土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)方法

【摘要】土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)是隧道建設(shè)工程中常用的機(jī)械設(shè)備，在我國(guó)城市地鐵建設(shè)等隧道施工建設(shè)中發(fā)揮重要作用。為了提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，建立系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)方法十分必要。本文對(duì)盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中的能耗、效率及穩(wěn)定性的方面建立評(píng)價(jià)函數(shù)，提出具體的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的評(píng)價(jià)方法。

【關(guān)鍵詞】土壓平衡；盾構(gòu)機(jī)；掘進(jìn)性能；評(píng)價(jià)方法

盾構(gòu)機(jī)在地下工程的掘進(jìn)過程中，其掘進(jìn)系統(tǒng)需要對(duì)土體進(jìn)行切削、攪拌并且要對(duì)開挖面的穩(wěn)定進(jìn)行維護(hù)。刀盤切削系統(tǒng)、盾體推進(jìn)系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的重要部件，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)是指在一定的地質(zhì)條件下，設(shè)置合理的參數(shù)，系統(tǒng)對(duì)工程掘進(jìn)的能力和開挖面穩(wěn)定性維護(hù)的能力。本文從盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能耗、掘進(jìn)效率以及掘進(jìn)的穩(wěn)定性三方面建立評(píng)價(jià)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能指標(biāo)，丟盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)施工中的性能做出評(píng)價(jià)。

1、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)主要分五個(gè)方面：

（1）盾構(gòu)機(jī)液壓推力。液壓推力是盾體前進(jìn)的推動(dòng)力，直接對(duì)開挖面的穩(wěn)定造成影響過大的推力會(huì)對(duì)前方土體造成擠壓移動(dòng)產(chǎn)生地面隆起，過小的推力會(huì)是土體運(yùn)動(dòng)方向傾向于刀盤方向?qū)е碌乇沓两怠Ｒ簤和屏?duì)掘進(jìn)進(jìn)程有直接的影響，是重要的掘進(jìn)參數(shù)。

（2）刀盤扭矩。它是刀盤旋轉(zhuǎn)工作的動(dòng)力，直接影響刀具對(duì)于巖土的切削能力，更是盾構(gòu)脫困的主要?jiǎng)恿?。?duì)于切削困難的土體，需加大扭矩，但要與盾體推力相適應(yīng)，以避免施工事故的發(fā)生。

（3）刀盤轉(zhuǎn)速。刀盤轉(zhuǎn)速是刀盤扭矩設(shè)定是否合理的直接體現(xiàn)，同時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩的乘積等于盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效功率，是評(píng)價(jià)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)能耗的重要指標(biāo)。

（4）掘進(jìn)速度。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的平均速度，在掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)速度在時(shí)間上是變化的。掘進(jìn)速度與機(jī)器的能耗和工作效率息息相關(guān)。

（5）螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速。螺旋輸送機(jī)是排除渣土的重要部件，其轉(zhuǎn)速與扭矩呈正比。轉(zhuǎn)速影對(duì)土壓倉的壓力值造成影響，是影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的重要指標(biāo)。

1.2盾構(gòu)機(jī)地質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）土體容重。這是地質(zhì)參數(shù)中最重要的一項(xiàng)，通常根據(jù)地平面以下的濕容重來進(jìn)行計(jì)算，是地質(zhì)條件的綜合反映的參數(shù)，與盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)有直接關(guān)聯(lián)，直接影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能。

（2）埋深。埋深是指盾構(gòu)機(jī)地表與刀盤中心軸線的距離，其直接對(duì)刀盤的參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)造成影響，過大的埋深會(huì)使盾構(gòu)機(jī)的壓力控制變的更加困難，不利于盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定掘進(jìn)。

2、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)

