盾構直接掘進含孤石地層的刀盤刀具振動相似模型試驗*

曾垂剛，陳瑞祥，楊振興，姜宗恒，王國安，趙 毅

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2.中國中鐵隧道集團有限公司，廣東 廣州 511458；3.中國中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

含孤石地層是盾構隧道工程遭遇的不良地質條件之一[1-3]，屬于花崗巖的不均勻風化層，常見于珠三角地區。由于孤石埋藏分布是隨機的，且性狀各異，大小不同，單軸抗壓強度可達到200MPa，因此盾構掘進含孤石地層有較大施工風險，導致盾構姿態和掘進方向難以控制，刀具過量磨損，進而引起地層噴涌、塌方、刀盤被卡、主軸承損壞或密封破壞等嚴重事故[4]。

目前，盾構隧道對含孤石地層的應對措施主要為超前探測、預處理、盾構掘進控制3個方面。超前探測方法主要為鉆探方法和工程物探方法。由于孤石分布無規律，尺寸不均，鉆探方法無法準確、全面探測隧道沿線孤石情況[5]；工程物探方法屬于間接探測方法，應用較多的有地震法、聲波探測法、孔中雷達法[6-7]。近幾年，部分學者試圖通過掘進參數識別孤石，如周慶祥等[8]提出掘進參數過渡態的概念，并通過研究過渡態的掘進參數變化特征來識別孤石。劉建東等[9]、王旭東[10]結合盾構掘進參數，建立孤石地層SM識別模型及神經網絡識別模型，利用盾構掘進數據驗證了修正比能法和神經網絡的識別效果。處理孤石的方法較多，且處理經驗豐富[11-13]，如地表預處理方法、洞內處理方法等。孤石預處理方法受周邊環境的影響較大，且應綜合考慮技術、成本、工期、安全等因素。對于盾構掘進控制方法，通過控制盾構掘進參數以減少對周圍地層的擾動影響，從而達到破巖和掘進的目的[14-16]。

利用盾構機直接掘進含孤石地層的控制方法具有施工效率高、工期短等特點，一方面對超前探測方法起到補充作用，確保掘進安全、高效；另一方面減小了地層預處理的繁雜工程量。盾構直接掘進含孤石地層過程中刀盤刀具承受循環偏載、應力集中等非均布反作用力，刀盤刀具存在局部振動損傷、圍巖擾動過大等問題。

目前，對于盾構直接掘進含孤石地層的刀盤刀具振動損傷規律還未有深入研究，因此刀盤刀具結構防振動損傷設計缺乏依據。為了明確盾構直接掘進含孤石地層的刀盤刀具振動規律，本文通過室內相似模型試驗模擬全盤滾刀直接掘進含孤石地層過程，測取模擬含孤石地層與刀盤刀具不同點位的振動加速度時程曲線，經過數據處理，研究地層和刀盤刀具的振動規律，并提出了刀盤刀具對含孤石地層的結構設計要求。

1 刀盤刀具直接掘進含孤石地層的室內試驗

依托國內某超大直徑海灣隧道工程，采用盾構及掘進技術國家重點實驗室的盾構TBM多模態綜合試驗臺開展全盤滾刀直接掘進含孤石地層的室內模型試驗，如圖1所示。通過配制孤石地層相似材料，布設地層與刀盤的振動加速度傳感器，控制相似試驗的刀盤掘進參數，實現盾構直接掘進含孤石地層的過程模擬，測取地層與刀盤不同點位的振動加速度時程曲線。

圖1 盾構TBM多模態綜合試驗臺

1.1 盾構TBM多模態綜合試驗臺

盾構TBM多模態綜合試驗臺主要包括掘進控制系統、模型箱、出渣系統等，可實現刀盤刀具的垂直與水平向掘進破巖過程模擬。試驗臺刀盤共安裝有14把單刃滾刀，其滾刀刀座安裝在滑槽內，可實現滾刀的不同破巖半徑及刀具間距的自由調整。刀盤的垂向運動由4個液壓缸控制，可實現刀盤滾刀的垂向破巖掘進。刀盤的旋轉運動由另一個液壓缸控制，可實現刀盤的環向滾動破巖。刀盤推進液壓油缸的最大總推力達4 000kN，旋轉液壓缸的總功率達2 500kN·m。刀盤的最大推進速度和旋轉速度分別為50mm/min和6r/min。

