孟曉寧 高丙歡 劉國(guó)威

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)、電、液、光、傳感、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、信息技術(shù)于一體的專用于隧道建設(shè)的工程機(jī)械，具有開挖切削土體、改良與輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能[1]，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，被公認(rèn)為衡量一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)水平和能力高低的重大關(guān)鍵裝備。

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)因其對(duì)地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性而得到廣泛應(yīng)用。土壓平衡盾構(gòu)的工作原理如下：刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進(jìn)入土倉，泥土落到土倉底部后，通過螺旋輸送機(jī)運(yùn)到皮帶機(jī)上，然后輸送到停在軌道上的渣車上；盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)油缸的推力作用下向前推進(jìn)；盾殼對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧道起臨時(shí)支護(hù)作用，承受周圍土層的土壓、承受地下水的水壓，并將地下水擋在盾殼外面；在盾殼的掩護(hù)下，管片拼裝機(jī)拼裝一次襯砌、注漿系統(tǒng)注入二次襯砌以實(shí)現(xiàn)隧道的成形。復(fù)合盾構(gòu)的刀盤上既安裝切刀和刮刀等軟土刀具，又安裝滾刀等硬巖刀具，可用于既有軟土又有硬巖的復(fù)雜地層施工[2]。

盾構(gòu)功能的完善決定了其結(jié)構(gòu)和技術(shù)的復(fù)雜，設(shè)計(jì)出與地質(zhì)條件相適應(yīng)的盾構(gòu)設(shè)備是隧道成功施工的關(guān)鍵，同時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)正常施工的首要條件，因此，推進(jìn)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算與選型尤為重要。

1 計(jì)算初始條件

1.1 XRE6650e設(shè)計(jì)參數(shù)

XRE6650e是公司為服務(wù)軌道交通自主研發(fā)的主動(dòng)鉸接、電力驅(qū)動(dòng)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，該設(shè)備采用面板復(fù)合式刀盤，可適應(yīng)復(fù)雜的施工地質(zhì)條件；鉸接形式采用主動(dòng)鉸接，可實(shí)現(xiàn)任意彎曲角度和多方式的方向控制；采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可在0～120Hz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化效率更高。設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：開挖直徑DK=Φ6680mm；盾構(gòu)外徑D=Φ6630mm；盾構(gòu)主機(jī)重量GZ=275t；盾尾臺(tái)車的重量Gh=200t；適用管片規(guī)格為外徑Φ6400、內(nèi)徑Φ5800、寬度1200/1500mm。

1.2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)工作過程的力學(xué)參數(shù)計(jì)算受地質(zhì)因素、土層改良方法、掘進(jìn)參數(shù)等一系列因素影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，本文按水土不分離的條件計(jì)算，參照山東省各地區(qū)地質(zhì)條件。主要地質(zhì)參數(shù)選取如下：水平側(cè)壓力系數(shù)λ=0.47；上覆土體厚度h=20m；土的容重γ=1.94t/m3；地面上置荷載P0=2t/m2；土的粘結(jié)力Ct=4t/m2；土的內(nèi)摩擦角θ=5°。

對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)所受的壓力主要有以下5項(xiàng)：盾構(gòu)機(jī)拱頂處的均布圍巖豎向壓力Pe；盾構(gòu)機(jī)拱頂處的側(cè)向水土壓力P1；盾構(gòu)機(jī)底部的均布?jí)毫2；盾構(gòu)機(jī)底部的側(cè)向水壓力P3；盾構(gòu)機(jī)的水平土壓力Pd。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，有：

帶入?yún)?shù)計(jì)算后，得：Pe=40.8t/m2；P1=19.18t/m2；P2=45.3t/m2；P3=25.22t/m2；Pd=21.26t/m2。

2 推進(jìn)系統(tǒng)計(jì)算

2.1 盾構(gòu)推力計(jì)算

盾構(gòu)的推力[3]主要由以下五部分組成：

式中，F(xiàn)1為盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤上的水平推力引起的推力；F3為刀具切入巖土所需要的推力；F4為盾尾與管片之間的摩擦阻力；F5為后方臺(tái)車的阻力。

（1）盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力

(3-2)式中，為土與鋼之間的摩擦系數(shù)，取值為0.3，F(xiàn)1=1/4(40.8+45.3+19.18+25.22)×6.63×9.218×0.3×3.14=1878.24t。

（2）刀盤上的水平推力引起的推力

F2=3.14/4×(6.632×21.26)=733.6t

(3-3)（3）刀具切入巖土所需要的推力

式中，nc為盾尾內(nèi)管片的環(huán)數(shù)，取2（計(jì)算時(shí)假定有兩環(huán)管片的重量作用在盾尾內(nèi)）；Wc為一環(huán)管片的重量（管片容重為2.5t/m2，管片寬度取1.2m，管片外徑D0為6.4m，管片內(nèi)徑d為5.8m）；μc為盾尾刷與管片的摩擦系數(shù)，μc=0.3。

