土壓平衡盾構刀盤開口率與刀盤前后壓差的關系

2023年12月31日發(作者：山楂制品)

土壓平衡盾構刀盤開口率與刀盤前后壓差的關系

劉建琴;郭偉;黃丙慶;楊亞楠;王志勇

【摘 要】盾構刀盤開口率是決定刀盤拓撲結構的關鍵參數,在刀盤的設計中具有重要的作用.為研究盾構刀盤開口率的設計問題,將切削渣土-盾構刀盤作為一體,構建了包括刀盤前部已經切削下來的渣土、刀盤本體、泥土艙和螺旋輸送機4部分在內的四聯體計算模型,在此基礎上,應用流體力學方法模擬了土體-盾構刀盤系統流場靜壓力和流場速度分布,并與施工數據比較,驗證了模型的正確性.應用該模型,研究了不同開口率對刀盤前后壓差變化的影響.研究表明:刀盤前后壓差隨著開口率增大而逐漸減小,在保持掌子面穩定的情況下,螺旋輸送機排土速度也隨著開口率增大而逐漸減小.對文中所涉及的地質條件,刀盤開口率在30%和50%時,刀盤的支護壓力與該地質所對應的地應力較為接近,對掌子面支護比較有利.%The aperture ratio of

cutter head is a key parameter in shaping the topological structure of

cutter head. In order to design aperture ratio, a four-body computing

model, consisting of soil dregs cut from head front, substance of cutter

head, soil compartment and screw conveyor, was propod. Bad on this

model, hydrostatic pressure and hydrostatic velocity distribution were

simulated by applying fluid mechanics technique. The mechanical model

was effectively verified through comparison with construction data.

Influences of aperture ratio on interface stability and fore-and-back

pressure of the shield machine were studied by the model. Results show

that fore-and-back pressure decreas gradually with the increa of

aperture ratio, hi the ca of maintaining interface stability, screw conveyor

speed also decreas gradually as aperture ratio increas. Under the

geological conditions in this article, the interface support pressure is clo

to the corresponding geological stress when the aperture ratio of cutter

head ranges from 30% to 50%, which benefits interface support.

【期刊名稱】《天津大學學報》

【年(卷),期】2011(044)008

【總頁數】6頁(P659-664)

【關鍵詞】盾構;刀盤;開口率;四聯體計算模型;流體力學方法

【作 者】劉建琴;郭偉;黃丙慶;楊亞楠;王志勇

【作者單位】天津大學機械工程學院,天津300072;天津大學機械工程學院,天津300072;天津大學機械工程學院,天津300072;天津大學機械工程學院,天津300072;天津大學機械工程學院,天津300072

【正文語種】中 文

【中圖分類】U455.43

隨著科學與技術的不斷發展，人們對空間需求已經從地上逐步發展到地下，開發利用地下空間最主要的工具就是隧道挖掘機和盾構機．其中，土壓平衡盾構具有成本相對較低、出土效率高、適用地層范圍廣等優點，在我國各類隧道施工中得到了廣泛的應用，占60%以上[1]．土壓平衡式盾構工作時，盾構機由盾構千斤頂向前推進，由刀盤切削下來的泥土充滿壓力艙和螺旋排土器殼體內的全部空間，并依靠充滿的泥土來支護開挖面土層的水和土壓力．

盾構刀盤處于泥土艙前部，在刀盤上安裝有刀具，用來切削；同時刀盤上有開口，

實現切削渣土排屑；刀盤本身還應具有支護掌子面功能．刀盤設計是盾構掘進機設計的關鍵，是影響其掘進性能的決定性因素[2]．其中，開口面積與刀盤總面積之比，即開口率是決定刀盤拓撲結構的關鍵參數，在不同的地質條件和施工要求下有不同的要求．最初的盾構機刀盤開口率較小．日本自1974 年首次使用土壓平衡式盾構機以來，盾構機設計制造技術和水平日趨成熟，并逐步采用開口率更大的刀盤．經過調研，日本川崎重工同時為北京和天津地鐵所設計的2 臺盾構機的刀盤，刀盤設計的因素和盾構機的大體尺寸和壽命相當的情況下，1 臺為開口率達90%的輻條式刀盤，另一臺則在第1 臺的基礎上加了8 塊面板，將開口率降為50%左右．可見，盾構刀盤開口率在刀盤設計中是一個關鍵的結構參數．

