土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力場模擬實驗臺設(shè)計

劉 暢 孫鐵兵 孟慶琳 于志遠(yuǎn) 屈福政

大連理工大學(xué)，大連，116024

土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力場模擬實驗臺設(shè)計

劉 暢 孫鐵兵 孟慶琳 于志遠(yuǎn) 屈福政

大連理工大學(xué)，大連，116024

根據(jù)實驗研究要求，在分析現(xiàn)有盾構(gòu)實驗臺設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出密封艙壓力場模擬實驗臺的設(shè)計方案，以驗證通過數(shù)值方法獲得的土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力分布的準(zhǔn)確性以及壓力控制方法的有效性。實驗結(jié)果表明，該實驗臺設(shè)計方案是可行的，該實驗臺可用于密封艙壓力分布準(zhǔn)確性以及壓力控制方法有效性的實驗驗證研究中，能夠為土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)計、施工控制提供依據(jù)。

土壓平衡盾構(gòu)；密封艙；壓力場；實驗臺

0 引言

與其他類型盾構(gòu)機(jī)相比，土壓平衡盾構(gòu)具有使用地層條件廣泛、占地面積小、施工覆土層可相對較淺、施工安全性高、污染小等優(yōu)點。因此，在國內(nèi)外城市地鐵、公路、鐵路、市政等隧道工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

為滿足土壓平衡盾構(gòu)的安全、高效施工，需要通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與盾構(gòu)推進(jìn)速度來調(diào)節(jié)密封艙的進(jìn)出土量，保證密封艙壓力與開挖面上的水土壓力相平衡。由于對密封艙壓力分布規(guī)律及其與掘進(jìn)界面壓力的映射關(guān)系認(rèn)識不清，施工人員主要憑借施工經(jīng)驗來調(diào)整上述掘進(jìn)參數(shù)，因而無法實現(xiàn)高精度的實時控制。針對這一問題，文獻(xiàn)［1－2］分別通過數(shù)值模擬方法獲得了密封艙壓力場，探討了特定地層條件下觀測壓力與掘進(jìn)界面壓力的映射關(guān)系，為土壓平衡盾構(gòu)壓力平衡控制提供了依據(jù)。從上述的研究工作可以看出，所采用的碴土模型及參數(shù)直接關(guān)系到密封艙壓力場分布規(guī)律的準(zhǔn)確性，有必要進(jìn)行實驗來驗證不同地質(zhì)條件下碴土模型是否正確，進(jìn)而確定密封艙壓力分布規(guī)律；同時，為了驗證密封艙壓力控制方法的有效性，也需要進(jìn)行實驗研究。

目前，與土壓盾構(gòu)密封艙壓力控制有關(guān)的實驗臺主要是帶有可加載土箱的掘進(jìn)模擬實驗臺。法國隧道工程學(xué)會建立了與實際盾構(gòu)機(jī)成1／10比例的實驗臺，通過在配置的模型土體中模擬掘進(jìn)，進(jìn)行了盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)和地層物理力學(xué)特性之間的地層適應(yīng)性研究［3］；我國上海隧道股份有限公司、同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、西南交通大學(xué)等單位也建立了類似的實驗臺，得到了大量的研究成果［4－7］。這類實驗臺多偏重盾構(gòu)機(jī)的地層適應(yīng)性研究，實驗時間耗費長、成本較高、過程復(fù)雜，不適用于進(jìn)行大量實驗研究。另外，國內(nèi)外的學(xué)者考慮到影響密封艙壓力控制的相關(guān)因素，建立了布置有螺旋輸送機(jī)的實驗臺來模擬碴土的排出過程，在螺旋輸送機(jī)輸送機(jī)理、碴土的改良等方面開展了一系列的研究，為盾構(gòu)的施工提供了依據(jù)［8－10］。但是，這種實驗臺沒有充分考慮密封艙內(nèi)碴土的流動過程，不適用于密封艙壓力場準(zhǔn)確性的驗證及壓力控制方法有效性的實驗研究。

針對上述原因，本文提出土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力場模擬實驗臺的設(shè)計方案，對實驗臺的刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)扭矩等性能參數(shù)進(jìn)行計算，完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計，并且通過初步的實驗數(shù)據(jù)來驗證實驗臺的可行性。

