盾构刀盘泥饼形成机理的理论研究

欧阳凯，张家年，张世伟，张华刚 OU YANG Kai， ZHANG Jia-nian， ZHANG Shi-wei， ZHANG Hua-gang

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

盾构法施工对地面、地下环境影响小，施工效率高，地表沉降小，目前已经成为国家隧道建设最主要的一种施工手段。本文针对盾构刀盘结泥饼这一掘进难题，将渣土进行理论假设并建立受力模型，从根本上理解盾构刀盘结泥饼的产生原因，从而根据不同的地质情况做出正确的盾构选型和刀盘结构形式，从而提高盾构的掘进效率。

1 渣土理论研究和分析计算

首先我们对盾构刀盘前方渣土进行均质的假设，假设渣土由无数个小六方单元体组成，渣土的理论研究模型为正六方体单元。

图1 渣块六面体单元受力模型示意图

我们将盾构刀盘的开挖断面分为4个象限，如图1所示，图中标识出六面单元体受到的力学模型，每个渣土单元同时受到自身的重力G和由于水土压力而产生的渣土和刀盘面板之间的摩擦力F摩。我们假设刀盘逆时针方向旋转（顺时针计算结果相同），如果我们假设渣土单元体随着刀盘一起运动，即两者之间没有发生相对运动，那么其向心力F向就等于重力G和摩擦力F摩的合力。分别通过渣土六面体模型在4个象限的受力平衡计算，我们可以得到单元体在4个象限的F摩求解表达方程式，结果如下所示（其中θ表示为单元体和圆心的连线和开挖断面0°线的夹角）。

其中，F向=(mv2)/R=mRω2。

同时，从另一个角度分析，在特定地层的水土压力下，我们所假设的渣土六面体单元受到的最大静摩擦力可由下面公式求得

其中，f为刀盘面可以提供的最大静摩擦力，µ为渣土和钢板的摩擦系数，P为土仓内压强，s为六方体的某一侧面面积。

2 图像拟合结果及分析

为了便于我们对理论模型的计算模拟，我们提前设定一些参数变量，参考一些常规的地质项目信息和设备情况，假设每个六方单元体为1cm3，工作水土压力为3bar，刀盘转速设定为3rpm，渣土单元体所在轨迹半径为3m。通过matlab软件我们将渣土六面体单元可以随刀盘转动而不发生相对运动4个象限分别所需要的摩擦力拟合出来，如下图2所示，为了更好地看出来其在整个断面需要的摩擦力变化趋势，我们将4个象限拟合为一个整体，如图3所示。可以看出，渣土单元体与刀盘盘面保持相对静止所需要的摩擦力在一个2π周期内呈现一个类似三角函数曲线变化。

图2 拟合图像1

图3 拟合图像2

然而从另一个角度，刀盘盘面可以提供渣土六面体单元的最大静摩擦力图像曲线是一条常数曲线，我们以粘土为例，粘土和钢板的摩擦系数取µ=0.2，我们将渣土六面体的最大静摩擦力和随刀盘盘面向心运动所需的摩擦力同时拟合在一张图像上，如图4所示，可以看到其最大静摩擦力曲线完全在随刀盘盘面向心运动所需的摩擦力曲线之上，也就是在该设定的水土压力和刀盘掘进参数下，渣土会随着刀盘盘面一起向心运动，保持相对静止，在如图5中所示区域，随着刀盘的持续向前掘进，和刀盘面板相对静止的渣土就会被逐渐被压实，这也是刀盘前方产生泥饼的根本原因所在。

图4 对比拟合图像

图5 刀盘前方易结泥饼的区域

图6 改善图像1

为了要改善刀盘前方结泥饼情况，必须从根本上改变图4所示曲线关系。图6所示是改善后的曲线关系，在隧道顶部区域，渣块随着刀盘盘面向心运动，在隧道中下部区域，渣块和刀盘盘面发生相对运动，不易结泥饼。图7所示是最理想状况，整个隧道断面范围内，渣块都会和刀盘盘面发生相对运动，不利于刀盘盘面泥饼的形成。

图7 改善图像2

通过以上曲线拟合过程我们可以知道影响刀盘结泥饼共有4个影响因子，分别是水土压力值P、渣土摩擦系数µ、渣土单元体所在轨迹半径R、刀盘转速n。采用单一变量分析方法，我们对以上4个影响因子分别进行多个取值，并进行曲线拟合，得到结果如下。

1）水土压力P值越大，曲线拟合结果越趋向于图4所示，P值越小，越倾向于图7所示。

2）渣土摩擦系数μ值越大，曲线拟合结果越趋向于图4所示，μ值越小，越倾向于图7所示。

3）渣土单元体所在轨迹半径R值越大，曲线拟合结果越趋向于图7所示，R值越小，越倾向于图4所示。

4）刀盘转速n值越大，曲线拟合结果越趋向于图7所示，n值越小，越倾向于图4所示。

通过以上的分析，在刀盘正面上半部分区域渣土更倾向于和刀盘盘面相对静止，也就是更易结泥饼；相反，在刀盘面板的背部，土仓底部渣土和刀盘背部面板更容易发生相对运动，也就是说在土仓底部渣土和前盾隔板更倾向于保持相对静止，同时由于螺旋输送机的作用，土仓底部中心区域会形成一个负压，这样土仓底部渣土会形成一个“拱形”，也就是土仓前盾隔板在4点和8点钟位置更易结泥饼，如果渣土改良不好，会影响螺旋输送机排渣效果。

如何达到如图6、7所示的曲线效果，主要有3种解决方案：①减小土仓（泥水仓）的压力P；②第二减小渣土的摩擦系数µ，也就是加强土仓内的渣土改良；③增加刀盘转速n。

3 结 语

1）水土压力较高的隧道区间，优先考虑选用泥水平衡盾构，同样较高水土压力情况下，泥水盾构的渣土流动性更好，也就是其渣土（泥浆状态）本身的摩擦系数µ较低，刀盘不易结泥饼。

2）土压平衡盾构掘进过程中土仓实际建压在1bar左右，过高的建压会导致刀盘易结泥饼。

3）TBM刀盘虽然开口率很小，但由于地质条件较好，刀盘一般处于常压状态下掘进，水土压力近似等于0，另外，刀盘转速较常规盾构高1倍左右，所以几乎不存在结泥饼的情况。

4）刀盘越靠近中心越容易结泥饼，半径越小，渣块向心运动所需的摩擦力越小。

5）在满足既定要求的情况下，开口率越大，渣土和刀盘盘面一起向心运动的几率减小，结泥饼的几率就减小。