盾構(gòu)刀盤(pán)泥餅形成機(jī)理的理論研究

歐陽(yáng)凱，張家年，張世偉，張華剛 OU YANG Kai， ZHANG Jia-nian， ZHANG Shi-wei， ZHANG Hua-gang

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

盾構(gòu)法施工對(duì)地面、地下環(huán)境影響小，施工效率高，地表沉降小，目前已經(jīng)成為國(guó)家隧道建設(shè)最主要的一種施工手段。本文針對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅這一掘進(jìn)難題，將渣土進(jìn)行理論假設(shè)并建立受力模型，從根本上理解盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅的產(chǎn)生原因，從而根據(jù)不同的地質(zhì)情況做出正確的盾構(gòu)選型和刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式，從而提高盾構(gòu)的掘進(jìn)效率。

1 渣土理論研究和分析計(jì)算

首先我們對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)前方渣土進(jìn)行均質(zhì)的假設(shè)，假設(shè)渣土由無(wú)數(shù)個(gè)小六方單元體組成，渣土的理論研究模型為正六方體單元。

圖1 渣塊六面體單元受力模型示意圖

我們將盾構(gòu)刀盤(pán)的開(kāi)挖斷面分為4個(gè)象限，如圖1所示，圖中標(biāo)識(shí)出六面單元體受到的力學(xué)模型，每個(gè)渣土單元同時(shí)受到自身的重力G和由于水土壓力而產(chǎn)生的渣土和刀盤(pán)面板之間的摩擦力F摩。我們假設(shè)刀盤(pán)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（順時(shí)針計(jì)算結(jié)果相同），如果我們假設(shè)渣土單元體隨著刀盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)，即兩者之間沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么其向心力F向就等于重力G和摩擦力F摩的合力。分別通過(guò)渣土六面體模型在4個(gè)象限的受力平衡計(jì)算，我們可以得到單元體在4個(gè)象限的F摩求解表達(dá)方程式，結(jié)果如下所示（其中θ表示為單元體和圓心的連線和開(kāi)挖斷面0°線的夾角）。

其中，F(xiàn)向=(mv2)/R=mRω2。

同時(shí)，從另一個(gè)角度分析，在特定地層的水土壓力下，我們所假設(shè)的渣土六面體單元受到的最大靜摩擦力可由下面公式求得

其中，f為刀盤(pán)面可以提供的最大靜摩擦力，μ為渣土和鋼板的摩擦系數(shù)，P為土倉(cāng)內(nèi)壓強(qiáng)，s為六方體的某一側(cè)面面積。

2 圖像擬合結(jié)果及分析

為了便于我們對(duì)理論模型的計(jì)算模擬，我們提前設(shè)定一些參數(shù)變量，參考一些常規(guī)的地質(zhì)項(xiàng)目信息和設(shè)備情況，假設(shè)每個(gè)六方單元體為1cm3，工作水土壓力為3bar，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為3rpm，渣土單元體所在軌跡半徑為3m。通過(guò)matlab軟件我們將渣土六面體單元可以隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)4個(gè)象限分別所需要的摩擦力擬合出來(lái)，如下圖2所示，為了更好地看出來(lái)其在整個(gè)斷面需要的摩擦力變化趨勢(shì)，我們將4個(gè)象限擬合為一個(gè)整體，如圖3所示?？梢钥闯?，渣土單元體與刀盤(pán)盤(pán)面保持相對(duì)靜止所需要的摩擦力在一個(gè)2π周期內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)類似三角函數(shù)曲線變化。

圖2 擬合圖像1

圖3 擬合圖像2

然而從另一個(gè)角度，刀盤(pán)盤(pán)面可以提供渣土六面體單元的最大靜摩擦力圖像曲線是一條常數(shù)曲線，我們以粘土為例，粘土和鋼板的摩擦系數(shù)取μ=0.2，我們將渣土六面體的最大靜摩擦力和隨刀盤(pán)盤(pán)面向心運(yùn)動(dòng)所需的摩擦力同時(shí)擬合在一張圖像上，如圖4所示，可以看到其最大靜摩擦力曲線完全在隨刀盤(pán)盤(pán)面向心運(yùn)動(dòng)所需的摩擦力曲線之上，也就是在該設(shè)定的水土壓力和刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)下，渣土?xí)S著刀盤(pán)盤(pán)面一起向心運(yùn)動(dòng)，保持相對(duì)靜止，在如圖5中所示區(qū)域，隨著刀盤(pán)的持續(xù)向前掘進(jìn)，和刀盤(pán)面板相對(duì)靜止的渣土就會(huì)被逐漸被壓實(shí)，這也是刀盤(pán)前方產(chǎn)生泥餅的根本原因所在。

