盾構施工耗電的影響因素分析

2018-05-02 08:37:13徐嘯天廖少明

城市道橋與防洪 2018年3期

徐嘯天，周哲，廖少明

（1.同濟大學，上海市 200092;2.中國建筑股份有限公司，北京市 100037）

0 引言

現今我國全面建設小康社會，加快推進城鎮化發展腳步，使得盾構機越來越廣泛地被運用于城市地鐵隧道工程中。因此，探究盾構機的綠色施工措施，在工程建設中落實建設部《綠色施工導則》提出的“四節一環保”（節能、節地、節水、節材和環境保護）的要求，具有積極的現實意義。

而當今對于盾構機能耗的研究較少，主要的研究方向都集中在對于盾構施工工法及對環境的影響上。全文從理論分析盾構機施工的耗電機理入手，結合深圳地鐵九號線的工程資料為佐證，來探究盾構機施工耗電的影響因素。本文期望通過分析盾構機耗機理，給盾構機的綠色施工研究提供新的研究角度。

1 理論分析

盾構掘進機通常包括刀盤系統、推進系統、管片拼裝系統、螺旋輸送機系統及后配套系統。在實際生產中，盾構機切削土體的刀盤系統是盾構機內的主要耗電部件。以下主要通過研究刀盤驅動系統耗能效果來探究盾構機參數、施工工藝及施工環境等因素對盾構施工耗電的影響。

1.1 刀盤功率與刀盤扭矩、推進角速度的關系

刀盤驅動系統是用于驅動刀盤機構旋轉的動力系統，其耗能效果為使刀盤旋轉對土體進行切削。盾構系統能量的損耗主要為機械發熱損耗及挖掘速度改變產生的損耗，可以通過研究刀盤驅動的旋轉功率來研究刀盤驅動的耗電問題。

刀盤驅動旋轉做功功率P=T×W，暨刀盤旋轉的功率等于刀盤所受扭矩乘以刀盤旋轉的角速度。由于在隧道挖掘過程中，為保持穩定，刀盤推進角速度一般變化不大，因此刀盤功率與刀盤扭矩有較高的線性關系。

結合工程數據驗證理論：刀盤驅動做功，將刀盤扭矩與刀盤轉速相乘與實際刀盤功率作圖，見圖1。

圖1 實際刀盤功率—刀盤轉速×刀盤扭矩圖

可以看出刀盤功率與刀盤轉速和刀盤扭矩的乘積有較為明晰的線性關系，判斷系數R2為0.9986，因此驗證理論分析結果有效。

1.2 影響因素定性分析

討論影響刀盤功率的影響因素，除較為穩定的推進角速度外，刀盤驅動扭矩主要由刀盤正面的摩擦阻力扭矩、刀盤側面的摩擦阻力扭矩、刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩、刀盤切削阻力扭矩、軸承旋轉的阻力扭矩和刀盤密封摩擦的阻力扭矩6部分組成。研究顯示[1]，刀盤正面的摩擦阻力扭矩、刀盤側面的摩擦阻力扭矩、刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩三項占總刀盤扭矩的90%以上，因此對刀盤扭矩的組成進行簡化修正。

定義T為刀盤扭矩，單位為kN·m；T1為刀盤正面的摩擦阻力扭矩，單位為kN·m；T2為刀盤側面的摩擦阻力扭矩，單位為kN·m；T3為刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩，單位為kN·m，則可得到刀盤扭矩的簡化計算公式為：

以下通過探究刀盤扭矩的各組成分項計算式來尋找刀盤扭矩的影響因素：

（1）刀盤正面的摩擦阻力扭矩T1

刀盤在切削土體過程中，其正面將與掌子面前方土體發生摩擦，產生的摩擦力扭矩T1為：

式中：Q1為刀盤頂部水平土壓，kPa；Q2為刀盤底部水平土壓，kPa；η為刀盤開口率；f為土與刀盤表面之間的摩擦系數。

（2）刀盤側面的摩擦阻力扭矩T2

刀盤側面在垂直土壓力和水平土壓力的作用下產生摩擦阻力，由此產生的側面摩擦阻力扭矩為：

式中：Ka為主動土壓力系數；γ為刀盤周圍土體的容重，kN·m3；H 為地表至刀盤中心的距離，m；B為刀盤外沿寬度，m。

（3）刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩T3

類似與刀盤正面摩擦阻力扭矩，刀盤背面與渣土接觸發生摩擦，由此產生的摩擦阻力扭矩T31為：

式中：k'為艙內土壓力與開挖面上土壓力的比值；fk為刀盤背面與渣土的摩擦系數。

假設攪拌翼板在土倉內攪拌渣土時各方向上所受土壓力相等，且等于相同開挖深度開挖面土體的豎向土壓力，則攪拌翼摩擦阻力扭矩T32為：

式中：k為側壓力系數；n為攪拌翼的數量，個；γ'為土艙內渣土的容重，kN·m3；Hk為地表到攪拌翼的高度，m；Dk為攪拌翼直徑，m；Lk為攪拌翼長度，m；Rk為攪拌翼到刀盤中軸線的距離，m。

