超大直徑泥水盾構(gòu)土巖交互地層掘進(jìn)載荷計(jì)算與分析

王 凱, 曾垂剛, 李治國(guó)

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

泥水盾構(gòu)壓力控制精度高、地表沉降量小，相比土壓盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩小、刀具磨損緩慢，因而更適合于長(zhǎng)距離、大直徑的隧道施工[1]。目前，國(guó)內(nèi)近80%的超大直徑隧道(直徑≥14 m)選用泥水盾構(gòu)施工，如汕頭蘇埃通道、深圳春風(fēng)隧道等。隧道線路往往存在多種地層，超大直徑盾構(gòu)的開挖面及對(duì)應(yīng)延伸方向上一般由多種地層組成[2]。華南地區(qū)上軟下硬的土巖交互地層較常見，該地層掘進(jìn)工況復(fù)雜，刀盤配置滾刀、刮刀，載荷波動(dòng)大、刀具易損壞，掘進(jìn)參數(shù)匹配不易。因此，開展土巖交互地層掘進(jìn)載荷研究，揭示載荷與地層、掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，為裝備設(shè)計(jì)、施工控制提供參考，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

推力、轉(zhuǎn)矩作為裝備研發(fā)、施工控制的關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)計(jì)裝機(jī)值決定推進(jìn)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置，掘進(jìn)中推力、轉(zhuǎn)矩是進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)調(diào)整的重要依據(jù)[3]。盾構(gòu)掘進(jìn)載荷(總推力、轉(zhuǎn)矩)受地層、裝備等因素影響且反映盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，因而倍受關(guān)注。Krause通過調(diào)查409臺(tái)盾構(gòu)，提出了總推力、轉(zhuǎn)矩與盾構(gòu)直徑關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，適用于設(shè)計(jì)階段載荷初估[4]。Ates等[5]對(duì)262臺(tái)盾構(gòu)TBM工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取了推力、轉(zhuǎn)矩上下限與裝備直徑、滾刀數(shù)量之間的擬合關(guān)系。孫飛祥等[6]分析了直徑15.8 m泥水盾構(gòu)主要推力阻力特征。統(tǒng)計(jì)分析需基于歷史數(shù)據(jù)，但裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)尤其是涉及大直徑盾構(gòu)數(shù)據(jù)獲取不易，因而利用理論推導(dǎo)提出相應(yīng)的載荷模型。Shi等[7]提出土壓盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩的組成分項(xiàng)及其計(jì)算模型，驗(yàn)證了其在黏土地層的適用性。楊志勇等[8]推導(dǎo)了泥水平衡盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，對(duì)泥水平衡盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩的組成和主要影響因素進(jìn)行分析。以上模型適用于開挖面為單一地層的中小直徑盾構(gòu)，隨著盾構(gòu)直徑增大，復(fù)合地層的因素得到重視。Zhou等[9]推導(dǎo)了刮刀受力公式，并提出復(fù)合地層下土壓盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型，指出巖石比例大時(shí)滾刀切削轉(zhuǎn)矩占重要部分。Zhao等[10]基于刮刀三維極限分析模型計(jì)算復(fù)合地層土壓盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩，對(duì)不同地層下貫入度進(jìn)行預(yù)測(cè)。蘇偉林等[11]以修正后的K?tter方程為補(bǔ)充，求解開挖面破壞時(shí)滑動(dòng)面上的應(yīng)力分布，推導(dǎo)出刮刀切削土體時(shí)的受力。