因此，要實現盾構刀盤的結構優化設計，首先需要研究刀盤開口率的設計問題．文獻[3]針對北京地區的砂土地層，依據相似理論和模型試驗的原理進行了盾構掘進的模型試驗研究，研究表明：刀盤開口率的大小是施工中的一個重要影響參數，在盾構機選型、設計及施工中應給予該參數足夠的重視．文獻[4]探討盾構機工作參數與土體的相互關系，研究了刀盤開口率對刀盤扭矩的影響規律，但是該研究沒有涉及刀盤開口對施工的影響以及對地質的適應性問題．也有學者采用模型試驗[5-6]和現場施工的方法[7]對刀盤設計參數的適應性進行研究．然而，試驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過試驗方法得到結果．

土壓平衡盾構機的掘進過程中，需要根據地質狀況的不同進行土體的改良，改良后的土體經刀盤開口流入泥土艙然后從螺旋輸送機排出，因此整個掘進過程中，刀盤、泥土艙、排土器內的土體是一種黏彈性的塑性流體[8]．基于此，本文構建了包括渣土、刀盤本體、土壓倉和螺旋輸送機在內的四聯體計算模型，應用流體力學方法模擬了土體-盾構刀盤系統流場靜壓力和流場速度分布，并研究了不同開口率對刀盤前后壓差變化的影響，比較了不同開口率下刀盤的壓力分布，并與地質所對應的

地應力進行了比較，從支護穩定的角度，研究了刀盤開口與支護穩定的關系．

1 四聯體計算模型

針對變化的地質條件，將切削渣土及其在掘進過程相互作用的盾構結構作為整體進行研究，構建渣土-盾構刀盤四聯體計算模型，形成開口率設計分析的綜合因素作用環境，如圖1 所示．

圖1 渣土-盾構刀盤計算模型Fig.1 Computing model of soil dregs and cutter

head conjoined

1.1 四聯體模型中的渣土流動特征

土壓平衡式盾構泥土艙內充滿開挖泥土，其理想狀態為 “塑性流動狀態”．從土力學的角度分析，這種狀態應包括4 個方面的含義：土體不易固結排水；土體具有較高的含水率，較低的強度；土體具有較低的內摩擦角；土體具有較低的透水率．在實際工程中，通過土體改良技術的應用使土體達到基本要求，適應于土壓平衡式盾構的施工和掌子面壓力控制．

1.2 刀盤本體特征抽取

盾構刀盤上安裝有多種切削刀具；為了便于渣土排泄，刀盤前面板的開口度略小于刀盤后面板，形成10°左右楔形角；為了更好地對刀盤刀具切下的渣土進行改良，刀盤面板上裝有泡沫注入口．為研究刀盤開口率對地質的適應性，在四聯體模型中，將刀具、開口的楔形角和泡沫口省略，只保留了刀盤的開口及刀座安裝孔．

1.3 泥土艙的土體特征

盾構機開挖時在刀盤的切削和攪拌作用下，體積膨脹，進入并充滿泥土艙．由于不同地層的土體性質差別很大，通過刀盤進入到泥土艙內土體的狀態也就有很大的不同．該模型中假定泥土艙中的土體具有和盾構刀盤前面的土體一致的性質，即為“塑性流動狀態”．

1.4 螺旋輸送機影響因素

通過螺旋輸送機實現對切削渣土輸出，螺旋輸送機具有長度參數和渣土排出速度參數．

本文將應用渣土-盾構刀盤四聯體計算模型，分析特定地質、特定掘進速度時，不同開口率對渣土流動特性以及刀盤前后壓差變化的影響．

2 開口率研究的分析方法

目前，用于土體變形的分析研究主要有有限元法、人工智能、離散元法和基于計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)的分析方法．但是把土體看作流塑狀態時目前主要應用離散元法和基于CFD 的流體力學分析法．本文研究的渣土，其運動速度很低，且顆粒之間存在黏聚力，基本不適合采用離散元法加以研究，故采用基于CFD的流體力學分析法．Fluent 是通用的CFD 軟件，本文將采用該軟件模擬渣土-盾構刀盤計算模型中不可壓縮流體的流動．

