盾構(gòu)施工耗電的影響因素分析

徐嘯天，周 哲，廖少明

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092;2.中國(guó)建筑股份有限公司，北京市 100037）

0 引言

現(xiàn)今我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)，加快推進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展腳步，使得盾構(gòu)機(jī)越來(lái)越廣泛地被運(yùn)用于城市地鐵隧道工程中。因此，探究盾構(gòu)機(jī)的綠色施工措施，在工程建設(shè)中落實(shí)建設(shè)部《綠色施工導(dǎo)則》提出的“四節(jié)一環(huán)?！保ü?jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)）的要求，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

而當(dāng)今對(duì)于盾構(gòu)機(jī)能耗的研究較少，主要的研究方向都集中在對(duì)于盾構(gòu)施工工法及對(duì)環(huán)境的影響上。全文從理論分析盾構(gòu)機(jī)施工的耗電機(jī)理入手，結(jié)合深圳地鐵九號(hào)線(xiàn)的工程資料為佐證，來(lái)探究盾構(gòu)機(jī)施工耗電的影響因素。本文期望通過(guò)分析盾構(gòu)機(jī)耗機(jī)理，給盾構(gòu)機(jī)的綠色施工研究提供新的研究角度。

1 理論分析

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)通常包括刀盤(pán)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)及后配套系統(tǒng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，盾構(gòu)機(jī)切削土體的刀盤(pán)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的主要耗電部件。以下主要通過(guò)研究刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能效果來(lái)探究盾構(gòu)機(jī)參數(shù)、施工工藝及施工環(huán)境等因素對(duì)盾構(gòu)施工耗電的影響。

1.1 刀盤(pán)功率與刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)角速度的關(guān)系

刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用于驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力系統(tǒng)，其耗能效果為使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)對(duì)土體進(jìn)行切削。盾構(gòu)系統(tǒng)能量的損耗主要為機(jī)械發(fā)熱損耗及挖掘速度改變產(chǎn)生的損耗，可以通過(guò)研究刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)功率來(lái)研究刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的耗電問(wèn)題。

刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)做功功率P=T×W，暨刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的功率等于刀盤(pán)所受扭矩乘以刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角速度。由于在隧道挖掘過(guò)程中，為保持穩(wěn)定，刀盤(pán)推進(jìn)角速度一般變化不大，因此刀盤(pán)功率與刀盤(pán)扭矩有較高的線(xiàn)性關(guān)系。

結(jié)合工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論：刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)做功，將刀盤(pán)扭矩與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速相乘與實(shí)際刀盤(pán)功率作圖，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)際刀盤(pán)功率—刀盤(pán)轉(zhuǎn)速×刀盤(pán)扭矩圖

可以看出刀盤(pán)功率與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和刀盤(pán)扭矩的乘積有較為明晰的線(xiàn)性關(guān)系，判斷系數(shù)R2為0.9986，因此驗(yàn)證理論分析結(jié)果有效。

1.2 影響因素定性分析

討論影響刀盤(pán)功率的影響因素，除較為穩(wěn)定的推進(jìn)角速度外，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)扭矩主要由刀盤(pán)正面的摩擦阻力扭矩、刀盤(pán)側(cè)面的摩擦阻力扭矩、刀盤(pán)背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩、刀盤(pán)切削阻力扭矩、軸承旋轉(zhuǎn)的阻力扭矩和刀盤(pán)密封摩擦的阻力扭矩6部分組成。研究顯示[1]，刀盤(pán)正面的摩擦阻力扭矩、刀盤(pán)側(cè)面的摩擦阻力扭矩、刀盤(pán)背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩三項(xiàng)占總刀盤(pán)扭矩的90%以上，因此對(duì)刀盤(pán)扭矩的組成進(jìn)行簡(jiǎn)化修正。

定義T為刀盤(pán)扭矩，單位為kN·m；T1為刀盤(pán)正面的摩擦阻力扭矩，單位為kN·m；T2為刀盤(pán)側(cè)面的摩擦阻力扭矩，單位為kN·m；T3為刀盤(pán)背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩，單位為kN·m，則可得到刀盤(pán)扭矩的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

