁形成密封艙。在隔板下端傾斜地安裝了一個外筒內徑為0.16m的螺旋輸送機，其軸線與水平方向的夾角為22°。在模擬盾構機向前推進的初始階段，螺旋輸送機出口閘板關閉不排土，此時碴土通過刀盤的開口進入并充滿密封艙和螺旋輸送機殼體內的全部空間，形成一定的土壓力；推進過程中閘板是打開的，此時可以改變螺旋輸送機的轉數和推進速度來調整密封艙內的進出土量，達到控制密封艙壓力的目的。

1.2 液壓系統設計

實驗臺的刀盤旋轉、螺旋輸送機旋轉、盾構的推進均采用液壓傳動，參照實驗要求，對實驗臺液壓系統的功能要求如下［11］：能夠提供平穩的動力，并且要有很高的調速剛度，能實現大速比的穩定無級調速；有較好的瞬態響應，易于實現計算機自動控制；實際使用的盾構機刀盤是雙向旋轉的，考慮到這一因素對密封艙壓力分布的影響，要求模擬盾構機的刀盤能夠實現正反轉；實驗時模擬盾構機推進速度較慢，一般為20～80mm／min，而實驗完成后需要使其能快速地退出外桶以節省時間；系統的調速效率要高，以節省動力消耗。

基于以上要求，考慮到各執行元件的承載能力較大，為達到降低能耗、減小發熱量的目的，刀盤和螺旋輸送機驅動采用容積調速，而推進系統采用節流調速，圖3為實驗臺液壓原理圖，主要包括推進驅動系統A、螺旋輸送機驅動系統B、刀盤驅動系統C。推進驅動系統主要有兩個功能：當三位四通換向閥10－1處于中位時，液壓泵通過三位四通換向閥10－2給支撐液壓缸供油，完成外筒豎起與水平放置的轉換；當三位四通換向閥處于10－2中位時，由動力泵站提供的壓力油通過三位四通換向閥10－1進入四個推進液壓缸，完成液壓缸的伸出和縮回，驅動模擬盾構機在外筒中向前掘進或實驗結束后退出。推進過程中液壓缸的有桿腔接有調速閥，以實現模擬盾構機推進速度的調節；實驗結束后，液壓油直接進入其無桿腔使模擬盾構機能較快退出。

2 實驗臺性能參數

2.1 刀盤扭矩

實驗臺工作過程中，由于碴土與刀盤間的摩擦、刀具切削碴土等原因會引起阻力扭矩，刀盤扭矩主要用于克服上述阻力扭矩，實驗臺刀盤扭矩T主要由以下幾部分組成［12-14］：

圖3 液壓系統原理圖

式中，T1為刀盤正面與碴土之間的阻力扭矩；T2為刀盤背面與碴土之間的阻力扭矩；T3為刀盤切削時土體抗力扭矩；T4為刀盤和攪拌裝置的攪拌扭矩。

其中，實驗過程中的碴土均是經過改良的土體，始終處于均勻的塑性流動狀態，刀盤和攪拌裝置的攪拌扭矩對刀盤扭矩影響較小，計算時不予考慮。

模擬盾構機沿外桶軸線向前運動的過程中，刀盤旋轉會使碴土與其正面發生相對運動，由于外桶和密封艙中的碴土存在一定的壓力，導致了摩擦阻力矩的產生。該扭矩的大小與刀盤開口率、碴土土力學參數以及所要模擬的地層深度有關，對刀盤進行力學分析，有

式中，D為刀盤直徑；γ為原狀土的容重；H為模擬的地層深度；μc為改良碴土與外桶間摩擦因數，其值小于原狀土與刀盤的摩擦因數；ζ為刀盤開口率；K為側向土壓力系數。

設計時忽略刀盤正面與背面間的碴土壓力差，刀盤背面摩擦阻力矩等于刀盤正面阻力矩：

在刀盤旋轉過程中，切削刀具在切削土體時要克服一定的阻力矩，這里將其簡化，用每轉切入深度和切削阻力值來表示，其簡化計算公式如下：

式中，vs為盾構的推進速度；nc為刀盤的轉速；qu為刀具的切削阻力。

實驗臺的刀盤直徑D＝0.9m，原狀土容重γ＝20 000kN／m3，改良碴土與外桶之間的摩擦因數μc＝0.25，模擬的地層深度H＝30m，刀盤開口率ζ＝0.32，側向土壓力系數K＝0.5，最大推進速度vs＝0.08m／min，刀盤的轉速nc＝1r／min，切削阻力qu＝400kPa，將上述數值代入式（1）～式（4），可得刀盤最大扭矩約為28.93kN·m，考慮到攪拌裝置的攪拌扭矩以及刀盤側面與外筒內壁摩擦引起的阻力扭矩，取刀盤的最大扭矩為30kN·m。

2.2 推進力

模擬盾構機向前推進過程中，總推力主要用于克服碴土作用在刀盤上的阻力F1、模擬盾構自重產生的摩擦力F2、料車的牽引阻力F3，則實驗臺推進系統的所需推力［14］

式中，A為安全系數；G為盾構機自重；μ1為料車與其運行軌道間的摩擦因數；G1為料車的自重。

模擬盾構機自重G＝14.715kN，模擬盾構機與外桶之間的摩擦因數μ＝0.15，料車與其運行軌道間的摩擦因數μ1＝0.2，料車的滿土自重G1＝20kN，安全系數A＝2，由式（5）可得實驗臺推進力F約為394.12kN，最后取推進裝置的推力為450kN。

