建筑技术 | 砂卵石地层盾构刀盘扭矩计算方法及其影响因素研究

1 砂卵石地层土压平衡式盾构施工难点

南京市某项目部盾构区间，区间隧道穿越地层为无水卵石地层，总结左线盾构初始掘进（1~58环）施工过程中遇到的施工难点如下。

（1）卵石粒径偏大。经施工现场统计，在盾构始发掘进的0~10环内，发现多处大粒径卵石，卵石外形多为长圆形，其中尺寸为670 mm以上的5处，尺寸为550 mm以上的22处，尺寸为420 mm以上的39处；粒径大于20 mm颗粒物含量约为90 %，粒径级配图如图1所示。

图1 区间0~10环内粒径级配图

（2）若在盾构掘进过程中，土体改良效果欠佳，土体无法完全改良成流塑状态，则很难建立土压平衡，导致出土量及超挖现象难以控制，开挖面难从保持稳定；并且有时会出现上、中部土压力大于下部土压力的异常情况。

（3）无法有效控制地面沉降，并出现地面塌方。开挖面的稳定性难移保持，导致地表隆沉幅度增大，在两次开舱后均出现局部塌方现象，每次塌方量约20~30 m³；施工现场通过在地面铺设钢板，并从地表打孔向隧道上方土体注浆方式，来避免和减小地表的沉降。

（4）掘进速度缓慢。

（5）刀盘卡死、再次启动困难。在盾构掘进过程中，刀盘前方常遇见大粒径漂石，导致刀盘卡死无法转动；并且在盾构停机（管片拼装或接轨道、水管时）后，刀盘再次启动困难。

（6）鉴于砂卵石地层的土体特性，虽采取了向刀盘前方和土舱内注入泡沫和泥浆进行改良，并试验过多种土体改良剂，但掘进过程中仍出现盾构刀盘扭矩过大，超出刀盘扭矩额定值致盾构停机保护、频繁跳闸现象发生，具体调停扭矩值见表1。

表1 调停扭矩值

（7）舱内土体被挤压密实且卵石大量堆积。土体改良效果欠佳且螺旋输送机扭矩过大导致频繁停机保护、出土困难，最终使得前方土体挤压密实，造成盾构刀盘完全不能转动。

（8）刀盘/刀具/螺旋输送机磨损严重。由于砂卵石颗粒间的摩擦阻力大，加之砂卵石化学成分中石英含量较高，而过多的石英必然会带来盾构刀盘、刀具和螺旋输送机的超量磨损。

（9）施工进度缓慢。通常刀盘卡死无法再次启动时，只能通过开舱取石、检修的方法再次恢复推进；刀盘/刀具磨损严重时需进行刀盘/刀具检修，最终导致施工总体进度非常缓慢，见表2。

表2 施工进度

2 盾构刀盘扭矩计算方法

盾构选型过程中，刀盘驱动扭矩等主要技术参数的计算非常重要，以便设计出与地质条件相适应的盾构。而盾构工作过程的力学参数计算是一个非常复杂的问题，受地质因素、土层改良方法、掘进参数设定调整等一系列因素的影响，在计算的方法上存在很多的不确定因素。遵从安全、可靠、经济、合理等盾构设备选型原则，依据地层状况、地面环境、经济与工期要求等条件，该区间左右线采用的是面板式土压平衡式盾构，如图2所示。

图2 地铁某盾构区间刀盘构造

盾构机的参数，统计情况分别见表3、表4。

表3 盾构设备基本情况介绍

表4 盾构刀盘扭矩计算参数

3 影响因素分析

当采用全覆土重理论计算垂直土压力时，刀盘扭矩计算值为实际扭矩平均值的1.06倍，此外，刀盘扭矩计算值（7 363.824 kN.m）为原土压平衡式盾构设备最大扭矩值（5 300 kN.m）的1.39倍，可见引起施工难点的主要原因之一的是区间设备的刀盘扭矩值配备不足，如图3所示。

图3 区间2~10环盾构刀盘扭矩实测值

3.1 地质条件对刀盘扭矩的影响

采用全覆土重理论计算垂直土压力时，隧道埋深对刀盘扭矩值的影响很大，为其不可忽略的影响因素。不同埋深下的刀盘扭矩值见表5。

表5 不同埋深下的刀盘扭矩值

与同样参数的盾构机在粘土地层的推进参数相比较，相对在十号线二期中，盾构隧道穿越地层为砂卵石地层，如图4所示，砂卵石地层中的刀盘扭矩值偏大，粘土中的刀盘扭矩值较小。

图4 宁和二标与十号线二期中刀盘扭矩实测值对比

3.2 刀盘结构形式和结构参数的影响

刀具作为盾构设备直接切削土体的工具，其在刀盘上的数量、分布形式以及种类、结构形式等都会对刀盘扭矩产生一定的影响。不同开口率下的刀盘扭矩值见表6，可以两区间实测刀盘扭矩值对比为例，区间一隧道覆土为12 m，刀盘开口率为36 %，区间二隧道覆土为18 m，刀盘开口率为32 %，扭矩实测值对比如图5所示。

表6 不同开口率下的刀盘扭矩值（土体进行改良后）

图5 区间一与区间二中刀盘扭矩实测值

4 结束语

本研究中，刀盘与土层间的摩擦是影响刀盘扭矩构成的主要因素；当土体未进行改良时，其内摩擦角较大，导致渣土的抗剪强度较大，故由刀盘开口处剪切渣土及刀盘土舱内搅拌渣土所产生的阻力扭矩值所占比值同样较大。分析了砂卵石地层土压平衡式盾构施工难点，通过区间土体改良情况得出其对刀盘扭矩的影响范围，为盾构施工给出合理性的意见与建议。