濟南地質條件下盾構機關鍵參數研究

翟振玲 盧慶亮 高愛照

（濟南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟南 250109）

濟南是山東省的省會，位于山東省中西部，北連首都經濟圈，南接長三角經濟圈，東西連通山東半島與華中地區，是環渤海經濟區和京滬經濟軸上的重要交匯點，是環渤海地區和黃河中下游地區中心城市。濟南市區南臨低山丘陵，北臨黃河，中部為山前傾斜沖洪積平原，地層呈東西向帶狀分布，主要為南部無水中風化灰巖地層，北部沖積富水粉質粘土地層，中部少水膠結礫巖/碎石土地層，同時中部也分布侵入型無水風化閃長巖地層。

2016年，濟南首條地鐵線R1線開始施工，采用土壓平衡式盾構機進行隧道挖掘，集機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能。

土壓平衡式盾構，簡稱EPB盾構。適用于含水的軟土、軟巖、硬巖以及混合地層的隧道掘進。土壓平衡盾構是在機械式盾構的前部設置隔板，使土倉和排土用的螺旋輸送機內充滿切削下來的泥土，依靠推進油缸的推力給土倉內的開挖土渣加壓，使土壓作用于開挖面以使其穩定。土壓平衡盾構的支護材料是土壤本身。土壓平衡盾構由盾殼、刀盤、刀盤驅動、螺旋輸送機、皮帶輸送機、管片安裝機、人倉、液壓系統等組成，圖1為土壓平衡盾構。

土壓平衡盾構的工作原理：刀盤旋轉切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進入土倉，泥土落到土倉底部后，通過螺旋輸送機運到皮帶輸送機上，然后輸送到停在軌道上的渣車上。盾構在推進油缸的推力作用下向前推進。盾殼對挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時支護作用，承受周圍土層的土壓、承受地下水的水壓，并將地下水擋在盾殼外面。掘進、排土、襯砌等作業在盾殼的掩護下進行。下面以濟南地質條件下的土壓平衡盾構機為例，對盾構機的關鍵技術參數設計研究。

1 盾構推力計算

盾構機的總推力根據各種推進阻力的總和及所需的富裕量決定，對于土壓平衡盾構通常考慮的推進阻力有盾體的摩擦力、開挖面的支撐壓力、盾尾與管片及密封刷間的摩擦力、后配套的拖拉力、刀具的推力等。這些推進阻力根據地層情況和盾構機的尺寸參數計算如下。

圖1 土壓平衡盾構

1.1 盾體的摩擦力

盾體與地層間的摩擦阻力由公式（1）計算：

式（1）中，D為盾構機直徑；L為主機長度；W為盾構機主機重量（kN）；γ為掘削斷面上的土體浮重度（kN/m3）；K0為掘削斷面上土體的靜止土壓系數，取值0.5；μ1為地層與盾構機外殼間摩擦系數，通常取μ1=0.5tanφ；φ為掘削斷面上土體的內摩擦角（°）；Pe為作用在盾構機上頂部的豎直土壓強度（kPa）,N為地表至盾構機外殼上頂區域內的不同浮重度的土層的層數；γi為第i層的浮重度（kN/m3）；Hi為第i層厚度。

1.2 盾尾與管片間的摩擦力

盾尾與管片間的摩擦力由公式（2）計算

式中，n1為盾尾內管片的環數；WS為1環管片的重量（kN）；μ2為管片與盾尾間的摩擦系數；μ3為管片與盾尾密封刷的摩擦系數；D0為管片外徑；B為盾尾密封刷與管片的接觸長度；n2為盾尾密封刷的層數；p2為盾尾密封刷內油脂壓力。

1.3 開挖面的支撐壓力

開挖面的支撐壓力按公式（3）計算，對于土壓平衡盾構計算公式如下：

式中，Ps為設計掘進土壓，此處取200kPa。

1.4 后配套拖車的拖拉力

后配套的拖拉力由公式（4）計算：

式中，W4為后備套的自重（kN）；μ4為后備套拖車與軌道的摩擦系數。

1.5 刀具上的推力

現按照滾刀方式計算推力，滾刀共41刃，按每把單刃滾刀的最大承載力按250kN計算。

系統推力：

系統的裝備推力為上述推進阻力的總和乘以富裕量系數，此處取1.2。

F=α×(F1+F2+F3+F4+F5)

實際盾構機在掘進過程中還要受到切口環貫入地層的貫入阻力、轉向阻力等。由于貫入阻力計算模型復雜，且不確定的因素較多；轉向阻力僅在曲線施工中或者盾構推進中出現蛇形時存在，由于抗力板在掘進方向上的投影面積的計算比較復雜，因此，一般不計算轉向阻力和貫入阻力，在確定總推力時考慮盾構施工中的上坡、曲線施工、蛇形及糾偏等因素，留出必要的富余量。