1 實驗臺組成

1.1 實驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力模擬實驗臺主要由外桶、模擬盾構(gòu)機(jī)、液壓系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等部分組成，整個實驗臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬實驗臺

外桶的內(nèi)徑為0.9m，長度為1.85m，右側(cè)采用密閉結(jié)構(gòu)，保證實驗過程中不漏水、不漏氣；左側(cè)是敞開的，用來裝填碴土和放置模擬盾構(gòu)機(jī)。為了便于改良碴土的裝填，控制與外桶連接的支撐液壓缸可以完成外桶水平至豎直的翻轉(zhuǎn)。

圖2 實驗臺部件圖

模擬盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、螺旋輸送機(jī)等組成，圖2a為刀盤的實物圖，其直徑為0.9m，開口率為32%，在刀盤上焊接刀具以達(dá)到切削、攪拌碴土的作用。隔板及推進(jìn)機(jī)構(gòu)的實物圖分別見圖2b和圖2c，推進(jìn)機(jī)構(gòu)的一端和推進(jìn)液壓缸鉸接在一起以完成模擬盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)；另一端為密封隔板，在模擬盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入外桶內(nèi)之后，隔板與刀盤、外桶內(nèi)壁形成密封艙。在隔板下端傾斜地安裝了一個外筒內(nèi)徑為0.16m的螺旋輸送機(jī)，其軸線與水平方向的夾角為22°。在模擬盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的初始階段，螺旋輸送機(jī)出口閘板關(guān)閉不排土，此時碴土通過刀盤的開口進(jìn)入并充滿密封艙和螺旋輸送機(jī)殼體內(nèi)的全部空間，形成一定的土壓力；推進(jìn)過程中閘板是打開的，此時可以改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和推進(jìn)速度來調(diào)整密封艙內(nèi)的進(jìn)出土量，達(dá)到控制密封艙壓力的目的。

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

實驗臺的刀盤旋轉(zhuǎn)、螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)、盾構(gòu)的推進(jìn)均采用液壓傳動，參照實驗要求，對實驗臺液壓系統(tǒng)的功能要求如下［11］：能夠提供平穩(wěn)的動力，并且要有很高的調(diào)速剛度，能實現(xiàn)大速比的穩(wěn)定無級調(diào)速；有較好的瞬態(tài)響應(yīng)，易于實現(xiàn)計算機(jī)自動控制；實際使用的盾構(gòu)機(jī)刀盤是雙向旋轉(zhuǎn)的，考慮到這一因素對密封艙壓力分布的影響，要求模擬盾構(gòu)機(jī)的刀盤能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)；實驗時模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度較慢，一般為20～80mm／min，而實驗完成后需要使其能快速地退出外桶以節(jié)省時間；系統(tǒng)的調(diào)速效率要高，以節(jié)省動力消耗。

基于以上要求，考慮到各執(zhí)行元件的承載能力較大，為達(dá)到降低能耗、減小發(fā)熱量的目的，刀盤和螺旋輸送機(jī)驅(qū)動采用容積調(diào)速，而推進(jìn)系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速，圖3為實驗臺液壓原理圖，主要包括推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)A、螺旋輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)B、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)C。推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩個功能：當(dāng)三位四通換向閥10－1處于中位時，液壓泵通過三位四通換向閥10－2給支撐液壓缸供油，完成外筒豎起與水平放置的轉(zhuǎn)換；當(dāng)三位四通換向閥處于10－2中位時，由動力泵站提供的壓力油通過三位四通換向閥10－1進(jìn)入四個推進(jìn)液壓缸，完成液壓缸的伸出和縮回，驅(qū)動模擬盾構(gòu)機(jī)在外筒中向前掘進(jìn)或?qū)嶒灲Y(jié)束后退出。推進(jìn)過程中液壓缸的有桿腔接有調(diào)速閥，以實現(xiàn)模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度的調(diào)節(jié)；實驗結(jié)束后，液壓油直接進(jìn)入其無桿腔使模擬盾構(gòu)機(jī)能較快退出。

2 實驗臺性能參數(shù)

