目前, 盾构已成为使用最为广泛的大型隧道施工工具。神东补连塔斜井工程, 作为国内首个采用盾构法施工的煤矿斜井工程, 受到了国内外专家的广泛关注。

神东补连塔斜井设计总长度2 745m, 其中明挖段长度27m、盾构段长度2 718m, 坡度-5.5°, 斜井最大埋深280m, 盾构开挖直径7.62m, 断面面积45.6m², 井筒净直径6.6m。

推力作为盾构机配置的关键参数, 其确定受到多方面条件的影响, 且各影响因素之间又具有多重相关性。通过研究各影响因素对盾构推力的影响程度, 进而建立神东补连塔斜井盾构推力计算模型^[1]。通过计算模型得出的盾构推力具有较高的精确度与可靠性。

斜井条件下, 盾构施工过程中其主要受力^[2]如图1所示。

由图1可知, 通常情况下, 影响推进阻力的因素主要包括^[3]:推进时刀盘正面的水土压力产生的阻力F₁;盾构与周围土体产生的摩擦阻力F₂;盾尾与管片之间的摩擦阻力F₃;切口环贯入阻力F₄;盾构变向阻力F₅;牵引后配套台车阻力F₆;刀具贯入土体产生的阻力F₇;由于盾构下坡掘进, 存在盾构自重沿斜坡分量, 即下滑力F_x, 其方向与掘进方向相同, 取为负。

在盾构掘进过程中, 盾构正面将承受着来自开挖面的土压力和水压力作用, 对刀盘产生正面阻力。

盾构掘进过程中, 盾构周围承受着土压力、地基反力等作用。因此, 盾构向前推进时, 盾构壳体与周围地层产生摩擦阻力。

为保证盾尾密封的可靠性, 盾尾与管片接触的地方安装了3道密封钢丝刷且有一定压力。在盾构掘进过程中, 管片是静止不动的, 而盾体是向掘进方向移动的, 因此盾尾和已装管片间存在相对滑动, 产生摩擦阻力。

盾构切口环未凸出刀盘时, 无切口环阻力;切口环凸出刀盘时, 才考虑切口环阻力。盾构直线掘进时, 没有变向阻力;盾构蛇形或曲线掘进时, 才产生变向阻力。本工程盾构的切口环未凸出刀盘, 因此切口环阻力F₄=0;另外, 盾构下坡直线掘进, 因此变向阻力F₅=0。

盾构主机向前掘进时, 后配套随盾构主机一起前移。后配套设施安装于后配套拖车上, 拖车通过滚轮在仰拱块上滚动, 产生滚动摩擦力, 即后配套牵引阻力。

盾构向前推进时, 由于刀盘上刀具高出面板, 刀盘上的刀具将贯入土体中形成贯入阻力。

盾构下坡掘进时, 自重 (包含盾构主机自重和后配套自重) 有沿盾构轴线垂直方向的分力和沿掘进方向的分力^[4]。沿盾构轴线垂直方向的分力作用于盾构下部的地基, 而沿掘进方向的分力产生沿斜坡的下滑力F_x。

神东补连塔斜井工程盾构在完整性较好的地层中掘进, 由于围岩完整、稳定性好, 开挖面比较稳定且能够自稳, 刀盘面板不与开挖面接触, 刀盘正面只有滚刀与开挖面接触进行破岩, 因此盾构正面阻力只有滚刀破岩力阻力影响^[5];盾壳并未受到周围岩土的包裹作用。因此在盾构过程中其推力影响因素有:由主机自重产生的、盾构前进时盾壳与底部土体的摩擦阻力F₂, 盾尾与管片的摩擦阻力F₃, 牵引后配套产生的阻力F₆, 滚刀贯入岩层的阻力F₇, 盾构自重引起的下滑力F_x。

当盾构倾斜时, 将直接影响盾构自重沿掘进方向的分力F_x的大小。当盾构下坡掘进时, 刀盘正面的水平土压力不再垂直作用于刀盘正面, 而是与刀盘正面呈一定角度, 因此盾构倾斜状态将影响刀盘正面阻力F₁^[6]。当盾构下坡掘进时, 盾构在前进时将受到多个摩擦力作用, 其中盾构壳体与周围土体产生的摩擦阻力F₂与盾构周围作用的土压力有关, 而根据对盾构周围土压力的分析, 盾构周围的土压力与盾构倾角有关;盾尾与管片的摩擦阻力F₃、后配套台车滚轮与坡面摩擦阻力F₆这两个摩擦力与重力沿垂直于坡面的分量 (正压力) 有关^[7]。

下滑力是盾构重力沿斜面的一个分力。如图2所示盾构自重产生的下滑力为:

式中:W_z为盾构主机自重;W_p为后配套自重;α为盾构倾角。

当盾构在围岩条件差的环境下工作时, 将受到来自开挖面和盾壳周围的土压力和水压力的作用。根据盾构正面作用荷载的分析, 对刀盘面板取一微元进行受力分析, 如图3所示。

该微元受到的水土压力为:

对盾构正面作用的水土压力 (在无水地层σ_fw=0) 进行积分, 同时考虑刀盘开口率的影响^[8]:

式中:η为刀盘开口率;R为盾构半径;σ_f为水压力;σ_wf为土压力;K为侧向土压力系数;γ_w为地下水重度;γ为土体容重;h_w为盾构顶部水头高度;h₀为松动高度;q为渗透系数;θ为外法线方向与盾构水平线夹角。

盾构壳体与周围土体产生的摩擦阻力由盾构上半部分与下半部分同时产生^[9]。

根据对盾构周围作用的土压力荷载的分析结果, 盾构上半部分任意一点沿着外法线方向上的土压力如图4所示。

则土体对盾构上半部分产生的正压力N₁为:

盾构下半部分的正压力与地基反力为作用力与反作用力关系, 可得到盾构下半部分上作用的正压力N₂为:

式中:p_g为盾构下半部分圆周截面上由重力产生的地基反力分布;L为与盾构刀盘面板的距离;W_z为主机自重。

因此盾构壳体与周围土体产生的摩擦阻力F₂为:

式中:μ₁为盾壳与周围土体的摩擦系数。

按照参考文献[10], 同时考虑盾构下坡, 管片压在盾尾上的压力发生变化, 可得盾尾与管片的摩擦阻力F₃为:

式中:n₄为盾尾内管片环数;W_s为每环管片的自重, 由于盾构下坡掘进, 管片自重应乘以cosα;D₀为管片外径;b为每道盾尾密封刷与管环的接触长度;P_T为盾尾密封刷的压强;n₅为盾尾密封刷的层数;μ₃为盾尾密封刷与管片的摩擦系数。

式中:μ₂为后配套聚氨酯轮与仰拱面摩擦系数。

与坡角有关的阻力的合力F_α:

总摩擦阻力F_M:

与坡角有关的阻力分别随着坡角的变化而变化。

由于盾构开挖的工作面比较稳定, 工作面与刀盘面板不接触。当下滑力F_x克服总摩擦阻力F_M时, 即F_α=0时, 此时的坡角定义为开式模式下影响工作面的临界角α_k2, 当坡角α>α_k2时, 下滑力F_x将使盾构下滑, 同时刀盘上滚刀将自动压入开挖面。

根据相关盾构参数与地质参数, 采用Matlab软件编写程序, 绘制了与坡角有关的阻力之和F_α、总摩擦阻力F_M以及与坡角有关的各个阻力的变化曲线如图5所示。

从图中可以得到以下结论: (1) 与坡角有关的阻力之和F_α、总摩擦阻力F_M, 随着坡角的增大而减小, 且变化幅度较大^[4]。 (2) 盾壳与下部土体产生的摩擦阻力F₂, 随着坡角的增大而减小且减小幅度较小^[10];后配套台车滚轮与坡面摩擦阻力F₆, 盾尾与管片的摩擦力F₃变化情况相同。 (3) 下滑力F_x随坡角的增大而不断增加。 (4) 当F_α=0时, 下滑力F_x刚好克服总摩擦阻力F_M, 此时坡角为20°, 为开式模式下影响工作面的临界角α_k2。 (5) 当坡角α>20°时, F_α就处于负值状态, 表明下滑力已经克服总摩擦阻力, 使得盾构有下滑的趋势, 刀盘滚刀刀刃压入开挖面, 下滑力提供了一部分动力, 但不能控制;在盾构停机时, 下滑力也将使机器继续向下滑移, 使刀盘上的滚刀嵌入工作面, 此时会增大刀盘的启动扭矩, 也不利于刀具更换^[4]。

结合神东补连塔斜井地质条件, 盾构机工作时, 由对推力的影响因素的分析可知神东补连塔斜井盾构的总推进力可以表示为:

根据滚刀贯入岩层的阻力F₇=n₁×F_V1可得, 盾构总推进力为:

本文通过研究分析斜井条件下盾构推力的影响因素, 结合神东补连塔斜井工程地质条件, 建立了盾构推力计算模型, 得出以下结论。

1) 斜井条件下, 敞开式盾构, 其推力主要受盾壳与底部土体摩擦阻力、盾尾与管片摩擦力、牵引后配套产生阻力、滚刀贯入岩层阻力与盾构自重引起的下滑力影响。

2) 盾构推力受多方面因素的影响, 而各影响因素之间又存在多重相关性, 因此建立盾构推力计算模型应尽可能地降低各影响因素之间的相关度。