大直徑泥水盾構機刀盤扭矩計算方法研究

趙小鵬 徐國慶

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

大直徑泥水盾構機刀盤扭矩計算方法研究

趙小鵬 徐國慶

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

在分析泥水加壓平衡式盾構機刀盤扭矩組成部分的基礎上，結合土力學的基礎知識，建立了數學模型，對刀盤扭矩組成部分進行了分析，從而建立了刀盤扭矩的計算公式，并通過實例進行了計算驗證。

大直徑泥水盾構機，刀盤扭矩，土壓力，摩擦力，阻力

0 引言

目前，國內共有20余座城市正在修建軌道交通，總規劃建設里程達到8 137 km，因此大量盾構機投入使用，泥水加壓平衡式盾構機具有對地層擾動小，適用于高地下水壓力、大直徑隧道，高速化施工、適用的土質范圍廣、掘進中盾體擺動小、施工安全等優點，被廣泛的應用于修建城市軌道交通、過江越海隧道。

泥水加壓平衡式盾構機在掘進過程中，為了順利切削土體，盾構機刀盤必須具有足夠的扭矩，如何準確的設定盾構機的扭矩是一個值得研究的問題。

1 刀盤扭矩理論模型

掘進過程中，泥水加壓平衡式盾構機切削刀盤裝備扭矩由圍巖條件、盾構機形式、盾構機制造和盾構機直徑等因素來確定。一般認為刀盤扭矩主要用于克服泥土切削阻力所需的扭矩T1、克服與泥土的摩擦阻力所需的扭矩T2、克服機械阻力(徑向負載)所需的扭矩T3、克服機械阻力(軸向負載)所需的扭矩T4、克服密封阻力所需的扭矩T5。

1)克服泥土切削阻力所需的扭矩T1。

根據村山氏的實驗研究，如圖1所示，作用在單個切削刃上的泥土切削阻力Ha可由式(1)或式(2)求出。

當為砂質土時:

Ha=1.8×Es×Bo×t2×10-0.56a

(1)

當為粘土時:

Ha=2.1×Ec×Bo×t×10-0.22a

(2)

其中，Ha為切削阻力；Bo為切削刃寬度;t為切入深度；a為切削刃的前傾角；Es為砂質土的切削阻力指數；Ec為粘土的切削阻力指數。

切削阻力指數見表1。

表1 切削阻力指數

在此，以惡劣條件下的粘土為切削阻力指數，使用Ec=12.0 N/cm2。且切入深度t為:

t=v/(K×N)

(3)

其中，v為盾構掘進速度;K為刀盤旋轉1次的切削次數;N為刀盤轉速。因此，克服切削阻力所需的扭矩T1為：

T1=n·Ha·Rm

(4)

其中，n為等效切削刃數量，n=K×D/(2×Bo)；Rm為切削刃的平均安裝半徑,Rm=D/4。

2)克服與泥土的摩擦阻力所需的扭矩T2。

盾構工法的原則是“用與涌水壓力相等的泥水壓力來控制涌水壓力”。因此，水壓和土壓作用于刀盤面的前方及外周，水壓作用于其后方。在此，由于水和鋼的摩擦阻力微弱故而忽略，僅考慮作用于刀盤面與正面土體及側面土體之間的摩擦力。

a.刀盤正面摩擦阻力扭矩T2a，如圖2所示，計算公式如式(5)所示。

(5)

其中，T2a為刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩；K為側向土壓力系數；f為刀盤與土體之間的摩擦系數；γ為土體的重力密度；H為地面到盾構機中軸線之間的距離；r為刀盤半徑；α為刀盤正面某點與水平線夾角；D為盾構機外徑。

實際計算時，要去掉刀盤開口部分的面積。則式(5)可修正為式(6):

(6)

其中,η為刀盤開口率。

b.刀盤側面上的土壓力由兩部分組成，一部分由垂直土壓力產生，另一部分由側向土壓力產生，側面土壓力模型如圖3所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，P1為垂直土壓力；α為刀盤側面某點與水平線夾角;W為刀盤外沿的寬度；Tp1為垂直土壓力在刀盤側面上產生的摩擦阻力扭矩；P2為側向土壓力；Tp2為側向土壓力在刀盤側面上產生的摩擦阻力扭矩。

