土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究

  本文关键词：土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

第 30 卷 第 1 期 2011 年 1 月

岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

30(1)：1～3 Jan.，，2011

土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究
张厚美 吴秀国 曾伟华
(广州市盾建地下工程有

限公司，广州，510030)

*

摘要

应用正交试验设计技术，进行盾构掘进参数组合试验，采用多元统计分析方法，对土仓压力、推力、刀盘

转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影响进行了研究，得到了土压平衡式盾构在软土中的掘进速度数学 模型和刀盘扭矩数学模型，模型平均误差约为 10%。研究表明：对掘进速度和刀盘扭矩影响最大的 3 个操作参数 依次为：千斤顶推力、土舱压力和刀盘转速。掘进速度、刀盘扭矩与千斤顶推力成正比，与土舱压力成反比，刀 盘转速对刀盘扭矩和掘进速度影响不大。 关键词 分类号 盾构，试验，正交设计，数学模型 O 319.56 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2011)01-0001-06

THE RESEARCH ON TUNNELLING EXPERIMENT AND MATHEMATICAL MODEL OF EPB SHIELD
Zhang Hou-mei，Wu xiu-guo，Zeng wei-hua
(Guangzhou Municipal Dunjian Underground Construction Eng. CO.,Ltd., Guangzhou 510030,China )

Abstract Orthogonal experimental design is applied to shield tunnelling experiment with variable tunnelling parameters combination.The effects of earth pressure,thrust force and cutting wheel rotation speed on the advance speed and torque of cutting wheel are investigated by multivariate statistical analysis. The mathematical model of advance speed and torque of cutting wheel of EPB shield in soft ground is proposed,the mean error of mathematical model is less than 10%.It is shown that the tunnelling parameters which affecting the advance speed and torque of cutting wheel is earth pressure, thrust force and cutting wheel rotation speed in succession. The advance speed and torque of cutting wheel are in direct proportion to the thrust force,but in inverse proportion to the earth pressure, the cutting wheel rotation speed has little effect on the advance speed. Key words shield, experiment, orthogonal experimental design,mathematics model 面。目前，国外有关硬岩掘进机（TBM）的性能预 测模型已提出很多[2]-[4]， 比较有名的有 CSM 模型和 [5] NTH 模型等 。我国对硬岩掘进机掘进速度预测方 面也开展了一些研究[6]-[7]，包括地质条件对掘进速 度影响以及掘进参数对掘进速度影响等。但有关盾 构机掘进速度数学模型方面的研究还很少。随着盾 构施工法在城市地铁隧道中正得到越来越广泛的应

1 引言
掘进机掘进速度预测问题一直是隧道施工技术 人员关心的问题。 近 20 年来掘进机性能预测一直是 一个热门的研究课题[1]，一些模型被广泛应用于隧 道工程的预测和评价以及刀具布置优化设计等方

2011 年 1 月 1 日收到初稿，2011 年 12 月 11 日收到修改稿。 作者 张厚美简介：男，1966 年生，博士，2000 年毕业于同济大学地下建筑与工程系岩土工程专业，现任高级工程师，主要从事盾构隧道施工技术管 理及结构计算方面的工作。E-mail:zhanghoumei@263.net。

?2?

岩石力学与工程学报

2011

用，如何选择合理的掘进参数，如何预测盾构掘进 速度，是盾构施工过程需要解决的一个问题。本文 拟通过盾构掘进参数组合试验，提出土压平衡式盾 构的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学模型，以期 为盾构掘进参数的优化、预测和控制以及盾构隧道 的信息化施工提供依据。

2 工程概况
广州市轨道交通三号线 〖天~华〗 区间隧道采用 盾构法施工。区间隧道双线长 6259.615m，隧道标 称内径 5200mm，隧道埋深 11~28m。隧道主要在花 岗岩残积层和全风化层中穿过，围岩以Ⅱ 类为主， 部分隧道段存在全断面微风化花岗岩或上软下硬地 层，局部地段偶见夹有球状微风化孤石。 盾构机采用德国 HERRENK AG 公司生产的φ 6280mm 土压平衡式复合盾构，盾构机刀盘上配备 了正面刮刀 64 把、边缘刮刀 8 把、双刃中心滚刀 4 把、单刃正面滚刀 20 把以及单刃边缘滚刀 15 把， 刀盘开口率 28%，以保证盾构机在各种土层和岩层 以及软硬交错的复合地层中能有效掘进，盾构机刀 盘及刀具布置图见图 1。