以往復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)載荷研究對(duì)象多為土壓盾構(gòu)，而超大直徑泥水盾構(gòu)多采用常壓刀盤箱體式結(jié)構(gòu)，刀盤與泥水的摩擦阻力矩不容忽視。文獻(xiàn)[12]考慮多種土層復(fù)合，對(duì)軟土地層超大直徑泥水盾構(gòu)推力、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，探索超大直徑泥水盾構(gòu)載荷主要組成部分占比情況。土巖交互地層施工難度較大，采用低轉(zhuǎn)速(0.8 r/min左右)、小貫入度(僅為軟土地層貫入度的1/6～1/10，一般為5 mm/r)的掘進(jìn)策略，切削由軟土刀具為主轉(zhuǎn)為滾刀為主，關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向巖石侵入開挖面的高度、巖石強(qiáng)度等因素對(duì)載荷的影響。由于地層條件的重大變化，文獻(xiàn)[12]適合全斷面軟土地層的方法亟待改進(jìn)，為此本文引入巖石地層，采用刀盤動(dòng)態(tài)幾何模型，進(jìn)行滾刀狀態(tài)判識(shí)。以文獻(xiàn)[12]中載荷分項(xiàng)組成為基礎(chǔ)，利用土巖地層參數(shù)和刀盤刀具配置構(gòu)建載荷時(shí)域模型，提出仿真求解的方法，并通過基巖段現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)對(duì)模型開展驗(yàn)證，從裝備設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求出發(fā)，重點(diǎn)分析基巖侵入高度、巖石強(qiáng)度、貫入度等因素對(duì)載荷的影響規(guī)律。

1 掘進(jìn)載荷數(shù)學(xué)模型建立

參考文獻(xiàn)[12]可知，盾構(gòu)總推力Ft主要由刀具切削阻力Fct、泥水對(duì)盾構(gòu)擠壓力Fs、刀盤側(cè)面與地層摩阻力Fcf、盾殼與地層摩阻力Fsf、盾尾與管片摩阻力Ftf及后配套牽引阻力Fb組成，計(jì)算見式(1)。

Ft=Fct+Fs+Fcf+Fsf+Ftf+Fb。

(1)

刀盤轉(zhuǎn)矩Tt主要由切削阻力矩Tct、刀盤側(cè)面與地層阻力矩Tcf、主軸承摩阻力矩Tbf、驅(qū)動(dòng)密封阻力矩Tsf、刀盤流體阻力矩Tfr組成，計(jì)算見式(2)。

Tt=Tct+Tcf+Tbf+Tsf+Tfr。

(2)

1.1 刀具與巖土作用載荷

土巖交互地層條件下，刀盤配置軟土刀具和滾刀，相比全斷面軟土地層，切削載荷以軟土刀具為主轉(zhuǎn)為以滾刀為主，其中切削載荷的計(jì)算尤為重要。以刀具所處地層狀態(tài)判識(shí)為前提，滾刀布置高度高于軟土刀具，滾刀在巖層破巖，在土層時(shí)擠壓土體，而刮刀只在土層時(shí)切削土體，因此，對(duì)刀具種類及其所處地層狀態(tài)識(shí)別。刀具與巖土作用載荷分為以下3類。

1.1.1 滾刀與巖石作用載荷

Rostami基于刀刃破巖時(shí)的壓力分布建立了CSM模型描述盤形滾刀載荷[13]，對(duì)編號(hào)i的滾刀所受合力Fdi計(jì)算見式(3)。由式(3)可知，滾刀尺寸，特別是巖石強(qiáng)度、貫入度等參數(shù)對(duì)滾刀載荷的影響值得探究。

(3)

式(3)中：R1為滾刀半徑，mm；T1為滾刀刀尖寬度，取20 mm；S1為刀間距；φ1為滾刀與巖石的接觸角，φ1=arccos[(R1-Pr)/R1]，其中Pr為貫入度，mm/r；ψ1為刀尖壓力分布系數(shù)，一般為0.2～-0.2，取0.1；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σt為巖石單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；C為量綱1的系數(shù)，取2.12。

盤形滾刀受力如圖1所示。圖中Fdri為滾刀i的滾動(dòng)力(計(jì)算見式(4))，F(xiàn)dvi為滾刀i的法向力(計(jì)算見式(5))，κi為滾刀i的傾角，ri為滾刀i的安裝半徑。n把參與破巖滾刀的垂向阻力Fct1計(jì)算見式(6)，破巖阻力矩Tct1計(jì)算見式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