2 刀盤額定扭矩計算

刀盤扭矩的計算比較復雜，刀盤在地層中掘進時的扭矩一般包括切削土阻力扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盤的旋轉阻力矩（克服與泥土的摩擦阻力所需的扭矩）、刀盤所受推力載荷產生的反力矩、密封裝置所產生的摩擦力矩、刀盤的前端面的摩擦力矩、刀盤后面的摩擦力矩、刀盤開口的剪切力矩、土壓內的攪動力矩。

通常刀盤的扭矩計算可參照國際盾構隧道標準規范建議的土壓平衡式盾構刀盤扭矩經驗計算公式：

式（6）中，T為刀盤裝備總扭矩；D為刀盤外徑；α為扭矩系數，α=α1α2α0；α1為支承系數，由刀盤支承方式決定，就中心支承式刀盤而言，α1=0.8～1.0對于中間支承方式而言，α1=0.9～1.2；對于周邊支承方式而言，α1=1.1～1.4；α2為土質系數：對密實、泥巖而言，α2=0.8～1；對固結粉砂、粘土而言，α2=0.8～0.9；對松散砂而言，α2=0.7～0.8；對于軟粉砂土而言，α2=0.6～0.7；α0為穩定掘削扭矩系數；對土壓盾構而言，α0=14～23kN/m2；對泥水盾構而言，α0=9～18kN/m2；現根據地質條件和刀盤的結構形式，取α1=1，α2=0.9，α0=20kN/m2。

3 主軸承使用壽命

3.1 刀盤支承的主要形式

刀盤采用中心支承方式（見圖2刀盤支承結構），采取主軸（刀盤直接裝設在主軸端部）、支座（軸承）配置型式，共同承受刀盤的扭矩、正向和反向軸向力、傾覆力矩，其支座選用標準系列的徑向軸承和軸向軸承的組合形式，用于軟土和復合地層。

圖2 刀盤支承結構

3.2 刀盤主軸承的工作特點

刀盤主軸承支承的刀盤直徑一般較大，承受刀盤裝備扭矩、正向軸向推力亦較大，同時還要承受一定反向軸力以及較大的傾覆力矩。

刀盤轉速較低，但由于刀盤主軸承的直徑較大，其滾動體的節圓直徑亦較大，在滾動體與滾道的接觸相對線速度較高，而滾動體的滾動速度就較高。

3.3 刀盤主軸承的形式選擇

鑒于刀盤主軸承的工作特點，應選用圓柱滾子型式的軸承，因為在無荷載狀況下圓柱滾子與滾道形成一線接觸，而在荷載作用下就會發生彈性變形，接觸線變為矩形接觸面。通過修改圓柱滾子外形就可避免在圓柱滾子端部產生應力增高問題，因而特別適合重荷載條件下工作的主軸承。

3.4 刀盤主軸承設計計算荷載參數的確定

刀盤主軸承的設計計算以盾構機組切土破巖掘進參數為基礎，因此，假設四種工況：工況Ⅰ為盾構機組在極困難情況下切土破巖掘進，一般占總掘進工作時間的5%；工況Ⅱ為盾構機組在較為困難情況下切土破巖掘進，一般占總掘進工作時間的25%；工況Ⅲ為盾構機組在較為正常情況下切土破巖掘進，一般占總掘進工作時間的70%；工況Ⅳ為盾構機組在停機不掘進，此時刀盤不轉動。各種工況下刀盤主軸承設計計算參數的統計件表1載荷工況。

表1 載荷工況

4 應用實例

按照以上所推得的盾構推力、刀盤扭矩計算公式及主軸承使用壽命載荷工況，以濟南地鐵R1線工程為例進行驗算，濟南地鐵R1線的盾構機主要相關參數如下所列。

該盾構機使用隧道長度為1562m，隧道最小轉彎半徑330m，設計開挖直徑即刀盤直徑為φ6680mm，盾體直徑φ6650/φ6640/φ6630mm，管片外徑 φ6400mm，管片內徑φ5800mm，管片寬度1200mm，管片厚度300mm，隧道坡度28‰，刀盤轉速0～3.15rpm，最大設計壓力5bar。

按以上分析所得公式求得結果為：F1=15127kN；F2=347kN；F3=6946kN；F4=235kN；F5=10250kN。F=F1+F2+F3+F4+F5=32905kN，若考慮1.2倍的富裕量系數，F=39486kN，而濟南R1線地鐵盾構機總推力為41699kN，滿足使用要求。

刀盤額定扭矩T=5317kN，而濟南R1線地鐵盾構機裝備扭矩為7070kN，滿足使用要求。

5 結語

經過以上對盾構機關鍵技術參數盾構推力、刀盤扭矩、主軸承使用壽命的詳細研究，適用于濟南地鐵盾構機的使用，以上論述給出的計算模型和相應方法可為同仁提供參考。