图 1、盾构机刀盘布置图 Fig.1 Sketch of cutting wheel

<5H-1> 花 岗 岩 残 积 土 ， 为 砂 质 粘 性 土 ， 厚 5.35m。可塑，组织结构已全部破坏，大部分已风 化成土状。含少量-大量石英质中、粗砂。遇水易崩 解。 <5H-2> 花 岗 岩 残 积 土 ， 为 砂 质 粘 性 土 ， 厚 11.2m。硬塑-坚硬，组织结构已全部破坏，风化成 土状。含大量石英质粗、砾砂，遇水易崩解。 <6H>花岗岩全风化层，厚 3.55m。岩芯呈坚硬 土柱状、土块状。岩石组织结构已基本破坏，但结 构尚可辨认，遇水易崩解。 2.2 掘进试验设计 由于盾构机主要在〈5H-2〉及〈6H〉地层中穿 行， 地层的自稳性较差， 需采取土压平衡掘进模式， 以维持开挖面的稳定和有效控制地面沉降。在影响 盾构掘进速度的各种因素中，掘进过程可控制的主 要参数是千斤顶推力、刀盘转速和土仓压力。一般 地，根据经验在〈5H-2〉及〈6H〉地层中盾构机的 主要掘进参数范围如下： 推力：与土层条件、土仓压力、掘进速度等因 素有关，一般为 8000~16000 KN，本机千斤顶最大 推力可达 37625KN。 刀盘转速：刀盘转速共有 2 档，Ⅰ档为无级可 调， 转速 n1=0~6.1rpm； Ⅱ档 n2=0~3 rpm， 常用 1~2 rpm。 土仓压力：与土层条件、覆土厚度、地面条件 等因素有关，最大土仓压力可取刀盘中心处的静止 土压力， 〈5H-2〉 及 〈6H〉 地层一般取 1.0~1.8kg/cm2。 根据上述主要掘进参数的可调范围，结合实际 地层条件，为减少试验次数，采用正交试验设计技 术。选择 3 水平、4 因素的正交表 L9（34） ，各组 试验的掘进参数取值如下：
表 1、盾构掘进参数正交试验设计 Tab.1 Parameters for tunnelling experiment
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 推力 /Kn 8000 8000 8000 12000 12000 12000 16000 16000 16000 转速 /rpm 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 3.0 土舱压力 /kg.cm-2 1.2 1.5 1.8 1.5 1.8 1.2 1.8 1.2 1.5

2.1 试验段地质概况 为了避免掘进试验可能对地面建筑物造成不利 影响，本次试验选择在覆土较厚、地面无建筑物的 地段进行。试验段位于右线里程支 YDK1343.4 至 YDK1347.9，该段线路位于曲率半径 350m 的左转 弯段，地面为一绿化用地，隧道埋深 17.8m。隧道 洞身上部约 2/3 位于<5H-2>地层，洞身下部约 1/3 位于<6H>地层。试验段地层从上到下为： <1>人工填土层，为杂填土，厚 0.3m，松散， 稍湿。主要成份为人工堆积的粘性土、砂，顶底部 见植物根茎。 <4-3>坡积土，为粉质粘土，厚 5.4m。可塑， 坡积而成，以粘粒为主，质较纯，局部含少量中、 粗砂。

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张厚美等. 土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70

?3?

2.3 试验数据的采集 利用盾构机的数据采集存储系统实现试验数据 的采集和记录，见图 2。该系统可以通过 PLC 采集 盾构机上的各种传感器数据，包括：掘进速度、刀 盘扭矩、刀盘转速、千斤顶推力、土舱压力、注浆 参数、各种温度、盾构姿态等参数，然后将数据传 送给控制室的主机，在主机上进行数据的记录、储 存和显示；同时，主机也可以对这些数据设定初始 值，传送到 PLC 上，利用 Modem 和远程机连接， 通过远程机监控盾构掘进并保留掘进过程的各种数 据。

土压力(kg/cm2)

（c）土舱压力随时间变化曲线

时间（mins）

100

掘进速度(mm/min)
80

（d）掘进速度随时间变化曲线
60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70

时间（mins）

5000

扭矩(Kn.m)
4000

（e）刀盘扭矩随时间变化曲线

3000

2000

1000 0 10 20 30 40 50 60 70

时间（mins）

图 3、掘进参数随时间变化曲线 图 2、试验数据采集存储系统示意图 Fig.2 chart of data collection and storage system Fig.3 experiment curves of tunnelling parameters vs. time

2.4 试验结果 试验过程由数据采集系统对土仓压力、推力、 刀盘转速、掘进速度、刀盘扭矩等参数以 10 秒 1 次的频率进行数据采集，每组试验掘进长度 300mm。按照正交试验设计表共安排 9 组试验。图 3 是部分试验过程推力、刀盘转速、土仓压力、掘 进速度、刀盘扭矩等参数随时间的变化曲线。由于 试验过程推力、土压力难以完全按事先确定的水平 精确控制，实际得到的推力、土压力与表 1 的设计 值有一定差别， 掘进速度和刀盘扭矩变化情况如下： 掘进速度：与土层条件、土仓压力、推力、刀 盘转速、出土等因素有关，受推力、土质影响最大。 试验过程掘进速度变化范围一般为 15~75mm/min。 刀盘扭矩：与土层条件、土压力、推力等因素 有关， 泡沫剂、 水的加入量对刀盘扭矩有重大影响。 试验过程扭矩的变化范围一般为 2000~4500kN.m。
20000 17500 15000 12500 10000 7500

