小直徑盾構穿越復合地層刀盤扭矩優化研究

郭忠猛 陳小星 王領兵

（中電建路橋集團有限公司，北京 100160)

0 引言

小直徑盾構機一般指直徑2～4.2m 的盾構，小直徑盾構在施工過程中具有開挖直徑小、對地面環境擾動較小等特點，主要應用于各種地下管廊工程，如一些引水、排污、電纜、通信及其他其他市政公用設施綜合管道工程[1-4]。之前由于我國盾構技術發展的閑置，國內小直徑盾構較少，地下綜合管廊的建設只能通過借用修建地鐵使用的盾構，導致綜合管廊的造價較高。最近幾年我國盾構事業的發展突飛猛進，我國擁有了能夠自主生產小直徑盾構的能力，對于小直徑盾構的應用也逐漸變多。

雖然小直徑盾構的刀盤扭矩相較于地鐵修建所用盾構較小，但刀盤扭矩仍是盾構設計需要考慮的重要參數，同時也是盾構施工過程中需要時刻關注的控制參數。盾構在穿越復合地層時，刀盤扭矩過大很容易造成盾構卡死的現象，而刀盤扭矩過小則會導致盾構不能正常推進，嚴重時很容易造成刀盤、刀具的嚴重磨損。為此，徐前衛[5]通過應用數學和力學方法研究了在均勻地層中盾構刀盤切削扭矩計算的問題，總結出了在不同埋深、刀盤開口率及不同轉速的情況下刀盤扭矩的變化規律；江華[6]通過依托北京地鐵工程，研究了在砂卵石地層下土壓平衡盾構刀盤扭矩的計算方法，提出了該種地層情況下刀盤扭矩的簡便算法；Qin Chengjin[7]提出了一種可以基于設備運行和狀態參數的盾構機刀盤扭矩精確預測的新興混合神經網絡（HDNN），可以用于在各種不同情況地質條件下精準預測刀盤扭矩；楊志勇[8]通過依托北京、天津地下直徑線工程，對泥水平衡盾構刀盤扭矩的計算方法及其影響因素做出了相應研究，總結了不同影響因素對于刀盤扭矩的影響程度。

眾多學者針對刀盤扭矩在不同地質條件下的預測都展開了理論分析與數值計算，同時積累了大量的成果。但對于小直徑盾構穿越復合地層刀盤所需扭矩問題沒有具體結論，本文通過實際工程項目，結合現場地質、水文條件對刀盤扭矩值進行理論計算，分析其適用性[5-6]。

1 刀盤扭矩計算模型

1.1 經驗公式

刀盤驅動扭矩可按經驗公式得出：

表1 α取值范圍

1.2 理論計算公式

盾構在硬巖掘進的扭矩主要由三部分組成，分別為刀盤滾動阻力扭矩、石渣提升所需要的扭矩和為克服刀盤自重所需要的扭矩。由此，我們可以得到盾構在硬巖中掘進的扭矩

2 某纜化隧道工程實例分析

2.1 工程特征分析

該纜化隧道工程5#～10#井區間盾構隧道線路總長2944m，區間水平最小轉彎半徑為300m，區間縱向最大坡度為11‰，覆土厚度在13～16m 之間。

（1）地質條件。5#～10#井范圍內區間隧道穿越的地層主要為：粉質黏土、淤泥、殘積粘性土、散體狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。詳情見表2 所示。

表2 土層參數

（2）水文條件。本工程場地內地下水可劃分為松散巖類孔隙含水巖組及基巖裂隙含水巖組兩大類，且暫未發現明顯的承壓含水層。

松散巖類孔隙潛水主要賦存于淺部的雜填土及上層黏性土中，含水層介質滲透性變化大。本含水層水量較小，水位隨季節性變化，變幅一般小于1.0m。本次勘察期間，鉆孔內量測得到的潛水穩定水位為0.20～4.40m，設計時地下水位一般可按0.50m 進行考慮。

基巖裂隙水主要賦存于碎塊狀強風化、中等風化帶中，由于裂隙張開和密集發育程度、連通、充填情況很不均勻，所以裂隙水的埋藏、分布及水動力特征也非常不均勻，主要受巖性和地質構造控制，透水性及富水性一般較弱，其補給來源主要為含水層側向補給和上部含水層垂直補給，具弱承壓性。

2.2 刀盤參數

刀盤參數如表3 所示。

表3 刀盤參數

2.3 刀盤扭矩驗證

根據表2 中所提供的刀盤參數，結合施工現場相應的地質、水文條件，可以采用第2 節給出的經驗公式算出由于經驗公式準確性較低，可繼續采用理論計算公式計算得出當刀盤刀具貫入度為1cm 推速時，硬巖掘進所需要的力矩：＝69.08t·m。考慮到掘進過程的不可預測性，取安全系數為2，計算可得刀盤最大扭矩理論計算值為1381.6kN·m。

5#～10#井區間實際采用一臺土壓平衡盾構機掘進，刀盤開挖直徑3890mm。刀盤開口率40.5%，最大扭矩1844kN·m。可以看出無論是經驗公式算得的刀盤扭矩值還是理論計算公式得出的刀盤最大扭矩值均與實際工程中應用的盾構刀盤最大扭矩值相接近，由此可見刀盤扭矩的理論計算值具有一定的實際應用意義。

3 盾構主驅動及刀盤布置

3.1 盾構主驅動

刀盤驅動整體采用變頻電機驅動。共配置刀盤驅動電機6 個，總功率可達270kW。主軸承的設計壽命為10,000 小時，此外主驅動密封通過2套密封系統密封，外周密封和內周密封均采用2 道4 指型卷紙密封。詳情見圖1、圖2。

圖1 主驅動性能曲線圖

圖2 主驅動電機圖

3.2 盾構刀具配置

（1）刀具配置情況

刀盤滾刀布置：中心四聯滾刀：1 把，高度110mm；正面滾刀：14 把單聯，高度110mm；邊緣滾刀：7 把單聯，高度110mm；撕裂刀：4 把，高度110mm。

刮刀：正面刮刀24 把，高度80mm；邊緣刮刀28 把，高度80mm。

超挖刀：1 把。

（2）耐磨保護措施。為了保證掘進過程中刀盤及刀具的完好程度，刀盤及刀具應做好耐磨保護措施。刀盤周邊區域帶堆焊耐磨保護，刀盤面板hardox 板耐磨保護，用硬質合金保護耐磨條。另外，刮刀和滾刀全部表面燒耐磨焊，對刀箱和刀背進行耐磨保護。并且在刀盤正面和邊緣各設置1 個液壓式磨損檢測裝置見圖3。

圖3 刀盤外周耐磨保護

4 結束語

（1）通過建立刀盤扭矩的理論計算模型對其進行計算，計算結果可得刀盤扭矩，分別有刀盤滾動阻力扭矩27.49kN·m、石渣提升所需要的扭矩0.35kN·m 和為克服刀盤自重所需要的扭矩41.24kN·m。

（2）經過與實際電力隧道工程情況相結合，考慮了現場地質及水文條件后，可以通過計算得出該工程所需刀盤扭矩理論計算值為1381.6kN·m，實際工程使用盾構刀盤最大扭矩為1844kN·m，可以說明理論計算值在實際工程中具有一定的現實指導意義。

（3）本文僅結合220 千伏東臺-蓋山線路纜化工程，并以其中5#～10#井區間段作為研究背景，所得結果具有一定的局限性，僅可為類似工程情況提供參考。