小直徑盾構(gòu)穿越復(fù)合地層刀盤扭矩優(yōu)化研究

郭忠猛 陳小星 王領(lǐng)兵

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

小直徑盾構(gòu)機(jī)一般指直徑2～4.2m 的盾構(gòu)，小直徑盾構(gòu)在施工過程中具有開挖直徑小、對地面環(huán)境擾動較小等特點(diǎn)，主要應(yīng)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(shè)施綜合管道工程[1-4]。之前由于我國盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的閑置，國內(nèi)小直徑盾構(gòu)較少，地下綜合管廊的建設(shè)只能通過借用修建地鐵使用的盾構(gòu)，導(dǎo)致綜合管廊的造價較高。最近幾年我國盾構(gòu)事業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，我國擁有了能夠自主生產(chǎn)小直徑盾構(gòu)的能力，對于小直徑盾構(gòu)的應(yīng)用也逐漸變多。

雖然小直徑盾構(gòu)的刀盤扭矩相較于地鐵修建所用盾構(gòu)較小，但刀盤扭矩仍是盾構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重要參數(shù)，同時也是盾構(gòu)施工過程中需要時刻關(guān)注的控制參數(shù)。盾構(gòu)在穿越復(fù)合地層時，刀盤扭矩過大很容易造成盾構(gòu)卡死的現(xiàn)象，而刀盤扭矩過小則會導(dǎo)致盾構(gòu)不能正常推進(jìn)，嚴(yán)重時很容易造成刀盤、刀具的嚴(yán)重磨損。為此，徐前衛(wèi)[5]通過應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)方法研究了在均勻地層中盾構(gòu)刀盤切削扭矩計(jì)算的問題，總結(jié)出了在不同埋深、刀盤開口率及不同轉(zhuǎn)速的情況下刀盤扭矩的變化規(guī)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(gòu)刀盤扭矩的計(jì)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(shè)備運(yùn)行和狀態(tài)參數(shù)的盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩精確預(yù)測的新興混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（HDNN），可以用于在各種不同情況地質(zhì)條件下精準(zhǔn)預(yù)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(gòu)刀盤扭矩的計(jì)算方法及其影響因素做出了相應(yīng)研究，總結(jié)了不同影響因素對于刀盤扭矩的影響程度。

眾多學(xué)者針對刀盤扭矩在不同地質(zhì)條件下的預(yù)測都展開了理論分析與數(shù)值計(jì)算，同時積累了大量的成果。但對于小直徑盾構(gòu)穿越復(fù)合地層刀盤所需扭矩問題沒有具體結(jié)論，本文通過實(shí)際工程項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)、水文條件對刀盤扭矩值進(jìn)行理論計(jì)算，分析其適用性[5-6]。

1 刀盤扭矩計(jì)算模型

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式

刀盤驅(qū)動扭矩可按經(jīng)驗(yàn)公式得出：

表1 α取值范圍

1.2 理論計(jì)算公式

盾構(gòu)在硬巖掘進(jìn)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(gòu)在硬巖中掘進(jìn)的扭矩

2 某纜化隧道工程實(shí)例分析

2.1 工程特征分析

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

（1）地質(zhì)條件。5#～10#井范圍內(nèi)區(qū)間隧道穿越的地層主要為：粉質(zhì)黏土、淤泥、殘積粘性土、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。詳情見表2 所示。

表2 土層參數(shù)

（2）水文條件。本工程場地內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(zhì)滲透性變化大。本含水層水量較小，水位隨季節(jié)性變化，變幅一般小于1.0m。本次勘察期間，鉆孔內(nèi)量測得到的潛水穩(wěn)定水位為0.20～4.40m，設(shè)計(jì)時地下水位一般可按0.50m 進(jìn)行考慮。

基巖裂隙水主要賦存于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化帶中，由于裂隙張開和密集發(fā)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(zhì)構(gòu)造控制，透水性及富水性一般較弱，其補(bǔ)給來源主要為含水層側(cè)向補(bǔ)給和上部含水層垂直補(bǔ)給，具弱承壓性。

2.2 刀盤參數(shù)

刀盤參數(shù)如表3 所示。

表3 刀盤參數(shù)

2.3 刀盤扭矩驗(yàn)證

根據(jù)表2 中所提供的刀盤參數(shù)，結(jié)合施工現(xiàn)場相應(yīng)的地質(zhì)、水文條件，可以采用第2 節(jié)給出的經(jīng)驗(yàn)公式算出由于經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確性較低，可繼續(xù)采用理論計(jì)算公式計(jì)算得出當(dāng)?shù)侗P刀具貫入度為1cm 推速時，硬巖掘進(jìn)所需要的力矩：＝69.08t·m。考慮到掘進(jìn)過程的不可預(yù)測性，取安全系數(shù)為2，計(jì)算可得刀盤最大扭矩理論計(jì)算值為1381.6kN·m。

5#～10#井區(qū)間實(shí)際采用一臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，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(jīng)驗(yàn)公式算得的刀盤扭矩值還是理論計(jì)算公式得出的刀盤最大扭矩值均與實(shí)際工程中應(yīng)用的盾構(gòu)刀盤最大扭矩值相接近，由此可見刀盤扭矩的理論計(jì)算值具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

3 盾構(gòu)主驅(qū)動及刀盤布置

3.1 盾構(gòu)主驅(qū)動

刀盤驅(qū)動整體采用變頻電機(jī)驅(qū)動。共配置刀盤驅(qū)動電機(jī)6 個，總功率可達(dá)270kW。主軸承的設(shè)計(jì)壽命為10,000 小時，此外主驅(qū)動密封通過2套密封系統(tǒng)密封，外周密封和內(nèi)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(qū)動性能曲線圖

圖2 主驅(qū)動電機(jī)圖

3.2 盾構(gòu)刀具配置

（1）刀具配置情況

刀盤滾刀布置：中心四聯(lián)滾刀：1 把，高度110mm；正面滾刀：14 把單聯(lián)，高度110mm；邊緣滾刀：7 把單聯(lián)，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(hù)措施。為了保證掘進(jìn)過程中刀盤及刀具的完好程度，刀盤及刀具應(yīng)做好耐磨保護(hù)措施。刀盤周邊區(qū)域帶堆焊耐磨保護(hù)，刀盤面板hardox 板耐磨保護(hù)，用硬質(zhì)合金保護(hù)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(jìn)行耐磨保護(hù)。并且在刀盤正面和邊緣各設(shè)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(hù)

4 結(jié)束語

（1）通過建立刀盤扭矩的理論計(jì)算模型對其進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(jīng)過與實(shí)際電力隧道工程情況相結(jié)合，考慮了現(xiàn)場地質(zhì)及水文條件后，可以通過計(jì)算得出該工程所需刀盤扭矩理論計(jì)算值為1381.6kN·m，實(shí)際工程使用盾構(gòu)刀盤最大扭矩為1844kN·m，可以說明理論計(jì)算值在實(shí)際工程中具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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