圖4 對(duì)比擬合圖像

圖5 刀盤(pán)前方易結(jié)泥餅的區(qū)域

圖6 改善圖像1

為了要改善刀盤(pán)前方結(jié)泥餅情況，必須從根本上改變圖4所示曲線關(guān)系。圖6所示是改善后的曲線關(guān)系，在隧道頂部區(qū)域，渣塊隨著刀盤(pán)盤(pán)面向心運(yùn)動(dòng)，在隧道中下部區(qū)域，渣塊和刀盤(pán)盤(pán)面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不易結(jié)泥餅。圖7所示是最理想狀況，整個(gè)隧道斷面范圍內(nèi)，渣塊都會(huì)和刀盤(pán)盤(pán)面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不利于刀盤(pán)盤(pán)面泥餅的形成。

圖7 改善圖像2

通過(guò)以上曲線擬合過(guò)程我們可以知道影響刀盤(pán)結(jié)泥餅共有4個(gè)影響因子，分別是水土壓力值P、渣土摩擦系數(shù)μ、渣土單元體所在軌跡半徑R、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n。采用單一變量分析方法，我們對(duì)以上4個(gè)影響因子分別進(jìn)行多個(gè)取值，并進(jìn)行曲線擬合，得到結(jié)果如下。

1）水土壓力P值越大，曲線擬合結(jié)果越趨向于圖4所示，P值越小，越傾向于圖7所示。

2）渣土摩擦系數(shù)μ值越大，曲線擬合結(jié)果越趨向于圖4所示，μ值越小，越傾向于圖7所示。

3）渣土單元體所在軌跡半徑R值越大，曲線擬合結(jié)果越趨向于圖7所示，R值越小，越傾向于圖4所示。

4）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n值越大，曲線擬合結(jié)果越趨向于圖7所示，n值越小，越傾向于圖4所示。

通過(guò)以上的分析，在刀盤(pán)正面上半部分區(qū)域渣土更傾向于和刀盤(pán)盤(pán)面相對(duì)靜止，也就是更易結(jié)泥餅；相反，在刀盤(pán)面板的背部，土倉(cāng)底部渣土和刀盤(pán)背部面板更容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)在土倉(cāng)底部渣土和前盾隔板更傾向于保持相對(duì)靜止，同時(shí)由于螺旋輸送機(jī)的作用，土倉(cāng)底部中心區(qū)域會(huì)形成一個(gè)負(fù)壓，這樣土倉(cāng)底部渣土?xí)纬梢粋€(gè)“拱形”，也就是土倉(cāng)前盾隔板在4點(diǎn)和8點(diǎn)鐘位置更易結(jié)泥餅，如果渣土改良不好，會(huì)影響螺旋輸送機(jī)排渣效果。

如何達(dá)到如圖6、7所示的曲線效果，主要有3種解決方案：①減小土倉(cāng)（泥水倉(cāng)）的壓力P；②第二減小渣土的摩擦系數(shù)μ，也就是加強(qiáng)土倉(cāng)內(nèi)的渣土改良；③增加刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）水土壓力較高的隧道區(qū)間，優(yōu)先考慮選用泥水平衡盾構(gòu)，同樣較高水土壓力情況下，泥水盾構(gòu)的渣土流動(dòng)性更好，也就是其渣土（泥漿狀態(tài)）本身的摩擦系數(shù)μ較低，刀盤(pán)不易結(jié)泥餅。

2）土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)實(shí)際建壓在1bar左右，過(guò)高的建壓會(huì)導(dǎo)致刀盤(pán)易結(jié)泥餅。

3）TBM刀盤(pán)雖然開(kāi)口率很小，但由于地質(zhì)條件較好，刀盤(pán)一般處于常壓狀態(tài)下掘進(jìn)，水土壓力近似等于0，另外，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速較常規(guī)盾構(gòu)高1倍左右，所以幾乎不存在結(jié)泥餅的情況。

4）刀盤(pán)越靠近中心越容易結(jié)泥餅，半徑越小，渣塊向心運(yùn)動(dòng)所需的摩擦力越小。

5）在滿足既定要求的情況下，開(kāi)口率越大，渣土和刀盤(pán)盤(pán)面一起向心運(yùn)動(dòng)的幾率減小，結(jié)泥餅的幾率就減小。