圖1 盤形滾刀受力示意圖

1.1.2 滾刀與土體作用載荷

滾刀擠壓土體阻力Fct2計(jì)算見式(8)，滾刀擠壓土體阻力矩Tct2計(jì)算見式(9)。

(8)

(9)

式(8)—(9)中：σxi為滾刀i接觸區(qū)的側(cè)向土壓力；Sh、So由滾刀結(jié)構(gòu)尺寸和Δh共同決定，詳細(xì)計(jì)算參考文獻(xiàn)[12]。

1.1.3 刮刀與土體作用載荷

刮刀切削載荷與刀具參數(shù)、切削深度及被切削土體物理力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，切削深度Prn計(jì)算見式(10)。

(10)

式中：βwj為刀具j與相鄰刀具的夾角；Pr為貫入度[9]。

對(duì)刮刀貫入阻力和切削阻力矩進(jìn)行計(jì)算，被切削土體受力如圖2所示。h為刀具切入土體部位長(zhǎng)度，計(jì)算見式(11)，ε為刀具前角，假設(shè)有m把刮刀，其貫入阻力Fct3和阻力矩Tct3計(jì)算見式(12)—(13)，Qj、Pj、Uj計(jì)算詳見文獻(xiàn)[11]，在此不再贅述。

(11)

(12)

(13)

圖2 被切削土體受力示意圖

1.2 泥水對(duì)盾構(gòu)擠壓力

泥水對(duì)盾構(gòu)擠壓力Fs可由刀盤擠壓力Fs1、盾體擠壓力Fs2組成，計(jì)算見式(14)—(16)。

Fs=Fs1+Fs2；

(14)

Fs1=Sb·Pslurry=πRb2·pslurry；

(15)

Fs2=π(R2-Rb2)·pslurry。

(16)

式(15)—(16)中：pslurry為盾構(gòu)軸線處泥水壓力；Sb為主軸承法蘭面積；Rb為主軸承半徑；R為盾構(gòu)半徑。

1.3 刀盤側(cè)面與地層阻力及阻力矩

假設(shè)p11為刀盤圓周位置垂直土壓力，p12為圓周位置側(cè)向土壓力，ps為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的泥水壓力，μc為刀盤與泥膜之間的摩擦因數(shù)，lc1為刀盤側(cè)面與地層接觸長(zhǎng)度。某點(diǎn)χ(與水平方向?qū)?yīng)角度θ)速度v由轉(zhuǎn)動(dòng)線速度v1和盾構(gòu)掘進(jìn)速度v2合成，該點(diǎn)受到地層對(duì)其接觸壓力

(17)

刀盤側(cè)面摩阻力Fcf計(jì)算見式(18)，摩阻力矩Tcf計(jì)算見式(19)。

(18)

(19)

式中D為刀盤直徑。

1.4 主驅(qū)動(dòng)摩阻力矩

主驅(qū)動(dòng)摩阻力矩包含主軸承摩阻力矩、主驅(qū)動(dòng)密封阻力矩(軸承與密封之間)。主軸承摩阻力矩Tbf由軸向阻力矩Tbf1和徑向阻力矩Tbf2組成，計(jì)算見式(20)—(22)。

Tbf1=FdμbRt。

(20)

Tbf2=WchμbRr。

(21)

Wch=Wcg-γsVc。

(22)

式(20)—(22)中：Fd為刀盤受到軸向合力，由Fct、Fsf、Fs1組成；μb為滾動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.004；Rt為推力滾子軸承接觸處到盾構(gòu)中心軸線距離；Wch為泥水中刀盤的浮重；Wc為刀盤質(zhì)量；g為重力加速度；γs為泥漿重度；Vc為排水量；Rr為徑向滾子軸承接觸處到盾構(gòu)中心軸線距離。

