濟(jì)南地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)研究

翟振玲 盧慶亮 高愛(ài)照

（濟(jì)南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟(jì)南 250109）

濟(jì)南是山東省的省會(huì)，位于山東省中西部，北連首都經(jīng)濟(jì)圈，南接長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)圈，東西連通山東半島與華中地區(qū)，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和京滬經(jīng)濟(jì)軸上的重要交匯點(diǎn)，是環(huán)渤海地區(qū)和黃河中下游地區(qū)中心城市。濟(jì)南市區(qū)南臨低山丘陵，北臨黃河，中部為山前傾斜沖洪積平原，地層呈東西向帶狀分布，主要為南部無(wú)水中風(fēng)化灰?guī)r地層，北部沖積富水粉質(zhì)粘土地層，中部少水膠結(jié)礫巖/碎石土地層，同時(shí)中部也分布侵入型無(wú)水風(fēng)化閃長(zhǎng)巖地層。

2016年，濟(jì)南首條地鐵線R1線開始施工，采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道挖掘，集機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能。

土壓平衡式盾構(gòu)，簡(jiǎn)稱EPB盾構(gòu)。適用于含水的軟土、軟巖、硬巖以及混合地層的隧道掘進(jìn)。土壓平衡盾構(gòu)是在機(jī)械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，使土倉(cāng)和排土用的螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿切削下來(lái)的泥土，依靠推進(jìn)油缸的推力給土倉(cāng)內(nèi)的開挖土渣加壓，使土壓作用于開挖面以使其穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)的支護(hù)材料是土壤本身。土壓平衡盾構(gòu)由盾殼、刀盤、刀盤驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、管片安裝機(jī)、人倉(cāng)、液壓系統(tǒng)等組成，圖1為土壓平衡盾構(gòu)。

土壓平衡盾構(gòu)的工作原理：刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過(guò)刀盤開口進(jìn)入土倉(cāng)，泥土落到土倉(cāng)底部后，通過(guò)螺旋輸送機(jī)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，然后輸送到停在軌道上的渣車上。盾構(gòu)在推進(jìn)油缸的推力作用下向前推進(jìn)。盾殼對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時(shí)支護(hù)作用，承受周圍土層的土壓、承受地下水的水壓，并將地下水擋在盾殼外面。掘進(jìn)、排土、襯砌等作業(yè)在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行。下面以濟(jì)南地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)研究。

1 盾構(gòu)推力計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)的總推力根據(jù)各種推進(jìn)阻力的總和及所需的富裕量決定，對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)通常考慮的推進(jìn)阻力有盾體的摩擦力、開挖面的支撐壓力、盾尾與管片及密封刷間的摩擦力、后配套的拖拉力、刀具的推力等。這些推進(jìn)阻力根據(jù)地層情況和盾構(gòu)機(jī)的尺寸參數(shù)計(jì)算如下。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)

1.1 盾體的摩擦力

盾體與地層間的摩擦阻力由公式（1）計(jì)算：

式（1）中，D為盾構(gòu)機(jī)直徑；L為主機(jī)長(zhǎng)度；W為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重量（kN）；γ為掘削斷面上的土體浮重度（kN/m3）；K0為掘削斷面上土體的靜止土壓系數(shù)，取值0.5；μ1為地層與盾構(gòu)機(jī)外殼間摩擦系數(shù)，通常取μ1=0.5tanφ；φ為掘削斷面上土體的內(nèi)摩擦角（°）；Pe為作用在盾構(gòu)機(jī)上頂部的豎直土壓強(qiáng)度（kPa）,N為地表至盾構(gòu)機(jī)外殼上頂區(qū)域內(nèi)的不同浮重度的土層的層數(shù)；γi為第i層的浮重度（kN/m3）；Hi為第i層厚度。

1.2 盾尾與管片間的摩擦力

盾尾與管片間的摩擦力由公式（2）計(jì)算

式中，n1為盾尾內(nèi)管片的環(huán)數(shù)；WS為1環(huán)管片的重量（kN）；μ2為管片與盾尾間的摩擦系數(shù)；μ3為管片與盾尾密封刷的摩擦系數(shù)；D0為管片外徑；B為盾尾密封刷與管片的接觸長(zhǎng)度；n2為盾尾密封刷的層數(shù)；p2為盾尾密封刷內(nèi)油脂壓力。

