微型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開口率對(duì)排土率的影響

王世杰，王學(xué)科，王吉業(yè)，劉春光，關(guān)振華

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.北方重工全斷面掘進(jìn)機(jī)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

刀盤開口率是刀盤設(shè)計(jì)時(shí)需要確定的重要參數(shù).如果刀盤開口率選擇得不恰當(dāng)（過(guò)大或過(guò)?。?，就會(huì)影響盾構(gòu)的掘進(jìn)，造成地表塌陷或者隆起，危及盾構(gòu)施工工地附近的建筑物安全.不同的地質(zhì)條件下，刀盤開口率的大小選擇是不同的，比如在黏土地層中，選擇較小的開口率有利于開挖面的穩(wěn)定；但在砂礫石地層中，較小的開口率就會(huì)造成排土困難，引起地表隆起.即使在相同地質(zhì)條件下，微型刀盤由于直徑較小，其開口率的選擇與中型刀盤和大型刀盤也不同.目前，關(guān)于微型刀盤開口率的相關(guān)文獻(xiàn)較少.

文獻(xiàn)［1］研究了不同開口率對(duì)刀盤前后壓差的影響，研究表明壓力差隨著刀盤開口率的增大而減小.文獻(xiàn)［2］基于RANKINED土壓力理論，研究了掘進(jìn)工作面主動(dòng)與被動(dòng)土壓力的分布.文獻(xiàn)［3］在盾構(gòu)模擬試驗(yàn)平臺(tái)上模擬了盾構(gòu)機(jī)在砂礫土、軟土、砂土中的掘進(jìn)過(guò)程，研究了不同開口率對(duì)盾構(gòu)總推力和扭矩的影響.文獻(xiàn)［4］通過(guò)分析開口率對(duì)出土率的影響，提出了刀盤開口率對(duì)地層適應(yīng)性的計(jì)算方法，但是只研究了盾構(gòu)擠土推進(jìn)造成地表隆起時(shí)開口率對(duì)出土率的影響，沒(méi)有分析地面塌陷時(shí)開口率對(duì)出土率的影響.

本文將分別從盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)造成地表塌陷及隆起這兩種情況分析刀盤開口率對(duì)排土率的影響，估算了微型刀盤在砂礫土層中開口率的取值范圍.

1 盾構(gòu)排土率的估算方法

盾構(gòu)排土率是盾構(gòu)在掘進(jìn)中單位時(shí)間內(nèi)刀盤開口處的排土量與刀盤切削量的比值.排土率是影響開挖面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.當(dāng)排土率為100%時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀盤切削下的土全部從刀盤開口處進(jìn)入，不會(huì)引起地面的沉降與隆起；當(dāng)排土率小于100%時(shí)，刀盤切削下的土只有部分從刀盤開口處流入，達(dá)到一定程度時(shí)，盾構(gòu)就會(huì)擠土推進(jìn)，造成地面隆起，如圖1a所示；當(dāng)排土進(jìn)率大于100%時(shí)，從刀盤開口處進(jìn)入的土量大于刀盤切削量，達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)引起地面塌陷，如圖1b所示.圖1中，h為盾構(gòu)埋深，D為刀盤直徑.

圖1 地表變型Fig.1 Surface modification

排土率e與土層參數(shù)之間的關(guān)系為［4］

式中：ξ為刀盤開口率；Δp為掘進(jìn)工作面與土艙之間的壓力差；c為土體的黏聚力；k1為4.3，為常數(shù)；k0為土體靜止側(cè)壓力系數(shù)；γ為隧道中心以上土體加權(quán)容重；φ為地層的內(nèi)摩擦角；k2為1.8，為常數(shù)；L為土艙長(zhǎng)度.按照半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［5］：

單位時(shí)間內(nèi)，當(dāng)?shù)侗P切削量大于排土量時(shí)，造成地表隆起，此時(shí)掘進(jìn)工作面的土壓力從靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)土壓力.被動(dòng)土壓力σ1的公式為

為了保證開挖面穩(wěn)定，則壓力差應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：σ0為靜止土壓力，其計(jì)算公式為

此時(shí)最小排土率e1為

單位時(shí)間內(nèi)，當(dāng)?shù)侗P切削量小于排土量時(shí)，造成地表下降，此時(shí)掘進(jìn)工作面的土壓力從靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力.主動(dòng)土壓力σ2的公式為

為了保持開挖面穩(wěn)定，最小土壓力應(yīng)大于主動(dòng)土壓力σ2，則壓力差應(yīng)滿足以下關(guān)系：

最大排土率e2為

為了防止盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中引起地面的沉降或隆起，需要合理確定排土率的取值范圍.如果排土率大于最大排土率，將會(huì)造成地表沉降；相反，如果排土率小于最小排土率時(shí)，將造成地表隆起.地表的變形不僅不利于盾構(gòu)施工安全，也會(huì)對(duì)地面上的建筑物造成安全隱患.因此，合理的排土率應(yīng)介于最大排土率與最小排土率之間：

2 排土率與刀盤開口率關(guān)系

刀盤的開口率直接影響到排土量.根據(jù)排土率的計(jì)算方法，刀盤直徑分別為3m，5m，9m時(shí)刀盤開口率與排土率的關(guān)系，如圖2所示.其中，地質(zhì)參數(shù)采用北京地鐵4號(hào)線角門北站—北京南站區(qū)間，如表1所示，土艙長(zhǎng)度為0.7m.

