姜宗恒

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著國內(nèi)長大隧道建設蓬勃發(fā)展，常壓刀盤泥水盾構(gòu)因其安全、適用地層廣等特點在許多隧道領域開始快速應用。但因常壓刀盤客觀設計原因：開口率低、刀筒半封閉結(jié)構(gòu)、開挖面至主排漿口距離遠，會使刀盤切削下的渣土流動性差，極易造成刀盤前方、刀盤底部渣土滯排，特別是黏性礦物質(zhì)含量高的地層，掘進參數(shù)制定不匹配，可能會導致刀盤溜渣口堵塞，前泥水艙滯排渣土對刀盤、刀具二次磨損嚴重，換刀量大，掘進效率低，必須帶壓進艙進行渣土清理。

為減緩以上情況，通過對掘進參數(shù)的分析，對刀盤扭矩及排渣速度形成分析公式，為盾構(gòu)掘進參數(shù)決策提供科學依據(jù)，也為后續(xù)類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

春風隧道工程盾構(gòu)段隧道長3 603m，管片外徑15.2m、內(nèi)徑13.9m，壁厚0.65m。工程地質(zhì)以硬巖為主，軟硬不均及硬巖地層占比80%以上。線路穿過9條斷層破碎帶和2條次生斷裂帶（圖1)，本次主要以F6 斷裂帶列舉。

圖1 春風隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖

298～303 環(huán)刀盤頂部埋深30.69～30.87m，隧道左側(cè)詳勘顯示穿越微風化碎裂巖⑩4、糜棱巖①8、中風化碎裂巖⑩3、強風華碎裂巖⑩2；右側(cè)微風化碎裂巖⑩4與中風化碎裂巖⑩3（圖2)。

圖2 地勘示意圖

本工程采用1 臺開挖直徑?15.80m 的氣墊式泥水平衡盾構(gòu)施工。刀盤為面板式常壓刀盤，開口率27%。具備常壓換刀、刀具旋轉(zhuǎn)及磨損監(jiān)測、可伸縮擺動主驅(qū)動、高壓沖刷系統(tǒng)等功能，可應對各種復雜地質(zhì)、環(huán)境風險。刀具配置以滾刀為主，中心刀刀間距120mm，正面滾刀刀間距按80mm、100mm交替布置，刀盤結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 中鐵588號盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)形式

2 掘進參數(shù)介紹

掘進參數(shù)見表1，出渣情況見表2 和圖4。

圖4 303環(huán)出渣情況

表1 298～303環(huán)掘進參數(shù)

表2 出渣統(tǒng)計

3 參數(shù)計算及分析

3.1 渣土流速計算

舉例302 環(huán)掘進1h 理論實渣量為391t，通過環(huán)流計算實渣量為610t，通過泥水處理廠實際測量與理論出渣量基本吻合，但環(huán)流計算實渣量遠大于理論值，判斷排漿中石塊與泥漿相對運動，速度遠低于泥漿速度。根據(jù)流體對固體顆粒的繞流特性分析，固體顆?？傄妨εc流體密度、黏度、流動速度有關，結(jié)合掌子面泥膜需求情況，最優(yōu)泥漿指標還需進一步實驗。

以下為渣土在泥漿管路中推測計算公式，公式中忽略傳感器不準確，掌子面跑漿或地層水滲入。

每小時理論渣土量

每小時根據(jù)進排漿計算渣土量

排漿流速度

渣土流動速度

式中D——開挖直徑，D=15.8m；

d——泥漿管路直徑，d=0.5m；

ρ0——原狀土比重，ρ0=2.6tm3；

V掘進——掘進速度，mmmin；

Q排漿——排漿流量，m3h；

ρ排漿——排漿比重，tm3；

Q進漿——進漿流量，m3h；

ρ進漿——進漿比重，tm3。

由以上公式列298～303 環(huán)渣土流速計算如表3 所示。由表3 可知，301 環(huán)掘進速度最快，但是渣土流動速度也是最慢，應該是艙內(nèi)積渣最為嚴重。