1.3 開挖面的支撐壓力

開挖面的支撐壓力按公式（3）計(jì)算，對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)計(jì)算公式如下：

式中，Ps為設(shè)計(jì)掘進(jìn)土壓，此處取200kPa。

1.4 后配套拖車的拖拉力

后配套的拖拉力由公式（4）計(jì)算：

式中，W4為后備套的自重（kN）；μ4為后備套拖車與軌道的摩擦系數(shù)。

1.5 刀具上的推力

現(xiàn)按照滾刀方式計(jì)算推力，滾刀共41刃，按每把單刃滾刀的最大承載力按250kN計(jì)算。

系統(tǒng)推力：

系統(tǒng)的裝備推力為上述推進(jìn)阻力的總和乘以富裕量系數(shù)，此處取1.2。

F=α×(F1+F2+F3+F4+F5)

實(shí)際盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中還要受到切口環(huán)貫入地層的貫入阻力、轉(zhuǎn)向阻力等。由于貫入阻力計(jì)算模型復(fù)雜，且不確定的因素較多；轉(zhuǎn)向阻力僅在曲線施工中或者盾構(gòu)推進(jìn)中出現(xiàn)蛇形時(shí)存在，由于抗力板在掘進(jìn)方向上的投影面積的計(jì)算比較復(fù)雜，因此，一般不計(jì)算轉(zhuǎn)向阻力和貫入阻力，在確定總推力時(shí)考慮盾構(gòu)施工中的上坡、曲線施工、蛇形及糾偏等因素，留出必要的富余量。

2 刀盤額定扭矩計(jì)算

刀盤扭矩的計(jì)算比較復(fù)雜，刀盤在地層中掘進(jìn)時(shí)的扭矩一般包括切削土阻力扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盤的旋轉(zhuǎn)阻力矩（克服與泥土的摩擦阻力所需的扭矩）、刀盤所受推力載荷產(chǎn)生的反力矩、密封裝置所產(chǎn)生的摩擦力矩、刀盤的前端面的摩擦力矩、刀盤后面的摩擦力矩、刀盤開口的剪切力矩、土壓內(nèi)的攪動(dòng)力矩。

通常刀盤的扭矩計(jì)算可參照國(guó)際盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建議的土壓平衡式盾構(gòu)刀盤扭矩經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式（6）中，T為刀盤裝備總扭矩；D為刀盤外徑；α為扭矩系數(shù)，α=α1α2α0；α1為支承系數(shù)，由刀盤支承方式?jīng)Q定，就中心支承式刀盤而言，α1=0.8～1.0對(duì)于中間支承方式而言，α1=0.9～1.2；對(duì)于周邊支承方式而言，α1=1.1～1.4；α2為土質(zhì)系數(shù)：對(duì)密實(shí)、泥巖而言，α2=0.8～1；對(duì)固結(jié)粉砂、粘土而言，α2=0.8～0.9；對(duì)松散砂而言，α2=0.7～0.8；對(duì)于軟粉砂土而言，α2=0.6～0.7；α0為穩(wěn)定掘削扭矩系數(shù)；對(duì)土壓盾構(gòu)而言，α0=14～23kN/m2；對(duì)泥水盾構(gòu)而言，α0=9～18kN/m2；現(xiàn)根據(jù)地質(zhì)條件和刀盤的結(jié)構(gòu)形式，取α1=1，α2=0.9，α0=20kN/m2。

3 主軸承使用壽命

3.1 刀盤支承的主要形式

刀盤采用中心支承方式（見(jiàn)圖2刀盤支承結(jié)構(gòu)），采取主軸（刀盤直接裝設(shè)在主軸端部）、支座（軸承）配置型式，共同承受刀盤的扭矩、正向和反向軸向力、傾覆力矩，其支座選用標(biāo)準(zhǔn)系列的徑向軸承和軸向軸承的組合形式，用于軟土和復(fù)合地層。

