【正文】 大，但速度較慢。粗細粒粒粘粉注:、卵石和圓礫顆粒均呈一定的磨圓形狀(圓形或亞圓形)。塊石、碎石和角礫顆粒都是帶有棱角的。粘粉或稱粘土粉。對于盾構(gòu)施工的地質(zhì)環(huán)境，土體的特性和影響因素有:11’](l)土體抗剪強度及靈敏度各類土體抗剪強度的大小和在各種情況下的變化規(guī)律有很大差別。大多數(shù)粘性土受擾動后，因重塑作用而失去部分抗剪強度和剛度，而砂性土又易在一定動水壓力作用下發(fā)生液化而完全失去抗剪強度。硬粘土及粘土膠結(jié)的粒狀(砂土或砂礫)土具有相當高的抗剪強度，一般可達到10kPa以上，而且在地下水變化，或開挖擾動的情況下，抗剪強度的降低值較小，因此它們是抗剪強度高的穩(wěn)定地層。在有少量粘性的砂土、粉土或細砂土中，當土體不受水壓作用但含有適度水分，處于潮濕狀態(tài)時，可具有一定強度。其一旦受到滲流水壓作用后，抗剪強度即消失，土體流動乃至涌土崩塌。在毫無粘結(jié)性的砂性土或砂礫土中，不論是在地下水位以下或地下水位以上，土體因無內(nèi)聚力易于流動。在擠入性的軟塑至中塑粘土層中，其抗剪強度較高，靈敏度較低，隧道凈空不大。(2)開挖面的土體穩(wěn)定性隧道開挖面的土體穩(wěn)定性決定了盾構(gòu)機的選型以及施工方法，可以通過式2一1得到開挖面土體的穩(wěn)定系數(shù)中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究N=凡(2一l)式中:Pi—隧道施工中采用氣壓或其它加壓方法施加于開挖面的側(cè)向壓力。n—折減系數(shù)(當采用全點滿開挖盾構(gòu)時，n=l。當盾構(gòu)正面部分封閉，可按經(jīng)驗判斷，采用小于1的折減系數(shù))。凡—土體不排水抗剪強度。Pz—開挖面中心處土體垂直壓力，計算方法由式2一2可得幾=Z入(2一2)式中:Z—開挖面中心距地面深度。yv—土體容重。設(shè)隧道直徑為B，則有當z/B之2，N之l十工丑/z6時，則開挖面塌壞。*。、了、Zz/B+1。11二，二古二.。二月乙/刀乏‘，Iv‘一一下尸一一一“，J，男幼/11乙己亡J孔四J創(chuàng)圈萬I、o1+立B/Z6當隧道埋于塑性粘土中，開挖面中心埋深Z與隧道直徑B的比值大于2時，在不同的N值下隧道施工穩(wěn)定情況如表2一3所示。表2一3不同N值開挖面的穩(wěn)定情況N值隧道施工中受到的影響盾構(gòu)開挖面附近土體發(fā)生剪切破壞，土體位移，使盾構(gòu)控制困難，出現(xiàn)盾構(gòu)下沉趨勢盾構(gòu)開挖面前土體剪切破壞，使土體向開挖面移動。粘性土可以很快擠入盾尾空隙。粘性土有一定擠入速度。粘性土的擠入速度比較慢，不致產(chǎn)生問題。由于正面不穩(wěn)定，需要全斷面支撐或用都要加氣壓或泥水考慮用擠平衡裝置的盾入土體作構(gòu)以穩(wěn)定開挖用于隧道面。支護結(jié)構(gòu)隧道施工上的載荷。開挖面沒有特殊困難。7滬6勺崢月口尹O︸勺崢月，1掘進機所使用的破巖滾刀，主要有鑲嵌硬質(zhì)滾刀、齒面滾刀、單刃盤形滾刀、中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究雙(或三)刃盤形滾刀等。目前，使用較多的是盤形滾刀。最先在掘進機上使用盤形滾刀的是美國羅賓斯公司，它與早期的切割刀相比具有破巖效率高、比能耗低和刀具磨損量小的特點。安裝在刀盤上的盤形滾刀在液壓油缸的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸線公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。