2.1掘進(jìn)能耗的評(píng)價(jià)方法

盾構(gòu)機(jī)的能耗與上一段所討論的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)息息相關(guān)，性能指標(biāo)的不同，能耗波動(dòng)也不同，建立掘進(jìn)能耗的評(píng)價(jià)方法，要充分考慮各掘進(jìn)參數(shù)對(duì)其的影響比重。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行工程掘進(jìn)施工之前，首先要做好準(zhǔn)備工作，根據(jù)地質(zhì)資料所反映的地質(zhì)參數(shù)對(duì)地質(zhì)比重、埋深、含水量等各項(xiàng)重要地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算出影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性男女的地質(zhì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。其次要對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，如：刀盤結(jié)構(gòu)、液壓推力、扭矩等參數(shù)進(jìn)行確定，計(jì)算掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)能耗E的值和期望值E 的比值的百分比ε作為實(shí)際掘進(jìn)能耗水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)器能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖1所示：

當(dāng)ε為正值時(shí)，說明實(shí)際掘進(jìn)能耗比預(yù)期的能耗高，ε值越大掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定越不合理，另外還要考慮到地質(zhì)因素對(duì)掘進(jìn)性能的影響。

2.2掘進(jìn)效率的評(píng)價(jià)方法

任何地質(zhì)參數(shù)的確定，都可以根據(jù)地質(zhì)學(xué)的方法來進(jìn)行。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)來說，其最佳掘進(jìn)參數(shù)可以根據(jù)能耗評(píng)價(jià)的方法來獲取。根據(jù)機(jī)器的能耗水平，對(duì)改地質(zhì)環(huán)境下的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率計(jì)算出最佳值。在實(shí)際的施工中，通過對(duì)施工中實(shí)際記錄的各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，得到實(shí)際掘進(jìn)施工的效率值。通常來說，掘進(jìn)效率的計(jì)算是根據(jù)其評(píng)價(jià)函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算的，屬于有量綱，對(duì)其評(píng)估是有一定的誤差存在的。為了更加準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)掘進(jìn)效率值采用歸一化的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，使其轉(zhuǎn)化為無量綱的形式，將量綱數(shù)字向相對(duì)數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在評(píng)價(jià)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率是，可采用線性函數(shù)轉(zhuǎn)換的方法來實(shí)現(xiàn)。以來表示歸一轉(zhuǎn)換后的掘進(jìn)效率，以和來分別表示盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率的最大值和最小值，則其關(guān)系式為：

（1）

2.3穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法

要保證掘進(jìn)施工的安全，保持盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定非要重要，大部分的安全事故都是因?yàn)殚_挖面失去穩(wěn)定性導(dǎo)致的。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過程中國(guó)，開挖面土體是否穩(wěn)定跟刀盤的推理有主要的關(guān)系，過大的推理會(huì)使土體在滑移面上向遠(yuǎn)離刀盤的方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致地面產(chǎn)生隆起；相反，過小的推理會(huì)是土體向刀盤方向滑移運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致地面產(chǎn)生沉降。因此，開挖面穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)需要根據(jù)土力學(xué)理論來建立。相對(duì)于土體來說，盾構(gòu)機(jī)的刀盤有更大的剛度，在土體有交互流動(dòng)性的情況下也將刀盤作為擋土結(jié)構(gòu)發(fā)揮擋土墻的作用，將過大和過小兩種推力對(duì)土體失穩(wěn)狀態(tài)作為建立盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，刀盤推力處于兩種極限的中間狀態(tài)時(shí)，開挖面是穩(wěn)定的。

地質(zhì)報(bào)告是根據(jù)探孔的數(shù)據(jù)記錄來制定的，因此采集后的地質(zhì)參數(shù)和計(jì)算得到的刀盤正面推力極值只有在探孔處才為準(zhǔn)確值，通常使用線性插值來得到探孔之間的數(shù)值，實(shí)際刀盤正面推力變化應(yīng)保持在兩個(gè)極值的范圍內(nèi)，才能使開挖面保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

3、結(jié)語

進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定首先要選擇關(guān)鍵參數(shù)作為基礎(chǔ)條件，通過科學(xué)合理的計(jì)算方法活動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。再根據(jù)刀盤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分析方法進(jìn)行掘進(jìn)性能函數(shù)的構(gòu)建，對(duì)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的能耗、掘進(jìn)的效率和掘進(jìn)的穩(wěn)定性進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)，以達(dá)到對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的整體綜合評(píng)價(jià)，采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC在安全施工的前提下，達(dá)到低能耗、高效率的完成隧道掘進(jìn)施工。

參考文獻(xiàn)

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