唐天東
(中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400037)
臺(tái)州市域鐵路建設(shè)項(xiàng)目(城西站—萬昌路站),該項(xiàng)目的盾構(gòu)段路線為:起點(diǎn)為城西站,途徑西月河橋、北山河橋、豪城公寓,終點(diǎn)為萬昌路站。整個(gè)盾構(gòu)線路大部分位于中華北路下側(cè),該施工段的設(shè)計(jì)范圍是城西站—萬昌路站,整個(gè)隧道區(qū)間長(zhǎng)度為:左側(cè)2 139.633 m,右側(cè)2145.360 m。線路平面最小曲線半徑為700 m,最大縱坡21%。
為了確保此次研究的實(shí)用性以及評(píng)價(jià)活動(dòng)的科學(xué)性,本文對(duì)比分析了不同刀盤形式的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能,選擇兩款國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的盾構(gòu)機(jī)。一是鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵的土壓力平衡式鉸接盾構(gòu)機(jī);二是鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。這兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)均用于臺(tái)州市域鐵路建設(shè)項(xiàng)目,為此次研究分析提供施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)。
結(jié)合兩條不同類型的盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)使用的是面板式刀盤,小開口率刀盤的半徑分別為R0=417 mm、R1=1 627 mm、R2=542 mm,刀盤厚度B=1 000 mm,鋼土摩擦系數(shù)μ=0.2。刀盤上各個(gè)刀具的排布較雜亂。為了便于后續(xù)計(jì)算,將刀盤中任意一根刀具的排布情況作為計(jì)算依據(jù),進(jìn)一步來看,7 個(gè)切刀距離刀盤的距離分別為0.75 m、1.25 m、1.67 m、2.17 m、2.46 m、2.75 m 和3.087 m,刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,42 把刀具同時(shí)發(fā)揮作用,刀盤中的中心刀主要發(fā)揮攪拌的作用。左、右線都要配置滾刀。
結(jié)合圖1,鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)刀盤表面的大開口數(shù)量、小開口數(shù)量均為8 個(gè),與中心開口共同形成刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),為便于后續(xù)計(jì)算,直接使用刀盤表面的摩擦扭矩減去開口表面的摩擦扭矩,二者之間的差值即面板摩擦扭矩T2。假設(shè)刀盤的大口徑長(zhǎng)度L1=2 271 mm,開口的夾角ψ1=8.15°=0.142 rad,小口徑長(zhǎng)度L2=774 mm,夾角ψ2=21.8°=0.38 rad,在這種情況下,大開口、小開口距中心刀的距離分別是L3=929 mm 和L4=2 426 mm,將中心開口部位理解為矩形,那么其中心口的外援部位與中心刀之間的距離是L5=1 161 mm,寬度L6=516 mm,刀盤面板的扭矩T2計(jì)算表達(dá)式如下:
圖1 刀盤開口尺寸示意圖
式中,μ為鋼土摩擦系數(shù);R為刀盤半徑,m;x為徑向位置;γ為土體重度,kN/m3;H為埋深,m;k為側(cè)向土壓力系數(shù);r為刀盤外徑,m。
對(duì)于盾構(gòu)機(jī),安裝有刀具的部分相當(dāng)于盾構(gòu)機(jī)刀盤的攪拌扭矩是刀梁?jiǎn)蝹?cè)表面與土體之間產(chǎn)生的摩擦阻力的扭矩總和,結(jié)合力學(xué)原理來看,攪拌扭矩計(jì)算表達(dá)式如式(2)所示??傆?jì)存在4 個(gè)主刀梁、4 個(gè)副刀梁,刀梁厚度B=465 mm,鋼土摩擦系數(shù)μ=0.3,為保證后續(xù)計(jì)算便捷,將式(3)細(xì)化為式(4):
式中,T3為扭矩總和;σ為土壓艙壓力,kPa。
結(jié)合以上分析,兩種不同類型的盾構(gòu)在相同地質(zhì)條件下進(jìn)行作業(yè),鐵建重工集團(tuán)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩明顯大于鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī),主要是因?yàn)榍罢撸ㄓ揖€)的面板摩擦扭矩、攪拌扭矩較大,這反映出面板式的刀盤結(jié)構(gòu)在掘進(jìn)過程中消耗的能量要明顯超出后者(左線)刀盤,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證刀盤在運(yùn)行過程中的安全性與穩(wěn)定性,但是對(duì)城市地鐵地下施工安全管理要求比較大,因此,可適當(dāng)增大能量消耗。在實(shí)際分析盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能時(shí),并不能只關(guān)注能量消耗,也應(yīng)考慮到其他方面的影響因素。
結(jié)合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度的計(jì)算函數(shù)來看,為了計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行速度,應(yīng)先得出刀盤開口的參數(shù),其主要涉及以下參數(shù):直徑de、截面積A、濕周χ、渣土的平均流速vi、渣土的流量Qi、刀盤平均速度v0。鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)最大功率為840 kW,刀盤半徑R=4.4 m,刀盤面積2.17 m2,大口占表面積的2.71%,截面積A1=0.871 8 m2,濕周χ1=5.136 m,直徑del=0.339 5 m。小口表面積為0.64%,截面積A2=0.205 9 m2,濕周χ2=1.987 m,直徑de2=0.207 2 m。中心占刀盤表面積3.6%,截面積為A3=1.177 m2,濕周χ3=5.5 m,直徑de3=0.428 m。
鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī):中心刀間距為101.5 mm,正面刀間距為78 mm;最大功率743 kW,刀盤半徑R=4.4 m,刀盤表面積31.57 m2,大口占刀盤表面積6.91%,截面積A1=2.181 5 m2,濕周χ1=8.342 m,直徑de1=0.523 m。中心開口的表面積是2.3%,截面積A2=0.726 m2,濕周χ2=3.669 m,直徑de2=0.395 8 m。
