土压平衡式盾构机掘进性能评价方法研究探讨

徐逸达+张拓+何雷

【摘 要】土压平衡盾构机是隧道施工中普遍运用的机械设备。它在城市地铁建设中起着关键的作用。为了提高盾构机的掘进性能，有必要建立一套系统的盾构机掘进性能的评价方法。文章建立了盾构掘进机能耗、效率和稳定性的评价函数，提出了盾构机掘进性能的详细评价方法。

【关键词】土压平衡；盾构机；掘进性能；评价方法

引言

在盾构机的掘进过程中，挖掘系统需要对土体进行切割和搅拌，保持开挖面的稳定性。刀头切割系统、盾推进系统和排渣系统是盾构机的关键环节。盾构机的性能评价是在一定的地质条件下，设置合理参数、工程开挖能力和开挖面稳定性。从隧道能耗、掘进效率和开挖稳定性三个方面，构建盾构掘进性能评价指标，并对盾构掘进机在掘进施工中的性能展开了评价。

一、盾构施工法概述

（一）盾构施工程序

与采矿方法相比，盾构法具有地层开挖、开挖运输、衬砌装配、联合防水和盾尾灌浆的特点。盾构操作受到保护，是一种技术要求高、技术全面的施工方法。主要施工程序如下：盾构施工良好；盾构机的安装；入口土壤的加固；盾构隧道在初始部分的施工；隧道的连续掘进施工；在护盾入口处的土体进行加固；盾构进入接收井解体吊出。

（二）盾构施工优势

有着下列优势：盾构隧道施工施工方法及矿井地面作业施工，隐蔽性良好，噪音和振动引起的环境影响很小；自动化程度高，劳动强度低，施工速度快；因为隧道衬砌是预制的，质量能够得到保障；通过地下建筑和地下管道密集区域，四周不受建筑的影响；通过河流或海洋，不影响隧道施工，不受气候影响；对于复杂地质、水、软岩层，保证施工安全；其成本和技术难度不受土壤覆盖深度的影响。

二、盾构机掘进性能的评价指标

（一）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。

液压推力是盾体的驱动力，径直作用到开挖面的稳定性。过度的推力会导致前土的挤压和运动，造成地面抬升，而过度的推力则是土壤运动的方向，倾向于刀头的方向，形成地表下沉。液压推力对开挖过程有直接影响，是一个主要的驱动参数。

2.刀盘扭矩。

这是刀头旋转的驱动力，径直作用到工具对岩石和土壤的切割能力，是护盾的关键动力，使其脱离困境。对于硬切土来说，增加扭矩是必要的，可是需要适应盾的推力，这样能够有效防止出现施工事故。

3.刀盘转速。

它是刀盘扭矩设置的直接表现，其与扭矩的乘积与盾构驱动电机的有效功率相等。这是评价盾构掘进机能耗的关键指标。

4.掘进速度。

盾构掘进的平均速度是盾构掘进过程中盾构机的推进速度随时间的变化而变化。掘进速度与机器的能耗和效率密切相关。

5.螺旋输送机转速。

螺旋输送机是泥沙去除的主要部件，其速度与扭矩成正比。转速对地压箱压力值的影响是作用盾构机掘进性能的关键指标。

（二）盾构机地质参数评价指标

1.土体容重。

它是关键的地质参数之一，一般依照地表下的湿量来计算，是地质条件参数的全面反映，盾构隧道参数直接相关，径直作用到盾构机的掘进性能。

2.埋深。

它指的是盾构面与刀头中心轴线之间的距离，径直作用到刀头和隧道参数的参数。深埋深度将使盾构机的压力控制变得非常有难度，不助于盾构机的稳定掘进。

三、盾构机掘进性能评价

（一）掘进能耗的评价方法

盾构机的能耗与上一节所讨论的性能评价指标密切相关。性能指标是不同的，能耗波动是不同的。隧道能量消耗的评价方法应充分考虑各隧道参数对其影响的影响。在工程开挖施工的盾构机之前，首先做准备工作，根据预测的重要地质参数的地质参数反映了地质、地质数据的比例埋深，水含量，计算地质和盾构机掘进性能评价指标的影响。其次，确定了盾构掘进系统的参数，如刀头结构、液压推力和扭矩，并计算了驱动性能评价指标。

（二）掘进效率的评价方法

地质参数的确定可以根据地质方法进行。对盾构机而言，可根据能耗评估方法获得最佳的隧道参数。根据机器的能量消耗水平，计算了地质环境下盾构掘进效率的最佳值。在实际施工中，通过对实际记录参数的计算，得出实际的施工效率值。一般来说，隧道效率的计算是根据其评价函数计算的，它属于维数，其评价中存在一定的误差。为了更准确地评价它，需要使用归一化方法将隧道效率转换成无量纲形式，并将无量纲数转换为相对值。在盾构机的掘进效率评价中，可以采用线性函数变换法实现。

（三）稳定性的评价方法

为了保证隧道施工的安全性，保持盾构机的稳定性是很重要的。大部分安全事故都是由于开挖面不稳定引起的。在盾构掘进中，开挖面土与刀盘推理的主要关系，由于过度的推理，使得滑移面的土体脱离了刀盘方向，造成地面抬升；相反，太小的推理将会是切刀方向的土壤。导致地面沉降。所以，应该依照土力学理论对开挖面稳定性展开评价。相较于土壤来说，盾构机的切割机在土体上有着非常大的刚度，有着流动性交互的作用，当挡土墙起作用时，由于过大或过小的两个推力作用于土壤不稳定状态，作为建立盾构机稳定性评价标准的基础，在开挖面稳定时，两种状态下的刀断推力极限。这个报告是基于地质钻井数据记录的发展，所以，只有在极端积极的勘探孔中才能准确地收集到切割头推力后的地质参数和计算，通常采用线性插值来获得在两个极端实际切割器的范围内进行正面推力变化的数值勘探孔，保持开挖面的稳定状态。

四、结语

首先，选取关键参数作为盾构掘进性能评价指标的基本条件，通过科学合理的计算方法进行性能评价指标。根据刀盘的拓扑结构及其分析方法构建驾驶性能函数，正确评价能源消费的稳定和效率，隧道盾构机在基坑开挖过程中，为了实现盾构隧道性能综合评价，采取适当措施，确保施工安全的前提下完成。

参考文献：

[1]郭伟，李楠，王磊，刘建琴.土压平衡式盾构机掘进性能评价方法[J].天津大学学报，2012，45（05）：379-385.

[2]杨垒，郇利民，侯德超，韩佳霖，张兵.土压平衡式盾构机掘进性能评价方法[J].科技与企业，2014，（01）：201.

[3]夏毅敏，卞章括，胡承歡，吴元，林赉贶，暨智勇.复合式土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法[J].机械工程学报，2014，50（21）：1-9.endprint