主驅(qū)動(dòng)密封阻力矩

(23)

式中：Rs為密封圈安裝半徑；ps為密封線壓力；nseal為密封圈道數(shù)；μs為金屬與密封圈之間的摩擦因數(shù)，取0.2。

1.5 刀盤泥水中阻力矩

刀盤泥水中阻力矩Tfr由泥水剪切作用產(chǎn)生，膨潤(rùn)土泥漿可通過Herschel-Bulkley模型來擬合[14]，詳細(xì)步驟可參考文獻(xiàn)[12]。

1.6 盾體所受摩阻力

盾體所受摩阻力包含盾殼與地層摩阻力Fsf、盾尾與管片摩阻力Ftf、后配套牽引阻力Fb3部分。盾殼與地層摩阻力

式中：D1為盾殼直徑；l1為盾殼長(zhǎng)度；p21、p22分別為與盾殼截面中心水平方向呈θ角度某點(diǎn)受豎向土壓力、側(cè)向土壓力；μf為土體與盾殼摩擦因數(shù)，取0.1。

盾尾與管片摩阻力

Ftf=μ2(Wsns+πDsBtptnt)。

(25)

式中：μ2為盾尾與管片摩擦因數(shù)，取0.15；Ws為單環(huán)管片質(zhì)量；ns為盾尾中管片環(huán)數(shù)；Ds為管片外徑；Bt為單道尾刷與管片接觸寬度；pt為盾尾密封壓力；nt為尾刷道數(shù)。

后配套牽引阻力

Fb=μbaFba。

(26)

式中：μba為輪軌摩擦因數(shù)；Fba為后配套質(zhì)量。

2 掘進(jìn)載荷模型求解方法

2.1 土巖交互地層模型建立

掘進(jìn)載荷計(jì)算時(shí)盾構(gòu)與地層的位置關(guān)系最為重要，相比已有的全斷面軟土地層模型，土巖交互地層的條件致使原有模型已不適用，需要引入巖石地層建立新的地層模型?；诔笾睆侥嗨軜?gòu)多用于修建水下隧道，新的地層模型設(shè)置如下： 水層深度hw，盾構(gòu)上覆土層厚度hf，開挖面范圍設(shè)2種土層厚度h1、h2及巖層厚度hR。盾構(gòu)軸線位置設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)閆軸。盾構(gòu)刀盤外輪廓與地層位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)刀盤外輪廓與地層位置關(guān)系圖

2.2 刀盤幾何模型建立

刀具所處地層狀態(tài)判識(shí)，除需要地層模型外，還要獲得刀具隨時(shí)間變化的坐標(biāo)，即刀盤動(dòng)態(tài)幾何模型。采用極坐標(biāo)的方法，編號(hào)為i的刀具極徑為ri，初始時(shí)刻極角為ξi，刀盤角速度為ω，t時(shí)刻刀具位置見式(27)。通過縱坐標(biāo)yi與地層高度對(duì)比進(jìn)行辨識(shí)，確定刀具所處地層，根據(jù)刀具種類、刀具所處地層、刀具尺寸大小從而計(jì)算刀具載荷，模型計(jì)算上有改進(jìn)。圖4示出的刀盤動(dòng)態(tài)幾何模型控制t取值實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。程序設(shè)計(jì)中采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過t的循環(huán)取值實(shí)現(xiàn)刀具與巖土空間關(guān)系的模擬。

(27)

2.3 掘進(jìn)載荷求解流程

計(jì)算模型求解流程如圖5所示。1)根據(jù)地勘資料、裝備圖紙獲取地層物理力學(xué)參數(shù)、盾構(gòu)尺寸等參數(shù)，建立地層模型獲取地應(yīng)力與埋深之間的映射關(guān)系； 2)建立刀盤幾何模型，得到刀具位置隨時(shí)間變化關(guān)系，判斷刀具所處地層； 3)開展各分項(xiàng)載荷的計(jì)算，推導(dǎo)出盾構(gòu)總推力和轉(zhuǎn)矩。