盤形滾刀在刀盤的推力、扭矩作用下，在掌子面上切出一系列的同心圓溝槽。當推力超過相應(yīng)的硬度時，盤形滾刀刀尖下的巖石直接破碎，刀尖貫入巖石，形成壓碎區(qū)和放射裂紋。進一步加壓，當滾刀間距S滿足一定條件時，相鄰滾刀間巖石內(nèi)裂紋延伸并相互貫通，形成巖石碎片而崩落，盤形滾刀完成一次破巖過程，如圖2一2所示[63}。圖2一3為UDEC軟件中進行滾刀切削仿真得到的巖石裂紋擴展過程。圖2一4為實際盾構(gòu)施工現(xiàn)場得到的滾刀破巖碎片。圖2一2滾刀破巖原理示意圖一“‘一l班4~，乍乍腳勢勢個個個 個甲甲竿 竿圖2一3盤形滾刀切削破巖機理仿真中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析里塑絲墮圖2一3滾刀切削巖石碎片滾刀在切削巖石的過程中，會對巖石施加3個方向的作用力，見圖2一4。垂直力凡，由刀盤的推力提供。水平滾動力凡，由刀盤扭矩提供。滾刀邊緣的側(cè)向力Fs，由滾刀對巖石的擠壓力和刀盤旋轉(zhuǎn)的離心力所產(chǎn)生。有關(guān)盤形滾刀破巖機理，圖2一盤形滾刀受力示意圖國內(nèi)外許多學者進行了大量實驗研究，得出很多寶貴的有價值的結(jié)論，但對于盤形滾刀破巖的物理現(xiàn)象和力學特征，至今尚未研究清楚，科羅拉多礦業(yè)學院預測公式被較為廣泛的運用。在現(xiàn)有的理論中，科羅拉多礦業(yè)孕阮鋇側(cè)公八做權(quán)刀，、。七用。美國科羅拉多礦冶學院通過巖石切割試驗臺測得大量盤形滾刀受力數(shù)據(jù)盤形滾刀首先將下方的巖石壓碎，并假定楔形刃側(cè)對巖石作用力的橫向分量對巖脊(兩相鄰道間距間的巖石)產(chǎn)生剪切破碎加圖2一5所示中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究一一 SSSSS lllllllllllllllllllllllllllll ，‘二砂 砂 sss一 Zhtan旦 旦旦旦旦旦旦旦Zhtan竺’ ’ 2222222一 )))圖2一5滾刀剪切破碎巖石模型(l)垂直推力凡盤形滾刀的垂直推力凡由兩部分組成。一部分是將其下方巖石壓碎的作用力凡，另一部分是將兩相鄰刀間距間的巖石剪掉的作用力凡2。其中，凡，的計算同伊萬斯理論，即盤形滾刀破巖所需要的垂直推力凡與盤形滾刀壓入巖石區(qū)域在巖石表面的投影面積A成正比，其比值為巖石單軸抗壓強度oc?？屏_拉多礦業(yè)學院預測公式與伊萬斯理論不同的是其認為盤形滾刀與巖石的接觸面積為三角形(圖2一6)，則 2tan三2子子子 \\\一一一 一陰影域為杏陰影域為A圖2一6伊萬斯公式用圖A二R功 htan竺=護武1一cos山tan竺2’一’‘2(2一3)則有凡，一A吼一二RZ必(l一cos必)tan答乙(2一4)凡，=2認武s一Zhtan與tan竺2’2(2一5)中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究因此盤形滾刀的垂直作用力凡為:凡=凡，+凡2=A久=吼護必0一cos勿tan:天砂(s一2方tan竺)tan竺(2一6)2’22+a一2將cos卜絲二五，即二萬麗代入并整理:R凡一茄沂「蘭。+2:浮一2，an與tan竺一3“’hZ‘一2(2一7)(2)水平滾動力凡水平滾動力凡由垂直推力凡乘以常數(shù)C來決定，C稱為切割系數(shù)。凡=凡tan刀=凡C(2一8)式中:C=tan刀=(l一eos必)，滬一sin滬eos滬刀具作用在土塊上，會使土塊發(fā)生彈塑性變形，當?shù)毒呱系淖饔昧_到某個臨界值時，或者說當土內(nèi)的應(yīng)力大于土的抗剪切能力時土體將會發(fā)生破壞，土塊沿剪切面從土體中分離出來。