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

徐逸達(dá)+張拓+何雷

【摘 要】土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是隧道施工中普遍運(yùn)用的機(jī)械設(shè)備。它在城市地鐵建設(shè)中起著關(guān)鍵的作用。為了提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能，有必要建立一套系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的評(píng)價(jià)方法。文章建立了盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能耗、效率和穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)函數(shù)，提出了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的詳細(xì)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

引言

在盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程中，挖掘系統(tǒng)需要對(duì)土體進(jìn)行切割和攪拌，保持開挖面的穩(wěn)定性。刀頭切割系統(tǒng)、盾推進(jìn)系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盾構(gòu)機(jī)的性能評(píng)價(jià)是在一定的地質(zhì)條件下，設(shè)置合理參數(shù)、工程開挖能力和開挖面穩(wěn)定性。從隧道能耗、掘進(jìn)效率和開挖穩(wěn)定性三個(gè)方面，構(gòu)建盾構(gòu)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)施工中的性能展開了評(píng)價(jià)。

一、盾構(gòu)施工法概述

（一）盾構(gòu)施工程序

與采礦方法相比，盾構(gòu)法具有地層開挖、開挖運(yùn)輸、襯砌裝配、聯(lián)合防水和盾尾灌漿的特點(diǎn)。盾構(gòu)操作受到保護(hù)，是一種技術(shù)要求高、技術(shù)全面的施工方法。主要施工程序如下：盾構(gòu)施工良好；盾構(gòu)機(jī)的安裝；入口土壤的加固；盾構(gòu)隧道在初始部分的施工；隧道的連續(xù)掘進(jìn)施工；在護(hù)盾入口處的土體進(jìn)行加固；盾構(gòu)進(jìn)入接收井解體吊出。

（二）盾構(gòu)施工優(yōu)勢(shì)

有著下列優(yōu)勢(shì)：盾構(gòu)隧道施工施工方法及礦井地面作業(yè)施工，隱蔽性良好，噪音和振動(dòng)引起的環(huán)境影響很?。蛔詣?dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工速度快；因?yàn)樗淼酪r砌是預(yù)制的，質(zhì)量能夠得到保障；通過地下建筑和地下管道密集區(qū)域，四周不受建筑的影響；通過河流或海洋，不影響隧道施工，不受氣候影響；對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)、水、軟巖層，保證施工安全；其成本和技術(shù)難度不受土壤覆蓋深度的影響。

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

（一）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。

液壓推力是盾體的驅(qū)動(dòng)力，徑直作用到開挖面的穩(wěn)定性。過度的推力會(huì)導(dǎo)致前土的擠壓和運(yùn)動(dòng)，造成地面抬升，而過度的推力則是土壤運(yùn)動(dòng)的方向，傾向于刀頭的方向，形成地表下沉。液壓推力對(duì)開挖過程有直接影響，是一個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

2.刀盤扭矩。

這是刀頭旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力，徑直作用到工具對(duì)巖石和土壤的切割能力，是護(hù)盾的關(guān)鍵動(dòng)力，使其脫離困境。對(duì)于硬切土來說，增加扭矩是必要的，可是需要適應(yīng)盾的推力，這樣能夠有效防止出現(xiàn)施工事故。

3.刀盤轉(zhuǎn)速。

它是刀盤扭矩設(shè)置的直接表現(xiàn)，其與扭矩的乘積與盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效功率相等。這是評(píng)價(jià)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)能耗的關(guān)鍵指標(biāo)。

4.掘進(jìn)速度。

盾構(gòu)掘進(jìn)的平均速度是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度隨時(shí)間的變化而變化。掘進(jìn)速度與機(jī)器的能耗和效率密切相關(guān)。

5.螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速。

螺旋輸送機(jī)是泥沙去除的主要部件，其速度與扭矩成正比。轉(zhuǎn)速對(duì)地壓箱壓力值的影響是作用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

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

1.土體容重。

它是關(guān)鍵的地質(zhì)參數(shù)之一，一般依照地表下的濕量來計(jì)算，是地質(zhì)條件參數(shù)的全面反映，盾構(gòu)隧道參數(shù)直接相關(guān)，徑直作用到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能。