以下通過(guò)探究刀盤(pán)扭矩的各組成分項(xiàng)計(jì)算式來(lái)尋找刀盤(pán)扭矩的影響因素：

（1）刀盤(pán)正面的摩擦阻力扭矩T1

刀盤(pán)在切削土體過(guò)程中，其正面將與掌子面前方土體發(fā)生摩擦，產(chǎn)生的摩擦力扭矩T1為：

式中：Q1為刀盤(pán)頂部水平土壓，kPa；Q2為刀盤(pán)底部水平土壓，kPa；η為刀盤(pán)開(kāi)口率；f為土與刀盤(pán)表面之間的摩擦系數(shù)。

（2）刀盤(pán)側(cè)面的摩擦阻力扭矩T2

刀盤(pán)側(cè)面在垂直土壓力和水平土壓力的作用下產(chǎn)生摩擦阻力，由此產(chǎn)生的側(cè)面摩擦阻力扭矩為：

式中：Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；γ為刀盤(pán)周?chē)馏w的容重，kN·m3；H 為地表至刀盤(pán)中心的距離，m；B為刀盤(pán)外沿寬度，m。

（3）刀盤(pán)背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩T3

類(lèi)似與刀盤(pán)正面摩擦阻力扭矩，刀盤(pán)背面與渣土接觸發(fā)生摩擦，由此產(chǎn)生的摩擦阻力扭矩T31為：

式中：k'為艙內(nèi)土壓力與開(kāi)挖面上土壓力的比值；fk為刀盤(pán)背面與渣土的摩擦系數(shù)。

假設(shè)攪拌翼板在土倉(cāng)內(nèi)攪拌渣土?xí)r各方向上所受土壓力相等，且等于相同開(kāi)挖深度開(kāi)挖面土體的豎向土壓力，則攪拌翼摩擦阻力扭矩T32為：

式中：k為側(cè)壓力系數(shù)；n為攪拌翼的數(shù)量，個(gè)；γ'為土艙內(nèi)渣土的容重，kN·m3；Hk為地表到攪拌翼的高度，m；Dk為攪拌翼直徑，m；Lk為攪拌翼長(zhǎng)度，m；Rk為攪拌翼到刀盤(pán)中軸線(xiàn)的距離，m。

因此，刀盤(pán)背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩為：T3=T31+T32[2]。

可以看出，刀盤(pán)扭矩的影響因素有：盾構(gòu)頂?shù)撞客翂毫Α⑼馏w容重、盾構(gòu)埋深、刀盤(pán)開(kāi)口率、土和刀盤(pán)的摩擦系數(shù)、刀盤(pán)寬度，主動(dòng)土壓力系數(shù)及攪拌翼的相關(guān)參數(shù)。將上述參數(shù)分為四大類(lèi)：土質(zhì)情況、盾構(gòu)埋深、施工參數(shù)和盾構(gòu)參數(shù)。在實(shí)際隧道挖掘過(guò)程中，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的變化不大，因此刀盤(pán)耗電量與刀盤(pán)扭矩近似線(xiàn)性關(guān)系，暨上述刀盤(pán)扭矩的影響因素可視為盾構(gòu)機(jī)耗電量的影響因素。

1.3 盾構(gòu)機(jī)耗電量的影響因素定量分析

在確定盾構(gòu)機(jī)耗電量的影響因素后，以下結(jié)合理論計(jì)算公式，對(duì)上述四類(lèi)因素對(duì)盾構(gòu)機(jī)耗電量影響的大小進(jìn)一步分析。

（1）耗電量與土質(zhì)情況的關(guān)系

經(jīng)理論分析，影響刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)耗電量的土體參數(shù)有：土體的內(nèi)摩擦角φ、土體容重γ、土和刀盤(pán)的摩擦系數(shù)。