3 盾构掘进速度数学模型推导
为了研究推力、刀盘转速、土舱压力与掘进速 度之间的数学关系，对试验结果共 417 组样本数据 进行了回归分析。 选择多元线性回归模型：

V ? b0 ? b1W ? b2 N ? b3 P

（1）

推力(Kn)

（a）推力随时间变化曲线

式中：V——掘进速度，mm/min；W——推力， Kn； N——刀盘转速， rpm； P——土舱压力， kg/cm2 b0、b1、b2、b3——回归系数。 试验数据回归结果如下： V ? ?62.9 ? 0.011W ? 5.4 N ? 37.6 P （2） 相关系数 R=0.858；F 值=385.04。 经检验，掘进速度模型式（2）总体上存在显著 线性关系。 在 417 组样本数据中 （未剔除异常数据） ， 试验 值与拟合值之间的最大相对误差为 89.9% ，最小 0.023%，平均相对误差仅 14.1%。掘进速度试验值 与拟合值对比见图 4。
100 80

掘进速度(mm/min)

5000 0 10 20 30 40 50 60 70

时间（mins）
5

60 40

试验值 拟合值

转速(rpm)
4 3 2 1 0 0 10

（b）刀盘转速随时间变化曲线

20 0 0 10 20 30 40 50 60 70

时间（mins）

20

30

40

50

60

70

图 4、掘进速度试验值与拟合值对比曲线 Fig.4 Comparison of rate between experiment and regression

时间（mins）

?2?

岩石力学与工程学报 表 2、回归分析统计量及检验结果（α=0.005）

2011

从式（2）可知，推力与掘进速度成正反比，而 土舱压力与掘进速度成反比，即土舱压力相当于抵 消了部分推力，实际有效推力为：

Tab. 2 variables of statistics of regression（α=0.005）
变 量 回归 系数 2358.4 0.374 30.18 -494.1 偏相关 系数 — 0.67 0.06 -0.39 标准 误差 177.3 0.053 62.39 144.77 t值 13.3 7.03 0.48 -3.4 检验 结果 高度显著 高度显著 不显著 显著

W ' ? W ? PA ? W ? ?R 2 P
式中：A——为开挖面面积， A ? ?R ，R—— 为开挖面半径。 引入有效推力后只需对有效推力、刀盘转速与 掘进速度之间关系进行回归分析，回归结果如下：
2 ‘ V ? ?58.4 ? 0.01 W ? 5.1N

常数项 有效推力 刀盘转速 土舱压力

即：

T ? 2423 .5 ? 0.364(W ? ?R 2 P ? W0 )
（3）

V ? ?58.4 ? 0.01(W ? ?R 2 P) ? 5.1N

相关系数 R=0.856，F 值= 565.59> F0.05（2， 414）=3.0。 令：N=0、P=0、V=0，代入式（3） ，则求得 W=5612.5Kn，此值具有特殊意义，记为 W0=5612.5Kn。 当 W<W0 时，由式（3） 求出的 V<0，则式 （3） 无意义； 当 W> W0 时，由式（3）求出的 V>0，这意味 着只有推力大于 W0 时，盾构机才能前进，故 W0 为盾构机掘进所需的最小推力，它主要反映盾构机 掘进过程受到的摩擦阻力，该值与按文献[8]摩擦力 计算公式得到的值约小 40%。 根据上述分析，将式（3）变换为：

? 476.3P （6） 式中： T ——为刀盘扭矩平均值，其余符号含
义同前。 回归相关系数 R=0.70，F 值=31.4> F0.05（2， 414）=3.0，模型平均相对误差 8.5%，剔除刀盘转 速因素后的模型误差基本未增大。刀盘扭矩试验值 与拟合值对比曲线见图 5。 将 W0、R 值代入式（6） ，移项合并后得： （7） T ? 301.7 ? 0.364(W ? 4342 .5P) 令： W ? 0 、 P ? 0 ，代入式（ 7 ） ，则求得 T ? 301.7 Kn.m，这表明在空舱且不加推力的情况 下 ， 刀 盘 的 转 动 扭 矩 为 301.7 Kn.m ， 记 为 T0 ? 301.7 Kn.m，即 T0 为刀盘转动所需的最小扭 矩，它主要反映刀盘旋转时受到的来自机器本身和 周围地层的摩擦力。故掘进扭矩平均值数学模型可 表达为：

