盾构刀盘扭矩与位移相关性分析

潘茁;张晋勋;江玉生;江华

【摘 要】盾构刀盘扭矩是盾构施工参数的重要组成部分.为了明确盾构刀盘扭矩大小,以及扭矩对土体位移的影响,确保盾构隧道施工的高效和安全,以北京地铁14号线工程的现场测试和理论分析建立了扭矩各组成部分的计算模型.采用高频率采集数据的方式,结合现场测试的扭矩和盾构施工引起的土体位移,讨论两者的相关性.研究结果表明:刀盘扭矩由7个部分组成,其中与地层土体情况有关扭矩约占总扭矩的99％,刀盘与土体的摩擦扭矩占总扭矩的65％;定义了与扭矩、距离相关的f值,并得到测点单环位移变化量S与1/f成反比关系,即S与扭矩T成正比,与距离L成反比关系;S与1/f之间的相关性及匹配性较好,刀盘到达测点前S与1/f的相关性要优于刀盘通过测点后;施工时主要考虑刀盘到达前扭矩对土体位移的影响,周围土体主要为粉土的S与1/f的相关性要优于粉细砂. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2016(016)010 【总页数】6页(P238-242,247) 【关键词】盾构;扭矩;位移;刀盘 【作 者】潘茁;张晋勋;江玉生;江华

【作者单位】中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;北京城建集团有限责任公司,北京100088;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083

【正文语种】中 文 【中图分类】U455.43

随着盾构施工技术的不断发展与进步，盾构施工法因其具有机械化程度高、掘进速度快、开挖扰动小等特点逐渐取代明挖、暗挖等方法，成为北京地铁隧道建设的第一大施工法。由于盾构施工法的特点以及地质因素的影响，盾构在推进过程中，不可避免地会对周围土体产生扰动，从而引起土体位移。

很多学者[1—7]对盾构施工的扭矩进行了研究，王洪新[1]对刀盘扭矩的计算公式进行了推导，并以计算公式为基础，建立了刀盘扭矩与总推力、土舱压力、刀盘转速及推进速度的关系。李潮等[2]推导了扭矩的计算模型，对各影响因素进行量化分析，分析表明刀盘各面与地层的摩擦阻力扭矩约占总扭矩的 80%。江玉生、江华等[3]结合北京地铁标段工程，对盾构刀盘扭矩的各组成部分所占比例进行了分析，并提出刀盘扭矩计算公式的简化方法。

魏新江等[4]对杭州地铁1号线盾构施工进行了现场监测，并研究了盾构参数之间的关系以及对地层位移的影响。张恒等[5]通过现场监测以及数值模拟，模拟分析了掘进参数对地表沉降的影响。

很多学者[8—11]也对盾构施工引起的土体扰动进行了研究，徐永福[8]提出了应力扰动影响度的概念。 李园通过[9]有限元法，讨论了土体的变形。张庆贺[10]认为盾构前方土体扰动可以用摩尔-库伦准则来描述。司翔宇[11]分析了地层变位的影响因素。

现以北京地铁14号线工程，采用高频率采集的数据，对盾构刀盘扭矩进行了计算，并结合盾构施工引起的位移值，讨论两者的相关关系。 1.1 工程概况

北京地铁14号线11标“方庄站～十里河站”区间采用盾构法施工，左右线净间

距约为5 m。区间整体呈东西走向，隧道最大纵坡为2.5%，最小曲率半径为440 m。本区间采用设备为日立EPB6150土压平衡盾构机，盾构长度为8 435 mm，刀盘直径6 180 mm，盾尾直径为6 150 mm，管片宽度为1 200 mm。 1.2 现场布置

选取三个基准监测断面A、B、C进行地层位移测试试验，隧道埋深分别约为10.30 m、10.80 m和11.10 m，隧道开挖断面以粉质粘土为主，其中拱顶及拱顶以上部位存在1～2 m厚的粉细砂层，地层中无地下水，如图1所示。盾构刀盘距测点50 m时开始测量，直至测点位移稳定。 2.1 刀盘扭矩的组成

总结前人[1—3,12]对刀盘扭矩的计算研究，刀盘扭矩T主要包括以下几个方面： T=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8