模型箱用于澆筑或放置開挖地層。如果開挖地層為相似材料，通過在模型箱內澆筑和夯壓相似材料，可實現對含孤石地層的模擬。模型箱外徑為2 280mm。

1.2 含孤石地層模型

1.2.1相似材料

由于無法獲取該海灣隧道工程的海底孤石，因此考慮采用相似材料模擬含孤石地層。首先，根據Froude Similitude Proportion比例定律及海灣隧道盾構直徑與多模態綜合試驗臺刀盤直徑，計算長度比尺KL為1/6.55、應力比尺Kσ為1/5、力比尺KF為1/124.51、扭矩比尺Kw為1/1 405.04、時間比尺KT為1/2.56。

根據對含孤石地層的鉆孔勘探，含孤石地層段的軟土為中、粗砂，孤石為微風化花崗巖，球狀，直徑達5.5m，占隧道開挖面1/3。孤石的物理力學參數如表1所示。根據相似比尺，計算相似材料的力學參數如表2所示。

表1 孤石力學參數

表2 相似材料力學參數

為了獲得配制相似材料的基材比例，如水灰比、水砂比、骨料比等，選用42.5號普通硅酸鹽水泥、中粗砂、重晶石粉、礦渣作為不同相似材料配合比設計的基本材料開展正交試驗。根據設計的8組微風化花崗巖相似材料配合比，制作成φ50×100相似材料試樣，如圖2所示。對相似試樣開展室內試驗測取單軸抗壓強度、密度和彈性模量，并選擇滿足物理力學參數相似要求的相似配合比。最終，微風化花崗巖的最優相似材料配合比如表3所示。

圖2 相似材料巖樣

表3 相似材料配比和室內試驗結果

1.2.2含孤石地層模型

根據該海灣隧道工程地質情況，中粗砂層采用細砂堆填，定義強度為0MPa；孤石采用已配制相似材料立模澆筑而成，單軸抗壓強度為44.16MPa，孤石模型直徑為0.84m，高度為0.8m，呈圓柱狀。

含孤石地層采用圓形模板澆筑孤石模型，待孤石養護完成后，拆除模板，并填筑細砂至高度0.8m，如圖3所示。

圖3 含孤石地層模型及傳感器布設

1.2.3傳感器布設

在巖盤模擬土層內布設加速度傳感器1個，埋深0.4m，測取x，y，z3個方向加速度，其中z方向為盾構機掘進方向，x，y方向平行于巖盤面。在孤石模型中布設4個應變片測點，每個測點測取3個方向應變量；布設1個三向加速度傳感器，布置在10號滾刀軌跡線，具體如圖3所示。

另外，刀盤的6個部位布設三向加速度傳感器，如圖4所示，半徑與位置如表4所示。

表4 刀盤上加速度傳感器安裝半徑和位置

圖4 刀盤加速度傳感器布設

1.3 刀盤刀具直接掘進

根據該海灣隧道工程盾構掘進參數和相似比尺，設定刀盤轉速為0.1～1.6r/min。考慮到孤石掘進困難，降低刀盤轉速開展試驗，刀盤轉速采用0.1，0.3，0.8r/min 3個控制參數，每個參數下設置2，5，8，11，14，17，20，23，26，29，32mm/min等多個推進速度，共記錄33組掘進參數下的動態數據，如表5所示。

