軟土地層盾構機掘進參數計算研究

肖志平

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

軟土地層某區間隧道采用盾構工法開挖，盾構外部直徑6.2 m，內部直徑5.5 m，盾構隧道的最小平面曲線半徑460 m，盾構隧道最大坡度13.2‰，盾構管片采用C50 高強防水混凝土，每環混凝土管片寬度為1.2 m，混凝土管片之間采用M30弧形鋼螺栓連接。盾構區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現盾構管片之間的防水。該依托工程盾構隧道主要穿越淤泥質軟土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土等地層，為淺埋及中埋隧道，隧道掘進施工難度大，有可能因軟弱層排土過多引起地層下沉并造成盾構的偏離，因此有必要開展盾構機掘進參數的計算研究，獲得盾構機掘進所需要的推力及扭矩等參數。

1 工程地質概述

軟土地層某工程區間隧道地層主要為第四系全新統人工填土層（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）。隧道主要處于粉質黏土層和砂層的交接處。盾構區間穿越地層主要為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土及少量粉砂，淤泥質粉質黏土天然含水量31%～40%，呈軟塑～流塑狀，粉質黏土天然含水量18.3%～35.4%，呈流塑～硬塑狀，上述土層經攪拌后具有一定的軟黏性、流動性和抗滲透性。

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，地下水位隨季節變化較大，夏季水位相比冬季水位高1～2 m。

2 盾構機的選型

針對淤泥質軟土、淤泥質粉質黏土、粉土這種特殊地層，采用盾構工法進行隧道掘進，通過盾構掘進保證開挖面穩定安全，并有效控制地層變形，降低振動、噪聲等影響城市生活的因素。盾構選型中必須保證具有很強的糾偏抗扭與彎道施工的能力，必須確保各項作業的安全性和可靠性。

根據盾構隧道區域的地質條件與水文條件，通過地層以淤泥質軟土、粉土、粉質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定性，但開挖后在水壓力的作用下，開挖面的穩定性難以保證。目前在含水地層中使用最多的盾構主要有泥水加壓式盾構、加泥式土壓平衡式盾構和土壓平衡盾構。泥水加壓式盾構需要的泥水分離設備場地大、占地多，不適合市內狹小的空間施工。土壓平衡式盾構占地少，適用于本區間隧道的粉質黏土、黏土、粉土和部分砂層，因此從技術角度考慮，本區間隧道盾構建議大部分采用土壓平衡式盾構。土壓平衡盾構在軟土地層中具有非常好的適用性，可通過調節掘進速度、螺旋輸料機轉速、刀盤倉門大小等參數來控制出土速度，進而調整切削腔室的土壓穩定，達到開挖工作面內壓力的平衡、土層的穩定并控制地面沉降變形的目的。

3 盾構機掘進參數計算

盾構機掘進參數的計算主要是根據水文地質條件、隧道埋深、隧道尺寸、相關盾構機的結構和性能參數進行。盾構掘進機的主要參數為土壓平衡工況下盾構機推力和扭矩。

3.1 盾構機推力計算

（1）盾構機掘進區域地質參數選取。巖土體的破壞模型采用摩爾庫倫準則，巖土體的容重取γ=1.9 t/m3；巖土體的內摩擦角取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；在計算區域內的水平側壓力系數取λ=0.61；盾構機相應的機械設備參數如下：設備外徑D=6.4 m；機械設備總長度L=7.7 m；設備總重量W=250 t；單環管片的重量Wg=19.29 t；計算區域內水平垂直土壓比K0=1。

依托工程盾構隧道沿線的埋深范圍為12.6～17.7 m，分別計算17.7 m 埋深處的松動土壓力與兩倍盾構機設備外徑（12.8 m）的土柱壓力，對比兩者的大小，取較大值作為計算土壓力。

（2）松動土高度計算。盾構機受力示意見圖1。根據高度h0=7.03 m 與幾何參數B1=6.06 m 計算松動土壓力PS=14.1 t/m2。根據盾構機設備外徑計算土壓力Pq=γh0，進而得到Pq=25.6 t/m2。對比PS與Pq后取較大值作為計算土壓力，因此取Pq=25.6 t/m2進行后續計算。計算壓力P0與P01，可得到P0=Pq+2=27.6 t/m2；P01=P0+W/（D·L）=32.7 t/m2。計算側壓力P1與P2，分別得到側壓力P1為20.2 t/m2；側壓力P2為25 t/m2。