圖5 計(jì)算模型求解流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例及影響因素分析

3.1 應(yīng)用工程介紹

為對(duì)模型開展驗(yàn)證，編制計(jì)算程序，對(duì)汕頭蘇埃通道基巖段掘進(jìn)開展計(jì)算。通道全長(zhǎng)6.68 km，盾構(gòu)段長(zhǎng)3.05 km，隧道外徑14.5 m，管片內(nèi)徑13.3 m，管片強(qiáng)度等級(jí)C60，抗?jié)B等級(jí)P12。盾構(gòu)穿越海底復(fù)雜地層見圖6。由圖可知，該地層既有淤泥、淤泥混砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土等軟土地層，也有土巖交互地層，位于主航道下方3段基巖起伏段侵入隧道邊界累計(jì)達(dá)到182 m。

工程采用15 m級(jí)泥水盾構(gòu)施工，盾構(gòu)額定推力219 464 kN，額定轉(zhuǎn)矩42 968 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速0～2 r/min，刀盤開挖直徑15.01 m，使用常壓刀盤的設(shè)計(jì)，盾構(gòu)刀同時(shí)配置43.18 cm+48.26 cm(17英寸+19英寸)滾刀和刮刀。選取992—1 009環(huán)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)模型開展驗(yàn)證，表1為地層模型參數(shù)，其中hw為水層厚度，hf為上覆土層厚度，h1為淤泥質(zhì)土厚度，h2為粉質(zhì)黏土厚度，hR為花崗巖侵入高度，上述參數(shù)明確了刀盤和地層之間的位置關(guān)系。上覆土層的重度為16.0 kN/m3，水層重度為10.0 kN/m3，開挖面內(nèi)的淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、花崗巖地層的物理力學(xué)參數(shù)見表2，借助表1、表2參數(shù)可計(jì)算對(duì)應(yīng)位置的地應(yīng)力及刀具的切削載荷。

圖6 汕頭蘇埃通道工程地質(zhì)縱斷面圖

表1 地層幾何參數(shù)

表2 地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 影響因素分析

3.2.1 理論載荷與實(shí)際值對(duì)比

圖7示出模型計(jì)算的理論推力與盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)工況推力對(duì)比圖。理論推力值在實(shí)際推力值附近波動(dòng)，相對(duì)誤差在-6.4%～5.6%，推力誤差產(chǎn)生原因?yàn)槠浣M成部分較多，模型中參數(shù)如摩擦因數(shù)憑借文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)值選取，與實(shí)際存在一定差異，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，后續(xù)要通過一些基礎(chǔ)性的試驗(yàn)獲取更多工況下的摩擦參數(shù)，提高取值的合理性水平。

模型計(jì)算的理論轉(zhuǎn)矩與盾構(gòu)掘進(jìn)工況轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖8所示。理論值能較好地反映實(shí)際轉(zhuǎn)矩的變化，兩者的相對(duì)誤差在-9.5%～9.0%，誤差產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?1)巖石的破碎是非線性力學(xué)行為，CSM模型本身是對(duì)該行為的一種近似描述，因而會(huì)有誤差； 2)巖石力學(xué)參數(shù)雖出自地勘，但與實(shí)際值也有一定差異； 3)實(shí)際地層在x方向存在起伏，與理想的地層模型存在一定差異。通過992—1 009環(huán)驗(yàn)證表明，該計(jì)算模型總體上具有較好的精度，能夠在盾構(gòu)設(shè)計(jì)階段確定載荷，在施工階段對(duì)掘進(jìn)參數(shù)選取提供指導(dǎo)。