2.3 螺旋輸送機扭矩

目前，有關土壓平衡盾構螺旋輸送機扭矩計算公式的研究并不多見，英國劍橋大學Merritt等［9］通過實驗和理論分析相結合的方法給出了最大扭矩值的計算公式，本文根據該公式來確定螺旋輸送機所需要的驅動扭矩。最大扭矩值的計算公式為

式中，Dc為螺旋輸送機外筒直徑；L為螺旋輸送機有效出土長度；τc為碴土在螺旋輸送機外筒處的剪應力，其值與碴土不排水強度su相等。

實驗臺所選用螺旋輸送機外筒直徑為0.16m，有效出土長度為1m，考慮到螺旋輸送機的最大負載取文獻［9］中改良黏土的不排水強度作為計算依據，其值取為40kPa。在考慮一定扭矩余量的條件下，按式（6）得螺旋輸送機最大扭矩為2kN·m。

3 實驗臺可行性

實驗臺采用日本共和公司的BER－A－17S型土壓傳感器來測量密封艙隔板上的碴土壓力，其標準量程為0～0.5MPa，最大載荷為282～2820N，圖4為實驗過程中土壓傳感器在隔板上的布置示意圖。

通過向某地鐵標段的中粗砂內注入泡沫和膨潤土泥漿用作實驗用

土，測量得到改良碴土的坍落度為120mm。實驗時，推進速度設定為20mm／min，刀盤轉速實時控制在2r／min，改變柱塞泵的排量使螺旋輸送機轉速在2～12r／min內變化，轉速曲線見圖5。

圖4 壓力傳感器布置

圖5 螺旋輸送機轉速曲線

圖6 密封艙內土壓力

由圖5和圖6可知，螺旋輸送機轉速的變化將使密封艙壓力發生改變，并且各點壓力變化趨勢是一致的。以傳感器2的壓力值為例，實驗初始階段，螺旋輸送機轉速在5.5～6r／min內變化，該點壓力在75kPa上下變化，波動幅度為±4%，說明密封艙實現了壓力平衡，壓力的波動是因為刀盤開口和旋轉造成的；隨著螺旋輸送機轉速先后上升至8r／min和10r／min，傳感器2的壓力持續下降了50kPa；當螺旋輸送機轉速又調整為5.5～6r／min時，密封艙在25kPa處重新達到了壓力平衡狀態；此后，由于螺旋輸送機轉速下降到4r／min，將使該點壓力以0.37kPa／s的速度升高。上述現象表明實驗臺能夠實現密封艙壓力平衡控制，可以用于壓力控制方法有效性的驗證。

根據密封艙壓力變化曲線可知，密封艙內各點的壓力沿豎直方向是變化的，壓力分布表現出較強的非線性，這與實際工程中的壓力分布形式是一致的。根據傳感器1和3的壓力值計算得到豎直方向上的平均壓力梯度為15～20kPa／m，而在相應掘進條件下該標段的平均壓力梯度為10～20kPa／m，說明試驗臺可以較好地模擬實際工程中密封艙內碴土的流動狀態，能夠為密封艙壓力場的準確性驗證提供數據。

4 結語

本文闡述了土壓平衡盾構密封艙壓力場模擬實驗臺的組成和工作原理，搭建了具有刀盤、密封艙等結構的實驗臺，通過測試實驗驗證了實驗臺的可行性。實驗數據表明：通過改變螺旋輸送機轉速能夠實現對密封艙壓力的控制，使其處于壓力平衡狀態；密封艙的壓力分布形式及豎直方向上的平均壓力梯度與實際工程數據基本一致，實驗臺能夠較好地模擬碴土在密封艙內部的流動過程。實驗臺的建立可以為密封艙壓力場數值模擬驗證、壓力控制方法研究提供一種有效的途徑。此外，實驗臺還可以用于碴土的改良、螺旋輸送機輸送機理等研究，進一步為土壓平衡盾構的安全、快速、可靠的施工提供參考。

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Design of Experimental Table for Simulating Pressure Field of Working Chamber of Earth Pressure Balanced Shield

Liu Chang Sun Tiebing Meng Qinglin Yu Zhiyuan Qu Fuzheng
Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116024

According to the requests of experimental study，on the basis of analysis on design method of existing experimental table，a design proposal for experimental table was presented，which was used to simulate pressure field of working chamber.The table was applied to verify accuracy of pressure distribution obtained from numerical simulation，and to verify validity of pressure control means of working chamber of earth pressure balanced shield.The experimental results show that experimental table is feasible and it can be used for experimental study mentioned above.This work gives a basis for design and control of earth pressure balance shield.

earth pressure balanced shield；working chamber；pressure field；experimental table

TH122

1004—132X（2011）01—0019—04

2010—08—30

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2007CB714006）

（編輯 郭 偉）

劉 暢，男，1980年生。大連理工大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為盾構密封艙壓力平衡問題的數值模擬。孫鐵兵，男，1971年生。大連理工大學機械工程學院講師。孟慶琳，男，1981年生。大連理工大學機械工程學院博士研究生。于志遠，男，1985年生。大連理工大學機械工程學院碩士研究生。屈福政，男，1957年生。大連理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。