第３５卷第２期 ２０１３年４月 武汉理工大学学报（信息与管理工程版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＷＵＴ（ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ、 Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ 文章编号：２０９５—３８５２（２０１３）０２—０２０７—０４ 文献标志码：Ａ 复合盾构刀盘扭矩的地质适应性研究 陈云节，赵雷刚，刘发展，杨 阳 （武汉船用机械有限责任公司技术中心，湖北武汉４３００８４） 摘要：在复合盾构掘进过程中，刀盘扭矩是一个重要的施工参数，它的大小影响盾构机掘进过程中的地 质适应性。从盾构机的工作原理分析了复合盾构刀盘扭矩的构成，从数学和力学的角度推导出了各扭矩的计 算方法，并从复合盾构刀盘的扭矩影响因素分析，得到了在盾构和地质一定的条件下，可通过土体改良改变盾 构刀盘扭矩使其实现地质适应性，通过实例验证了扭矩的计算方法及通过土体改良实现复合盾构适应地质 条件的合理性。 关键词：复合盾构；刀盘扭矩；地质适应性；土体改良 中图分类号：Ｕ４５５．４３ ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—３８５２．２０１３．０２．０１５ 随着城市地铁的大量修建，盾构施工技术已 越来越广泛地应用于城市地铁隧道施工中。对于 一般的、均一的地层，像北京、上海等城市，根据开 挖面自立性能、土质条件、地下水位，便可决定盾 构、刀盘刀具类型及盾构刀盘所需扭矩。但盾构 在地下挖掘过程中将可能遇到复合地质条件，如 同一标段中可能存在淤泥、黏土、砂层、砾石、软岩 图１某一复合盾构刀盘 及硬岩等地层，此类地质条件被称为复合地层。 复合地层的地质条件是非常复杂多样的，但总的 化，穿越地层纵向不均匀，有软有硬，并且变化频 来说可分为３大类：①在掘进断面上不同地层的 次多，盾构隧道穿越地层同一断面软硬不均现象 组合；②在掘进轴线方向上地层的不同组合；③上 突出等原因，会引起盾构刀盘扭矩出现较大范围 述两者兼而有之。在复合地层中掘进，若盾构刀 的随机变化。因此，在盾构机掘进过程中，应采取 盘驱动扭矩选择不合适，掘进方法不正确，将严重 合适的掘进方法，使盾构机的装配扭矩对地质条 影响盾构机的掘进效率，增加施工成本。 件能有较大的适应性 。 １ 复合盾构对刀盘扭矩的要求 ２ 复合盾构刀盘扭矩的计算方法 针对复合地层，盾构掘进时应采用复合盾构 ２．１刀盘扭矩的构成 技术，即根据不同的破岩原理，盾构刀盘采用混合 目前，盾构机扭矩计算一般参考日本盾构扭 式设计，即在同一个刀盘上同时布置两种或两种 矩经验公式Ｔ＝ａＤ （Ｔ为盾构机刀盘扭矩，Ｄ为 以上类型的刀具，如图１所示为某一公司的复合 盾构机外径，Ｏｔ为扭矩系数）来估算 。该经验公 盾构刀盘¨ 。 式对刀盘扭矩的核算有一定的参考价值，但没有 复合盾构能够适应软土及硬岩等地质条件。 考虑盾构机的埋深、盾构机施工地层的地质特性、 盾构在软土地层中掘进，刀盘扭矩在砂土中比在 盾构机与地层之间的相互关系、刀盘开口率、盾构 黏土中有较大增加，穿越加固区时盾构刀盘扭矩 机的推进速度，以及刀盘转速等因素的影响。 也会有较大的增大。由于盾构隧道上方载荷的变 土压平衡式盾构的工作原理为：刀盘旋转切 收稿日期：２０１２—０８—２９． 