软土地基土压平衡盾构切削刀盘扭矩的计算吕静

吕静

摘要：刀盘扭矩不仅是盾构选型时一个重要的设计参数，还是盾构施工运行中一个关键的控制参数。在施工过程中，如果刀盘扭矩过大，盾构机就有可能被卡死，而不能继续推进，目前工程中对于扭矩的计算大都采用经验公式进行确定，即将扭矩的值看作是盾构机直径的一个扭矩系数。本文分析了软土地基土压平衡盾构切削刀盘扭矩的计算。

关键词：软土地基；土压平衡盾构切削刀盘扭矩；计算；

在盾构机切削岩土体时，必须有大于切削扭矩的反作用，才能确保盾构顺利掘进而不产生侧翻，这个作用就是反扭矩。当反扭矩大于切削扭矩，可以保证盾构切削顺利进行；但当切削扭矩大于反扭矩，则盾构机有侧翻的危险。在掘进中发生盾构机侧翻纠正难度大，严重影响施工进度，造成巨大经济损失。

一、概述

盾构刀盘在驱动装置驱动扭矩的作用下,依靠刀盘旋转和其上布置的刀具切割地层开挖隧道,并随着盾构千斤顶的推进实现连续的机械化隧道掘进。众所周知,刀盘的装备扭矩是设计、制造盾构机的关键参数,若该参数取值不当,会使盾构机在复杂地质条件下出现刀盘扭矩不足,造成施工困难，因此准确地估算刀盘装备扭矩,定量地研究刀盘扭矩的影响因素,对盾构机的选型、设计和使用十分重要。在刀盘扭矩的构成中,刀具切削产生的地层抵抗扭矩(简称切削扭矩)占有较大的比重,目前一般是参考经验公式估算,即假定刀具切削面积为刀盘半径与切削深度的乘积,将此切削面积与地层的单轴抗压强度和平均力臂的乘积做为切削扭矩。经验估算法虽然简单、方便,但公式中不能反映出不同类型刀具的切削机理,也不能反映出刀具布置的位置、数量,以及刀具参数和地层参数等对切削扭矩的影响。因此探讨和研究切削扭矩的其它计算方法一直是盾构技术研究人员的努力方向。

二、盾构刀盘扭矩的构成

盾构机机型(土压式,泥水式)不同,刀盘的结构形式(面板式和辐条式)不同,刀盘扭矩的影响因素和计算方法也不尽相同。以下将重点以土压平衡盾构为对象进行研究。土压平衡式盾构机在掘进过程中,作用于刀盘上的载荷主要有:刀盘正面的土压力、刀盘侧面的土压力以及泥土舱内的碴土压力。由于刀盘的旋转运动,刀盘在切削土体的同时还与地层摩擦,从而产生各个阻力和阻力扭矩。通过对盾构掘进时刀盘受力状况的全面分析可以得出,作用在刀盘上的扭矩由九个部分构成,即刀盘上刀具切削产生的地层抗力扭矩T1、刀盘正面与土体的摩阻力扭矩T2、刀盘背面与碴土的摩阻力扭矩T3、刀盘转动时刀盘开口内土体的剪切摩阻力扭矩T4、刀盘侧面(外周)与土体之间的摩阻力扭矩T5、刀盘构造柱和搅拌臂搅拌碴土产生的摩阻力扭矩T6,以及刀盘转动时机械自身内摩擦阻力扭矩,它们包括刀盘密封的摩阻力扭矩T7、轴承的摩阻力扭矩T8和减速装置的机械损失扭矩T9等。即盾构总设计扭矩Td为:Td=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9，准确地估算刀盘装备扭矩、定量地研究刀盘扭矩的影响因素,对盾构机的选型、设计和使用十分重要。