2.1 土體的本構模型及其參數

改良后的土體具備彈塑性模型性質，屬于非牛頓流體范疇．土的非線性本構模型有2 類：一類是彈塑性模型，另一類是非線性彈性模型．其中，非線性彈性模型常采用增量求解，在增量加載情況下，每一增量步中都用彈性本構關系，考慮了彈性常數隨應力-應變的變化而改變的情況，能夠模擬非線性變形的主要性質，被廣泛用于地下結構等土工問題的有限元分析，在很多情況下可以得到滿意的結果．本文將采用目前應用較多的Drucker-Prager 非線性彈性本構關系來模擬土壤-盾構刀盤的接觸問題．

Fluent 軟件中，Herschel-Bulkley 模型用于計算Bingham 彈塑黏度且與實際改性土的力學參數及屬性最為吻合．Bingham 流體的剪切應力與剪切速率呈線性關系，如圖2 所示，但只有當剪應力大于屈服剪應力時才開始流動．流體在靜止時存在凝膠結構．

Herschel-Bulkley 模型對黏度的定義為

式中：η為塑性黏度；k 為均勻系數(稠度指數)；n 為流態特性系數(冪律指數)；τ0為屈服應力；為剪切速率；μ0為屈服黏度．

圖2 剪切應力與剪切速率關系曲線Fig.2 Shear stress-shear rate curves

2.2 原始數據

本文取天津地鐵某標段的改性土流體性能指標，表1 為改性土流體參數，表2 為改性土力學參數．

取與上述地質參數對應的同一標段地鐵施工中刀盤進行模擬．刀盤直徑為6,300,mm，刀盤厚度為450,mm；刀盤掘進的實際工況為刀盤前面100,mm處切削下來的經過改良后的渣土，將刀盤面板前加厚了300,mm，模型中的刀盤也是由土構成的，將刀盤加厚，其實只是將一部分土體劃到了刀盤上，對計算結果沒有影響，故取刀盤面板前厚度為400,mm；為使流場穩定，螺旋輸送機出口(長度)也加長了 2,000 mm，取排土器長度為4,000,mm；隧道埋深10,m．

表1 改性土流體參數Tab.1 Hydromechanical parameters of modified soil編

號 0τ /MPa η 1 16.06 0.49 2 28.02 0.58 3 38.52 0.62

表2 改性土的力學參數Tab.2 Mechanical parameters of modified soilk n

0τ /MPa 0μ 0.62 1 0.03 8 000

2.3 邊界條件確定

耦合場邊界主要有入口邊界和出口邊界．入口邊界取速度入口邊界：盾構機掘進速度為40,m/d，故入口速度為0.000,5,m/s；出口邊界定義為壓力出口．定義操作壓強為1 個大氣壓，壓力出口相對于操作壓強的表壓為0.1,MPa．

2.4 數值計算結果

圖3(a)和(b)分別為刀盤開口k＝30%時的流場靜壓力分布和流場速度分布．

圖3 流場靜壓力和速度分布(k＝30%)Fig.3 Hydrostatic pressure and velocity

distribution(k＝30%)

2.5 計算結果的試驗驗證

為驗證渣土-盾構刀盤耦合力學模型及分析方法的正確性，本文采集了與理論計算原始參數相一致的天津地鐵施工中某一標段的實際盾構掘進的特征參數值．數據包括：掘進1,000,m 過程中泥土艙內部不同方位的壓力分布值，壓力檢測點為A、B、C 3 點，如圖4 所示．左測點A 和右測點C 位于刀盤中心正上方0.3,m 處，上測點B 位于刀盤中心的正上方2.6,m處．D 點為螺旋輸送機出口位置．