當(dāng)?shù)侗P(pán)的鋼材材質(zhì)變化不大的情況下，刀盤(pán)與土體的摩擦系數(shù)與土體的內(nèi)摩擦角φ成線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。而主動(dòng)土壓力系數(shù)與土體的內(nèi)摩擦角φ亦有直接關(guān)系。同時(shí)有研究顯示[3,4]，土和刀盤(pán)的摩擦系數(shù)與扭矩成線(xiàn)性關(guān)系，土和刀盤(pán)的摩擦系數(shù)每降低0.1，扭矩降低35%～40%。當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速變化不大的前提下，刀盤(pán)耗電量增加值也接近35%～40%。而當(dāng)?shù)侗P(pán)材質(zhì)一定的情況下，土體的內(nèi)摩擦角φ和土與刀盤(pán)的摩擦系數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系。

綜合上述結(jié)論可知，對(duì)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗電有影響的土體參數(shù)均與土體的內(nèi)摩擦角φ有線(xiàn)性關(guān)系，因此可將影響刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)耗電的土體參數(shù)設(shè)置為土體的內(nèi)摩擦角φ。

（2）耗電量與盾構(gòu)埋深的關(guān)系

由理論分析可知，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗電量和盾構(gòu)頂、底部土壓力及盾構(gòu)中線(xiàn)至地面的距離有關(guān)。忽略土體容重造成的影響，可將上述因素整合為盾構(gòu)埋深對(duì)盾構(gòu)機(jī)耗電量的影響。

代入刀盤(pán)扭矩的計(jì)算公式，T=1.1（T1+T2+T3）可以推得，相同條件下，埋深每增加10%，刀盤(pán)扭矩增加11%～15%，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速變化不大，刀盤(pán)耗電量增加值也接近11%～15%。

（3）耗電量與施工參數(shù)的關(guān)系

刀盤(pán)的推進(jìn)轉(zhuǎn)速會(huì)影響刀盤(pán)功率。在刀盤(pán)扭矩不變的情況下，刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速與刀盤(pán)額定功率成線(xiàn)性關(guān)系，而盾構(gòu)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)的推進(jìn)速度兩者呈線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。因此，可以用盾構(gòu)的推進(jìn)速度反映盾構(gòu)機(jī)挖掘推進(jìn)的操作情況。

當(dāng)?shù)侗P(pán)扭矩變化不大的前提下，刀盤(pán)功率與盾構(gòu)的推進(jìn)速度成線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度增大時(shí)，盾構(gòu)機(jī)耗電相應(yīng)增大，增大比率與盾構(gòu)參數(shù)相關(guān)。

（4）耗電量與盾構(gòu)技術(shù)參數(shù)的關(guān)系

影響刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗電量的盾構(gòu)參數(shù)為：刀盤(pán)開(kāi)口率，攪拌翼數(shù)量、直徑、長(zhǎng)度，刀盤(pán)寬度等。研究顯示[5]，刀盤(pán)開(kāi)口率與扭矩成線(xiàn)性關(guān)系，開(kāi)口率每增加10%，扭矩降低8%～10%。但由于此類(lèi)設(shè)計(jì)參數(shù)在設(shè)計(jì)前期確定，施工時(shí)調(diào)整的可能性較小，對(duì)盾構(gòu)施工耗電的影響性較低。

2工程實(shí)例數(shù)據(jù)驗(yàn)證

本節(jié)結(jié)合深圳地鐵9號(hào)線(xiàn)工程耗電數(shù)據(jù)，分析實(shí)際工程中盾構(gòu)機(jī)耗電量的影響因素及影響效果，并與理論分析結(jié)果相比較。

2.1 耗電量與土質(zhì)的關(guān)系

在實(shí)際狀況中，地質(zhì)情況復(fù)雜，當(dāng)?shù)刭|(zhì)堅(jiān)硬或復(fù)雜，為保證施工的正常進(jìn)度及安全性，挖掘需做更多的功，譬如將硬質(zhì)巖石切削為小塊以便運(yùn)輸，此時(shí)施工將耗費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間，盾構(gòu)機(jī)耗能也將隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而增加。

結(jié)合實(shí)際工程狀況分析，環(huán)耗電量明顯變大處，土質(zhì)的硬度明顯上升，施工現(xiàn)場(chǎng)也反映由于此段土質(zhì)的變化而導(dǎo)致的施工時(shí)間明顯受到影響。為了量化地體現(xiàn)土質(zhì)硬度和不同土層分布的情況，引入等效土層剪切波速作為指標(biāo)反映開(kāi)挖面上土質(zhì)狀況：

