砂卵石地層盾構(gòu)刀盤扭矩計(jì)算方法及其影響因素研究

1?砂卵石地層土壓平衡式盾構(gòu)施工難點(diǎn)南京市某項(xiàng)目部盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間隧道穿越地層為無水卵石地層，總結(jié)左線盾構(gòu)初始掘進(jìn)（1~58環(huán)）施工過程中遇到的施工難點(diǎn)如下。（1）卵石粒徑偏大。經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)的0~10環(huán)內(nèi)，發(fā)現(xiàn)多處大粒徑卵石，卵石外形多為長(zhǎng)圓形，其中尺寸為670?mm以上的5處，尺寸為550?mm以上的22處，尺寸為420?mm以上的39處；粒徑大于20?mm顆粒物含量約為90?%，粒徑級(jí)配圖如圖1所示。圖1?區(qū)間0~10環(huán)內(nèi)粒徑級(jí)配圖（2）若在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，土體改良效果欠佳，土體無法完全改良成流塑狀態(tài)，則很難建立土壓平衡，導(dǎo)致出土量及超挖現(xiàn)象難以控制，開挖面難從保持穩(wěn)定；并且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)上、中部土壓力大于下部土壓力的異常情況。（3）無法有效控制地面沉降，并出現(xiàn)地面塌方。開挖面的穩(wěn)定性難移保持，導(dǎo)致地表隆沉幅度增大，在兩次開艙后均出現(xiàn)局部塌方現(xiàn)象，每次塌方量約20~30?m3；施工現(xiàn)場(chǎng)通過在地面鋪設(shè)鋼板，并從地表打孔向隧道上方土體注漿方式，來避免和減小地表的沉降。（4）掘進(jìn)速度緩慢。（5）刀盤卡死、再次啟動(dòng)困難。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤前方常遇見大粒徑漂石，導(dǎo)致刀盤卡死無法轉(zhuǎn)動(dòng)；并且在盾構(gòu)停機(jī)（管片拼裝或接軌道、水管時(shí)）后，刀盤再次啟動(dòng)困難。（6）鑒于砂卵石地層的土體特性，雖采取了向刀盤前方和土艙內(nèi)注入泡沫和泥漿進(jìn)行改良，并試驗(yàn)過多種土體改良劑，但掘進(jìn)過程中仍出現(xiàn)盾構(gòu)刀盤扭矩過大，超出刀盤扭矩額定值致盾構(gòu)停機(jī)保護(hù)、頻繁跳閘現(xiàn)象發(fā)生，具體調(diào)停扭矩值見表1。表1?調(diào)停扭矩值（7）艙內(nèi)土體被擠壓密實(shí)且卵石大量堆積。土體改良效果欠佳且螺旋輸送機(jī)扭矩過大導(dǎo)致頻繁停機(jī)保護(hù)、出土困難，最終使得前方土體擠壓密實(shí)，造成盾構(gòu)刀盤完全不能轉(zhuǎn)動(dòng)。（8）刀盤/刀具/螺旋輸送機(jī)磨損嚴(yán)重。由于砂卵石顆粒間的摩擦阻力大，加之砂卵石化學(xué)成分中石英含量較高，而過多的石英必然會(huì)帶來盾構(gòu)刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)的超量磨損。（9）施工進(jìn)度緩慢。通常刀盤卡死無法再次啟動(dòng)時(shí)，只能通過開艙取石、檢修的方法再次恢復(fù)推進(jìn)；刀盤/刀具磨損嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行刀盤/刀具檢修，最終導(dǎo)致施工總體進(jìn)度非常緩慢，見表2。表2?施工進(jìn)度2?盾構(gòu)刀盤扭矩計(jì)算方法盾構(gòu)選型過程中，刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩等主要技術(shù)參數(shù)的計(jì)算非常重要，以便設(shè)計(jì)出與地質(zhì)條件相適應(yīng)的盾構(gòu)。而盾構(gòu)工作過程的力學(xué)參數(shù)計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，受地質(zhì)因素、土層改良方法、掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定調(diào)整等一系列因素的影響，在計(jì)算的方法上存在很多的不確定因素。遵從安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理等盾構(gòu)設(shè)備選型原則，依據(jù)地層狀況、地面環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與工期要求等條件，該區(qū)間左右線采用的是面板式土壓平衡式盾構(gòu)，如圖2所示。圖2?地鐵某盾構(gòu)區(qū)間刀盤構(gòu)造盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)情況分別見表3、表4。表3?盾構(gòu)設(shè)備基本情況介紹表4?盾構(gòu)刀盤扭矩計(jì)算參數(shù)3?影響因素分析當(dāng)采用全覆土重理論計(jì)算垂直土壓力時(shí)，刀盤扭矩計(jì)算值為實(shí)際扭矩平均值的1.06倍，此外，刀盤扭矩計(jì)算值（7?363.824?kN.m）為原土壓平衡式盾構(gòu)設(shè)備最大扭矩值（5?300?kN.m）的1.39倍，可見引起施工難點(diǎn)的主要原因之一的是區(qū)間設(shè)備的刀盤扭矩值配備不足，如圖3所示。圖3?區(qū)間2~10環(huán)盾構(gòu)刀盤扭矩實(shí)測(cè)值3.1?地質(zhì)條件對(duì)刀盤扭矩的影響采用全覆土重理論計(jì)算垂直土壓力時(shí)，隧道埋深對(duì)刀盤扭矩值的影響很大，為其不可忽略的影響因素。不同埋深下的刀盤扭矩值見表5。表5?不同埋深下的刀盤扭矩值與同樣參數(shù)的盾構(gòu)機(jī)在粘土地層的推進(jìn)參數(shù)相比較，相對(duì)在十號(hào)線二期中，盾構(gòu)隧道穿越地層為砂卵石地層，如圖4所示，砂卵石地層中的刀盤扭矩值偏大，粘土中的刀盤扭矩值較小。圖4?寧和二標(biāo)與十號(hào)線二期中刀盤扭矩實(shí)測(cè)值對(duì)比3.2?刀盤結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響刀具作為盾構(gòu)設(shè)備直接切削土體的工具，其在刀盤上的數(shù)量、分布形式以及種類、結(jié)構(gòu)形式等都會(huì)對(duì)刀盤扭矩產(chǎn)生一定的影響。不同開口率下的刀盤扭矩值見表6，可以兩區(qū)間實(shí)測(cè)刀盤扭矩值對(duì)比為例，區(qū)間一隧道覆土為12?m，刀盤開口率為36?%，區(qū)間二隧道覆土為18?m，刀盤開口率為32?%，扭矩實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖5所示。表6?不同開口率下的刀盤扭矩值（土體進(jìn)行改良后）圖5?區(qū)間一與區(qū)間二中刀盤扭矩實(shí)測(cè)值4?結(jié)束語本研究中，刀盤與土層間的摩擦是影響刀盤扭矩構(gòu)成的主要因素；當(dāng)土體未進(jìn)行改良時(shí)，其內(nèi)摩擦角較大，導(dǎo)致渣土的抗剪強(qiáng)度較大，故由刀盤開