作者简介：陈云节（１９７１一），男，安徽安庆人，武汉船用机械有限责任公司技术中心高级工程师 基金项目：中船重工集团科研基金资助项目． ２０８ 武汉理工大学学报（信息与管理工程版） ２０１３年４月 削挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土 仓，在仓内刀盘支撑梁的作用下搅拌成塑性流动 状态，再通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后 输送到停在轨道上的渣土车上－５ｊ。因此，刀盘扭 矩的主要构成包括刀盘刀具切削土阻力扭矩、与 土摩擦的摩擦阻力扭矩、土的搅拌阻力扭矩、轴承 阻力扭矩、轴封摩擦阻力扭矩、减速装置的机械损 失扭矩等，具体如下 ｊ： ＝Ｔ１＋ ＋ ＋ ＋ ＋ （１） 式中ｉ Ｔ１为刀盘刀具切削土阻力扭矩； 为 与土摩擦的摩擦阻力扭矩； 为土的搅拌阻力扭 矩；７＂４为轴承阻力扭矩； 为轴封摩擦阻力扭矩； 为减速装置的机械损失扭矩。 ２．２刀盘刀具切削土阻力扭矩 盾构推进过程中，因刀具切削土体所产生的 阻力扭矩 为： 芋吼 ｇ 式中：Ｄ 为刀盘直径；ｇ 为地层的单轴抗压强 度； 为刀具的切入深度（ｔ。＝ｖ／ｎ， 为推进速度，１７， 为刀盘转速）。切削阻力矩计算原理如图２所示。 切削阻力 Ｊ ～ ／＼＼ ＼ ． ： 一 ‘． 图２切削阻力矩计算原理图 ２．３与土摩擦的摩擦阻力扭矩 主要由刀圈粘附阻力扭矩和刀盘正面粘附 阻力扭矩组成，即７＂２＝ ＋ 。其中， 为刀圈粘 附阻力扭矩， 为刀盘正面粘附阻力扭矩。 ２．３．１ 刀圈粘附阻力扭矩 刀圈粘附阻力扭矩是由土体对刀圈产生的摩 擦阻力矩，如图３所示， 。为： Ｃｏ（订Ｄ Ｌ ）（Ｄ。／２）： ２ （３） ：。式中：ｃ。为土体的粘聚力； 为刀盘架宽。 ２．３．２刀盘正面粘附阻力扭矩 刀盘正面粘附阻力扭矩是由土体作用于盾构 机正面的阻力引起的，如图４所示， 为： Ｃｏ（１一Ａ）２订 ｒｚ （４） 外周面 ．、． 【、 １ 。 图３刀圈粘附阻力扭矩计算原理图 ！ ｌｆ ．１ ‘ Ｊ 图４刀盘正面粘附阻力扭矩计算原理图 ２．４ 。 盾构向前掘进时，刀盘切削下来的渣土通过 刀盘开口进人土仓内，再通过刀盘支撑梁搅拌，成 为均匀的流塑性土体，所产生的搅拌阻力扭矩为： ＝ｑ ［Ｄ Ｎ。／８＋∑（ ｋ ｋＢｋⅣｋ）］ （５） 式中：Ⅳｃ为刀盘辐条根数；Ｒ 为搅拌翼通过 半径； 为搅拌翼长度；Ｂ 为搅拌翼宽度；Ｎ 为 搅拌翼根数。 土的搅拌阻力扭矩计算原理如图５所示。 ＝ ●｝＋ ￡ ． Ｒｋ， ‘＼ ＼． ．图５土的搅拌阻力扭矩计算原理图 ２．５轴承阻力扭矩 轴承阻力矩由刀盘自重的轴承阻力扭矩 和刀盘轴向负责的轴承阻力扭矩 组成，即： ｒ４＝ｒ４．＋ ＝ １ Ｒ ＋／ｚ１１Ｔ （１一Ａ）Ｐｈ Ｒ／４（６） 式中： 为滚动摩擦系数；Ｗｏ为刀盘自重； 为径向滚子设置半径；Ｐ 为水平载荷平均值；Ｒ 为推力滚子设置半径。 ２．６轴封摩擦阻力扭矩 主轴承密封装置摩擦阻力矩为： ＝２ （ ＋ ） （７） 第３５卷第２期 陈云节，等：复合盾构刀盘扭矩的地质适应性研究 表２参数选取 ２０９ 式中： 为密封于接触滑动面的摩擦系数； 为密封压紧阻力； 、 分别为１号密封组数 参数 刀盘直径Ｄ ／ｍ 取值 ６．２６０ 和２号密封组数； 号密封半径。 分别为１号密封半径和２ 地层的单轴抗压强度ｇ ／ｋＮ／ｍ 刀具的切入深度ｔｉｍ １０ ０００．０００ ０．０１６ ２．７减速装置的机械损失扭矩 减速装置的机械损失扭矩为： Ｔ６＝ｒ／Ｔ （８） 土体的粘聚力Ｃ ／ｋＮ／ｍ 刀盘架宽Ｌ ／ｍ ２５．０００ ０．７３０ 式中：叼为机械驱动损失效率；Ｔ为装配扭矩。 ３复合盾构扭矩地层适应性措施 通过对盾构机刀盘扭矩计算公式的分析可以 得出，在隧道埋深日一定的前提下，土压平衡式 盾构机的刀盘扭矩除了与刀盘直径、刀盘开口率， 以及刀盘宽度等刀盘的结构形式参数相关以外， 还与开挖土体的容重、地层的单轴抗压强度、开挖 土体与刀盘面板的摩擦系数，以及压力舱内渣土 与搅拌翼的摩擦系数等土体性质参数密切相关。 