軟土地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)計(jì)算研究

肖志平

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

軟土地層某區(qū)間隧道采用盾構(gòu)工法開挖，盾構(gòu)外部直徑6.2 m，內(nèi)部直徑5.5 m，盾構(gòu)隧道的最小平面曲線半徑460 m，盾構(gòu)隧道最大坡度13.2‰，盾構(gòu)管片采用C50 高強(qiáng)防水混凝土，每環(huán)混凝土管片寬度為1.2 m，混凝土管片之間采用M30弧形鋼螺栓連接。盾構(gòu)區(qū)間隧道的防水形式以管片自防水為主，利用管片之間的相交密封墊實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片之間的防水。該依托工程盾構(gòu)隧道主要穿越淤泥質(zhì)軟土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土等地層，為淺埋及中埋隧道，隧道掘進(jìn)施工難度大，有可能因軟弱層排土過多引起地層下沉并造成盾構(gòu)的偏離，因此有必要開展盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的計(jì)算研究，獲得盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)所需要的推力及扭矩等參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概述

軟土地層某工程區(qū)間隧道地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Qml）、新近沉積層（Q43Nal）、第Ⅰ陸相層（Q43 al）、第Ⅰ海相層（Q42 m）、第Ⅱ陸相層（Q41 al）及上更新統(tǒng)第Ⅲ陸相層（Q3e al）、第Ⅱ海相層（Q3d mc）、第Ⅳ陸相層（Q3cal）、第Ⅲ海相層（Q3b m）、第Ⅴ陸相層（Q3aal）。隧道主要處于粉質(zhì)黏土層和砂層的交接處。盾構(gòu)區(qū)間穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土及少量粉砂，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土天然含水量31%～40%，呈軟塑～流塑狀，粉質(zhì)黏土天然含水量18.3%～35.4%，呈流塑～硬塑狀，上述土層經(jīng)攪拌后具有一定的軟黏性、流動(dòng)性和抗?jié)B透性。

依托工程地下水主要有淺部黏性土層中的潛水。淺部土層中的潛水位埋深一般離地表面0.4～2.1 m，年平均地下水位離地表面1.6～1.8 m，地下水位隨季節(jié)變化較大，夏季水位相比冬季水位高1～2 m。

2 盾構(gòu)機(jī)的選型

針對(duì)淤泥質(zhì)軟土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土這種特殊地層，采用盾構(gòu)工法進(jìn)行隧道掘進(jìn)，通過盾構(gòu)掘進(jìn)保證開挖面穩(wěn)定安全，并有效控制地層變形，降低振動(dòng)、噪聲等影響城市生活的因素。盾構(gòu)選型中必須保證具有很強(qiáng)的糾偏抗扭與彎道施工的能力，必須確保各項(xiàng)作業(yè)的安全性和可靠性。

根據(jù)盾構(gòu)隧道區(qū)域的地質(zhì)條件與水文條件，通過地層以淤泥質(zhì)軟土、粉土、粉質(zhì)黏土等軟弱地層為主；地層中富含地下水，此類地層雖然具有一定的穩(wěn)定性，但開挖后在水壓力的作用下，開挖面的穩(wěn)定性難以保證。目前在含水地層中使用最多的盾構(gòu)主要有泥水加壓式盾構(gòu)、加泥式土壓平衡式盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)。泥水加壓式盾構(gòu)需要的泥水分離設(shè)備場(chǎng)地大、占地多，不適合市內(nèi)狹小的空間施工。土壓平衡式盾構(gòu)占地少，適用于本區(qū)間隧道的粉質(zhì)黏土、黏土、粉土和部分砂層，因此從技術(shù)角度考慮，本區(qū)間隧道盾構(gòu)建議大部分采用土壓平衡式盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)在軟土地層中具有非常好的適用性，可通過調(diào)節(jié)掘進(jìn)速度、螺旋輸料機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤倉門大小等參數(shù)來控制出土速度，進(jìn)而調(diào)整切削腔室的土壓穩(wěn)定，達(dá)到開挖工作面內(nèi)壓力的平衡、土層的穩(wěn)定并控制地面沉降變形的目的。

