工 攘黎 土压平衡式盾构机掘进性能评价方法 杨 郇利 侯德超’韩佳霖’ 张兵 １．北方重工集团有限公司盾构机分公司 ２．北方重工集团有限公司矿山冶金设备分公司 辽宁沈阳 １１０１４１ 【摘要】土压平衡式盾构机是隧道建设工程中常用的机械设备，在我 国城市地铁建设等隧道施工建设中发挥重要作用。为了提高盾构机的掘进 性能，建立系统的盾构机的掘进性能评价方法十分必要。本文对盾构机在 隧道掘进过程中的能耗、效率及稳定性的方面建立评价函数，提出具体的 盾构机掘进挂能的评价方法。 标的不同，能耗波动也不同，建立掘进能耗的评价方法，要充分考虑各 掘进参数对其的影响比重。在盾构机进行工程掘进施工之前，首先要 做好准备工作，根据地质资料所反映的地质参数对地质比重、埋深、含 水量等各项重要地质参数进行预测，计算出影响盾构机掘进性男女的 地质性能评价指标。其次要对盾构机掘进系统的各项参数，如：刀盘结 构、液压推力、扭矩等参数进行确定，计算掘进性能评价指标。根据实 际掘进能耗Ｅ的值和期望值Ｅ的比值的百分比￡作为实际掘进能耗水平 的评价标准，对机器能耗进行评价，如图１所示： 当￡为正值时，说明实际掘进能耗比预期的能耗高，￡值越大掘进 参数的设定越不合理，另外还要考虑到地质因素对掘进性能的影响。 ２．２掘进效率的评价方法 任何地质参数的确定，都可以根据地质学的方法来进行。对于盾构 机来说，共最佳掘进参数可以根据能耗评价的方法来获取。根据机器的 能耗水平，对改地质环境下的盾构机掘进效率计算出最佳值。在实际的 施工中，通过对施工中实际记录的各项参数的计算，得到实际掘进施工 的效率值。通常来说，掘进效率的计算是根据其评价函数来进行计算 的，属于有量纲，对其评估是有一定的误差存在的。为了更加准确的对 其进行评估，需要对掘进效率值采用归一化的方法进行转化处理，使其 【关键词ｌ土压平衡；盾构机；掘进性能；评价方法 盾构机在地下工程的掘进过程中，其掘进系统需要对土体进行切 削、搅拌并且要对开挖面的稳定进行维护。刀盘切削系统、盾体推进系 统和排渣系统是盾构机的重要部件，盾构机的掘进性能评价是指在一 定的地质条件下，设置合理的参数，系统对工程掘进的能力和开挖面稳 定性维护的能力。本文从盾构机的掘进能耗、掘进效率以及掘进的稳 定性三方面建立评价盾构机的掘进性能指标，丢盾构机在掘进施工中 的性能做出评价。 １．盾构机掘进性能的评价指标 １．１盾构机掘进参数评价指标 盾构机的掘进参数主要分五个方面： （１）盾构机液压推力。液压推力是盾体前进的推动力，直接对开挖 面的稳定造成影响过大的推力会对前方土体造成挤压移动产生地面隆 起，过小的推力会是土体运动方向倾向于刀盘方向导致地表沉降。液压 推力对掘进进程有直接的影响，是重要的掘进参数。 （２）刀盘扭矩。它是刀盘旋转工作的动力，直接影响刀具对于岩土 的切削能力，更是盾构脱困的主要动力。对于切削困难的土体，需加大 扭矩，但要与盾体推力相适应，以避免施工事故的发生。 （３）刀盘转速。刀盘转速是刀盘扭矩设定是否合理的直接体现，同 时刀盘转速与扭矩的乘积等于盾构驱动电机的有效功率，是评价盾构 机掘进能耗的重要指标。 （４）掘进速度。盾构机掘进的平均速度，在掘进过程中盾构机的 前进速度在时间上是变化的。掘进速度与机器的能耗和工作效率息息 相关。 转化为无量纲的形式，将量纲数字向相对数值进行转换。在评价盾构机 的掘进效率是，可采用线性函数转换的方法来实现。以ｙ 来表示归一 转换后的掘进效率，以 一ｘ和 来分别表示盾构机掘进效率的最大值 和最小值，则其关系式为： 一ｒ／一ｒ／ｍｉ． 一 （１） ２．３稳定性的评价方法 删 要保证掘进施工的安全，保持盾构机的稳定非要重要，大部分的安 全事故都是因为开挖面失去稳定性导致的。盾构机在掘进的过程中国， 开挖面土体是否稳定跟刀盘的推理有主要的关系，过大的推理会使土 体在滑移面上向远离刀盘的方向移动，从而导致地面产生隆起，相反， 过小的推理会是土体向刀盘方向滑移运动，从而导致地面产生沉降。因 （５）螺旋输送机转速。螺旋输送机是排除渣土的重要部件，其转 此，开挖面稳定性的评价需要根据土力学理论来建立。相对于土体来 速与扭矩呈正比。转速影对土压仓的压力值造成影响，是影响盾构机 说，盾构机的刀盘有更大的刚度，在土体有交互流动性的情况下也将刀 掘进性能的重要指标。 盘作为挡土结构发挥挡土墙的作用，将过大和过小两种推力对土体失稳 １．２盾构机地质参数评价指标 状态作为建立盾构机稳定性评价标准的基础，刀盘推力处于两种极限 （１）土体客重。这是地质参数中最重要的一项，通常根据地平面以 的中间状态时，开挖面是稳定的。 下的湿容重来进行计算，是地质条件的综合反映的参数，与盾构机的掘 地质报告是根据探孔的数据记录来制定的，因此采集后的地质参 进参数有直接关联，直接影响盾构机的掘进性能。 数和计算得到的刀盘正面推力极值只有在探孔处才为准确值，通常使用 （２）埋深。埋深是指盾构机地表与刀盘中心轴线的距离，其直接对 线性插值来得到探孔之间的数值，实际刀盘正面推力变化应保持在两个 刀盘的参数和掘进参数造成影响，过大的埋深会使盾构机的压力控制 极值的范围内，才能使开挖面保持稳定的状态。 变的更加困难，不利于盾构机的稳定掘进。 ３．结语 ２．盾构机掘进性能评价 进行盾构机掘进性能评价的评价指标的确定首先要选择关键参数 ２．１掘进能耗的评价方法 作为基础条件，通过科学合理的计算方法活动性能评价指标。再根据刀 盾构机的能耗与上一段所讨论的性能评价指标息息相关，性能指 盘的拓扑结构及其分析方法进行掘进性能函数的构建，对盾构机在掘 进过程中的能耗、掘进的效率和掘进的稳定性进行正确的评价，以达到 对盾构机掘进性能的整体综合评价，采取适当的措施保证在安全施工 掇 尊Ｌ２ 一・ 探轧罐探撼 扎喜； 槭； 蓐 Ｓ 探 乙７ ｌ 的前提下，达到低能耗、高效率的完成隧道掘进施工。 硌 —｛ 一 ｌ 一— 、 ＼ 一， ； ｝ ～ 参考文献 ［１】张风祥，傅德明，杨国祥等．盾构隧道施工手册．北京：人民交通 出版社，２０Ｉ１． 薯｝麓ｏｔ． ｉ ， １．ｎ ｉ 【２】蒋卓．土压平衡盾构机掘进参数的确定．山西建 筑，２０ｌ１，５７（８）：１ ７４－－１ ７５． 【５】李志华，华渊，周太全等．盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究．岩 土力学，２０１２，２９（增）：５１ ５～５１ ９． ２０１