粉砂地层泥水盾构刀盘脱困

2021-07-08
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1 事件经过及原因分析

1.1 事件经过

南线隧道盾构工程，在加固区内掘进正常，扭矩最大约为5 667 kN·m，推力最大约为16 660 kN。2011 年7 月6 日晚完成第5环管片拼装后，开始掘进第6 环时出现刀盘无法转动现象。

盾构被迫停止掘进。盾构停机位置切口里程SK0+901.863，出盾构始发井端头加固区约2.1 m，切口位置土层剖面见图2。

盾构出洞期间，加固区土体进行降水。受其影响，刀盘受困位置土层地下水位约降至刀盘轴线位置。

1.2 原因分析

刀盘停转后，现场工程师及技术人员立即从机械设备、地质条件等方面寻求原因。经仔细排查，排除了盾构的机械设备故障原因。

经分析，刀盘无法转动的原因可能为刀盘被砂土附着束缚，超过其极限脱困扭矩。

图3 为该工程盾构刀盘现场照片，该工程盾构刀盘为面板型，采用中心支撑方式，刀盘面板开口呈“米”字型，开口率为30%，中心位置开口较多。

刀盘开挖直径为11.68 m。刀盘材料为Q345 钢，沿刀盘面板“米”字型配置有刮刀、盘形滚刀，刀盘周边配置仿形刀。

刀盘转速为0.85 r/min 时，其额定扭矩Tn = 13 650 kN·m；刀盘转速为0.05 r/min时，其脱困扭矩Tunlock = 17 745 kN·m。刀盘位于前盾前方，与前盾间隙约0.1 m。

1.2.1 正常掘进状态下刀盘扭矩计算

图3 刀盘现场图

正常掘进状态下泥水盾构刀盘扭矩T 可按下式计算：

T= T1+T2+T3+T4+T5+T6

式中：

T 为正常掘进状态下刀盘扭矩，

T1 为刀盘正面与开挖面土层的摩擦扭矩，

T2为刀盘侧面与周围土层的摩擦扭矩，

T3 为刀盘切入地层时地层的抗力扭矩，

T4为密封决定的摩阻力扭矩，

T5为轴承摩阻力决定的扭矩，

T6为减速装置摩擦损耗扭矩。

刀盘扭矩以T1+T2+T3为主，可占总扭矩的90%～99%，因此本文计算刀盘扭矩时，仅考虑T1+T2+T3。

(1) 刀盘正面与开挖面土层的摩擦扭矩T1，T1的计算如图4 所示，其计算公式为：

(2)式中：

ω为刀盘开口率，本工程为30%；n 为参数，视开口分布形式取值，n＜1.5，刀盘中心部分开口越多，n 取值越大[12]，本工程取1.3； μ1为刀盘正面与开挖面土层摩擦因数，对于泥水盾构，开挖面形成动态渗透泥膜，且充满压力泥浆，刀盘掘削渗透泥膜，而并不与原状土层直接接触。

刀盘与渗透泥膜摩擦因数较刀盘与原状土体的摩擦因数要小很多，取为0.03；R 为刀盘半径，本工程取5.84 m；K为侧向土压力系数，取为静止侧向土压力系数0 K的 1.1～1.3倍[9，13]，本文取K=1.2K0；δ轴线为刀盘中心位置竖向土压力，按照图2 所示

土体分层情况计算得δ轴线= 278.645 kPa； γS为土体容重，地下水位以上取天然容重，地下水位以下取浮容重。

由图4 可见，

刀盘中心约位于②–4 和③–1 层分层处；刀盘中心至刀盘顶部土层主要为②–2，②–3 及②–4，其土体容重分别为19.2，19.2 及19.3kN/m3， 0 K 分别为0.47，0.42，0.45。

为简化计算，刀盘中心至顶部土层取土体容重γ上=19.2 kN/m3，K 上= 0.47；刀盘中心至刀盘底部土层主要为③–1和③–2，其土体容重分别为19.5 和19.3 kN/m3，0 K 分别为0.35 和0.36，为简化计算，刀盘中心至底部土层取土体浮容重γ下=9.5 kN/m3，K 0下=0.36经简化。

式(2)可转化为：