圖2 刀盤支承結(jié)構(gòu)

3.2 刀盤主軸承的工作特點(diǎn)

刀盤主軸承支承的刀盤直徑一般較大，承受刀盤裝備扭矩、正向軸向推力亦較大，同時(shí)還要承受一定反向軸力以及較大的傾覆力矩。

刀盤轉(zhuǎn)速較低，但由于刀盤主軸承的直徑較大，其滾動(dòng)體的節(jié)圓直徑亦較大，在滾動(dòng)體與滾道的接觸相對(duì)線速度較高，而滾動(dòng)體的滾動(dòng)速度就較高。

3.3 刀盤主軸承的形式選擇

鑒于刀盤主軸承的工作特點(diǎn)，應(yīng)選用圓柱滾子型式的軸承，因?yàn)樵跓o(wú)荷載狀況下圓柱滾子與滾道形成一線接觸，而在荷載作用下就會(huì)發(fā)生彈性變形，接觸線變?yōu)榫匦谓佑|面。通過(guò)修改圓柱滾子外形就可避免在圓柱滾子端部產(chǎn)生應(yīng)力增高問(wèn)題，因而特別適合重荷載條件下工作的主軸承。

3.4 刀盤主軸承設(shè)計(jì)計(jì)算荷載參數(shù)的確定

刀盤主軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算以盾構(gòu)機(jī)組切土破巖掘進(jìn)參數(shù)為基礎(chǔ)，因此，假設(shè)四種工況：工況Ⅰ為盾構(gòu)機(jī)組在極困難情況下切土破巖掘進(jìn)，一般占總掘進(jìn)工作時(shí)間的5%；工況Ⅱ?yàn)槎軜?gòu)機(jī)組在較為困難情況下切土破巖掘進(jìn)，一般占總掘進(jìn)工作時(shí)間的25%；工況Ⅲ為盾構(gòu)機(jī)組在較為正常情況下切土破巖掘進(jìn)，一般占總掘進(jìn)工作時(shí)間的70%；工況Ⅳ為盾構(gòu)機(jī)組在停機(jī)不掘進(jìn)，此時(shí)刀盤不轉(zhuǎn)動(dòng)。各種工況下刀盤主軸承設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的統(tǒng)計(jì)件表1載荷工況。

表1 載荷工況

4 應(yīng)用實(shí)例

按照以上所推得的盾構(gòu)推力、刀盤扭矩計(jì)算公式及主軸承使用壽命載荷工況，以濟(jì)南地鐵R1線工程為例進(jìn)行驗(yàn)算，濟(jì)南地鐵R1線的盾構(gòu)機(jī)主要相關(guān)參數(shù)如下所列。

該盾構(gòu)機(jī)使用隧道長(zhǎng)度為1562m，隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑330m，設(shè)計(jì)開挖直徑即刀盤直徑為φ6680mm，盾體直徑φ6650/φ6640/φ6630mm，管片外徑 φ6400mm，管片內(nèi)徑φ5800mm，管片寬度1200mm，管片厚度300mm，隧道坡度28‰，刀盤轉(zhuǎn)速0～3.15rpm，最大設(shè)計(jì)壓力5bar。

按以上分析所得公式求得結(jié)果為：F1=15127kN；F2=347kN；F3=6946kN；F4=235kN；F5=10250kN。F=F1+F2+F3+F4+F5=32905kN，若考慮1.2倍的富裕量系數(shù)，F(xiàn)=39486kN，而濟(jì)南R1線地鐵盾構(gòu)機(jī)總推力為41699kN，滿足使用要求。

刀盤額定扭矩T=5317kN，而濟(jì)南R1線地鐵盾構(gòu)機(jī)裝備扭矩為7070kN，滿足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上對(duì)盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、主軸承使用壽命的詳細(xì)研究，適用于濟(jì)南地鐵盾構(gòu)機(jī)的使用，以上論述給出的計(jì)算模型和相應(yīng)方法可為同仁提供參考。