硬巖地層盾構掘進參數拓展分析及應用

李雙飛，謝鴻輝

（1.廣州交通工程技術有限公司，廣東 廣州 410011；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000）

盾構掘進參數控制是盾構掘進施工的重要環節，對于軟弱地層，需要選取合理的土倉壓力、掘進速度及出渣參數以維持開挖面穩定，控制地層變形；對于硬巖段，應選用合理的推力、貫入度、刀盤轉速及扭矩，以實現刀具保護與掘進施工效率的有效匹配。目前國內盾構施工技術研究主要針對軟土地層地層穩定性控制方面，硬巖段由于洞室穩定，對掘進參數的管理沒有并沒有給予足夠的重視，其實硬巖洞段的掘進參數控制對刀具的損耗有直接影響，需要給予足夠的重視。本文結合掘進參數的統計與滾刀受力數理定量分析，在掘進參數與地層狀態之間建立對應關系，為硬巖段盾構掘進施工參數擬定提供依據。

1 盾構與受力有關的掘進參數

1）推力 盾構往前推進的主動力。推力扣除盾構阻力及前倉板泥漿壓力后，剩余力值即為圍巖與刀具之間沿前進方向的作用力。

2）貫入度 刀盤每轉動一圈，設備前進的距離，除周邊保徑刀外，每個軌跡只布置一把滾刀，所以可以視為滾刀刀刃的切巖深度。

3）刀盤扭矩 刀盤扭矩是刀盤在轉動過程中刀具在轉動方向上與圍巖之間作用力的表現。

2 掘進參數拓展及物理意義

盾構掘進時，推力、貫入度及刀盤扭矩的變化受掌子面圍巖條件變化的影響，但局限于單個參數的片面性，參數的變化與地層變化沒有絕對的關聯關系，例如刀盤扭矩增大有可能是地層變硬，也可能是貫入度增加。所以根據掘進參數所代表的物理意義，拓展出另外3 個掘進參數及參數比：推貫比、扭貫比及扭推比。推貫比：推力與貫入度的比值，單位kN/mm，為便于對比，取千分比。扭貫比：扭矩與貫入度的比值，單位kNm/mm，為便于對比，取百分比。推扭比：刀具受到掘進方向與刀盤轉動方向受力的比值，無量綱值。在進行參數拓展中用到的推力、扭矩均為直接作用在刀盤上的力。

有效推力Fe=Fh-fs-Fp

式中Fe——有效推力；

Fh——鉸接推力；

fs——前盾摩阻力；

Fp——泥水倉壓反作用力。

有效扭矩Te=T-Ti

式中Te——有效扭矩；

T——掘進扭矩；

Ti——空轉扭矩。

3 扭推比數值驗證

在貫入度一定的情況下，刀具的扭推比接近定值。根據這一特性，分別進行對滾刀受力理論分析以及掘進參數進行統計計算，得到理論扭推比及統計扭推比。

盾構在硬巖地層掘進時，假設掌子面圍巖均質，各向同性，滾刀與圍巖之間的作用力Q 可以分解為平行于盾構掘進方向及垂直于盾構掘進方向，如圖1 所示。

圖1 硬巖地層滾刀受力圖

由圖1 可知

滾刀受到的正向力（平行于盾構掘進方向）

滾刀受到的切向力（垂直于盾構掘進方向）

其中，α為滾刀貫入度δp與貫入寬b的反正切角，由于盤式滾刀為圈形外圈，所以 值與貫入度值為非線性函數關系，如圖2 所示，可知

硬巖段掘進有效推力Fd=KΣFn，有效扭矩

理論扭推比

圖2 α與δp關系

以某工程項目所使用盾構為例，盾構刀盤共安裝滾刀46 把，其中4 把中心雙刃滾刀，2 把同軌跡周邊保徑單刃滾刀，刀盤直徑7.76m，中位刀（第23#刀）軌跡半徑2.14m，假設有效推力與有效扭矩均分至每把刀具，另外根據記錄的掘進參數，可以對刀具實際受力的推扭比進行計算。

實際推扭比

（式中n=46，L=2.14m）。

該項目使用19 寸滾刀，選取了第400～500環的掘進參數進行分析，對比不同貫入度值時刀具受力的理論扭推比與實際掘進參數的統計扭推比，如圖3 所示。

圖3 扭推比分析圖表

從圖表中可以看出，在貫入度小于1～7mm區間（微風化花崗巖硬巖地層實際貫入度均小于5mm），理論計算扭推比與實際參數分析的扭推比變化趨勢一致，數值存在的偏差分析是實際推進力計算不完全準確所致，綜上可知在硬巖地層使用理論扭推比逆向分析刀具受力是可行的。

4 拓展參數的應用

4.1 分析地層變化情況

拓展參數有效避免了貫入度值對參數變化的影響，可以直接從參數變化情況下分析圍巖的變化情況。

如圖4 所示，選取該工程SSK1+060.5-SSK1+108.5 段（734～773 環）掘進參數圖表與勘探地質圖進行對比，可以發現從圖表中參數與鉆孔處地層互為印證，推貫入比與扭貫比參數圖表能夠更連續地反映實際地層情況。

4.2 盾構掘進參數的控制

從前文中可以得出，在貫入度小于7mm 的情況下，扭推比值準確度較高，且在硬巖段掘進時，刀具受力主要反映為推力大小，在滾刀額定承載值一定的情況下，需要控制有效推力的大小以保護刀具。

圖4 拓展參數在地質分析中的應用

式中K——滾刀受力不均勻系數，建議取值0.7～0.8。

——滾刀額定承載力，17 寸刀一般取25t，19 寸滾刀一般取35t。

根據前文中理論扭推比值，根據貫入度值及扭推比的關系，在刀盤扭矩值的基礎上對刀具受到的軸向推力進行計算，盾構允許有效扭矩的控制值≤FeRn。

5 結語

基于某工程硬巖段盾構掘進參數的分析，從刀具受力角度，提出了有效推力、有效扭矩兩個掘進參數，并在此基礎上進一步拓展了推貫比、扭貫比及扭推比3 個參數比。在盾構掘進過程中，可以通過分析參數的變化來監視圍巖變化，同時可以定量地控制掘進參數以保護刀具，建議可以刀盤與主軸承連接法蘭面設置應力計以實現有效推力的準確采值。

以上拓展參數在該項目的實際應用中得到了驗證，可以用于來指導硬巖地層盾構（TBM）掘進施工，不過其在不同巖層地質條件下的通用性還有待進一步驗證，拓展參數的進一步應用及推廣也有待深入挖掘。