式(1)中：T为刀盘扭矩设计值， T1为刀盘上刀具切削阻力扭矩， T2为刀盘开口处剪切渣土所需扭矩，T3为刀盘正面与土体摩阻力扭矩，T4为刀盘周边与土体间摩阻力扭矩，T5为刀盘背面与土体间摩阻力扭矩， T6为刀盘土舱内的搅拌扭矩，T7为刀盘轴承引起的摩阻力扭矩，T8为主轴承密封装置摩阻力扭矩。 2.2 盾构刀盘扭矩力学模型的建立 2.2.1 刀盘上刀具切削阻力扭矩T1

式(2)中：hmax为最大切削深度，Qu1为周围土体单轴抗压强度(kPa)，Rc为最外圈刀具的半径(m)。

2.2.2 刀盘开口处剪切渣土所需扭矩T2

开口内土柱将随着刀盘的转动一同旋转，与开挖面和渣土舱内的土体产生剪切摩擦[6]。

式(3)中：ξ为刀盘开口率，Dc为盾构设备刀盘外径(m)，Qu2为渣土的平均抗剪强度(kPa)。

2.2.3 刀盘正面与土体间摩阻力扭矩T3

刀盘正面与土体之间发生摩擦，产生摩擦阻力矩，其大小主要取决于刀盘面板的有效接触面积[7]。采用全覆土理论计算刀盘正面法向土压力。

式(4)中：u为刀盘与土体之间的摩擦系数， c2为刀盘与渣土的黏聚力(kPa)，p0为刀盘正面法向土压力(kN/m2), K1为区间土体静止侧向土压力系数，γ为隧道中心线处覆土的平均容重，H为隧道覆土厚度(m)。 2.2.4 刀盘周边与土体间摩阻力扭矩T4

由于刀盘直径大于切口环直径，刀盘转动过程中，刀盘周边与土体产生摩擦，其摩擦扭矩为[6]：

式(5)中：t为刀盘宽度(m)，pr为刀盘周边的平均压力(kPa)。 2.2.5 刀盘背面与土体间摩阻力扭矩T5

刀盘旋转切削的情况下，刀盘背面与土舱内渣土相互摩擦。 假定土舱内的渣土压力是刀盘正面侧压力的80%，则摩擦扭矩为： 式(6)中：c2为刀盘与渣土间的黏聚力(kPa)。 2.2.6 刀盘土舱内的搅拌扭矩T6

刀盘切削下来的土体进入土舱，再通过土舱内搅拌翼搅拌，形成均匀的流塑性土体，从而形成搅拌扭矩：

式(7)中：R1为刀盘支撑翼外径(m)，R2为刀盘支撑翼内径(m)，L为刀盘支撑翼长度(m)，Qu2为渣土的平均抗剪强度(kPa)。 2.2.7 刀盘轴承引起的摩阻力扭矩T7

刀盘主轴承引起的摩擦阻力扭矩T7包括与刀盘自重形成的轴承旋转反力扭矩T71、刀盘轴向推力荷载形成的旋转阻力扭矩T72。 T7=T71+T72

式(8)中：T71为径向阻力扭矩，T72为轴向阻力扭矩。

T71=WcRrμg T72=ptRrμg

式(9)中：Wc为刀盘自重(kN)，Rr为轴承接触半径(m)，μg为轴承滚动摩擦系数(m)，pt为刀盘推力荷载(m)。推导可得 2.2.8 主轴承密封装置摩阻力扭矩T8[6]

式(12)中：μm为主轴承密封与钢的摩擦系数，Fm为密封的推力(kN/m)，n1为内密封的数量，n2为外密封的数量，Rm1为内密封的安装半径(m)，Rm2为外密封的安装半径(m)。

根据所得计算方法，结合工程实际对刀盘扭矩各组成部分进行估算，如表1所示。 以上中，T1～T6六项主要与盾构周围地层的土体情况有关，约占扭矩比例的99%，其中(T3+T4+T5) 约占扭矩比例的65%，即刀盘的摩擦扭矩占有重要地位，T7～T8主要与盾构设备自身有关，约占扭矩比例的1%，可忽略不计。 3.1 扭矩与测点a位移相关性