3.2.2 載荷與基巖侵入高度、貫入度關(guān)系分析

在土巖交互地層現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)中采用低貫入度掘進(jìn)策略，切削巖土體載荷主要由滾刀產(chǎn)生，巖石侵入隧道高度及其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)載荷影響很大，與以往研究多關(guān)注總載荷及載荷成分占比不同，研究聚焦在基巖侵入高度、巖石強(qiáng)度、貫入度等因素對(duì)載荷的影響。以992環(huán)盾構(gòu)埋深為基礎(chǔ)，假設(shè)開挖面僅存在粉質(zhì)黏土和花崗巖2種地層，刀盤轉(zhuǎn)速為1.0 r/min，刀盤中心支護(hù)壓力為319 kPa，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為80.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為9.0 MPa。模擬推力隨基巖侵入高度及貫入度變化如圖9所示。由圖可知，隨基巖侵入高度和貫入度增加，推力均增加，且貫入度增加對(duì)總推力影響更為明顯，基巖無侵入、貫入度為0時(shí)總推力為7.65×104kN，全斷面巖石貫入度2.5 mm/r時(shí)掘進(jìn)總推力達(dá)8.70×104kN，推力增加13.7%。圖10為轉(zhuǎn)矩隨基巖侵入高度、貫入度變化圖?；鶐r無侵入、貫入度為0時(shí)轉(zhuǎn)矩為1.52×103kN· m，全斷面巖石貫入度2.5 mm/r時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)4.05×103kN· m，轉(zhuǎn)矩增加166.4%。由于盾構(gòu)總推力數(shù)值大且包含占比大、變化大的摩擦阻力，因此，盾構(gòu)推力指標(biāo)不如轉(zhuǎn)矩指標(biāo)靈敏反映地層及掘進(jìn)參數(shù)變化，在施工中設(shè)置刀盤轉(zhuǎn)矩上限是掘進(jìn)參數(shù)控制措施之一。

圖7 理論推力與實(shí)際推力對(duì)比圖

圖8 理論轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

圖9 推力隨基巖侵入高度、貫入度變化圖

圖10 轉(zhuǎn)矩隨基巖侵入高度、貫入度變化圖

3.2.3 載荷與巖石強(qiáng)度關(guān)系分析

以999環(huán)掘進(jìn)為例，假設(shè)基巖侵入高度不變，為4.34 m，將最大轉(zhuǎn)矩作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，圖11示出轉(zhuǎn)矩與貫入度關(guān)系圖。隨著貫入度增加，刀盤轉(zhuǎn)矩增加，以巖石抗壓強(qiáng)度80 MPa為例，轉(zhuǎn)矩分別為1 697 kN·m(1 mm/r)、1 981 kN·m(2 mm/r)、2 241 kN·m(3 mm/r)、2 486 kN·m(4 mm/r)、2 720 kN·m(5 mm/r)，由于該處基巖侵入高度較低，轉(zhuǎn)矩因貫入度增加變化相對(duì)平緩。隨著巖石強(qiáng)度的增加，同樣貫入度下轉(zhuǎn)矩上升，以5 mm/r掘進(jìn)60～100 MPa下6種強(qiáng)度巖石轉(zhuǎn)矩之比分別為1∶1.07∶1.15∶1.22∶1.29∶1.39，巖石強(qiáng)度每增加10 MPa，轉(zhuǎn)矩增加約7%。圖12示出轉(zhuǎn)矩與基巖侵入高度關(guān)系圖。隨基巖侵入高度增加，轉(zhuǎn)矩非線性增加，巖石抗壓強(qiáng)度為80 MPa，基巖侵入高度15.01 m、貫入度5 mm/r時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)5 772 kN·m，基巖侵入越高，參與破巖的滾刀越多，貫入度增加引起的轉(zhuǎn)矩增量效應(yīng)越明顯，不同貫入度下轉(zhuǎn)矩差值越大，侵入高度3.0 m時(shí)相鄰貫入度等級(jí)轉(zhuǎn)矩差值平均約185 kN·m，全斷面巖石時(shí)該均值達(dá)到了810 kN·m。此外，巖石侵入高度在刀盤直徑1/2處轉(zhuǎn)矩增加率最大，因該位置附近單位高度基巖侵入導(dǎo)致巖石面積增速最快。

