土压平衡盾构刀盘开口率与刀盘前后压差的关系

2023年12月31日发(作者：山楂制品)

土压平衡盾构刀盘开口率与刀盘前后压差的关系

刘建琴;郭伟;黄丙庆;杨亚楠;王志勇

【摘 要】盾构刀盘开口率是决定刀盘拓扑结构的关键参数,在刀盘的设计中具有重要的作用.为研究盾构刀盘开口率的设计问题,将切削渣土-盾构刀盘作为一体,构建了包括刀盘前部已经切削下来的渣土、刀盘本体、泥土舱和螺旋输送机4部分在内的四联体计算模型,在此基础上,应用流体力学方法模拟了土体-盾构刀盘系统流场静压力和流场速度分布,并与施工数据比较,验证了模型的正确性.应用该模型,研究了不同开口率对刀盘前后压差变化的影响.研究表明:刀盘前后压差随着开口率增大而逐渐减小,在保持掌子面稳定的情况下,螺旋输送机排土速度也随着开口率增大而逐渐减小.对文中所涉及的地质条件,刀盘开口率在30%和50%时,刀盘的支护压力与该地质所对应的地应力较为接近,对掌子面支护比较有利.%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.

【期刊名称】《天津大学学报》

【年(卷),期】2011(044)008

【总页数】6页(P659-664)

【关键词】盾构;刀盘;开口率;四联体计算模型;流体力学方法

【作 者】刘建琴;郭伟;黄丙庆;杨亚楠;王志勇

【作者单位】天津大学机械工程学院,天津300072;天津大学机械工程学院,天津300072;天津大学机械工程学院,天津300072;天津大学机械工程学院,天津300072;天津大学机械工程学院,天津300072

【正文语种】中 文

【中图分类】U455.43

随着科学与技术的不断发展，人们对空间需求已经从地上逐步发展到地下，开发利用地下空间最主要的工具就是隧道挖掘机和盾构机．其中，土压平衡盾构具有成本相对较低、出土效率高、适用地层范围广等优点，在我国各类隧道施工中得到了广泛的应用，占60%以上[1]．土压平衡式盾构工作时，盾构机由盾构千斤顶向前推进，由刀盘切削下来的泥土充满压力舱和螺旋排土器壳体内的全部空间，并依靠充满的泥土来支护开挖面土层的水和土压力．

盾构刀盘处于泥土舱前部，在刀盘上安装有刀具，用来切削；同时刀盘上有开口，

实现切削渣土排屑；刀盘本身还应具有支护掌子面功能．刀盘设计是盾构掘进机设计的关键，是影响其掘进性能的决定性因素[2]．其中，开口面积与刀盘总面积之比，即开口率是决定刀盘拓扑结构的关键参数，在不同的地质条件和施工要求下有不同的要求．最初的盾构机刀盘开口率较小．日本自1974 年首次使用土压平衡式盾构机以来，盾构机设计制造技术和水平日趋成熟，并逐步采用开口率更大的刀盘．经过调研，日本川崎重工同时为北京和天津地铁所设计的2 台盾构机的刀盘，刀盘设计的因素和盾构机的大体尺寸和寿命相当的情况下，1 台为开口率达90%的辐条式刀盘，另一台则在第1 台的基础上加了8 块面板，将开口率降为50%左右．可见，盾构刀盘开口率在刀盘设计中是一个关键的结构参数．

因此，要实现盾构刀盘的结构优化设计，首先需要研究刀盘开口率的设计问题．文献[3]针对北京地区的砂土地层，依据相似理论和模型试验的原理进行了盾构掘进的模型试验研究，研究表明：刀盘开口率的大小是施工中的一个重要影响参数，在盾构机选型、设计及施工中应给予该参数足够的重视．文献[4]探讨盾构机工作参数与土体的相互关系，研究了刀盘开口率对刀盘扭矩的影响规律，但是该研究没有涉及刀盘开口对施工的影响以及对地质的适应性问题．也有学者采用模型试验[5-6]和现场施工的方法[7]对刀盘设计参数的适应性进行研究．然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果．

土压平衡盾构机的掘进过程中，需要根据地质状况的不同进行土体的改良，改良后的土体经刀盘开口流入泥土舱然后从螺旋输送机排出，因此整个掘进过程中，刀盘、泥土舱、排土器内的土体是一种黏弹性的塑性流体[8]．基于此，本文构建了包括渣土、刀盘本体、土压仓和螺旋输送机在内的四联体计算模型，应用流体力学方法模拟了土体-盾构刀盘系统流场静压力和流场速度分布，并研究了不同开口率对刀盘前后压差变化的影响，比较了不同开口率下刀盘的压力分布，并与地质所对应的

地应力进行了比较，从支护稳定的角度，研究了刀盘开口与支护稳定的关系．

1 四联体计算模型

针对变化的地质条件，将切削渣土及其在掘进过程相互作用的盾构结构作为整体进行研究，构建渣土-盾构刀盘四联体计算模型，形成开口率设计分析的综合因素作用环境，如图1 所示．