參考地質(zhì)勘測(cè)的各土層的剪切波速，按不同土層所占比例將對(duì)應(yīng)土層剪切波速加權(quán)平均得到等效剪切波速。6-2土層的土層剪切波速為183.42m/s，12-1土層的土層剪切波速為300.38m/s，12-2土層的土層剪切波速為480.37m/s，12-3土層的土層剪切波速為895.87m/s，12-4土層的土層剪切波速為1447.90m/s，根據(jù)地勘資料將土層按分布情況根據(jù)系數(shù)折減，將每個(gè)開(kāi)挖面對(duì)應(yīng)為183.42m/s到1447.90m/s之間。以每100m/s波速區(qū)間劃分單元，取各區(qū)間耗電量平均值繪制柱狀圖，整理所得平均耗電量的柱狀圖，見(jiàn)圖2。

圖2 平均等效土層剪切波速—平均環(huán)累計(jì)用電量圖

圖中等效剪切波速為350m/s及以下，代表該部分以軟弱場(chǎng)地土為主，等效剪切波速為350m/s至850m/s，代表該部分為中軟場(chǎng)地土為主，等效剪切波速大于950m/s，代表該部分為中硬場(chǎng)地土為主?？梢钥闯?，隨著等效土層剪切波速代表的土層硬度的逐漸增大，盾構(gòu)的每環(huán)耗電量也有增大的趨勢(shì)，即土層整體硬度相對(duì)較大時(shí)，區(qū)間隧道環(huán)開(kāi)挖會(huì)需要更多的能量。

綜上，得出結(jié)論盾構(gòu)耗電量與地層硬度有較為明顯的正相關(guān)關(guān)系，與理論分析相符。

2.2 耗電量與埋深的關(guān)系

結(jié)合工程狀況，取土質(zhì)條件相近的一段長(zhǎng)度為50m的隧道段，埋深從16m加至18m均勻加大，共10環(huán)，環(huán)耗電量與埋深關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 盾構(gòu)環(huán)耗電量—埋深關(guān)系圖

圖3中看出，埋深加大11%，耗電量增加19%左右，與理論部分的分析相比，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速變化不大的前提下，埋深每增加10%，刀盤(pán)耗電量增加量接近11%～15%，結(jié)論較為接近。

2.3 耗電量與施工參數(shù)的關(guān)系

將環(huán)刀盤(pán)的平均推進(jìn)速度及盾構(gòu)機(jī)功率數(shù)據(jù)整理得到圖4。

圖4 盾構(gòu)機(jī)功率—平均推進(jìn)速度圖

可以看出，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的功率與推進(jìn)的速度有明顯的正相關(guān)性。與理論分析結(jié)果相同。

2.4 耗電量與其他因素的關(guān)系

除了上述因素外，盾構(gòu)耗電量還與現(xiàn)場(chǎng)一些設(shè)備狀況有關(guān)，如盾構(gòu)機(jī)故障停止工作的次數(shù)與延續(xù)時(shí)間、機(jī)械未及時(shí)冷卻造成損耗等原因，都會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的功率及耗電量產(chǎn)生較大的影響。但由于此類(lèi)因素與現(xiàn)場(chǎng)操作人員關(guān)聯(lián)較大，不確定性強(qiáng)，出現(xiàn)概率較低，本文不作深入討論。

3 結(jié)論與建議

本文從理論數(shù)據(jù)入手，通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程的數(shù)據(jù)，分析討論了對(duì)于盾構(gòu)機(jī)耗能的影響因素，結(jié)論總結(jié)如下：

（1）地層參數(shù)對(duì)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)功率耗電影響顯著，理論及實(shí)測(cè)表明，盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)功率與地層剪切波速呈明顯的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系；

（2）隧道埋深對(duì)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)耗電有較為直接的線(xiàn)性關(guān)系，埋深加大11%，耗電量約增加19%；

（3）盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率與盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度有明顯的線(xiàn)性相關(guān)性。

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