表3 渣土流速計算表

3.2 艙內(nèi)滯排計算

根據(jù)圖5 擠壓力與扭矩關系圖顯示：擠壓力與扭矩沒有明顯關系，但按照盾構(gòu)掘進經(jīng)驗，刀盤擠壓力增大，刀盤扭矩也應增大，如果刀盤擠壓力很小，反而刀盤扭矩變大，判斷艙內(nèi)滯排。

圖5 擠壓力與扭矩關系圖

通過計算進行判斷，盾構(gòu)刀盤扭矩主要由以下幾項構(gòu)成。

T1：滾刀切削扭矩。T1=0.59R1F5×0.8μ4，其中，R1：開挖半徑，取7.9m；F5：刀盤擠壓力；μ4：滾動力系數(shù)，取0.12；即：T1=0.4475F5kNm。

T2：刀盤自重產(chǎn)生的主軸承周向滾子摩擦扭矩。T2=G1R2μ1≈88.1kNm。

T3：主軸承軸向滾子摩擦扭矩。T3=[F5+πR72(Pd+Pw)]R3μ1，其中，F(xiàn)5：刀盤擠壓力；R7：主軸承半徑，取3.8m；Pd：隧道中心土壓；Pw：隧道中心水壓；R3：軸向滾子分布半徑，取3.5m；μ1：滾子摩擦系數(shù)，取0.004。T3=0.0136F5+241。

T4：驅(qū)動密封摩擦扭矩。T4=2πR4Fsn1μ2R4+2πR5Fsn2μ2R5，其中：R4：外密封半徑，取3.63m；Fs：密封單倍長度壓緊力，取1.5kN；n1：外密封數(shù)量，取4；μ2：密封與金屬摩擦系數(shù)，取0.2；R5：內(nèi)密封半徑，取2.76m；n2：內(nèi)密封數(shù)量，取4；將上述數(shù)據(jù)代入得T4=156.7kNm。

T5：刀盤面板摩擦扭矩。T5=2kπαμ3R13Pd3，其中：k：渣土松散系數(shù)，取2；α：刀盤開口率，取0.73；μ3：土體與金屬摩擦系數(shù)，取0.15；R1：開挖半徑，取7.9m；Pd：隧道中心土壓。

T6：刀盤圓環(huán)的摩擦扭矩。T6=2πR62B(P1+P2+P3+P4)(4kμ3)，其 中：R6：大圓環(huán)半徑，取7.8m；B：大圓環(huán)寬度，取0.52m；P1：頂部土壓；P2：頂部側(cè)向土壓；P3：底部側(cè)向土壓；P4：底部土壓；k：渣土松散系數(shù)，取2；μ3：土體與金屬摩擦系數(shù)，取0.15。

為判斷艙內(nèi)滯排情況，把T5與T6取值為0，計算扭矩與實際扭矩做對比，計算判斷值如表4所示。

表4 艙內(nèi)積渣排序表

3.3 綜合對比分析

根據(jù)表5 判斷，301 環(huán)掘進速度提升20%，排渣速度變慢，泥水艙內(nèi)開始滯排渣土，302 環(huán)由于一次破碎機敞開，泥漿旁通二次破碎機，渣土流速加快，但艙內(nèi)滯排最為嚴重，判斷有可能301 環(huán)部分溜渣口堵塞后，302 環(huán)仍然未好轉(zhuǎn)（301環(huán)與302環(huán)D項比值相近)，直至303環(huán)開始好轉(zhuǎn)。

表5 滯排因素排序表

4 結(jié)論及建議

根據(jù)春風隧道盾構(gòu)掘進情況，及時計算扭矩值來與實際扭矩值對比，能夠及時制定合理掘進參數(shù)，防止刀盤溜渣口堵塞，刀盤結(jié)泥餅，減少換刀量，有效保證了掘進。為提升合理掘進速度，以掌子面穩(wěn)定為前提，通過采用各方手段提升排渣速度，另通過計算進行驗證，更為決策提供判斷依據(jù)。