图1 渣土-盾构刀盘计算模型Fig.1 Computing model of soil dregs and cutter

head conjoined

1.1 四联体模型中的渣土流动特征

土压平衡式盾构泥土舱内充满开挖泥土，其理想状态为 “塑性流动状态”．从土力学的角度分析，这种状态应包括4 个方面的含义：土体不易固结排水；土体具有较高的含水率，较低的强度；土体具有较低的内摩擦角；土体具有较低的透水率．在实际工程中，通过土体改良技术的应用使土体达到基本要求，适应于土压平衡式盾构的施工和掌子面压力控制．

1.2 刀盘本体特征抽取

盾构刀盘上安装有多种切削刀具；为了便于渣土排泄，刀盘前面板的开口度略小于刀盘后面板，形成10°左右楔形角；为了更好地对刀盘刀具切下的渣土进行改良，刀盘面板上装有泡沫注入口．为研究刀盘开口率对地质的适应性，在四联体模型中，将刀具、开口的楔形角和泡沫口省略，只保留了刀盘的开口及刀座安装孔．

1.3 泥土舱的土体特征

盾构机开挖时在刀盘的切削和搅拌作用下，体积膨胀，进入并充满泥土舱．由于不同地层的土体性质差别很大，通过刀盘进入到泥土舱内土体的状态也就有很大的不同．该模型中假定泥土舱中的土体具有和盾构刀盘前面的土体一致的性质，即为“塑性流动状态”．

1.4 螺旋输送机影响因素

通过螺旋输送机实现对切削渣土输出，螺旋输送机具有长度参数和渣土排出速度参数．

本文将应用渣土-盾构刀盘四联体计算模型，分析特定地质、特定掘进速度时，不同开口率对渣土流动特性以及刀盘前后压差变化的影响．

2 开口率研究的分析方法

目前，用于土体变形的分析研究主要有有限元法、人工智能、离散元法和基于计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的分析方法．但是把土体看作流塑状态时目前主要应用离散元法和基于CFD 的流体力学分析法．本文研究的渣土，其运动速度很低，且颗粒之间存在黏聚力，基本不适合采用离散元法加以研究，故采用基于CFD的流体力学分析法．Fluent 是通用的CFD 软件，本文将采用该软件模拟渣土-盾构刀盘计算模型中不可压缩流体的流动．

2.1 土体的本构模型及其参数

改良后的土体具备弹塑性模型性质，属于非牛顿流体范畴．土的非线性本构模型有2 类：一类是弹塑性模型，另一类是非线性弹性模型．其中，非线性弹性模型常采用增量求解，在增量加载情况下，每一增量步中都用弹性本构关系，考虑了弹性常数随应力-应变的变化而改变的情况，能够模拟非线性变形的主要性质，被广泛用于地下结构等土工问题的有限元分析，在很多情况下可以得到满意的结果．本文将采用目前应用较多的Drucker-Prager 非线性弹性本构关系来模拟土壤-盾构刀盘的接触问题．

Fluent 软件中，Herschel-Bulkley 模型用于计算Bingham 弹塑黏度且与实际改性土的力学参数及属性最为吻合．Bingham 流体的剪切应力与剪切速率呈线性关系，如图2 所示，但只有当剪应力大于屈服剪应力时才开始流动．流体在静止时存在凝胶结构．

Herschel-Bulkley 模型对黏度的定义为

式中：η为塑性黏度；k 为均匀系数(稠度指数)；n 为流态特性系数(幂律指数)；τ0为屈服应力；为剪切速率；μ0为屈服黏度．

图2 剪切应力与剪切速率关系曲线Fig.2 Shear stress-shear rate curves

2.2 原始数据

本文取天津地铁某标段的改性土流体性能指标，表1 为改性土流体参数，表2 为改性土力学参数．

取与上述地质参数对应的同一标段地铁施工中刀盘进行模拟．刀盘直径为6,300,mm，刀盘厚度为450,mm；刀盘掘进的实际工况为刀盘前面100,mm处切削下来的经过改良后的渣土，将刀盘面板前加厚了300,mm，模型中的刀盘也是由土构成的，将刀盘加厚，其实只是将一部分土体划到了刀盘上，对计算结果没有影响，故取刀盘面板前厚度为400,mm；为使流场稳定，螺旋输送机出口(长度)也加长了 2,000 mm，取排土器长度为4,000,mm；隧道埋深10,m．

表1 改性土流体参数Tab.1 Hydromechanical parameters of modified soil编

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

表2 改性土的力学参数Tab.2 Mechanical parameters of modified soilk n

0τ /MPa 0μ 0.62 1 0.03 8 000

2.3 边界条件确定

耦合场边界主要有入口边界和出口边界．入口边界取速度入口边界：盾构机掘进速度为40,m/d，故入口速度为0.000,5,m/s；出口边界定义为压力出口．定义操作压强为1 个大气压，压力出口相对于操作压强的表压为0.1,MPa．