三、软土地基土压平衡盾构切削刀盘扭矩的计算

1.关键施工参数识别分析。在均匀地层中，可能影响扭矩变化的因素有盾构掘进速度、刀盘转速、推力、土仓压力、贯入度等。通过对扭矩与刮刀贯入度之间的关系进行分析，结果表明在各类地质条件下刀盘扭矩与刀具贯入度（刀盘每转切土深度）之间的线性关系均非常明显，通过对二者之间关系进行线性回归。从上述研究结果来看，对扭矩显著影响的参数分别为贯入度、推力以及土仓压力．但这几个参数有一定的相关性，当推力增大时，盾构机的前进速度必然增大，对前方土体的挤压更加厉害，从而导致刀具贯入度的增大；同时随着推力的增大，土仓内的土体变的更加密实，从而导致了土仓压力的增大，但这并不代表推力增大时土仓压力一定变大，因为土仓压力还与渣土的输送速度有关，即当土体输送速度加快时，会降低土仓压力。上述分析说明了推力对贯入度以及土仓压力的影响。本文通过某地铁某工点的盾构施工实时数据，对刀盘扭矩与贯入度以及土仓压力之间的关系进行分析，该工点采用土压平衡盾构掘进，刀盘直径为6.2ｍ，开口率为35％，选取了3处相邻环中现场数据进行回归分析，每处选取712组数据，该段隧道上方主要为粉质黏土，埋深分别在10、11、13ｍ，，为了进一步分析贯入度和土仓压力对刀盘扭矩的影响，首先分析贯入度的影响，对数据进行处理以消除土仓压力的影响，数据处理步骤如下：找出712组数据中土仓压力的平均值，对差较远的数据进行剔除，通过数据的筛选，对保留的数据进行拟合，分析土仓压力的影响时对数据的处理方法与分析贯入度影响时的处理方法类似。

2.贯入度的影响分析。首先分析贯入度对刀盘扭矩的影响，在均匀地层下，当贯入度改变时，刀盘正面与土体之间作用力改变，从而导致刀盘正面摩擦扭矩以及刀具切削扭矩发生变化。刀盘切削扭矩所占总扭矩的比例是很小的，不可能达到图中所示的改变量，那么刀盘扭矩改变的最大可能就是刀盘正面摩擦扭矩的改变，也就是说贯入度主要是通过改变刀盘正面与土体的摩擦扭矩来大幅度改变刀盘的施工总扭矩，刀盘正面的摩擦扭矩计算公式为：，，土体首先向隧道方向变形，直至土体开挖面应力与土仓应力平衡为止，随着推力的增大，刀具贯入度增大，刀盘挤压土体并掘进，此时可以把贯入度的增加量看作是刀盘挤压导致土体的位移量，而土体向开挖面处的移动必然导致刀盘与土体之间作用力的增大，从而增大摩擦力并加大刀盘扭矩值，所以研究不同初始应力条件下的贯入度对刀盘扭矩的影响，可以先研究开挖面土体不同位移条件下刀盘与土体挤压应力的变化情况。采用控制位移法计算出不同土体侧向位移对应的开挖面应力大小。模拟步骤如下：一是自重应力平衡后进行开挖、设置管片，固定开挖面节点的位移，进行迭代计算达到平衡；二是释放开挖面节点位移，施加适当的开挖面节点位移速度（这里向隧道方向为负，向开挖面方向为正），根据需求设置不同的计算步数以模拟初始状态下刀盘上的土体应力大小；三是消除开挖面的节点位移速度，将位移速度设置为０，进行迭代计算直至平衡。计算所得结果与工程数据拟合结果相比偏小，其原因为：一方面由于数值模拟方法本身的误差，另一方面也可能由于施工中一些扭矩的次要影响因素的作用，比如刀具磨损、刀盘转速带来的影响。

3.极限扭矩的设置方法。刀盘极限扭矩的设置需要考虑正常施工中的最不利情况，包括最不利地层、最大贯入度，以及土仓压力的影响。可根据上式求得土仓压力最大值，为了保证刀盘扭矩满足工程需求，可认为原始的静止侧应力的值，一般来说施工过程中的土仓压力会略小于原始的静止侧应力，极限扭矩随着工程所需求的最大贯入度的改变而改变，略大于每环的最大扭矩值，表明该计算方法可以用于极限扭矩的计算。

影响掘进过程中的刀盘扭矩的主要因素为：刀具贯入度、土仓压力，当刀盘贯入度增大时，刀盘扭矩明显增大，其原因主要是刀盘对开挖面土体挤压的增大，而不是刀具切削扭矩的增加；土仓压力对刀盘扭矩的影响主要是增大了刀盘背面摩擦扭矩。极限扭矩的设置不仅要考虑围岩条件、隧道埋深等基本地层情况，还需要考虑到施工的需求，特别是对刀具贯入度的需求，而其大小与刀具贯入度密切相关。

参考文献：

[1]吕强.盾构掘进机主要参数的分析与试验研究博士学位论文][D].上海：同济大学，2015.

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[3]傅德明.土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报,2016,25(增1),3137−3143.