刀具作用在土塊上使土塊從土體中分離開，土塊和土體之間產(chǎn)生了剪切面，剪切面的形成就是土的破壞過程。剪切面的大小和形狀決定了刀具的阻力。圖2一7土切削破壞模型在刀具的作用下發(fā)生破壞，過刀尖點沿切削方向的一條直線將被切削土分成兩部分，如圖2一7所示，這兩部分在刀具作用下都會發(fā)生不同形式和不同程度的破壞，但是影響切削阻力的主要因素是線上部分土的破壞，土的破壞有剪切破壞、脆性斷裂和流動破壞幾種不同的形式，如圖2一8中b、。和d所示。圖片是根據(jù)%年和2000年拍攝的照片繪制的165]。其中脆性斷裂主要發(fā)生在脆性材料的切削破碎中，如干土和巖石等。流動破壞是一種復雜的破壞形式，因為在破壞過程中涉及到大變形、不連續(xù)和接觸問題。剪切破壞是最常見的土的破壞形式，由于土的剛度和強度都很小，中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究剪切破壞難免要涉及到大位移和大變形。習未破壞前沖剪切破壞公脆性斷裂d)流動破壞圖2一8土的切削破壞形式切刀的切削原理主要是在盾構(gòu)機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削時，刀具通常做2個方向的運動:一個是沿開挖面的運動，它起分離巖土的作用。另一個是切入開挖面的運動，它改變切屑的厚度，如圖2一9所示[661。圖2一9盾構(gòu)切削刀切削原理圖由圖2一8，各切刀的周向方向運動線速度為K=2”rxn式中rx—各刀具的安裝半徑。n—刀盤轉(zhuǎn)速。軸向運動速度即推進速度為(2一9)中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研塞K=幾n式中爪—刀盤每轉(zhuǎn)的刀具深度。各切刀的切削厚度即切深為尸_蘭(2一10)(2一11)式中m。切深P將不會超過刀盤面板(或輻條)與切削面之間的距離H。由圖2一9所示切削刀運動關(guān)系可知‘__。_Kt以i吼=下廠廠x(2一12)K二2” rxntanox(2一13)各切刀的切深n_Vz_幾=—‘刀刁n竺性竺竺魚=勝tan鳳(2一14)尹刀n腳刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，理想工況是各切刀的切深恒定不變，即Px=C，但實際上做到這一點是很困難的。這是因為刀盤的剛度(取決于刀盤的厚度)和支承剛度(取決于刀盤的支承方式)并非無限大，導致刀盤上各切刀的切深存在差別。而且由于開挖面土體的不均勻性、松散性和崩塌性，也使各切削刀的切深差異很大。盾構(gòu)切刀一般采用楔形刀具，它常用以下幾何參數(shù)來表征，見圖2一10。切削面—刀具切削后產(chǎn)生的平面。前刃面—切削渣土流過的表面。后刃面—新的切削面所對應(yīng)的刀具表面。圖2一10切刀的工況及受力分析切削刀工作角度(如圖2一10所示)為:切削角a、尖劈角(刃角)p，后角5，前角Y，其中切削角a=刀+占，切削角大于9儼時，前角為負值。a+r=90‘。切削角小于900時，前角為正值。刀具切削時，切屑順著刀具前刃面流動，設(shè)切屑前端由于剪切作用而出現(xiàn)破中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究，一一，_一~.一~._~.一:、__一、一，.，、，_，、~一，___1__壞，剪切破裂面與切割面成e夾角，由塑性力學和土力學原理知，夕=會(90一肉，滬為土的內(nèi)摩擦角。取切斷土體作為隔離體，進行力的分析。作用在其上的力有刀具與土體接觸面上的法向力、摩擦力，剪切破裂面上的法向力、摩擦力及粘結(jié)力。因切斷土體較小，且流動速度較慢，此處暫不考慮土體的重力和慣性力。