盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的分析與研究

王星光，蘇習(xí)燦（.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司；.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，鄭州 45006）

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的分析與研究

王星光1，蘇習(xí)燦2
（1.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司；2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，鄭州 450016）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人口的劇增，當(dāng)前我國城市的土地面積已經(jīng)難以滿足社會(huì)生產(chǎn)生活的需求，這使得人們將目光從地上轉(zhuǎn)移到了地下，隧道工程技術(shù)由此得到了進(jìn)一步的發(fā)展。近幾年，隧道工程的范圍擴(kuò)展到了城市的公路、鐵路和管線布局中，施工單位一般選擇盾構(gòu)機(jī)這種專用工程機(jī)械來開展隧道挖掘作業(yè)，盾構(gòu)機(jī)在隧道工程中起到了重要的作用。同時(shí)，不可否認(rèn)的是，在隧道工程的作業(yè)過程中，常常會(huì)遇到復(fù)雜多變的地質(zhì)構(gòu)造，這會(huì)加大盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)受力分析的難度，影響施工單位的施工進(jìn)度，因此，我們有必要對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)和土體結(jié)構(gòu)之前的相互關(guān)系作一分析和研究。

盾構(gòu)機(jī)；切削；數(shù)值模擬

空間資源緊缺是一個(gè)全球化的大問題，近些年來各個(gè)國家都開始關(guān)注對(duì)地下空間資源可利用性的研究。我國在經(jīng)過改革開放后，全國掀起了大規(guī)模的工程建設(shè)，盾構(gòu)機(jī)成為施工單位第一選擇的挖掘隧道的專用工程機(jī)械，近幾年我國更是大范圍地加快地鐵項(xiàng)目建設(shè)，有超過300臺(tái)以上的盾構(gòu)機(jī)將投入到以后的施工項(xiàng)目中，這將帶來超過200億元的潛在市場價(jià)值。另一方面，我國的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立研發(fā)，在目前為止已經(jīng)完成的隧道項(xiàng)目中，有很多項(xiàng)目所用到的盾構(gòu)機(jī)都是自主研發(fā)的，雖然我國正在通過相關(guān)政策來對(duì)國產(chǎn)化的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)扶持，我國目前的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展還存在著許多問題亟待解決。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)隧道工程的具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的，因此每一個(gè)盾構(gòu)機(jī)都是特殊的，這決定了制造盾構(gòu)機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈體系。不同國家的盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)模式不盡相同，主要有以下三種模式：

（1）歐美模式：在歐美國家的產(chǎn)業(yè)鏈上，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)都是自發(fā)的，盾構(gòu)機(jī)的部件主要是通過全球采購或與重型制造企業(yè)結(jié)盟的方式獲得，裝配速度很快，這樣有利于保證技術(shù)服務(wù)的便捷和周到。

（2）日本模式：日本模式不同于歐美模式，由于日本企業(yè)本身都是設(shè)備系統(tǒng)生產(chǎn)能力極強(qiáng)的制造企業(yè)，這利于企業(yè)開發(fā)和保護(hù)先進(jìn)的設(shè)備制造技術(shù)，也就是說日本企業(yè)的核心競爭力在技術(shù)而不是服務(wù)。在盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上，日本企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、組裝環(huán)節(jié)都已實(shí)現(xiàn)了自身化，同時(shí)也能夠?yàn)橛脩籼峁┩晟频膽?yīng)用技術(shù)服務(wù)。

（3）中國模式：中國走在歐美國家和日本之后，也在向著設(shè)計(jì)和制造自主化、施工一體化的方向努力，目前我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以現(xiàn)場施工為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)鏈模式，由后端向前端發(fā)展，施工、反饋和提升是一個(gè)銜接不斷的有序過程。

2　盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)研究

盾構(gòu)隧道施工法是一種建造掘進(jìn)隧道的方法，主要工具就是掘進(jìn)機(jī)，在施工過程中要防止開挖面和圍巖崩塌狀況的出現(xiàn)，對(duì)隧道進(jìn)行掘進(jìn)和出渣之后，安裝襯砌隧道內(nèi)壁和進(jìn)行注漿，其原理是蟲子在船上打動(dòng)，首先由英國人研制，現(xiàn)在在地鐵、水電和鐵路等隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用，目前，由于盾構(gòu)機(jī)刀具的不同和土層的穩(wěn)定性差異，盾構(gòu)機(jī)有很多種分類，其中最為常用的兩種盾構(gòu)機(jī)類型為泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)。

盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)有許多機(jī)械設(shè)備構(gòu)成，其中有單個(gè)的部件如刀盤、盾構(gòu)千斤頂、螺旋輸送機(jī)，也有小的設(shè)備系統(tǒng)如設(shè)備自身潤滑密封系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、盾尾密封系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)和開挖面土體改良裝置等。其中盾構(gòu)機(jī)刀盤是盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，用于切削土體，直接影響盾構(gòu)機(jī)的切削效果、隧道的掘進(jìn)速度和整個(gè)工程的施工費(fèi)用。

3　盾構(gòu)機(jī)過程數(shù)值模擬

刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩是盾構(gòu)選型過程中關(guān)于盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的最主要的技術(shù)參數(shù)，屬于力學(xué)參數(shù)計(jì)算的范疇，地質(zhì)環(huán)境、土層穩(wěn)定狀況、隧道挖掘狀況等條件都會(huì)影響到這個(gè)參數(shù)的數(shù)值，所以對(duì)盾構(gòu)機(jī)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)雜的研究課題。在盾構(gòu)機(jī)切刀掘進(jìn)過程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)方法有限等原因得到有針對(duì)性的效益分析，可以利用非線性顯示分析程序ABAQUS/Explicit，仿真模擬在隧道項(xiàng)目過程中用刀具對(duì)巖土進(jìn)行切削的受力情況，考慮到有限元?jiǎng)討B(tài)接觸的特性，對(duì)比模擬過程中得到的切削力值和理論上的計(jì)算值，在這樣有利于得出掘進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，為力學(xué)參數(shù)提供可供參考的依據(jù)；在盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)過程中，同樣也面臨復(fù)雜的應(yīng)用情況，主要體現(xiàn)在在掘進(jìn)過程中難以保證土體的穩(wěn)定性、地層具有不規(guī)律的彈塑性，同時(shí)有些可利用的經(jīng)驗(yàn)公式在實(shí)際應(yīng)用中還存在前提條件的限制，可以考慮用有限單元法，通過虛擬大變形、非線性的模型得到有效地?cái)?shù)值計(jì)算公式，以解決當(dāng)前棘手的工程問題。

總的來說，通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的研究和分析，取得了一系列的理論成果。在盾構(gòu)機(jī)的切刀切削巖土體和掘進(jìn)過程中，通過對(duì)一系列的數(shù)值模擬，分別得出了切削力值與理論計(jì)算值、扭矩?cái)?shù)值與理論數(shù)值比較接近的結(jié)果，這證明了模擬過程中仿真方法的正確性和可行性，為以后的隧道項(xiàng)目工程實(shí)踐提供了可供參考的理論依據(jù)。同時(shí)，我們?cè)谶x擇土體模型和相關(guān)參數(shù)時(shí)，由于土壤的情況影響著土壤模型的構(gòu)建和失效準(zhǔn)則的選取，可以考慮將上述仿真方法應(yīng)用到土體結(jié)構(gòu)的模擬中，這樣可以為隧道施工中的盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供更多的可行性建議。

［1］吳艷華，劉德全，盛少琴等.盾構(gòu)機(jī)刀具選型及布置［J］.廣東造船，2013，32（01）:54-56，36.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.091