土压平衡盾构密封舱压力场模拟实验台设计

刘 畅 孙铁兵 孟庆琳 于志远 屈福政

大连理工大学，大连，116024

土压平衡盾构密封舱压力场模拟实验台设计

刘 畅 孙铁兵 孟庆琳 于志远 屈福政

大连理工大学，大连，116024

根据实验研究要求，在分析现有盾构实验台设计的基础上，提出密封舱压力场模拟实验台的设计方案，以验证通过数值方法获得的土压平衡盾构密封舱压力分布的准确性以及压力控制方法的有效性。实验结果表明，该实验台设计方案是可行的，该实验台可用于密封舱压力分布准确性以及压力控制方法有效性的实验验证研究中，能够为土压平衡盾构的设计、施工控制提供依据。

土压平衡盾构；密封舱；压力场；实验台

0 引言

与其他类型盾构机相比，土压平衡盾构具有使用地层条件广泛、占地面积小、施工覆土层可相对较浅、施工安全性高、污染小等优点。因此，在国内外城市地铁、公路、铁路、市政等隧道工程建设中得到了广泛应用。

为满足土压平衡盾构的安全、高效施工，需要通过调整螺旋输送机转速与盾构推进速度来调节密封舱的进出土量，保证密封舱压力与开挖面上的水土压力相平衡。由于对密封舱压力分布规律及其与掘进界面压力的映射关系认识不清，施工人员主要凭借施工经验来调整上述掘进参数，因而无法实现高精度的实时控制。针对这一问题，文献［1－2］分别通过数值模拟方法获得了密封舱压力场，探讨了特定地层条件下观测压力与掘进界面压力的映射关系，为土压平衡盾构压力平衡控制提供了依据。从上述的研究工作可以看出，所采用的碴土模型及参数直接关系到密封舱压力场分布规律的准确性，有必要进行实验来验证不同地质条件下碴土模型是否正确，进而确定密封舱压力分布规律；同时，为了验证密封舱压力控制方法的有效性，也需要进行实验研究。

目前，与土压盾构密封舱压力控制有关的实验台主要是带有可加载土箱的掘进模拟实验台。法国隧道工程学会建立了与实际盾构机成1／10比例的实验台，通过在配置的模型土体中模拟掘进，进行了盾构机工作参数和地层物理力学特性之间的地层适应性研究［3］；我国上海隧道股份有限公司、同济大学、浙江大学、西南交通大学等单位也建立了类似的实验台，得到了大量的研究成果［4－7］。这类实验台多偏重盾构机的地层适应性研究，实验时间耗费长、成本较高、过程复杂，不适用于进行大量实验研究。另外，国内外的学者考虑到影响密封舱压力控制的相关因素，建立了布置有螺旋输送机的实验台来模拟碴土的排出过程，在螺旋输送机输送机理、碴土的改良等方面开展了一系列的研究，为盾构的施工提供了依据［8－10］。但是，这种实验台没有充分考虑密封舱内碴土的流动过程，不适用于密封舱压力场准确性的验证及压力控制方法有效性的实验研究。

针对上述原因，本文提出土压平衡盾构密封舱压力场模拟实验台的设计方案，对实验台的刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩等性能参数进行计算，完成了液压系统的设计，并且通过初步的实验数据来验证实验台的可行性。

1 实验台组成

1.1 实验台机械结构设计

土压平衡盾构机密封舱压力模拟实验台主要由外桶、模拟盾构机、液压系统、测控系统等部分组成，整个实验台的机械结构如图1所示。

图1 模拟实验台

外桶的内径为0.9m，长度为1.85m，右侧采用密闭结构，保证实验过程中不漏水、不漏气；左侧是敞开的，用来装填碴土和放置模拟盾构机。为了便于改良碴土的装填，控制与外桶连接的支撑液压缸可以完成外桶水平至竖直的翻转。

图2 实验台部件图

模拟盾构机主要由刀盘、推进机构、螺旋输送机等组成，图2a为刀盘的实物图，其直径为0.9m，开口率为32%，在刀盘上焊接刀具以达到切削、搅拌碴土的作用。隔板及推进机构的实物图分别见图2b和图2c，推进机构的一端和推进液压缸铰接在一起以完成模拟盾构机的掘进；另一端为密封隔板，在模拟盾构机进入外桶内之后，隔板与刀盘、外桶内壁形成密封舱。在隔板下端倾斜地安装了一个外筒内径为0.16m的螺旋输送机，其轴线与水平方向的夹角为22°。在模拟盾构机向前推进的初始阶段，螺旋输送机出口闸板关闭不排土，此时碴土通过刀盘的开口进入并充满密封舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，形成一定的土压力；推进过程中闸板是打开的，此时可以改变螺旋输送机的转数和推进速度来调整密封舱内的进出土量，达到控制密封舱压力的目的。