式中：μh為后配套拖車與運(yùn)行軌道間的摩擦系數(shù)0.05，F(xiàn)5=200×0.05=10t。

盾構(gòu)推力必須留有足夠的余量，一般的，取Ft=1.5F=4140t≈ 40572kN。

3.2 推進(jìn)油缸的配置和選型

推進(jìn)油缸的選型和配置由盾構(gòu)的操作性、管片組裝施工方便性等確定，根據(jù)盾構(gòu)各管片分布方位和受力點(diǎn)布置各油缸的最佳位置[4]。推進(jìn)油缸選型、布置時(shí)，必須滿足下列要求[5]：推進(jìn)系統(tǒng)不僅要考慮滿足盾構(gòu)設(shè)備在掘進(jìn)中推力的需要，同時(shí)還要根據(jù)管片拼裝的要求進(jìn)行配置；推進(jìn)油缸的推力和數(shù)量應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)外徑、總推力、管片結(jié)構(gòu)等因素確定；推進(jìn)油缸應(yīng)選用重量輕、耐久性好、結(jié)構(gòu)緊湊的油缸，一般選用高壓油缸；推進(jìn)油缸一般等間距配置在殼板內(nèi)側(cè)附近，位置的確定要兼顧管片強(qiáng)度；推進(jìn)油缸配置時(shí)，應(yīng)使推進(jìn)油缸軸線平行于盾構(gòu)軸線。

3.2.1 推進(jìn)油缸的配置

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，由于推進(jìn)油缸直接作用于管片上，因此，推進(jìn)油缸的布置主要考慮管片的結(jié)構(gòu)形式、分布方位、受力點(diǎn)布置、管片組裝施工方便性等方面的因素。為使管片在徑向受力均衡，設(shè)計(jì)將油缸沿盾體周向成圓形均勻布置，油缸的推力中心分布在管片的中心圓φ6100mm上（管片外徑φ6400mm，內(nèi)徑φ5800mm）。

襯砌設(shè)計(jì)為5+1的形式，即5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，1個(gè)封頂塊，標(biāo)準(zhǔn)塊的角度為67.5°，封頂塊的角度為22.5°。為保證無論管片如何錯(cuò)動(dòng)，每塊管片所受推進(jìn)力總是相等，并且在整個(gè)襯砌環(huán)上受力均勻，確保管片的貼合均勻密實(shí)，要求油缸環(huán)向布置的間距角度與管片錯(cuò)動(dòng)角相對(duì)應(yīng)，保證油缸合力作用在每塊管片的中心上。因此，推進(jìn)油缸設(shè)計(jì)為均布16組（每組中心間距為22.5°），并采用單缸、雙缸（共計(jì)22根油缸，4+6+6+6）交替布置的配置方式，如圖1所示。

3.2.2 推進(jìn)油缸選型

由3.2.1可知，推進(jìn)油缸個(gè)數(shù)nt=22，則：

推進(jìn)油缸的推力F0=Ft/nt=40572/22=1844.18kN。

式中，Pt為液壓系統(tǒng)工作壓力，設(shè)計(jì)為35MPa；Dt為推進(jìn)油缸的內(nèi)徑（缸徑）。

計(jì)算得，Dt=259mm，取整有Dt=260mm。

設(shè)計(jì)油缸壁厚為30mm，則推進(jìn)油缸的最大外徑為320mm；桿徑dt=0.8Dt=208mm，取整后選型為220mm。

另外，推進(jìn)油缸的安裝不能和中盾鉸接部分發(fā)生干涉，根據(jù)盾構(gòu)外徑φ6630mm，設(shè)計(jì)中盾鉸接環(huán)的內(nèi)徑為φ6425mm，再考慮安裝間隙30mm，則推進(jìn)油缸布置外界線不能超過φ6365mm。由前述分析，油缸的推力中心分布在管片的中心圓φ6100mm上，最大外徑為320mm，此時(shí)推進(jìn)油缸布置外界線為φ6420mm＞φ6365mm，無安裝空間。因此，將推進(jìn)油缸做偏心設(shè)計(jì)，使球頭部分與缸體部分偏心35mm，此時(shí)，球頭部分的推力中心分布在管片的中心圓φ6100mm上，缸體部分的推力中心分布在φ6030mm上，符合設(shè)計(jì)需求。

圖1 XRE6650e復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸布置圖

推進(jìn)油缸行程為管片寬度Ls、封頂塊搭接懸出長(zhǎng)度Lx、預(yù)留間隙a之和，即，

其中，Lx=Ls×(1-4/5)=1200×1/5=240mm；a為滿足盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)行程差及安裝管片空間需要而預(yù)留的間隙，取660mm；則St=Ls+Lx+a=1200+240+660=2100mm。

綜上：推進(jìn)油缸選型為φ260/φ220×2100，工作壓力35MPa，最大推力1850kN。

4 結(jié)語

本文以自主研發(fā)的XRE6650e復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例，運(yùn)用理論公式、經(jīng)驗(yàn)方法和地質(zhì)條件等介紹了盾構(gòu)推力的組成和計(jì)算方法；根據(jù)盾構(gòu)推力的計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了推進(jìn)油缸的配置形式，完成了推進(jìn)油缸主參數(shù)的選型計(jì)算，對(duì)以后盾構(gòu)的開發(fā)、改造及施工選型起到積極的作用。