由力的平衡關(guān)系，可得{獄一、sin“+。cos。一(二{稼+、。05。一凡s、。一(二+從凡)sino=0(2一15)+從拭)eoss=O(2一16)聯(lián)立求解，可得N0和從。根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，可得=戈cosa一巧戈sina二C夕A(sins+從eoss)=戈sina+巧戈cosa一警(。Sa一巧3‘一，(2一17)凡月尹。、其中{A_竺蘭竺二巡進竺竺撰旦絲上全蘭魚旦Sina+巧 cosasins+料cosaB=(eosa一巧sina)(sin夕+從eos夕)+(eoso一從sin夕)(sina+巧eos。)(2一18)式中月—切刀沿開挖面方向的分力。凡—切刀垂直開挖面方向的分力。N0—刀刃與土體接觸面上的法向力。叢—刀刃與土體剪切破裂面上的法向力。巧—刀刃與土體接觸面間的摩擦系數(shù)。巧—刀刃與土體剪切破裂面上的摩擦系數(shù)。C—剪切破裂面上土體的粘聚力。S—剪切破裂面的面積。一般來說，切削刃口磨鈍后，由于磨損面對巖土的擠壓作用和磨損面與巖土間的摩擦力，會使切削阻力增加40%~100%。中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究由各切削刀在刀盤上的安裝半徑兀，可求得切削力對刀盤所產(chǎn)生的扭矩和推力分別為T=藝凡乙F=藝Fn，(2一19)(2一20)要使盾構(gòu)掘訓頂利，需要配備足夠的扭矩保證盾構(gòu)推進時刀盤正常轉(zhuǎn)動，同時考慮到功率配備的盈余量，需要對盾構(gòu)的裝備扭矩大小進行確定。目前國際上對盾構(gòu)掘進機刀盤裝備扭矩的設(shè)計主要有兩種方法，日本《隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解釋》給出了這兩種方法[，0l:(1)a系數(shù)法為方便計算，大多采用下式作為扭矩的配備標準:T=aD3(2一21)式中:T—裝備扭矩(咖m)。D—盾構(gòu)直徑(m)。a—扭矩系數(shù).設(shè)備的扭矩系數(shù)。因盾構(gòu)類型、土質(zhì)等而變化，其平均值一般在下列范圍內(nèi):機械化開挖盾構(gòu):a=8一14。土壓平衡式盾構(gòu):a=l小23。泥水加壓式盾構(gòu):a=9一15.采用這種經(jīng)驗公式進行估算時，扭矩系數(shù)a的取值尤為重要。但是建立在以往施工經(jīng)驗基礎(chǔ)上的a具有一定的選擇范圍，選擇依據(jù)較為模糊，無法在事先較為確切地進行選擇。這就造成有時因扭矩系數(shù)取值過小，致使盾構(gòu)機在復雜地層中掘進時刀盤扭矩不足和脫困困難。又或者，有時因扭矩系數(shù)取值過大，造成盾構(gòu)機驅(qū)動裝置的成本和機身質(zhì)量增加，給運輸、安裝帶來不便。(2)理論計算法在理論計算法中，關(guān)鍵是確定刀盤扭矩的影響因素和各扭矩分量的計算方法，將盾構(gòu)施工過程中各種情況都加以全面、系統(tǒng)地考慮分析，并通過數(shù)學、力學方法建立了刀盤扭矩估算的理論模型。由于盾構(gòu)機機型和刀盤結(jié)構(gòu)等情況各不相同，刀盤扭矩的影響因素和計算方法也不盡相同。由于土壓平衡盾構(gòu)在目前的城市地鐵施工中應(yīng)用較多，因此，以面板式土壓平衡盾構(gòu)為例，其裝備扭矩計算如下16腸9]:耳=不+爪+兀+兀+兀+兀+不(2一22)中南大學碩士學位論文盾構(gòu)刀盤負載特性分析及實驗研究式中:幾—刀盤總扭矩。不—刀盤刀具的切削阻力扭矩。?！侗P正面與土體的摩擦阻力扭矩。?！侗P背面與渣土的摩擦阻力扭矩。