3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的計(jì)算主要是根據(jù)水文地質(zhì)條件、隧道埋深、隧道尺寸、相關(guān)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)為土壓平衡工況下盾構(gòu)機(jī)推力和扭矩。

3.1 盾構(gòu)機(jī)推力計(jì)算

（1）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)區(qū)域地質(zhì)參數(shù)選取。巖土體的破壞模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，巖土體的容重取γ=1.9 t/m3；巖土體的內(nèi)摩擦角取φ=27°；土的粘接力取c=30 kPa；最大覆蓋層厚度取Hmax=17.7 m；最小覆蓋層厚度取Hmin=12.6 m；地面上置荷載取P0=2 t/m2；在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的水平側(cè)壓力系數(shù)取λ=0.61；盾構(gòu)機(jī)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備參數(shù)如下：設(shè)備外徑D=6.4 m；機(jī)械設(shè)備總長(zhǎng)度L=7.7 m；設(shè)備總重量W=250 t；單環(huán)管片的重量Wg=19.29 t；計(jì)算區(qū)域內(nèi)水平垂直土壓比K0=1。

依托工程盾構(gòu)隧道沿線的埋深范圍為12.6～17.7 m，分別計(jì)算17.7 m 埋深處的松動(dòng)土壓力與兩倍盾構(gòu)機(jī)設(shè)備外徑（12.8 m）的土柱壓力，對(duì)比兩者的大小，取較大值作為計(jì)算土壓力。

（2）松動(dòng)土高度計(jì)算。盾構(gòu)機(jī)受力示意見圖1。根據(jù)高度h0=7.03 m 與幾何參數(shù)B1=6.06 m 計(jì)算松動(dòng)土壓力PS=14.1 t/m2。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備外徑計(jì)算土壓力Pq=γh0，進(jìn)而得到Pq=25.6 t/m2。對(duì)比PS與Pq后取較大值作為計(jì)算土壓力，因此取Pq=25.6 t/m2進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。計(jì)算壓力P0與P01，可得到P0=Pq+2=27.6 t/m2；P01=P0+W/（D·L）=32.7 t/m2。計(jì)算側(cè)壓力P1與P2，分別得到側(cè)壓力P1為20.2 t/m2；側(cè)壓力P2為25 t/m2。

（3）盾構(gòu)機(jī)設(shè)備所需要的推力。由摩擦阻力、水平推力、刀盤推力及盾尾與管片之間的摩擦力四部分組成，分別用F1、F2、F3、F4表示。盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的摩擦阻力采用公式F1=1/4×（P0+P01+P1+P2）πDLu 計(jì)算，進(jìn)而得到盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的摩擦阻力F1=1219 t。

圖1 盾構(gòu)機(jī)受力示意

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的水平壓力引起的推力F2采用公式F2=π/4×（D2·Pd）計(jì)算，進(jìn)而得到盾構(gòu)機(jī)設(shè)備水平壓力引起的推力F2=383 t。

由土內(nèi)聚力引起的刀盤推力F3采用公式F3=π/4×（D2·C）計(jì)算，進(jìn)而得到盾構(gòu)機(jī)由土內(nèi)聚力引起的設(shè)備水平推力F3=96.2 t。

盾構(gòu)機(jī)盾尾與管片之間的摩擦阻力F4采用公式F4=Wcμc計(jì)算，進(jìn)而得到盾構(gòu)機(jī)盾尾與管片之間的摩擦阻力F4=115.7 t。

綜合F1、F2、F3、F4的計(jì)算結(jié)果可得到盾構(gòu)機(jī)推力總和F=F1+F2+F3+F4，最終得到盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)所需總推力F=1813.9 t。

以上計(jì)算過程綜合考慮了摩擦阻力、水平推力、刀盤推力及盾尾與管片之間的摩擦力對(duì)盾構(gòu)機(jī)總推力的影響，通過上述計(jì)算可基本準(zhǔn)確得到盾構(gòu)機(jī)設(shè)備所需要的總推力。