2.埋深。

它指的是盾構(gòu)面與刀頭中心軸線之間的距離，徑直作用到刀頭和隧道參數(shù)的參數(shù)。深埋深度將使盾構(gòu)機(jī)的壓力控制變得非常有難度，不助于盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定掘進(jìn)。

三、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)

（一）掘進(jìn)能耗的評(píng)價(jià)方法

盾構(gòu)機(jī)的能耗與上一節(jié)所討論的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)密切相關(guān)。性能指標(biāo)是不同的，能耗波動(dòng)是不同的。隧道能量消耗的評(píng)價(jià)方法應(yīng)充分考慮各隧道參數(shù)對(duì)其影響的影響。在工程開挖施工的盾構(gòu)機(jī)之前，首先做準(zhǔn)備工作，根據(jù)預(yù)測(cè)的重要地質(zhì)參數(shù)的地質(zhì)參數(shù)反映了地質(zhì)、地質(zhì)數(shù)據(jù)的比例埋深，水含量，計(jì)算地質(zhì)和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。其次，確定了盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的參數(shù)，如刀頭結(jié)構(gòu)、液壓推力和扭矩，并計(jì)算了驅(qū)動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（二）掘進(jìn)效率的評(píng)價(jià)方法

地質(zhì)參數(shù)的確定可以根據(jù)地質(zhì)方法進(jìn)行。對(duì)盾構(gòu)機(jī)而言，可根據(jù)能耗評(píng)估方法獲得最佳的隧道參數(shù)。根據(jù)機(jī)器的能量消耗水平，計(jì)算了地質(zhì)環(huán)境下盾構(gòu)掘進(jìn)效率的最佳值。在實(shí)際施工中，通過對(duì)實(shí)際記錄參數(shù)的計(jì)算，得出實(shí)際的施工效率值。一般來說，隧道效率的計(jì)算是根據(jù)其評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算的，它屬于維數(shù)，其評(píng)價(jià)中存在一定的誤差。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)它，需要使用歸一化方法將隧道效率轉(zhuǎn)換成無量綱形式，并將無量綱數(shù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)值。在盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率評(píng)價(jià)中，可以采用線性函數(shù)變換法實(shí)現(xiàn)。

（三）穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法

為了保證隧道施工的安全性，保持盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定性是很重要的。大部分安全事故都是由于開挖面不穩(wěn)定引起的。在盾構(gòu)掘進(jìn)中，開挖面土與刀盤推理的主要關(guān)系，由于過度的推理，使得滑移面的土體脫離了刀盤方向，造成地面抬升；相反，太小的推理將會(huì)是切刀方向的土壤。導(dǎo)致地面沉降。所以，應(yīng)該依照土力學(xué)理論對(duì)開挖面穩(wěn)定性展開評(píng)價(jià)。相較于土壤來說，盾構(gòu)機(jī)的切割機(jī)在土體上有著非常大的剛度，有著流動(dòng)性交互的作用，當(dāng)擋土墻起作用時(shí)，由于過大或過小的兩個(gè)推力作用于土壤不穩(wěn)定狀態(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)，在開挖面穩(wěn)定時(shí)，兩種狀態(tài)下的刀斷推力極限。這個(gè)報(bào)告是基于地質(zhì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)記錄的發(fā)展，所以，只有在極端積極的勘探孔中才能準(zhǔn)確地收集到切割頭推力后的地質(zhì)參數(shù)和計(jì)算，通常采用線性插值來獲得在兩個(gè)極端實(shí)際切割器的范圍內(nèi)進(jìn)行正面推力變化的數(shù)值勘探孔，保持開挖面的穩(wěn)定狀態(tài)。

四、結(jié)語

首先，選取關(guān)鍵參數(shù)作為盾構(gòu)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本條件，通過科學(xué)合理的計(jì)算方法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)刀盤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分析方法構(gòu)建駕駛性能函數(shù)，正確評(píng)價(jià)能源消費(fèi)的穩(wěn)定和效率，隧道盾構(gòu)機(jī)在基坑開挖過程中，為了實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道性能綜合評(píng)價(jià)，采取適當(dāng)措施，確保施工安全的前提下完成。

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