濟南地質(zhì)條件下盾構(gòu)機關(guān)鍵參數(shù)研究

翟振玲 盧慶亮 高愛照

（濟南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟南 250109）

濟南是山東省的省會，位于山東省中西部，北連首都經(jīng)濟圈，南接長三角經(jīng)濟圈，東西連通山東半島與華中地區(qū)，是環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)和京滬經(jīng)濟軸上的重要交匯點，是環(huán)渤海地區(qū)和黃河中下游地區(qū)中心城市。濟南市區(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，主要為南部無水中風化灰?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，同時中部也分布侵入型無水風化閃長巖地層。

2016年，濟南首條地鐵線R1線開始施工，采用土壓平衡式盾構(gòu)機進行隧道挖掘，集機、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、測量導向糾偏等功能。

土壓平衡式盾構(gòu)，簡稱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。土壓平衡盾構(gòu)是在機械式盾構(gòu)的前部設置隔板，使土倉和排土用的螺旋輸送機內(nèi)充滿切削下來的泥土，依靠推進油缸的推力給土倉內(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)的支護材料是土壤本身。土壓平衡盾構(gòu)由盾殼、刀盤、刀盤驅(qū)動、螺旋輸送機、皮帶輸送機、管片安裝機、人倉、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，破碎的泥土通過刀盤開口進入土倉，泥土落到土倉底部后，通過螺旋輸送機運到皮帶輸送機上，然后輸送到停在軌道上的渣車上。盾構(gòu)在推進油缸的推力作用下向前推進。盾殼對挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時支護作用，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、排土、襯砌等作業(yè)在盾殼的掩護下進行。下面以濟南地質(zhì)條件下的土壓平衡盾構(gòu)機為例，對盾構(gòu)機的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設計研究。

1 盾構(gòu)推力計算

盾構(gòu)機的總推力根據(jù)各種推進阻力的總和及所需的富裕量決定，對于土壓平衡盾構(gòu)通常考慮的推進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。這些推進阻力根據(jù)地層情況和盾構(gòu)機的尺寸參數(shù)計算如下。

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）計算：

式（1）中，D為盾構(gòu)機直徑；L為主機長度；W為盾構(gòu)機主機重量（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)機上頂部的豎直土壓強度（kPa）,N為地表至盾構(gòu)機外殼上頂區(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）計算，對于土壓平衡盾構(gòu)計算公式如下：

式中，Ps為設計掘進土壓，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)按照滾刀方式計算推力，滾刀共41刃，按每把單刃滾刀的最大承載力按250kN計算。

系統(tǒng)推力：

系統(tǒng)的裝備推力為上述推進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)

實際盾構(gòu)機在掘進過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。由于貫入阻力計算模型復雜，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)推進中出現(xiàn)蛇形時存在，由于抗力板在掘進方向上的投影面積的計算比較復雜，因此，一般不計算轉(zhuǎn)向阻力和貫入阻力，在確定總推力時考慮盾構(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 刀盤額定扭矩計算

刀盤扭矩的計算比較復雜，刀盤在地層中掘進時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)的攪動力矩。

通常刀盤的扭矩計算可參照國際盾構(gòu)隧道標準規(guī)范建議的土壓平衡式盾構(gòu)刀盤扭矩經(jīng)驗計算公式：

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對于中間支承方式而言，α1=0.9～1.2；對于周邊支承方式而言，α1=1.1～1.4；α2為土質(zhì)系數(shù)：對密實、泥巖而言，α2=0.8～1；對固結(jié)粉砂、粘土而言，α2=0.8～0.9；對松散砂而言，α2=0.7～0.8；對于軟粉砂土而言，α2=0.6～0.7；α0為穩(wěn)定掘削扭矩系數(shù)；對土壓盾構(gòu)而言，α0=14～23kN/m2；對泥水盾構(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（見圖2刀盤支承結(jié)構(gòu)），采取主軸（刀盤直接裝設在主軸端部）、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，其支座選用標準系列的徑向軸承和軸向軸承的組合形式，用于軟土和復合地層。

圖2 刀盤支承結(jié)構(gòu)

3.2 刀盤主軸承的工作特點

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，其滾動體的節(jié)圓直徑亦較大，在滾動體與滾道的接觸相對線速度較高，而滾動體的滾動速度就較高。

3.3 刀盤主軸承的形式選擇

鑒于刀盤主軸承的工作特點，應選用圓柱滾子型式的軸承，因為在無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發(fā)生彈性變形，接觸線變?yōu)榫匦谓佑|面。通過修改圓柱滾子外形就可避免在圓柱滾子端部產(chǎn)生應力增高問題，因而特別適合重荷載條件下工作的主軸承。

3.4 刀盤主軸承設計計算荷載參數(shù)的確定

刀盤主軸承的設計計算以盾構(gòu)機組切土破巖掘進參數(shù)為基礎(chǔ)，因此，假設四種工況：工況Ⅰ為盾構(gòu)機組在極困難情況下切土破巖掘進，一般占總掘進工作時間的5%；工況Ⅱ為盾構(gòu)機組在較為困難情況下切土破巖掘進，一般占總掘進工作時間的25%；工況Ⅲ為盾構(gòu)機組在較為正常情況下切土破巖掘進，一般占總掘進工作時間的70%；工況Ⅳ為盾構(gòu)機組在停機不掘進，此時刀盤不轉(zhuǎn)動。各種工況下刀盤主軸承設計計算參數(shù)的統(tǒng)計件表1載荷工況。

表1 載荷工況

4 應用實例

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

該盾構(gòu)機使用隧道長度為1562m，隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑330m，設計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，最大設計壓力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，而濟南R1線地鐵盾構(gòu)機總推力為41699kN，滿足使用要求。

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

5 結(jié)語

經(jīng)過以上對盾構(gòu)機關(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研究，適用于濟南地鐵盾構(gòu)機的使用，以上論述給出的計算模型和相應方法可為同仁提供參考。