基于原位试验所获得的土体位移数据，结合中国矿业大学(北京)研发的应用于北京地铁盾构施工安全风险管理的“盾构施工实时管理信息系统”和数据分析系统，在盾构穿越过程中，对位移值间隔3 min采集一次，盾构数据间隔10 s采集一次的高频率采集，以对盾构扭矩与土体位移的相关性进行分析。分析发现处于盾构隧道拱顶上方1 m处测点a(b、c与隧道相对位置相同)位移变化最为显著，测点相对位置如图2。图3为盾构通过测点前后10环测点竖向位移与扭矩变化曲线关系图。

如图3所示，测点位移与扭矩的相关性不能直观看出，这是由于刀盘扭矩大小T、刀盘与测点距离L都会影响对土体的扰动。故需要从两个因素考虑对土体的影响。定义f值为参考值。 f=T/L

盾构扭矩在单环内波动变化不大，可以采用平均值代替单环扭矩大小。为了便于对测点位移与扭矩相关性进行曲线分析，T值采用扭矩与额定扭矩百分比，分析每环1/f与土体位移关系。图4为盾构刀盘到达测点前单环1/f与测点单环位移变化量S相关关系。图5为盾构刀盘通过测点后单环1/f与测点单环位移变化量S相关关系。

从图中可以看出，测点单环位移变化量S与1/f绝对值呈反比关系，即S与扭矩T成正比，与距离L成反比。扭矩越大，位移变化量越大；距离越大，位移变化量越小。

通过单环位移变化量S与1/f回归分析可以看出，在S与1/f之间的相关性及匹配性较好，刀盘到达测点前，单环位移变化量S与1/f值的参数检验R2=0.703 4，刀盘通过测点后，单环位移变化量S与1/f值的参数检验R2=0.311 7。结果显示，刀盘到达测点前单环位移变化量S与1/f值的相关性要优于刀盘通过测点后。为了验证A监测断面的结论，同时分析了B、C监测断面相同位置测点位移与扭矩相关关系。

3.2 扭矩与测点b位移相关性

图6为盾构通过测点前后10环测点竖向位移与扭矩变化曲线关系。图7、图8为盾构刀盘到达测点b前后单环1/f与测点单环位移变化量S相关关系。 3.3 扭矩与测点c位移相关性

图9为盾构通过测点前后10环测点竖向位移与扭矩变化曲线关系图。图10、图11为盾构刀盘到达测点c前后单环1/f与测点单环位移变化量S相关关系。 从B、C监测断面所形成的曲线图中可以看出，与A监测断面所分析的规律一致，测点单环位移变化量S与1/f绝对值均成反比关系，则说明S与扭矩T成正比，与距离L成反比。

通过单环位移变化量与1/f回归分析可以看出，B、C监测断面与A监测断面所得

结果接近，刀盘到达测点前，单环位移变化量S与1/f值相关性较好。但刀盘通过测点后，两者相关性变差。则在施工过程中，主要考虑刀盘接近测点时，扭矩对周围土体的影响。

C监测断面刀盘到达测点前，单环位移变化量S与1/f值的参数检验与A监测断面参数检验R2=0.703 4，B监测断面参数检验R2=0.732相比偏小。C监测断面所处位置粉细砂层与A、B监测断面相比较厚，结果显示周围土体主要为粉质粘土的单环位移变化量S与1/f值的相关性要优于粉细砂。

(1) 对土压平衡盾构刀盘扭矩的形成机理进行了研究，认为刀盘扭矩应由7个部分组成，并建立了每个部分的力学模型，在全覆土理论的基础上，推导了各个部分的计算公式，得到盾构刀盘扭矩主要和周围土体性质和设备自身有关，与地层的土体情况有关的扭矩约占总扭矩的99%。刀盘的摩擦扭矩占总扭矩的65%。 (2) 对刀盘扭矩与周围土体位移的相关性进行了研究，定义了与扭矩、距离相关的f值，并得到测点单环位移变化量S与1/f成反比关系，即S与扭矩T成正比，与距离L成反比关系。

(3) S与1/f之间的相关性及匹配性较好，刀盘到达测点前单环位移变化量S与1/f值的相关性要优于刀盘通过测点后。施工时主要考虑刀盘到达前扭矩对土体位移的影响。周围土体主要为粉质黏土的单环位移变化量S与1/f值的相关性要优于粉细砂。

【相关文献】

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