表1 砂礫石地層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of sand and gravel layer

從圖2可以看出，排土率隨著刀盤開口率的增大而增大，當(dāng)開口率一定時(shí)，隨著刀盤直徑的增大排土率也相應(yīng)地增大.從圖2c可以看出刀盤直徑為9m，開口率為80% 時(shí)，刀盤排土率最大能達(dá)到400%，此時(shí)，若盾構(gòu)推進(jìn)，則容易引起地面的塌陷.從圖2a可以看出刀盤直徑為3m，開口率為40%時(shí)，刀盤排土率最大能達(dá)到40%左右，此時(shí)，若盾構(gòu)擠土推進(jìn)，則會(huì)造成地表隆起.因此，從開挖面的穩(wěn)定性考慮，小直徑刀盤應(yīng)設(shè)計(jì)較大的開口率，大直徑刀盤應(yīng)設(shè)計(jì)相對(duì)較小的開口率.同時(shí)由圖2可以粗略得到，在砂礫石地層中保持開挖面穩(wěn)定性的情況下，不同直徑刀盤開口率的取值范圍及排土率范圍，如表2所示.

圖2 不同直徑的刀盤排土率與開口率的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil rate and the opening rate of cutter

表2 刀盤開口率、排土率的取值范圍Tab.2 Cutter opening ratio and dumping rate range

3 實(shí)例分析

北京地鐵10號(hào)線在海淀區(qū)蘇州街與海淀南路交界處的東南角施工時(shí)發(fā)生地面塌陷，本文將從刀盤開口率角度分析地面坍塌原因.

本段區(qū)間盾構(gòu)隧道位于永定河沖擊扇中部（海淀臺(tái)地內(nèi)東部邊緣）.地面以下10～20m范圍內(nèi)地層以第四紀(jì)沖洪積的黏性土、粉土、砂土交互沉積層為主，盾構(gòu)施工的地層參數(shù)如表3所示.

表3 砂土地層力學(xué)參數(shù)Tab.3 Sand layer and mechanical parameters of the land

該區(qū)間盾構(gòu)施工所使用的刀盤結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)為輻條式，刀盤直徑為6.24m，開口率為80%.

根據(jù)最大排土率與最小排土率的計(jì)算公式，在該地質(zhì)條件下，刀盤直徑為6.14m，開口率為80%時(shí)，排土率在320%～500%之間，此時(shí)極易造成開挖面坍塌；刀盤開口率為50%～60%之間時(shí)，排土率在80%～150%區(qū)間，此時(shí)有利于開挖面的穩(wěn)定.因此，刀盤開口率的選擇要非常慎重，如果刀盤開口率選擇過(guò)大，雖然有助于提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率，但容易引起開挖面的坍塌；如果開口率過(guò)小，不僅影響掘進(jìn)效率，也會(huì)引起盾構(gòu)擠土推進(jìn).

圖3 輻條式刀盤Fig.3 Spoke cutter

4 結(jié) 論

本文通過(guò)研究土壓平衡下盾構(gòu)刀盤切削量與排土量的關(guān)系，提出了合理排土率的取值問(wèn)題，認(rèn)為合理的排土率應(yīng)介于最大排土率與最小排土率之間，并且推導(dǎo)了最大排土率與最小排土率的計(jì)算方法.通過(guò)該方法，定量地分析了刀盤開口率與排土率之間的關(guān)系，獲得如下結(jié)果：

（1）在砂礫石地層下，隨著開口率的增大，排土率也相應(yīng)增大.

（2）在砂礫石地層下，當(dāng)排土率達(dá)到100%時(shí)，刀盤直徑分別3m，6m，9m下，開口率分別取70%～80%，50%～60%，40%～48% 時(shí)，開挖面能夠保持穩(wěn)定.這也說(shuō)明，即使在相同地質(zhì)條件下，不同直徑的刀盤，開口率也不相同，微型刀盤應(yīng)該取較大的開口率，這樣既能保持開挖面的穩(wěn)定性，也能提高掘進(jìn)效率.

［1］劉建琴，郭偉，黃丙慶，等.土壓平衡盾構(gòu)刀盤開口率與刀盤前后壓差的關(guān)系［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44（8）：659－664.LIU Jianqin，GUO Wei，HUANG Bingqing，et al.The relationship between earth pressure balance shield cutter opening ratio and the cutter and pressure［J］.Journal of Tianjin University，2011，44（8）：659－664.

［2］上官子昌.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制機(jī)理模型及其實(shí)驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.SHANGGUAN Zichang.Earth pressure balance shield machine chamber pressure control mechanism model and experimental study［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2011.

［3］李向紅，傅德明.土壓平衡模型盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（9）：1101－1105.LI Xianghong，F(xiàn)U Deming.Experimental study on the model of earth pressure balance shield ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（9）：1101－1105.

［4］王洪新.土壓平衡盾構(gòu)刀盤開口率選型及其對(duì)地層適應(yīng)性研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（3）：88－92.WANG Hongxin.The earth pressure balance shield cutter opening ratio selection and the stratum adaptability study［J］.Journal of Civil Engineering，2010，43 （3）：88－92.

［5］武力.基于離散元仿真的盾構(gòu)密封艙壓力平衡機(jī)理研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.WU Li.Based on discrete element simulation of shield capsule pressure balance mechanism research［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2009.