（3）盾構機設備所需要的推力。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。盾構機設備的摩擦阻力采用公式F1=1/4×（P0+P01+P1+P2）πDLu 計算，進而得到盾構機設備的摩擦阻力F1=1219 t。

圖1 盾構機受力示意

盾構機設備的水平壓力引起的推力F2采用公式F2=π/4×（D2·Pd）計算，進而得到盾構機設備水平壓力引起的推力F2=383 t。

由土內聚力引起的刀盤推力F3采用公式F3=π/4×（D2·C）計算，進而得到盾構機由土內聚力引起的設備水平推力F3=96.2 t。

盾構機盾尾與管片之間的摩擦阻力F4采用公式F4=Wcμc計算，進而得到盾構機盾尾與管片之間的摩擦阻力F4=115.7 t。

綜合F1、F2、F3、F4的計算結果可得到盾構機推力總和F=F1+F2+F3+F4，最終得到盾構機推進所需總推力F=1813.9 t。

以上計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盾構機總推力的影響，通過上述計算可基本準確得到盾構機設備所需要的總推力。

3.2 盾構機推進扭矩計算

盾構機設備在推進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扭矩、盾構機設備刀盤自重產生的旋轉反力矩、盾構刀盤結構自身旋轉所需要克服的機械阻力矩、盾構機刀盤引推力荷載產生的反力矩、盾構機設備裝置密封部件所產生的摩擦力矩、盾構機刀盤前端面的摩擦力矩、盾構機設備刀盤后面的摩擦力矩、盾構機刀盤開口處的剪切力矩、刀盤前方土倉內的攪動力矩。

切削巖土體所需要克服的旋轉扭矩T1，用公式T1=1/2（quhmaxR2）進行計算，進而得到切削巖土體所需要克服的旋轉扭矩T1=3.0 t·m。

盾構機設備刀盤自重產生的旋轉反力矩T2用公式T2=G·R1·ug計算，進而獲得盾構機設備刀盤自重產生的旋轉反力矩T2=0.48 t·m。

盾構刀盤結構自身旋轉所需要克服的機械阻力矩T3用公式T3=PtR1ug計算，進而獲得盾構刀盤結構自身旋轉所需要克服的機械阻力矩T3=2.8 t·m。

盾構機設備裝置密封部件所產生的摩擦力矩T4用公式T4=2πumFm（n1Rm12+n2Rm22）計算，進而獲得盾構機設備裝置密封部件所產生的摩擦力矩T4=4.8 t·m。

盾構機刀盤前端面的摩擦力矩T5采公式T5=2/3（απupR3Pd）計算，進而獲得盾構機刀盤前端面的摩擦力矩T5=98.6 t·m。

盾構機刀盤引推力荷載產生的反力矩T6用公式T6=2πDBPzUp計算，進而獲得盾構機刀盤引推力荷載產生的反力矩T6=73.5 t·m。

盾構機設備刀盤后面的摩擦力矩T7用公式T7=2/3×（απR3up×0.8Pd）計算，進而獲得盾構機設備刀盤后面的摩擦力矩T7=78.8 t·m。

盾構機刀盤開口處的剪切力矩T8用公式T8=2/3·πCτR3（1-α）計算，進而獲得盾構機刀盤開口處的剪切力矩T8=51.2 t·m。

刀盤前方土倉內的攪動力矩T9采用公式T9=2π（r22-r12）LCτ計算，進而獲得刀盤前方土倉內的攪動力矩T9=24.0 t·m。

盾構機設備掘進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扭矩T1、盾構機設備刀盤自重產生的旋轉反力矩T2、盾構刀盤結構自身旋轉所需要克服的機械阻力矩T3、盾構機設備裝置密封部件所產生的摩擦力矩T4、盾構機刀盤前端面的摩擦力矩T5、盾構機刀盤引推力荷載產生的反力矩T6、盾構機設備刀盤后面的摩擦力矩T7、盾構機刀盤開口處的剪切力矩T8、刀盤前方土倉內的攪動力矩T9的總和，最終得到盾構機刀盤總扭矩T=337 t·m。

4 結束語

盾構機掘進參數的準確選擇對于保證盾構隧道施工效率、節約工程成本具有重要的作用，針對盾構穿越粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土等軟土地層的特殊工況，通過計算最終確定了盾構機掘進所需要的推力及扭矩參數，為盾構機選配提供了依據。