1.2 液压系统设计

实验台的刀盘旋转、螺旋输送机旋转、盾构的推进均采用液压传动，参照实验要求，对实验台液压系统的功能要求如下［11］：能够提供平稳的动力，并且要有很高的调速刚度，能实现大速比的稳定无级调速；有较好的瞬态响应，易于实现计算机自动控制；实际使用的盾构机刀盘是双向旋转的，考虑到这一因素对密封舱压力分布的影响，要求模拟盾构机的刀盘能够实现正反转；实验时模拟盾构机推进速度较慢，一般为20～80mm／min，而实验完成后需要使其能快速地退出外桶以节省时间；系统的调速效率要高，以节省动力消耗。

基于以上要求，考虑到各执行元件的承载能力较大，为达到降低能耗、减小发热量的目的，刀盘和螺旋输送机驱动采用容积调速，而推进系统采用节流调速，图3为实验台液压原理图，主要包括推进驱动系统A、螺旋输送机驱动系统B、刀盘驱动系统C。推进驱动系统主要有两个功能：当三位四通换向阀10－1处于中位时，液压泵通过三位四通换向阀10－2给支撑液压缸供油，完成外筒竖起与水平放置的转换；当三位四通换向阀处于10－2中位时，由动力泵站提供的压力油通过三位四通换向阀10－1进入四个推进液压缸，完成液压缸的伸出和缩回，驱动模拟盾构机在外筒中向前掘进或实验结束后退出。推进过程中液压缸的有杆腔接有调速阀，以实现模拟盾构机推进速度的调节；实验结束后，液压油直接进入其无杆腔使模拟盾构机能较快退出。

2 实验台性能参数

2.1 刀盘扭矩

实验台工作过程中，由于碴土与刀盘间的摩擦、刀具切削碴土等原因会引起阻力扭矩，刀盘扭矩主要用于克服上述阻力扭矩，实验台刀盘扭矩T主要由以下几部分组成［12-14］：

图3 液压系统原理图

式中，T1为刀盘正面与碴土之间的阻力扭矩；T2为刀盘背面与碴土之间的阻力扭矩；T3为刀盘切削时土体抗力扭矩；T4为刀盘和搅拌装置的搅拌扭矩。

其中，实验过程中的碴土均是经过改良的土体，始终处于均匀的塑性流动状态，刀盘和搅拌装置的搅拌扭矩对刀盘扭矩影响较小，计算时不予考虑。

模拟盾构机沿外桶轴线向前运动的过程中，刀盘旋转会使碴土与其正面发生相对运动，由于外桶和密封舱中的碴土存在一定的压力，导致了摩擦阻力矩的产生。该扭矩的大小与刀盘开口率、碴土土力学参数以及所要模拟的地层深度有关，对刀盘进行力学分析，有

式中，D为刀盘直径；γ为原状土的容重；H为模拟的地层深度；μc为改良碴土与外桶间摩擦因数，其值小于原状土与刀盘的摩擦因数；ζ为刀盘开口率；K为侧向土压力系数。

设计时忽略刀盘正面与背面间的碴土压力差，刀盘背面摩擦阻力矩等于刀盘正面阻力矩：

在刀盘旋转过程中，切削刀具在切削土体时要克服一定的阻力矩，这里将其简化，用每转切入深度和切削阻力值来表示，其简化计算公式如下：

式中，vs为盾构的推进速度；nc为刀盘的转速；qu为刀具的切削阻力。

实验台的刀盘直径D＝0.9m，原状土容重γ＝20 000kN／m3，改良碴土与外桶之间的摩擦因数μc＝0.25，模拟的地层深度H＝30m，刀盘开口率ζ＝0.32，侧向土压力系数K＝0.5，最大推进速度vs＝0.08m／min，刀盘的转速nc＝1r／min，切削阻力qu＝400kPa，将上述数值代入式（1）～式（4），可得刀盘最大扭矩约为28.93kN·m，考虑到搅拌装置的搅拌扭矩以及刀盘侧面与外筒内壁摩擦引起的阻力扭矩，取刀盘的最大扭矩为30kN·m。

2.2 推进力

模拟盾构机向前推进过程中，总推力主要用于克服碴土作用在刀盘上的阻力F1、模拟盾构自重产生的摩擦力F2、料车的牵引阻力F3，则实验台推进系统的所需推力［14］

式中，A为安全系数；G为盾构机自重；μ1为料车与其运行轨道间的摩擦因数；G1为料车的自重。

模拟盾构机自重G＝14.715kN，模拟盾构机与外桶之间的摩擦因数μ＝0.15，料车与其运行轨道间的摩擦因数μ1＝0.2，料车的满土自重G1＝20kN，安全系数A＝2，由式（5）可得实验台推进力F约为394.12kN，最后取推进装置的推力为450kN。