2.1 刀盤扭矩

實驗臺工作過程中，由于碴土與刀盤間的摩擦、刀具切削碴土等原因會引起阻力扭矩，刀盤扭矩主要用于克服上述阻力扭矩，實驗臺刀盤扭矩T主要由以下幾部分組成［12-14］：

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

式中，T1為刀盤正面與碴土之間的阻力扭矩；T2為刀盤背面與碴土之間的阻力扭矩；T3為刀盤切削時土體抗力扭矩；T4為刀盤和攪拌裝置的攪拌扭矩。

其中，實驗過程中的碴土均是經(jīng)過改良的土體，始終處于均勻的塑性流動狀態(tài)，刀盤和攪拌裝置的攪拌扭矩對刀盤扭矩影響較小，計算時不予考慮。

模擬盾構(gòu)機(jī)沿外桶軸線向前運動的過程中，刀盤旋轉(zhuǎn)會使碴土與其正面發(fā)生相對運動，由于外桶和密封艙中的碴土存在一定的壓力，導(dǎo)致了摩擦阻力矩的產(chǎn)生。該扭矩的大小與刀盤開口率、碴土土力學(xué)參數(shù)以及所要模擬的地層深度有關(guān)，對刀盤進(jìn)行力學(xué)分析，有

式中，D為刀盤直徑；γ為原狀土的容重；H為模擬的地層深度；μc為改良碴土與外桶間摩擦因數(shù)，其值小于原狀土與刀盤的摩擦因數(shù)；ζ為刀盤開口率；K為側(cè)向土壓力系數(shù)。

設(shè)計時忽略刀盤正面與背面間的碴土壓力差，刀盤背面摩擦阻力矩等于刀盤正面阻力矩：

在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，切削刀具在切削土體時要克服一定的阻力矩，這里將其簡化，用每轉(zhuǎn)切入深度和切削阻力值來表示，其簡化計算公式如下：

式中，vs為盾構(gòu)的推進(jìn)速度；nc為刀盤的轉(zhuǎn)速；qu為刀具的切削阻力。

實驗臺的刀盤直徑D＝0.9m，原狀土容重γ＝20 000kN／m3，改良碴土與外桶之間的摩擦因數(shù)μc＝0.25，模擬的地層深度H＝30m，刀盤開口率ζ＝0.32，側(cè)向土壓力系數(shù)K＝0.5，最大推進(jìn)速度vs＝0.08m／min，刀盤的轉(zhuǎn)速nc＝1r／min，切削阻力qu＝400kPa，將上述數(shù)值代入式（1）～式（4），可得刀盤最大扭矩約為28.93kN·m，考慮到攪拌裝置的攪拌扭矩以及刀盤側(cè)面與外筒內(nèi)壁摩擦引起的阻力扭矩，取刀盤的最大扭矩為30kN·m。

2.2 推進(jìn)力

模擬盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中，總推力主要用于克服碴土作用在刀盤上的阻力F1、模擬盾構(gòu)自重產(chǎn)生的摩擦力F2、料車的牽引阻力F3，則實驗臺推進(jìn)系統(tǒng)的所需推力［14］

式中，A為安全系數(shù)；G為盾構(gòu)機(jī)自重；μ1為料車與其運行軌道間的摩擦因數(shù)；G1為料車的自重。

模擬盾構(gòu)機(jī)自重G＝14.715kN，模擬盾構(gòu)機(jī)與外桶之間的摩擦因數(shù)μ＝0.15，料車與其運行軌道間的摩擦因數(shù)μ1＝0.2，料車的滿土自重G1＝20kN，安全系數(shù)A＝2，由式（5）可得實驗臺推進(jìn)力F約為394.12kN，最后取推進(jìn)裝置的推力為450kN。

2.3 螺旋輸送機(jī)扭矩

目前，有關(guān)土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)扭矩計算公式的研究并不多見，英國劍橋大學(xué)Merritt等［9］通過實驗和理論分析相結(jié)合的方法給出了最大扭矩值的計算公式，本文根據(jù)該公式來確定螺旋輸送機(jī)所需要的驅(qū)動扭矩。最大扭矩值的計算公式為

式中，Dc為螺旋輸送機(jī)外筒直徑；L為螺旋輸送機(jī)有效出土長度；τc為碴土在螺旋輸送機(jī)外筒處的剪應(yīng)力，其值與碴土不排水強(qiáng)度su相等。