在具体的盾构隧道工程中，由于盾构机的机 械参数及开挖地层的土层条件是一定的，因此，在 盾构机掘进过程中应通过有效的土体改良技术降 低渣土的摩擦系数来降低盾构机刀盘扭矩。 常用的土体改良技术主要有在土仓及刀盘前 面土体注人矿物质和泡沫。注人矿物质的土体改 良的适用土层范围较宽，但该方法需要制泥装置 和贮泥槽等大规模的设备，因此现在很多盾构都 采用泡沫改良法，泡沫添加剂可以直接在盾构台 车上生成。不同的地层与泡沫改良法关系如表１ 所示 。 表１地层与泡沫改良法关系 地层类型 土体性质 气泡 采用发泡倍率较大、 砂砾 无塑性高透水性 相对稳定的气泡 粉质 塑性大小取决于粘 采用较小或中等发泡 砂土 粒含量 率的普通气泡 粉质砂土塑性高、土体粘附性 采用中等或较大发泡 纯粘土取决于粘土类型 率、高分散性的气泡 ４实例验证 根据上述复合盾构刀盘扭矩的计算方法，以 某城市地铁３号线，标段盾构机为例进行扭矩计 算，该标段经过的主要地层为粘土层，经过少量泥 质粗砂岩层、粉质粘土夹碎石层，其参数选取及计 算结果如表２和表３所示。 刀盘开口率Ａ ０．４００ 刀盘辐条根数Ｎｏ ６．０００ 搅拌翼通过半径Ｒｋ／ｍ ２．０９８ ２．２９８ ２．７４８ ２．９４８ 搅拌翼长度Ｌｋ／ｍ ０．５７３ ０．５７３ ０．４９１ ０．２３８ 搅拌翼宽度Ｂｋ／ｍ ０．２００ ０．２００ ０．２００ ０．２００ 搅拌翼根数Ⅳｋ １．０００ １．０００ １．０００ ３．０００ 滚动摩擦系数 ０．００２ 刀盘自重 ／ｔ ２９０．０００ 径向滚子设置半径Ｒ ／ｍ １．０９８ 水平载荷平均值Ｐｈ ／ｋＮ／ｍ ２７８．８１０ 推力滚子设置半径Ｒ ／ｍ １．２１３ 密封于接触滑动面的摩擦系数 ０．２００ 密封压紧阻力ＴＪｋＮ／ｍ ４．０２０ １号密封组数 １ ２．０００ ２号密封组数 ２．０００ １号密封半径Ｒ ／ｍ ３．３００ ２号密封半径Ｒ ／ｍ ３．３００ 机械驱动损失效率卵０．０３０ 装配扭矩Ｔ／ｋＮ・ｍ ５ ２９５．０００ 刀盘刀具切削土阻力扭矩Ｔ，／ｋＮ・ｍ ７６５．３８ １９．５１ 与土摩擦的摩擦阻力扭矩 ／ｋＮ・ｍ ２ ０８６．７４ ５３．１８ 土的搅拌阻力扭矩 ／ｋＮ－ｍ ５６６．２５ １４．４３ 轴承阻力扭矩ｒ４／ｋＮ・１１１ １３．１３ ０．３３ 轴封摩擦阻力扭矩 ／ｋＮ・ｍ ３３３．４１ ８．５０ 减速装置的机械损失扭矩 ／ｋＮ・ｍ １５８．８５ ４．０５ 刀盘扭矩ｒ．／ｋＮ・ｍ ３ ９２３．７６ 一 从表３可以看出与土摩擦的摩擦阻力扭矩所 占比例较大，说明刀盘与土体的摩擦是影响刀盘扭 矩的主要原因；轴承阻力扭矩所占比例较小，在计 算过程中几乎可以不计。刀盘扭矩的计算值为 ３ ９２３．７６ ｋＮ・ｍ，盾构机刀盘的装配扭矩为 ５ ２９５ ｋＮ・ｉｎ，掘进中刀盘扭矩占刀盘装配扭矩的 ７４．１％，因此为了防止在掘进过程中经过粘性较大 地层时扭矩过大，应采用土体改良，增加土体的流 塑性，如图６为土体改良后螺旋输送机的出土状 态，达到了流塑状态，实现了复合盾构扭矩的地质 适应性。 ２ｌ０ 武汉理工大学学报（信息与管理工程版） ２０１３年４月 参考文献： ［１］ 陈馈，洪开荣，吴学松．盾构施工技术［Ｍ］．北京：人 民交通出版社，２００９：２３—８９． 邢彤，龚国芳，杨华勇．盾构刀盘驱动扭矩计算模 型及实验研究［Ｊ］．浙江大学学报：工学版，２００９ （１０）：１７９５—１７９６． 林键．土体改良降低土压平衡式盾构刀盘扭矩的机 理研究［Ｄ］．南京：河海大学图书馆，２００６． Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｓ 图６施工过程中土体改良后出土状态 ［Ｍ］．