2.3 螺旋输送机扭矩

目前，有关土压平衡盾构螺旋输送机扭矩计算公式的研究并不多见，英国剑桥大学Merritt等［9］通过实验和理论分析相结合的方法给出了最大扭矩值的计算公式，本文根据该公式来确定螺旋输送机所需要的驱动扭矩。最大扭矩值的计算公式为

式中，Dc为螺旋输送机外筒直径；L为螺旋输送机有效出土长度；τc为碴土在螺旋输送机外筒处的剪应力，其值与碴土不排水强度su相等。

实验台所选用螺旋输送机外筒直径为0.16m，有效出土长度为1m，考虑到螺旋输送机的最大负载取文献［9］中改良黏土的不排水强度作为计算依据，其值取为40kPa。在考虑一定扭矩余量的条件下，按式（6）得螺旋输送机最大扭矩为2kN·m。

3 实验台可行性

实验台采用日本共和公司的BER－A－17S型土压传感器来测量密封舱隔板上的碴土压力，其标准量程为0～0.5MPa，最大载荷为282～2820N，图4为实验过程中土压传感器在隔板上的布置示意图。

通过向某地铁标段的中粗砂内注入泡沫和膨润土泥浆用作实验用

土，测量得到改良碴土的坍落度为120mm。实验时，推进速度设定为20mm／min，刀盘转速实时控制在2r／min，改变柱塞泵的排量使螺旋输送机转速在2～12r／min内变化，转速曲线见图5。

图4 压力传感器布置

图5 螺旋输送机转速曲线

图6 密封舱内土压力

由图5和图6可知，螺旋输送机转速的变化将使密封舱压力发生改变，并且各点压力变化趋势是一致的。以传感器2的压力值为例，实验初始阶段，螺旋输送机转速在5.5～6r／min内变化，该点压力在75kPa上下变化，波动幅度为±4%，说明密封舱实现了压力平衡，压力的波动是因为刀盘开口和旋转造成的；随着螺旋输送机转速先后上升至8r／min和10r／min，传感器2的压力持续下降了50kPa；当螺旋输送机转速又调整为5.5～6r／min时，密封舱在25kPa处重新达到了压力平衡状态；此后，由于螺旋输送机转速下降到4r／min，将使该点压力以0.37kPa／s的速度升高。上述现象表明实验台能够实现密封舱压力平衡控制，可以用于压力控制方法有效性的验证。

根据密封舱压力变化曲线可知，密封舱内各点的压力沿竖直方向是变化的，压力分布表现出较强的非线性，这与实际工程中的压力分布形式是一致的。根据传感器1和3的压力值计算得到竖直方向上的平均压力梯度为15～20kPa／m，而在相应掘进条件下该标段的平均压力梯度为10～20kPa／m，说明试验台可以较好地模拟实际工程中密封舱内碴土的流动状态，能够为密封舱压力场的准确性验证提供数据。

4 结语

本文阐述了土压平衡盾构密封舱压力场模拟实验台的组成和工作原理，搭建了具有刀盘、密封舱等结构的实验台，通过测试实验验证了实验台的可行性。实验数据表明：通过改变螺旋输送机转速能够实现对密封舱压力的控制，使其处于压力平衡状态；密封舱的压力分布形式及竖直方向上的平均压力梯度与实际工程数据基本一致，实验台能够较好地模拟碴土在密封舱内部的流动过程。实验台的建立可以为密封舱压力场数值模拟验证、压力控制方法研究提供一种有效的途径。此外，实验台还可以用于碴土的改良、螺旋输送机输送机理等研究，进一步为土压平衡盾构的安全、快速、可靠的施工提供参考。

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Design of Experimental Table for Simulating Pressure Field of Working Chamber of Earth Pressure Balanced Shield

Liu Chang Sun Tiebing Meng Qinglin Yu Zhiyuan Qu Fuzheng
Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning，116024

According to the requests of experimental study，on the basis of analysis on design method of existing experimental table，a design proposal for experimental table was presented，which was used to simulate pressure field of working chamber.The table was applied to verify accuracy of pressure distribution obtained from numerical simulation，and to verify validity of pressure control means of working chamber of earth pressure balanced shield.The experimental results show that experimental table is feasible and it can be used for experimental study mentioned above.This work gives a basis for design and control of earth pressure balance shield.

earth pressure balanced shield；working chamber；pressure field；experimental table

TH122

1004—132X（2011）01—0019—04

2010—08—30

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2007CB714006）

（编辑 郭 伟）

刘 畅，男，1980年生。大连理工大学机械工程学院博士研究生。主要研究方向为盾构密封舱压力平衡问题的数值模拟。孙铁兵，男，1971年生。大连理工大学机械工程学院讲师。孟庆琳，男，1981年生。大连理工大学机械工程学院博士研究生。于志远，男，1985年生。大连理工大学机械工程学院硕士研究生。屈福政，男，1957年生。大连理工大学机械工程学院教授、博士研究生导师。