結(jié)合以上數(shù)據(jù)能計(jì)算出兩種不同類型盾構(gòu)機(jī)在相同地質(zhì)條件下的掘進(jìn)速度,具體來看,右線的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度比鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度慢。
經(jīng)過對(duì)比,鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的能耗超出鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)能耗將近一半,主要是因?yàn)榍罢叩牡侗P扭矩比較大,該設(shè)備掘進(jìn)過程中的最大運(yùn)行速度為0.001 7 m/s,此時(shí)刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.163 rad/s,設(shè)備推進(jìn)速度為80 mm/min,最大刀盤的扭矩為249 kN·m,通過計(jì)算可以得出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的能耗為65.45 kW,刀盤運(yùn)行過程中的能耗為839 kW,占總功率的93%。鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)的刀盤運(yùn)行能效12×250 kW,占總功率的95%,由此可以發(fā)現(xiàn)刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)能效造成顯著影響[1]。
圖2 中兩條曲線都出現(xiàn)了波動(dòng),其中,鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率曲線波動(dòng)較小,其掘進(jìn)效率標(biāo)準(zhǔn)差是0.005 2,鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)差是0.019 7,遠(yuǎn)大于前者,這直接反映出在掘進(jìn)過程中,右線的盾構(gòu)機(jī)對(duì)于地質(zhì)環(huán)境具備良好的適應(yīng)性。
圖2 計(jì)算刀盤扭矩對(duì)比圖
前面己經(jīng)指出盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)由于刀盤尺寸較大,其不同部位所處埋深不同,使得刀盤表面的壓強(qiáng)在徑向上呈梯形分布,刀盤表面的壓強(qiáng)也會(huì)呈現(xiàn)出差異。為了獲取精準(zhǔn)的刀盤壓強(qiáng)分布狀況,在評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)根據(jù)部分開口率進(jìn)行計(jì)算,以便于計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的刀盤壓強(qiáng)。圖3 中展示的內(nèi)容為刀盤表面與地層之間的關(guān)聯(lián)圖,將半徑范圍內(nèi)劃分為不同的份額,為多層區(qū)域地層計(jì)算時(shí)提供便捷。
圖3 刀盤扇形劃分與地層對(duì)應(yīng)示例圖
結(jié)合圖3 來看,刀盤表面的區(qū)域分化是根據(jù)平面坐標(biāo)進(jìn)行劃分的,徑向位置x、扇形劃分α分別代表坐標(biāo)的2 個(gè)參數(shù)量,圖中不同深度的區(qū)域代表不同地層下的刀盤區(qū)域,當(dāng)區(qū)域劃分越精準(zhǔn)時(shí),最終的計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度就越高。
進(jìn)一步來看,在相同的地質(zhì)條件下,兩種盾構(gòu)機(jī)的刀盤表面的推力波動(dòng)差異性并不是很顯著,這與地質(zhì)參數(shù)存在緊密關(guān)聯(lián)。兩種不同類型的盾構(gòu)機(jī)在帶盤表面壓強(qiáng)分布反面存在顯著差異,鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤底部壓強(qiáng)峰值為180 kPa,鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)刀盤的極值為210 kPa,可以發(fā)現(xiàn)前者在壓強(qiáng)分布方面優(yōu)勢(shì)更顯著。
在地質(zhì)條件復(fù)雜、地層變化起伏大、含水量高的地段及硬巖地段及花崗巖含量較高地段掘進(jìn)時(shí),應(yīng)盡可能通過鉆探勘察的方式查明地質(zhì)條件,準(zhǔn)確判斷當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)開挖系統(tǒng)工作性能與掌子面地層特性的匹配情況,采取合理的掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,硬巖段盾構(gòu)采用小推力、大扭矩、大轉(zhuǎn)速模式,采用1 500~1 800 t 推力,5 800~6 200 kN·m扭矩等參數(shù),并加強(qiáng)土壓平衡控制,可確保掘進(jìn)過程中不產(chǎn)生地面塌陷,安全通過硬巖段。
整體而言,鐵建重工集團(tuán)改造原廣州地鐵的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在能量消耗、掘進(jìn)效率方面不具優(yōu)勢(shì),但是其在穩(wěn)定性方面明顯領(lǐng)先鐵建重工集團(tuán)改造原成都地鐵盾構(gòu)機(jī)。城市地鐵施工過程中,均以保證施工人員的安全為第一原則,選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)應(yīng)將盾構(gòu)機(jī)施工過程中的穩(wěn)定性作為首要考慮因素。由此來看,在當(dāng)前倡導(dǎo)環(huán)保節(jié)能的背景下,應(yīng)在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,選擇使用右線大推力,刀盤適中開口率,多布置滾刀,渣土有效改良的螺旋機(jī)筒體加強(qiáng)的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工比較合適。
此次研究主要對(duì)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),首先簡(jiǎn)單介紹兩種不同類型的盾構(gòu)機(jī)的基本情況;然后確定出在相同地質(zhì)條件下兩種盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與掘進(jìn)技術(shù)參數(shù),最后對(duì)盾構(gòu)機(jī)的能量消耗、掘進(jìn)效率、穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析,并總結(jié)出最終的評(píng)價(jià)結(jié)論。