V ? 0.01(W ? ?R 2 P ? 5612.5 ) ? 5.1N
故掘进速度线性模型可表达为：

V ? k1 (W ? ?R 2 P ? W0 ) ? k 2 N

（4）

T ? T0 ? K t (W ? K p P)

（8）

式中： W0——为盾构机掘进过程受到的摩擦阻 力； k1、k2——分别为推力、转速系数，可由回归 分析得到。

式中：T0——为刀盘转动所需的最小扭矩； kt 、kp——为回归系数，其余符号含义同前。
5000

刀盘扭矩(Kn.m)
4000

拟合值 试验值

3000

4 刀盘扭矩数学模型推导
对推力、刀盘转速、土舱压力等参数平均值与 刀盘扭矩平均值的关系，采用线性模型进行拟合处 理，结果如下：

2000

1000 0 10 20 30 40 50 60 70

时间（mins）

图 5、刀盘扭矩试验值（平均值）与拟合值对比 Fig.5 comparison of torque of cutting wheel between experiment and regression

T ? 2358 .4 ? 0.374(W ? ?R 2 P ? W0 ) ?
（5） 回归相关系数 R=0.70，采用 t 统计量检验法对 各掘进参数（自变量）对刀盘扭矩（因变量）的影 响显著性进行检验，计算结果见表 2。 可见，刀盘转速对刀盘扭矩的影响不显著，可 忽略不计。以下仅对有效推力、土舱压力的平均值 与刀盘扭矩平均值的关系进行拟合，结果如下：

30.2N ? 494.1P

5 结论
本文采用正交试验设计技术，通过现场掘进试 验，对土仓压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数 对掘进速度、刀盘扭矩的影响规律进行了研究。通 过对试验数据的统计分析，得到了土压平衡式盾构 在软土中的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学模

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张厚美等. 土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究
Abs., V.22, No.3, pp153-161. 3

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型，模型平均误差约为 10%，经检验，模型关系是 成立的，这为今后进行掘进速度预测、控制和盾构 掘进参数的优化奠定了基础。研究表明： （1） 对掘进速度和刀盘扭矩影响最大的 3 个操 作参数依次为： 千斤顶推力、 土舱压力和刀盘转速。 （2）掘进速度与土舱压力成反比，与推力、刀 盘转速成正比；推力较小时，增大刀盘转速对提高 掘进速度的作用较小。 （3） 刀盘扭矩与推力成正比， 与土舱压力成反 比；刀盘转速对刀盘扭矩的影响很小。 （4） 在软土中建议采用小推力低转速或大推力 高转速组合，避免采用小推力高转速或大推力低转 速组合。 （5） 在满足地面沉降要求的情况下应尽可能减 小土舱压力。
参 考 文 献 1 龚秋明，赵坚，张喜虎．岩石隧道掘进机的施工预测模型[J]. 岩石 力学与工程学报，2004（增） ：4709-4715. Gong Qiuming, Zhao Jian, Zhang Xihu. Performance prediction of hard rock tbm tunneling[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2004（sup.） ：4709-4715. 2 Sanio H.P., 1985, "Prediction of the performance of disc cutters in anisotropic rock", Int. J. of Rock Mech. &Mining Sci. & Geomech.

Roxborough F.F., Phillips H.R., 1975, "Rock excavation by disc cutter", Int. J. of Rock Mech. &Mining Sci. & Geomech. Abs., V.12, pp 361.

4

Copur, H., Rostami, J., Ozdemir, L., and Bilgin,N., 1997, “Studies on Performance Prediction of Roadheaders Based on Field Data in Mining and Tunneling Projects,” Int. 4th Mine Mechanizationand Automation Symp., Brisbane, Australia, pp.4A1-4A7

5

J. Rostami, L. Ozdemir, and B. Nilson, " Comparison Between CSM and NTH Hard Rock TBM Performance Prediction Models", ISDT, LAS VEGAS NV, (1996).

6

何於琏，TBM 施工进度的科学预测方法[J]，铁道工程学报， 1999， (2)：94-98. He Yulian. Scientific forecast method on construction rate of progress for TBM[J],Journal of railway engineering society,June

1999,No.2:94-98 7 刘明月,杜彦良,麻士琦.地质因素对 TBM 掘进效率的影响[J] .石家 庄铁道学院学报, 2002,15(4):40-43. Liu Mingyue,Du Yanliang,Ma Shiqi.Analysis of Relationship Between Geologic Condition and the Efficiency of TBM Boring[J]. Journal of shijiazhuang rail way institute , 2002,15(4):40-43. 8 B.Maidl,M.Herrenknecht,L.Anheuser.Mechanised Shield Tunnelling[M]. Berlin:Ernst & Sohn,1996:221-225.



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