構(gòu)刀盤扭矩估算的理論模型

為給盾構(gòu)選型、設(shè)計提供理論參考， 通過對刀盤扭矩構(gòu)成因素的全面分析， 建立了刀盤扭矩估算的理論模型， 導(dǎo)出了各扭矩分量的計算公式， 并通過實例驗證了模型的正確性。研究結(jié)果表明， 刀盤背面的摩阻力扭矩和刀盤開口內(nèi)土體的剪切阻力扭矩是不能忽略的因素。

盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)尺寸和刀盤扭矩是設(shè)計、制造盾構(gòu)機的關(guān)鍵參數(shù) 。目前， 刀盤扭矩一般是參考經(jīng)驗公式估算 ［ 1， 2］ ，有時因扭矩系數(shù)取值過小， 致使盾構(gòu)機在復(fù)雜地層中掘進時刀盤扭矩不足和引起脫困困難 ; 相反， 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)量增大， 并給運輸 、安裝帶來不便 。 所以， 對影響刀盤扭矩的因素進行定量研究，準(zhǔn)確估算刀盤扭矩，已成為近年來盾構(gòu)機設(shè)計 、制造和使用的重點前沿研究課題。 刀盤扭矩計算的關(guān)鍵是確定刀盤扭矩的影響因素和各扭矩分量的計算。文獻［ 3］提出了估算閉式盾構(gòu)裝備扭矩的方法，研究了刀盤扭矩的構(gòu)成和估算公式 ;文獻 ［ 4， 5］ 也對刀盤扭矩的影響因素進行了研究 ，取得了一定進展。然而 ，關(guān)于刀盤扭矩還存在一些有待深入研究、解決的問題 ，如對刀盤扭矩的影響因素考慮尚不全面 ;計算公式多為簡化的估算公式，缺少嚴密、明晰的推導(dǎo)過程 ;刀盤的結(jié)構(gòu)參數(shù) （開口率）、土的性質(zhì)（粘性土 ，砂土）、隧道埋深等參數(shù)對刀盤扭矩的影響沒有體現(xiàn)在計算模型中 。鑒于此， 本文中對刀盤扭矩進行了全面 、系統(tǒng)地分析，綜合考慮各種因素對刀盤扭矩的影響，并利用數(shù)學(xué) 、力學(xué)方法建立了刀盤扭矩估算的理論模型。

盾構(gòu)刀盤扭矩的構(gòu)成盾構(gòu)機機型 （土壓式和泥水式）不同， 刀盤的結(jié)構(gòu)形式 （面板式和輻條式 ）不同 ，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)在目前城市地鐵施工中應(yīng)用較多 ，因此 ，重點以面板式土壓平衡盾構(gòu)為研究對象。

土壓平衡式盾構(gòu)機在掘進過程中， 作用于刀盤上的載荷主要有：刀盤正面的土壓力 、刀盤側(cè)面的土壓力以及泥土倉內(nèi)的渣土壓力 ， 如圖 1所示。由于刀盤的旋轉(zhuǎn)運動 ，刀盤在切削土體的同時還與地層摩擦 ，從而產(chǎn)生各個阻力和阻力扭矩