因此，刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩為：T3=T31+T32[2]。

可以看出，刀盤扭矩的影響因素有：盾構頂底部土壓力、土體容重、盾構埋深、刀盤開口率、土和刀盤的摩擦系數、刀盤寬度，主動土壓力系數及攪拌翼的相關參數。將上述參數分為四大類：土質情況、盾構埋深、施工參數和盾構參數。在實際隧道挖掘過程中，刀盤轉速的變化不大，因此刀盤耗電量與刀盤扭矩近似線性關系，暨上述刀盤扭矩的影響因素可視為盾構機耗電量的影響因素。

1.3 盾構機耗電量的影響因素定量分析

在確定盾構機耗電量的影響因素后，以下結合理論計算公式，對上述四類因素對盾構機耗電量影響的大小進一步分析。

（1）耗電量與土質情況的關系

經理論分析，影響刀盤驅動耗電量的土體參數有：土體的內摩擦角φ、土體容重γ、土和刀盤的摩擦系數。

當刀盤的鋼材材質變化不大的情況下，刀盤與土體的摩擦系數與土體的內摩擦角φ成線性相關關系。而主動土壓力系數與土體的內摩擦角φ亦有直接關系。同時有研究顯示[3,4]，土和刀盤的摩擦系數與扭矩成線性關系，土和刀盤的摩擦系數每降低0.1，扭矩降低35%～40%。當刀盤轉速變化不大的前提下，刀盤耗電量增加值也接近35%～40%。而當刀盤材質一定的情況下，土體的內摩擦角φ和土與刀盤的摩擦系數呈線性關系。

綜合上述結論可知，對刀盤驅動系統耗電有影響的土體參數均與土體的內摩擦角φ有線性關系，因此可將影響刀盤驅動耗電的土體參數設置為土體的內摩擦角φ。

（2）耗電量與盾構埋深的關系

由理論分析可知，刀盤驅動系統耗電量和盾構頂、底部土壓力及盾構中線至地面的距離有關。忽略土體容重造成的影響，可將上述因素整合為盾構埋深對盾構機耗電量的影響。

代入刀盤扭矩的計算公式，T=1.1（T1+T2+T3）可以推得，相同條件下，埋深每增加10%，刀盤扭矩增加11%～15%，當刀盤轉速變化不大，刀盤耗電量增加值也接近11%～15%。

（3）耗電量與施工參數的關系

刀盤的推進轉速會影響刀盤功率。在刀盤扭矩不變的情況下，刀盤的轉速與刀盤額定功率成線性關系，而盾構刀盤的轉速與盾構的推進速度兩者呈線性相關關系。因此，可以用盾構的推進速度反映盾構機挖掘推進的操作情況。

當刀盤扭矩變化不大的前提下，刀盤功率與盾構的推進速度成線性關系。當盾構機推進速度增大時，盾構機耗電相應增大，增大比率與盾構參數相關。

（4）耗電量與盾構技術參數的關系

影響刀盤驅動系統耗電量的盾構參數為：刀盤開口率，攪拌翼數量、直徑、長度，刀盤寬度等。研究顯示[5]，刀盤開口率與扭矩成線性關系，開口率每增加10%，扭矩降低8%～10%。但由于此類設計參數在設計前期確定，施工時調整的可能性較小，對盾構施工耗電的影響性較低。

2工程實例數據驗證

本節結合深圳地鐵9號線工程耗電數據，分析實際工程中盾構機耗電量的影響因素及影響效果，并與理論分析結果相比較。

2.1 耗電量與土質的關系

在實際狀況中，地質情況復雜，當地質堅硬或復雜，為保證施工的正常進度及安全性，挖掘需做更多的功，譬如將硬質巖石切削為小塊以便運輸，此時施工將耗費更長時間，盾構機耗能也將隨著運轉時間的增加而增加。

結合實際工程狀況分析，環耗電量明顯變大處，土質的硬度明顯上升，施工現場也反映由于此段土質的變化而導致的施工時間明顯受到影響。為了量化地體現土質硬度和不同土層分布的情況，引入等效土層剪切波速作為指標反映開挖面上土質狀況：

參考地質勘測的各土層的剪切波速，按不同土層所占比例將對應土層剪切波速加權平均得到等效剪切波速。6-2土層的土層剪切波速為183.42m/s，12-1土層的土層剪切波速為300.38m/s，12-2土層的土層剪切波速為480.37m/s，12-3土層的土層剪切波速為895.87m/s，12-4土層的土層剪切波速為1447.90m/s，根據地勘資料將土層按分布情況根據系數折減，將每個開挖面對應為183.42m/s到1447.90m/s之間。以每100m/s波速區間劃分單元，取各區間耗電量平均值繪制柱狀圖，整理所得平均耗電量的柱狀圖，見圖2。

圖2 平均等效土層剪切波速—平均環累計用電量圖

圖中等效剪切波速為350m/s及以下，代表該部分以軟弱場地土為主，等效剪切波速為350m/s至850m/s，代表該部分為中軟場地土為主，等效剪切波速大于950m/s，代表該部分為中硬場地土為主。可以看出，隨著等效土層剪切波速代表的土層硬度的逐漸增大，盾構的每環耗電量也有增大的趨勢，即土層整體硬度相對較大時，區間隧道環開挖會需要更多的能量。

綜上，得出結論盾構耗電量與地層硬度有較為明顯的正相關關系，與理論分析相符。