［Ｓ．１．］：Ｊａｐａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００７： ５结论 （１）由于复合盾构需能适应软土及硬岩等地 质条件，因此提出了复合盾构掘进过程中刀盘扭 矩的地质适应性。 ８—７８． 张凤祥，傅德明，杨国祥．隧道施工手册［Ｍ］．北京： 人民交通出版社，２００５：４５—８９． 王洪新．土压平衡盾构刀盘扭矩计算及其与盾构 施工参数关系研究［Ｊ］．土木工程学报，２００９（９）： １０９—１１３． ］（２）通过对土压平衡式盾构工作原理的分 】 ］ ］ ］ ］ 析，得出了刀盘扭矩的构成，并运用力学原理及数 学公式得到了刀盘扭矩各分量的计算方法。 卜＿＿ 于颖，徐宝富，奚鹰．软土地基土压平衡盾构切削 ］ ］ 刀盘扭矩的计算［Ｊ］．中国工程机械学报，２００４ （３）：３１４—３１８． （３）通过对复合盾构刀盘扭矩的影响因素分析， 提出了土体改良的刀盘扭矩的地质适应性措施。 （４）应用实例对掘进过程复合盾构刀盘扭矩 进行了计算，并通过土体改良实现了盾构的正常 掘进。 张凯之，余海东，来新民．复合地层中掘进的盾构机 刀盘动态驱动转矩研究计算［Ｊ］．中国机械上程， ２０１０（３）：６４３—６４７． 宋云．盾构机刀盘选型及设计理论研究［Ｄ］．成都： 西南交通大学图书馆，２００９． Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍｏｄｅ ＥＰＢ Ｃｕｔｔｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ ＣＨＥＮ Ｙｕｎｊｉｅ，ＺＨＡＯ Ｌｅｉｇａｎｇ，ＬＩＵ Ｆａｚｈａｎ，ＹＡＮＧ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｃｕｔｔｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＥＰＢ．Ａｎｄ ｅｖｅｒｙ ｔｏｒｑｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｄｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｕｔｔｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａ— ｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｂｙ ｓｏｉｌ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｉｅｄ ｂｙ ｅｘａｍｐｌｅｓ．ｆ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｏｄｅ ＥＰＢ；ｃｕｔｔｅｒ ｔｏｒｑｕｅ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｏｉｌ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ＣＨＥＮ Ｙｕｎｊｉｅ：Ｓｅｎｉｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ；Ｗｕｈａｎ Ｍａｒｉｎｅ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｐｌｉａｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００８４，Ｃｈｉｎａ． ［编辑：王志全］
