土壓平衡式盾構機掘進性能評價方法研究探討

徐逸達+張拓+何雷

【摘 要】土壓平衡盾構機是隧道施工中普遍運用的機械設備。它在城市地鐵建設中起著關鍵的作用。為了提高盾構機的掘進性能，有必要建立一套系統的盾構機掘進性能的評價方法。文章建立了盾構掘進機能耗、效率和穩定性的評價函數，提出了盾構機掘進性能的詳細評價方法。

【關鍵詞】土壓平衡；盾構機；掘進性能；評價方法

引言

在盾構機的掘進過程中，挖掘系統需要對土體進行切割和攪拌，保持開挖面的穩定性。刀頭切割系統、盾推進系統和排渣系統是盾構機的關鍵環節。盾構機的性能評價是在一定的地質條件下，設置合理參數、工程開挖能力和開挖面穩定性。從隧道能耗、掘進效率和開挖穩定性三個方面，構建盾構掘進性能評價指標，并對盾構掘進機在掘進施工中的性能展開了評價。

一、盾構施工法概述

（一）盾構施工程序

與采礦方法相比，盾構法具有地層開挖、開挖運輸、襯砌裝配、聯合防水和盾尾灌漿的特點。盾構操作受到保護，是一種技術要求高、技術全面的施工方法。主要施工程序如下：盾構施工良好；盾構機的安裝；入口土壤的加固；盾構隧道在初始部分的施工；隧道的連續掘進施工；在護盾入口處的土體進行加固；盾構進入接收井解體吊出。

（二）盾構施工優勢

有著下列優勢：盾構隧道施工施工方法及礦井地面作業施工，隱蔽性良好，噪音和振動引起的環境影響很小；自動化程度高，勞動強度低，施工速度快；因為隧道襯砌是預制的，質量能夠得到保障；通過地下建筑和地下管道密集區域，四周不受建筑的影響；通過河流或海洋，不影響隧道施工，不受氣候影響；對于復雜地質、水、軟巖層，保證施工安全；其成本和技術難度不受土壤覆蓋深度的影響。

二、盾構機掘進性能的評價指標

（一）盾構機掘進參數評價指標

盾構機的掘進參數主要分五個方面：

1.盾構機液壓推力。

液壓推力是盾體的驅動力，徑直作用到開挖面的穩定性。過度的推力會導致前土的擠壓和運動，造成地面抬升，而過度的推力則是土壤運動的方向，傾向于刀頭的方向，形成地表下沉。液壓推力對開挖過程有直接影響，是一個主要的驅動參數。

2.刀盤扭矩。

這是刀頭旋轉的驅動力，徑直作用到工具對巖石和土壤的切割能力，是護盾的關鍵動力，使其脫離困境。對于硬切土來說，增加扭矩是必要的，可是需要適應盾的推力，這樣能夠有效防止出現施工事故。

3.刀盤轉速。

它是刀盤扭矩設置的直接表現，其與扭矩的乘積與盾構驅動電機的有效功率相等。這是評價盾構掘進機能耗的關鍵指標。

4.掘進速度。

盾構掘進的平均速度是盾構掘進過程中盾構機的推進速度隨時間的變化而變化。掘進速度與機器的能耗和效率密切相關。

5.螺旋輸送機轉速。

螺旋輸送機是泥沙去除的主要部件，其速度與扭矩成正比。轉速對地壓箱壓力值的影響是作用盾構機掘進性能的關鍵指標。

（二）盾構機地質參數評價指標

1.土體容重。

它是關鍵的地質參數之一，一般依照地表下的濕量來計算，是地質條件參數的全面反映，盾構隧道參數直接相關，徑直作用到盾構機的掘進性能。

2.埋深。

它指的是盾構面與刀頭中心軸線之間的距離，徑直作用到刀頭和隧道參數的參數。深埋深度將使盾構機的壓力控制變得非常有難度，不助于盾構機的穩定掘進。

三、盾構機掘進性能評價

（一）掘進能耗的評價方法

盾構機的能耗與上一節所討論的性能評價指標密切相關。性能指標是不同的，能耗波動是不同的。隧道能量消耗的評價方法應充分考慮各隧道參數對其影響的影響。在工程開挖施工的盾構機之前，首先做準備工作，根據預測的重要地質參數的地質參數反映了地質、地質數據的比例埋深，水含量，計算地質和盾構機掘進性能評價指標的影響。其次，確定了盾構掘進系統的參數，如刀頭結構、液壓推力和扭矩，并計算了驅動性能評價指標。

（二）掘進效率的評價方法

地質參數的確定可以根據地質方法進行。對盾構機而言，可根據能耗評估方法獲得最佳的隧道參數。根據機器的能量消耗水平，計算了地質環境下盾構掘進效率的最佳值。在實際施工中，通過對實際記錄參數的計算，得出實際的施工效率值。一般來說，隧道效率的計算是根據其評價函數計算的，它屬于維數，其評價中存在一定的誤差。為了更準確地評價它，需要使用歸一化方法將隧道效率轉換成無量綱形式，并將無量綱數轉換為相對值。在盾構機的掘進效率評價中，可以采用線性函數變換法實現。

（三）穩定性的評價方法

為了保證隧道施工的安全性，保持盾構機的穩定性是很重要的。大部分安全事故都是由于開挖面不穩定引起的。在盾構掘進中，開挖面土與刀盤推理的主要關系，由于過度的推理，使得滑移面的土體脫離了刀盤方向，造成地面抬升；相反，太小的推理將會是切刀方向的土壤。導致地面沉降。所以，應該依照土力學理論對開挖面穩定性展開評價。相較于土壤來說，盾構機的切割機在土體上有著非常大的剛度，有著流動性交互的作用，當擋土墻起作用時，由于過大或過小的兩個推力作用于土壤不穩定狀態，作為建立盾構機穩定性評價標準的基礎，在開挖面穩定時，兩種狀態下的刀斷推力極限。這個報告是基于地質鉆井數據記錄的發展，所以，只有在極端積極的勘探孔中才能準確地收集到切割頭推力后的地質參數和計算，通常采用線性插值來獲得在兩個極端實際切割器的范圍內進行正面推力變化的數值勘探孔，保持開挖面的穩定狀態。

四、結語

首先，選取關鍵參數作為盾構掘進性能評價指標的基本條件，通過科學合理的計算方法進行性能評價指標。根據刀盤的拓撲結構及其分析方法構建駕駛性能函數，正確評價能源消費的穩定和效率，隧道盾構機在基坑開挖過程中，為了實現盾構隧道性能綜合評價，采取適當措施，確保施工安全的前提下完成。

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