表5 掘進參數

試驗過程中，持續不間斷記錄三向加速度值的時域曲線，動態監測相似地層與刀盤的振動變化。

2 試驗結果分析

2.1 巖盤內置加速度

統計與分析巖盤內置加速度傳感器數據，對時程曲線進行傅里葉轉換，得到加速度值頻域曲線。根據孤石模型內的加速度傳感器產生的振動曲線可以看出：不同位置的振動傳感器振動加速度時程曲線稍有差異，這與傳感器所處滾刀滾壓軌跡有關；刀盤滾刀破巖引起地層微應變，使得地層振動頻率偏低，振幅偏小；滾刀掘進孤石地層中，地層振動屬于低頻振動，地層振動頻率僅為0～5Hz。

2.2 刀盤各測點振動加速度有效均值

三向振動加速度傳感器可以測取x，y，z方向振動加速度值，方向兩兩垂直。規定x方向為刀盤徑向方向，y方向為刀盤環向方向，z方向為刀盤掘進方向(即刀盤軸向方向)。根據擬定3組刀盤轉速，開展刀盤刀具掘進孤石地層的試驗，記錄、篩選刀盤各測點振動加速度值。N4加速度傳感器在3個方向的振動加速度隨時間變化如圖5所示。

圖5 N4測點三向振動加速度變化曲線

由于刀盤旋轉破巖，則N4測點的三向振動加速度值整體呈正余弦分布，每個時刻點扣除重力加速度后為測點實際三向振動加速度值。

記錄、篩選、整理每組掘進參數各測點的三向振動加速度值，并計算各組掘進參數各測點加速度值的平均值、有效值等。依據各測點位置半徑繪制3組刀盤轉速下6個測點的三向振動加速度有效值曲線，如圖6～8所示。

圖6 N1～N6測點在5個刀盤轉速下x方向加速度幅值有效均值

圖7 N1～N6測點在5個刀盤轉速下y方向加速度幅值有效均值

圖8 N1～N6測點在5個刀盤轉速下z方向加速度幅值有效均值

由圖6～8可知，各測點三向振動加速度值隨刀盤轉速的變化趨勢相同，且x，y方向振動加速度隨刀盤轉速增大趨勢明顯，z方向振動加速度有減小趨勢，但相差不大；分析其原因，增大刀盤轉速，可以降低刀盤環向振動加速度。

同時，隨各測點半徑從小到大排列，刀盤x方向、z方向振動加速度值沿刀盤直徑方向整體呈增大趨勢，y方向振動加速度值相差不大。N1，N5，N2測點的振動加速度值在x方向、z方向存在“W”形變化。分析其原因，各測點的振動加速度值與刀盤結構具有較大關系，雖然N1，N5，N2測點半徑相近，但N5的結構剛度優于N1，N2測點結構剛度，因此N5的振動加速度有效值小于N1，N2的振動加速度有效值。由此推斷，建議盾構掘進含孤石地層時，應根據孤石位置適當增大其破巖滾刀處的結構剛度。

3 結語

為了獲得盾構掘進孤石地層過程中刀盤振動響應規律，依托國內某超大直徑海灣隧道工程開展刀盤滾刀掘進含孤石地層的室內模型試驗。通過計算相似比尺，選用42.5號普通硅酸鹽水泥、中粗砂、重晶石粉、礦渣配制相似材料，制作含孤石的地層模型，并對刀盤不同位置采用加速度傳感器監測刀盤振動加速度值，開展了33組掘進參數下刀盤掘進含孤石地層試驗。從試驗結果可以得出如下結論。

1)盾構掘進含孤石地層時，地層振動頻率僅為0～5Hz，屬于低頻振動。

2)從刀盤轉速對振動加速度值的影響來看，刀盤不同位置的徑向、軸向振動加速度值隨刀盤轉速增大而增大，環向方向振動加速度值變化不大。因此，刀盤結構設計中宜考慮刀盤徑向、軸向的振動響應。

3)刀盤不同位置的振動加速度值與刀盤結構關系密切，結構剛度越大，振動加速度越小。因此，盾構刀盤設計中宜根據地層軟硬不均程度調整刀盤結構剛度。