構刀盤扭矩估算的理論模型

為給盾構選型、設計提供理論參考， 通過對刀盤扭矩構成因素的全面分析， 建立了刀盤扭矩估算的理論模型， 導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。研究結果表明， 刀盤背面的摩阻力扭矩和刀盤開口內土體的剪切阻力扭矩是不能忽略的因素。

盾構刀盤的結構尺寸和刀盤扭矩是設計、制造盾構機的關鍵參數 。目前， 刀盤扭矩一般是參考經驗公式估算 ［ 1， 2］ ，有時因扭矩系數取值過小， 致使盾構機在復雜地層中掘進時刀盤扭矩不足和引起脫困困難 ; 相反， 有時因扭矩系數取值過大 ，造成盾構機驅動裝置的成本和機身質量增大， 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，準確估算刀盤扭矩，已成為近年來盾構機設計 、制造和使用的重點前沿研究課題。 刀盤扭矩計算的關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裝備扭矩的方法，研究了刀盤扭矩的構成和估算公式 ;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、明晰的推導過程 ;刀盤的結構參數 （開口率）、土的性質（粘性土 ，砂土）、隧道埋深等參數對刀盤扭矩的影響沒有體現在計算模型中 。鑒于此， 本文中對刀盤扭矩進行了全面 、系統地分析，綜合考慮各種因素對刀盤扭矩的影響，并利用數學 、力學方法建立了刀盤扭矩估算的理論模型。

盾構刀盤扭矩的構成盾構機機型 （土壓式和泥水式）不同， 刀盤的結構形式 （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。由于土壓平衡盾構在目前城市地鐵施工中應用較多 ，因此 ，重點以面板式土壓平衡盾構為研究對象。

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