根據實測結果，計算得到A、B、C 3 點的壓力均值及其方差，見表3．

圖4 壓力檢測點分布Fig.4 Distribution of test points for pressure

表3 靜壓力均值及方差Tab.3 Mean and variance of hydrostatic pressure

MPa測 點 試驗壓強值均值 壓強方差值 理論模擬壓強均值左測點A 0.235 2

0.053 6 0.230 1上測點B 0.202 8 0.066 9 0.199 1右測點C 0.226 1

0.053 0 0.230 1

理論模擬結果與實測值的誤差計算如下．

A 點誤差為

B 點誤差為

C 點誤差為

因3 點的誤差值均小于5%的范圍，刀盤前面板的靜止壓力基本與實測的數值相吻合，故認為數值模擬的壓力值合理．

3 刀盤開口率對掌子面壓力的影響

為揭示同一種地質情況下不同開口率的刀盤對掌子面穩定性及盾構的掘進效能的影

響，分6 組不同刀盤開口率(k＝20%、40%、50%、60%、70%和90%)對整個流場進行了數值模擬，部分計算結果見圖5～圖7．

圖5 流場靜壓力和速度分布(k＝20%)Fig.5 Hydrostatic pressure and velocity

distribution(k ＝20%)

圖6 流場靜壓力和速度分布(k＝70%)Fig.6 Hydrostatic pressure and velocity

distribution(k＝70%)

圖7 流場靜壓力和速度分布(k＝90%)Fig.7 Hydrostatic pressure and velocity

distribution((k＝90%)

圖8 刀盤前后壓差與開口率的關系Fig.8 Fore-and-back pressure-aperture

ratio curve

圖9 不同開口率下刀盤靜壓力分布與地應力之間關系Fig.9 Curves of

hydrostatic pressure distribution of cutter head and geological stress at

different aperture ratios

由圖5～圖7 可知，開口率從20%～90%變化過程中，刀盤最前端的支護壓力變化較小，上端壓強值為0.279,MPa，下端為0.166,MPa；隨著刀盤開口率的增大，土體排出的速度相對減慢．這是因為開口率增大后，刀盤面板前后的壓差減小，土體本身的動量減小，速度降低；另一方面，泥土艙內的土體為了提供足夠的支護壓力與刀盤前面的地應力相平衡，排土速度必然要減慢，這與實際是相符的．

由圖5(b)知，當開口率為20%時，雖然泥土艙內土體速度過度平穩，但由于前后壓差大，刀盤本身支護壓力增加，從而使得刀盤刀具的磨損加劇．由圖6和圖7

得知，當開口率大于70%時，泥土艙內土體有下陷趨勢，而且由于這種開口率使得刀盤前后壓差明顯減小，前后通透性增強．

圖8為邊界條件相同、地質狀況相同、不同開口率下，刀盤面板前后壓差與開口率的對應關系．由圖可知，刀盤前后壓差隨著開口率增大而逐漸減小，也就是說刀

盤開口率增大以后，刀盤前后壓力幾乎相等，刀盤所需提供的支護壓力減小．

圖9為地質狀況相同、不同開口率下，盾構刀盤壓力分布與地應力之間關系．開口率在30%和50%時，刀盤的支護壓力與該地質所對應的地應力較為接近，對掌子面支護比較有利．

4 結 論

(1)將切削渣土-盾構刀盤作為一體，構建了包括刀盤前部已經切削下來的渣土、刀盤本體、泥土艙和螺旋輸送機4 部分在內的四聯體計算模型．

(2)應用流體力學方法模擬了刀盤開口為30%時，土艙中渣土靜壓力和流動速度分布，并與工程測試結果對比，驗證了本文所建計算模型的正確性和可行性．

(3)分析了特定地質條件下，不同刀盤開口率對刀盤前后壓差變化的影響．結果表明，刀盤前后壓差隨著開口率的增大而逐漸減小；當開口率增大到90%時，刀盤前后壓力差幾乎相等，前后通透性增強，刀盤所需提供的支護壓力減小．

(4)研究比較了特定地質條件下，刀盤不同開口率時，盾構刀盤壓力分布與地應力之間關系．結果表明，開口率為30%和50%時，刀盤的支護壓力與該地質所對應的地應力較為接近，這種情況下對掌子面支護比較有利．

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