李雙飛，謝鴻輝

（1.廣州交通工程技術(shù)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(gòu)掘進參數(shù)控制是盾構(gòu)掘進施工的重要環(huán)節(jié)，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(shù)以維持開挖面穩(wěn)定，控制地層變形；對于硬巖段，應(yīng)選用合理的推力、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速及扭矩，以實現(xiàn)刀具保護與掘進施工效率的有效匹配。目前國內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)研究主要針對軟土地層地層穩(wěn)定性控制方面，硬巖段由于洞室穩(wěn)定，對掘進參數(shù)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(shù)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(jié)合掘進參數(shù)的統(tǒng)計與滾刀受力數(shù)理定量分析，在掘進參數(shù)與地層狀態(tài)之間建立對應(yīng)關(guān)系，為硬巖段盾構(gòu)掘進施工參數(shù)擬定提供依據(jù)。

1 盾構(gòu)與受力有關(guān)的掘進參數(shù)

1）推力 盾構(gòu)往前推進的主動力。推力扣除盾構(gòu)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(zhuǎn)動一圈，設(shè)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(zhuǎn)動過程中刀具在轉(zhuǎn)動方向上與圍巖之間作用力的表現(xiàn)。

2 掘進參數(shù)拓展及物理意義

盾構(gòu)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(shù)的片面性，參數(shù)的變化與地層變化沒有絕對的關(guān)聯(lián)關(guān)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(jù)掘進參數(shù)所代表的物理意義，拓展出另外3 個掘進參數(shù)及參數(shù)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(zhuǎn)動方向受力的比值，無量綱值。在進行參數(shù)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(zhuǎn)扭矩。

3 扭推比數(shù)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(jù)這一特性，分別進行對滾刀受力理論分析以及掘進參數(shù)進行統(tǒng)計計算，得到理論扭推比及統(tǒng)計扭推比。

盾構(gòu)在硬巖地層掘進時，假設(shè)掌子面圍巖均質(zhì)，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(gòu)掘進方向及垂直于盾構(gòu)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(gòu)掘進方向）

滾刀受到的切向力（垂直于盾構(gòu)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(shù)關(guān)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(guān)系

以某工程項目所使用盾構(gòu)為例，盾構(gòu)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(shè)有效推力與有效扭矩均分至每把刀具，另外根據(jù)記錄的掘進參數(shù)，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(huán)的掘進參數(shù)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(shù)的統(tǒng)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(qū)間（微風(fēng)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(shù)分析的扭推比變化趨勢一致，數(shù)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(shù)的應(yīng)用

4.1 分析地層變化情況

拓展參數(shù)有效避免了貫入度值對參數(shù)變化的影響，可以直接從參數(shù)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(huán)）掘進參數(shù)圖表與勘探地質(zhì)圖進行對比，可以發(fā)現(xiàn)從圖表中參數(shù)與鉆孔處地層互為印證，推貫入比與扭貫比參數(shù)圖表能夠更連續(xù)地反映實際地層情況。

4.2 盾構(gòu)掘進參數(shù)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(shù)在地質(zhì)分析中的應(yīng)用

式中K——滾刀受力不均勻系數(shù)，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(jù)前文中理論扭推比值，根據(jù)貫入度值及扭推比的關(guān)系，在刀盤扭矩值的基礎(chǔ)上對刀具受到的軸向推力進行計算，盾構(gòu)允許有效扭矩的控制值≤FeRn。

5 結(jié)語

基于某工程硬巖段盾構(gòu)掘進參數(shù)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(shù)，并在此基礎(chǔ)上進一步拓展了推貫比、扭貫比及扭推比3 個參數(shù)比。在盾構(gòu)掘進過程中，可以通過分析參數(shù)的變化來監(jiān)視圍巖變化，同時可以定量地控制掘進參數(shù)以保護刀具，建議可以刀盤與主軸承連接法蘭面設(shè)置應(yīng)力計以實現(xiàn)有效推力的準確采值。

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