3.2 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)扭矩計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備在推進(jìn)過程中所需要克服的扭矩包含多部分，切削巖土體所需要克服的旋轉(zhuǎn)扭矩、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩、盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)自身旋轉(zhuǎn)所需要克服的機(jī)械阻力矩、盾構(gòu)機(jī)刀盤引推力荷載產(chǎn)生的反力矩、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備裝置密封部件所產(chǎn)生的摩擦力矩、盾構(gòu)機(jī)刀盤前端面的摩擦力矩、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤后面的摩擦力矩、盾構(gòu)機(jī)刀盤開口處的剪切力矩、刀盤前方土倉內(nèi)的攪動(dòng)力矩。

切削巖土體所需要克服的旋轉(zhuǎn)扭矩T1，用公式T1=1/2（quhmaxR2）進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到切削巖土體所需要克服的旋轉(zhuǎn)扭矩T1=3.0 t·m。

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩T2用公式T2=G·R1·ug計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩T2=0.48 t·m。

盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)自身旋轉(zhuǎn)所需要克服的機(jī)械阻力矩T3用公式T3=PtR1ug計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)自身旋轉(zhuǎn)所需要克服的機(jī)械阻力矩T3=2.8 t·m。

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備裝置密封部件所產(chǎn)生的摩擦力矩T4用公式T4=2πumFm（n1Rm12+n2Rm22）計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)機(jī)設(shè)備裝置密封部件所產(chǎn)生的摩擦力矩T4=4.8 t·m。

盾構(gòu)機(jī)刀盤前端面的摩擦力矩T5采公式T5=2/3（απupR3Pd）計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)機(jī)刀盤前端面的摩擦力矩T5=98.6 t·m。

盾構(gòu)機(jī)刀盤引推力荷載產(chǎn)生的反力矩T6用公式T6=2πDBPzUp計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)機(jī)刀盤引推力荷載產(chǎn)生的反力矩T6=73.5 t·m。

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤后面的摩擦力矩T7用公式T7=2/3×（απR3up×0.8Pd）計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤后面的摩擦力矩T7=78.8 t·m。

盾構(gòu)機(jī)刀盤開口處的剪切力矩T8用公式T8=2/3·πCτR3（1-α）計(jì)算，進(jìn)而獲得盾構(gòu)機(jī)刀盤開口處的剪切力矩T8=51.2 t·m。

刀盤前方土倉內(nèi)的攪動(dòng)力矩T9采用公式T9=2π（r22-r12）LCτ計(jì)算，進(jìn)而獲得刀盤前方土倉內(nèi)的攪動(dòng)力矩T9=24.0 t·m。

盾構(gòu)機(jī)設(shè)備掘進(jìn)過程中所需要克服的總扭矩為切削巖土體所需要克服的旋轉(zhuǎn)扭矩T1、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)反力矩T2、盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)自身旋轉(zhuǎn)所需要克服的機(jī)械阻力矩T3、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備裝置密封部件所產(chǎn)生的摩擦力矩T4、盾構(gòu)機(jī)刀盤前端面的摩擦力矩T5、盾構(gòu)機(jī)刀盤引推力荷載產(chǎn)生的反力矩T6、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備刀盤后面的摩擦力矩T7、盾構(gòu)機(jī)刀盤開口處的剪切力矩T8、刀盤前方土倉內(nèi)的攪動(dòng)力矩T9的總和，最終得到盾構(gòu)機(jī)刀盤總扭矩T=337 t·m。

4 結(jié)束語

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的準(zhǔn)確選擇對(duì)于保證盾構(gòu)隧道施工效率、節(jié)約工程成本具有重要的作用，針對(duì)盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土等軟土地層的特殊工況，通過計(jì)算最終確定了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)所需要的推力及扭矩參數(shù)，為盾構(gòu)機(jī)選配提供了依據(jù)。