盾构刀盘扭矩估算的理论模型

构刀盘扭矩估算的理论模型

为给盾构选型、设计提供理论参考， 通过对刀盘扭矩构成因素的全面分析， 建立了刀盘扭矩估算的理论模型， 导出了各扭矩分量的计算公式， 并通过实例验证了模型的正确性。研究结果表明， 刀盘背面的摩阻力扭矩和刀盘开口内土体的剪切阻力扭矩是不能忽略的因素。

盾构刀盘的结构尺寸和刀盘扭矩是设计、制造盾构机的关键参数 。目前， 刀盘扭矩一般是参考经验公式估算 ［ 1， 2］ ，有时因扭矩系数取值过小， 致使盾构机在复杂地层中掘进时刀盘扭矩不足和引起脱困困难 ; 相反， 有时因扭矩系数取值过大 ，造成盾构机驱动装置的成本和机身质量增大， 并给运输 、安装带来不便 。 所以， 对影响刀盘扭矩的因素进行定量研究，准确估算刀盘扭矩，已成为近年来盾构机设计 、制造和使用的重点前沿研究课题。 刀盘扭矩计算的关键是确定刀盘扭矩的影响因素和各扭矩分量的计算。文献［ 3］提出了估算闭式盾构装备扭矩的方法，研究了刀盘扭矩的构成和估算公式 ;文献 ［ 4， 5］ 也对刀盘扭矩的影响因素进行了研究 ，取得了一定进展。然而 ，关于刀盘扭矩还存在一些有待深入研究、解决的问题 ，如对刀盘扭矩的影响因素考虑尚不全面 ;计算公式多为简化的估算公式，缺少严密、明晰的推导过程 ;刀盘的结构参数 （开口率）、土的性质（粘性土 ，砂土）、隧道埋深等参数对刀盘扭矩的影响没有体现在计算模型中 。鉴于此， 本文中对刀盘扭矩进行了全面 、系统地分析，综合考虑各种因素对刀盘扭矩的影响，并利用数学 、力学方法建立了刀盘扭矩估算的理论模型。

盾构刀盘扭矩的构成盾构机机型 （土压式和泥水式）不同， 刀盘的结构形式 （面板式和辐条式 ）不同 ，刀盘扭矩的影响因素和计算方法也不尽相同。由于土压平衡盾构在目前城市地铁施工中应用较多 ，因此 ，重点以面板式土压平衡盾构为研究对象。

土压平衡式盾构机在掘进过程中， 作用于刀盘上的载荷主要有：刀盘正面的土压力 、刀盘侧面的土压力以及泥土仓内的渣土压力 ， 如图 1所示。由于刀盘的旋转运动 ，刀盘在切削土体的同时还与地层摩擦 ，从而产生各个阻力和阻力扭矩