2.4 数值计算结果

图3(a)和(b)分别为刀盘开口k＝30%时的流场静压力分布和流场速度分布．

图3 流场静压力和速度分布(k＝30%)Fig.3 Hydrostatic pressure and velocity

distribution(k＝30%)

2.5 计算结果的试验验证

为验证渣土-盾构刀盘耦合力学模型及分析方法的正确性，本文采集了与理论计算原始参数相一致的天津地铁施工中某一标段的实际盾构掘进的特征参数值．数据包括：掘进1,000,m 过程中泥土舱内部不同方位的压力分布值，压力检测点为A、B、C 3 点，如图4 所示．左测点A 和右测点C 位于刀盘中心正上方0.3,m 处，上测点B 位于刀盘中心的正上方2.6,m处．D 点为螺旋输送机出口位置．

根据实测结果，计算得到A、B、C 3 点的压力均值及其方差，见表3．

图4 压力检测点分布Fig.4 Distribution of test points for pressure

表3 静压力均值及方差Tab.3 Mean and variance of hydrostatic pressure

MPa测 点 试验压强值均值 压强方差值 理论模拟压强均值左测点A 0.235 2

0.053 6 0.230 1上测点B 0.202 8 0.066 9 0.199 1右测点C 0.226 1

0.053 0 0.230 1

理论模拟结果与实测值的误差计算如下．

A 点误差为

B 点误差为

C 点误差为

因3 点的误差值均小于5%的范围，刀盘前面板的静止压力基本与实测的数值相吻合，故认为数值模拟的压力值合理．

3 刀盘开口率对掌子面压力的影响

为揭示同一种地质情况下不同开口率的刀盘对掌子面稳定性及盾构的掘进效能的影

响，分6 组不同刀盘开口率(k＝20%、40%、50%、60%、70%和90%)对整个流场进行了数值模拟，部分计算结果见图5～图7．

图5 流场静压力和速度分布(k＝20%)Fig.5 Hydrostatic pressure and velocity

distribution(k ＝20%)

图6 流场静压力和速度分布(k＝70%)Fig.6 Hydrostatic pressure and velocity

distribution(k＝70%)

图7 流场静压力和速度分布(k＝90%)Fig.7 Hydrostatic pressure and velocity

distribution((k＝90%)

图8 刀盘前后压差与开口率的关系Fig.8 Fore-and-back pressure-aperture

ratio curve

图9 不同开口率下刀盘静压力分布与地应力之间关系Fig.9 Curves of

hydrostatic pressure distribution of cutter head and geological stress at

different aperture ratios

由图5～图7 可知，开口率从20%～90%变化过程中，刀盘最前端的支护压力变化较小，上端压强值为0.279,MPa，下端为0.166,MPa；随着刀盘开口率的增大，土体排出的速度相对减慢．这是因为开口率增大后，刀盘面板前后的压差减小，土体本身的动量减小，速度降低；另一方面，泥土舱内的土体为了提供足够的支护压力与刀盘前面的地应力相平衡，排土速度必然要减慢，这与实际是相符的．

由图5(b)知，当开口率为20%时，虽然泥土舱内土体速度过度平稳，但由于前后压差大，刀盘本身支护压力增加，从而使得刀盘刀具的磨损加剧．由图6和图7

得知，当开口率大于70%时，泥土舱内土体有下陷趋势，而且由于这种开口率使得刀盘前后压差明显减小，前后通透性增强．

图8为边界条件相同、地质状况相同、不同开口率下，刀盘面板前后压差与开口率的对应关系．由图可知，刀盘前后压差随着开口率增大而逐渐减小，也就是说刀

盘开口率增大以后，刀盘前后压力几乎相等，刀盘所需提供的支护压力减小．

图9为地质状况相同、不同开口率下，盾构刀盘压力分布与地应力之间关系．开口率在30%和50%时，刀盘的支护压力与该地质所对应的地应力较为接近，对掌子面支护比较有利．

4 结 论

(1)将切削渣土-盾构刀盘作为一体，构建了包括刀盘前部已经切削下来的渣土、刀盘本体、泥土舱和螺旋输送机4 部分在内的四联体计算模型．

(2)应用流体力学方法模拟了刀盘开口为30%时，土舱中渣土静压力和流动速度分布，并与工程测试结果对比，验证了本文所建计算模型的正确性和可行性．

(3)分析了特定地质条件下，不同刀盘开口率对刀盘前后压差变化的影响．结果表明，刀盘前后压差随着开口率的增大而逐渐减小；当开口率增大到90%时，刀盘前后压力差几乎相等，前后通透性增强，刀盘所需提供的支护压力减小．

(4)研究比较了特定地质条件下，刀盘不同开口率时，盾构刀盘压力分布与地应力之间关系．结果表明，开口率为30%和50%时，刀盘的支护压力与该地质所对应的地应力较为接近，这种情况下对掌子面支护比较有利．

【相关文献】

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