實驗臺所選用螺旋輸送機(jī)外筒直徑為0.16m，有效出土長度為1m，考慮到螺旋輸送機(jī)的最大負(fù)載取文獻(xiàn)［9］中改良黏土的不排水強(qiáng)度作為計算依據(jù)，其值取為40kPa。在考慮一定扭矩余量的條件下，按式（6）得螺旋輸送機(jī)最大扭矩為2kN·m。

3 實驗臺可行性

實驗臺采用日本共和公司的BER－A－17S型土壓傳感器來測量密封艙隔板上的碴土壓力，其標(biāo)準(zhǔn)量程為0～0.5MPa，最大載荷為282～2820N，圖4為實驗過程中土壓傳感器在隔板上的布置示意圖。

通過向某地鐵標(biāo)段的中粗砂內(nèi)注入泡沫和膨潤土泥漿用作實驗用

土，測量得到改良碴土的坍落度為120mm。實驗時，推進(jìn)速度設(shè)定為20mm／min，刀盤轉(zhuǎn)速實時控制在2r／min，改變柱塞泵的排量使螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速在2～12r／min內(nèi)變化，轉(zhuǎn)速曲線見圖5。

圖4 壓力傳感器布置

圖5 螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖6 密封艙內(nèi)土壓力

由圖5和圖6可知，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的變化將使密封艙壓力發(fā)生改變，并且各點壓力變化趨勢是一致的。以傳感器2的壓力值為例，實驗初始階段，螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速在5.5～6r／min內(nèi)變化，該點壓力在75kPa上下變化，波動幅度為±4%，說明密封艙實現(xiàn)了壓力平衡，壓力的波動是因為刀盤開口和旋轉(zhuǎn)造成的；隨著螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速先后上升至8r／min和10r／min，傳感器2的壓力持續(xù)下降了50kPa；當(dāng)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速又調(diào)整為5.5～6r／min時，密封艙在25kPa處重新達(dá)到了壓力平衡狀態(tài)；此后，由于螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速下降到4r／min，將使該點壓力以0.37kPa／s的速度升高。上述現(xiàn)象表明實驗臺能夠?qū)崿F(xiàn)密封艙壓力平衡控制，可以用于壓力控制方法有效性的驗證。

根據(jù)密封艙壓力變化曲線可知，密封艙內(nèi)各點的壓力沿豎直方向是變化的，壓力分布表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性，這與實際工程中的壓力分布形式是一致的。根據(jù)傳感器1和3的壓力值計算得到豎直方向上的平均壓力梯度為15～20kPa／m，而在相應(yīng)掘進(jìn)條件下該標(biāo)段的平均壓力梯度為10～20kPa／m，說明試驗臺可以較好地模擬實際工程中密封艙內(nèi)碴土的流動狀態(tài)，能夠為密封艙壓力場的準(zhǔn)確性驗證提供數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文闡述了土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力場模擬實驗臺的組成和工作原理，搭建了具有刀盤、密封艙等結(jié)構(gòu)的實驗臺，通過測試實驗驗證了實驗臺的可行性。實驗數(shù)據(jù)表明：通過改變螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)對密封艙壓力的控制，使其處于壓力平衡狀態(tài)；密封艙的壓力分布形式及豎直方向上的平均壓力梯度與實際工程數(shù)據(jù)基本一致，實驗臺能夠較好地模擬碴土在密封艙內(nèi)部的流動過程。實驗臺的建立可以為密封艙壓力場數(shù)值模擬驗證、壓力控制方法研究提供一種有效的途徑。此外，實驗臺還可以用于碴土的改良、螺旋輸送機(jī)輸送機(jī)理等研究，進(jìn)一步為土壓平衡盾構(gòu)的安全、快速、可靠的施工提供參考。

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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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2007CB714006）

（編輯 郭 偉）

劉 暢，男，1980年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為盾構(gòu)密封艙壓力平衡問題的數(shù)值模擬。孫鐵兵，男，1971年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。孟慶琳，男，1981年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。于志遠(yuǎn)，男，1985年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。屈福政，男，1957年生。大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。