由式(8)和式(10)可得：

(11)

因此，克服與泥土的摩擦阻力所需的扭矩T2。

(12)

3)克服機械阻力(徑向負載)所需的扭矩T3。

(13)

其中，W1為刀盤面+其他驅動部重量；μ2為軸承徑向滾的靜態摩擦系數(邊界摩擦時為0.001);Dd為軸承徑向滾的安裝直徑。

4)克服機械阻力(軸向負載)所需的扭矩T4。

T4=μ3·T2a

(14)

其中，T2a為刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩；μ3為軸承軸向滾的靜態摩擦系數(邊界摩擦時為0.001)。

5)克服密封阻力所需的扭矩T5。

克服密封阻力所需的扭矩T5可由式(15)求出。

(15)

其中,Ps為密封頂推力；Dsi為各密封安裝直徑；μ4為密封材料和鋼的靜態摩擦系數。

6)泥水加壓平衡式盾構機總扭矩T。

綜上所述，由式(4)，式(12)～式(15)得：

(16)

由式(16)可以看出，泥水加壓平衡式盾構機總扭矩不僅與土體性質有關，而且與刀盤轉速、刀盤開口率、刀盤直徑、軸承密封性質、軸承摩擦系數以及隧道埋深等參數有關。

2 刀盤扭矩的估算經驗公式

實際在盾構機的設計中，往往需采用經驗公式對刀盤扭矩進行估算。參照日本盾構隧道標準規范建議的刀盤扭矩的經驗公式：

T=αD2。

其中,T為刀盤扭矩；D為刀盤外徑；α為與盾構機類型和土體性質有關的經驗系數，通常日本泥水盾構取值0.6～1.4之間。

3 泥水平衡式盾構扭矩力學模型實例驗證

南京市緯三路過江通道項目采用開挖直徑為15.02 m的泥水加壓平衡式盾構機，根據式(16)以及表2所列工程參數，計算得盾構機在584環～594環之間的扭矩。圖4是584環～594環之間計算值與實際值、經驗值之間的關系曲線圖。

表2 584環～594環之間的工程參數表

4 結語

1)基于對刀盤扭矩構成因素的全面分析，建立了扭矩估算的理論模型，并運用力學原理和數學方法對各扭矩分量的計算公式進行推導，使扭矩計算更準確；

2)在南京緯三路過江隧道盾構推進584～594區段內扭矩計算值大于實測值和最小經驗值，但遠小于最大經驗值，說明刀盤扭矩計算經驗公式中α的取值對扭矩影響較大，也就是說土體性質直接影響刀盤扭矩；

3)經過理論計算發現扭矩計算值與實測值非常接近，進一步證明了計算模型的正確性，為計算刀盤扭矩提供了一種新的方法。

[1] 鐘小春，林 鍵，劉洪忠.土壓平衡式盾構機刀盤扭矩力學模型研究[A].第一屆中國水利水電巖土力學與工程學術討論會論文集[C].2006.

[2] 胡國良，何賢劍.土壓平衡式盾構機刀盤扭矩的計算及試驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2009，26(11)：49.

[3] 鄧立營，劉春光，黨軍鋒.盾構機刀盤扭矩及盾體推力計算方法研究[J].礦山機械，2010，17(1)：3-5.

Research on calculation methods for cutter torque of large-diameter slurry shield machine

Zhao Xiaopeng Xu Guoqing

(CCCCTunnelEngineeringBureauCo.,Ltd,Beijing100088,China)

Based on the analysis of the components of slurry balance shield machine’s cutter torque, the paper establishes the mathematic model by combining with the basics of soil mechanics, analyzes the components of the cutter torque, sets up its calculation formula, and undertakes the calculation by examples.

large-diameter slurry shield, cutter torque, soil mechanics, friction, resistance

1009-6825(2015)02-0222-02

2014-11-05

趙小鵬(1984- )，男，工程師； 徐國慶(1982- )，男，工程師

U455.31

A