圖11 轉(zhuǎn)矩與貫入度關(guān)系圖(不同單軸抗壓強(qiáng)度)

圖12 轉(zhuǎn)矩與基巖侵入高度關(guān)系圖(不同貫入度)

3.2.4 模型的適用性分析

在土巖交互地層掘進(jìn)中，通常貫入度控制在3～5 mm/r，按照地質(zhì)詳勘提供的基巖侵入高度和巖石強(qiáng)度，貫入度取5 mm/r上限計(jì)算最大轉(zhuǎn)矩為Tcal，考慮到轉(zhuǎn)矩模型10%以內(nèi)的誤差，盾構(gòu)掘進(jìn)中設(shè)定轉(zhuǎn)矩上限為1.1×Tcal，設(shè)定合理的轉(zhuǎn)矩上限能夠較好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。利用該模型，對(duì)在土巖交互地層的泥水盾構(gòu)，通過裝備相關(guān)數(shù)據(jù)和地層參數(shù)輸入，能夠快速計(jì)算裝備在土巖交互地層中的推力、轉(zhuǎn)矩，相比經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法和歷史數(shù)據(jù)回歸具有準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。此外，令hR=0時(shí)，又可適用于全斷面軟土地層的泥水盾構(gòu)，相比文獻(xiàn)[12]，該模型對(duì)不同地層條件下泥水盾構(gòu)推力、轉(zhuǎn)矩裝機(jī)值的計(jì)算適用性更強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

1)通過分析泥水盾構(gòu)載荷分項(xiàng)組成，利用理論公式構(gòu)建掘進(jìn)載荷數(shù)學(xué)模型，借助土巖交互地層模型、刀盤幾何模型，采用編程計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)載荷的仿真。

2)以992—1 009環(huán)掘進(jìn)工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，盾構(gòu)總推力誤差范圍為-6.4%～5.6%，刀盤轉(zhuǎn)矩誤差范圍為-9.5%～9.0%，表明載荷模型具有較高的精度，可用于設(shè)計(jì)階段裝機(jī)值的匹配；此外，結(jié)合地勘預(yù)估掘進(jìn)中推力、轉(zhuǎn)矩可給出施工參數(shù)控制的區(qū)間，一旦實(shí)際參數(shù)與理論參數(shù)差異較大(±30%以上)，說明地質(zhì)變化較大，需結(jié)合出渣、破巖聲音等情況動(dòng)態(tài)調(diào)整裝備運(yùn)行參數(shù)及刀具配置。

3)本文計(jì)算表明，隨基巖侵入高度增加，刀盤轉(zhuǎn)矩增加，在較大貫入度下基巖侵入高度對(duì)轉(zhuǎn)矩增量越明顯；巖石強(qiáng)度越大，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩越大，單軸抗壓強(qiáng)度在50～100 MPa、貫入度5 mm/r時(shí)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度每增加10 MPa，轉(zhuǎn)矩上升約7%；基巖段掘進(jìn)中轉(zhuǎn)矩比推力對(duì)巖石強(qiáng)度更加敏感，在基巖高度(通過破巖聲音判斷基巖侵入位置)、貫入度不變的情況下，若轉(zhuǎn)矩大幅增加，可判斷巖石強(qiáng)度上升，要適當(dāng)降低貫入度。

研究復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)的推力、轉(zhuǎn)矩參數(shù)對(duì)盾構(gòu)設(shè)計(jì)、裝備運(yùn)行均有益處，通過建模仿真的方法需要掌握大量的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，一定程度制約掘進(jìn)載荷計(jì)算精度提升，基于海量盾構(gòu)裝備施工數(shù)據(jù)的深度挖掘，揭示地層-裝備的映射關(guān)系是研究的重要方向。