MF双圆盾构主要技术性能模型试验.docVIP

 摘 要 MF盾构是由多个圆形断面部分重合而成，其可使用的有效面积较开挖面积相等的单圆断面要大，是一种较为经济合理的断面形式。日本东京理科大学松本等对MF双圆盾构(以下简称为双圆盾构)进行了模型试验，本文对试验结果进行了整理，以供参考。 关键词 双圆盾构 模型试验 开挖面稳定 盾构姿态  一、前言 双圆盾构是由两个圆形断面(断面的一部分错位重合)组成的一种新型盾构。与同断面的单圆盾构隧道相比，可减少断面开挖量和节省管片数量，是一种较为经济合理的断面形式。由于其构造形式与单圆盾构不同，因此作用在盾构上的荷载是非对称的。日本东京理科大学松本等，对双圆盾构在施工时的主要技术性能，如作用在刀盘上的扭矩、盾构上的推力、盾构开挖时的地表沉降、盾构姿态的控制等进行了模型试验并作出评价，现将试验结果整理后介绍给同行，以供参考。 二、模型试验 1.试验设备 试验设备主要由土箱(长250cm、高350cm、宽300cm)、推进装置(土压平衡模型盾构机)、反力装置、排土装置等4个部分组成(见图1)。模型盾构的几何尺寸是根据实际双线铁路隧道缩尺确定的；推进装置的输出能力为240kN，最大推进速度为22cm/s，刀盘转速为11.0r/min，刀盘由油压马达驱动；反力装置将力通过反力架传递至固定底板；弃土是通过旋转式排土机来排出的。 双圆布置成横向和纵向2种工况，双圆断面的投影宽度为115cm，单个圆形断面的直径为70cm，重合部分宽度为25cm，刀盘前后错开13.7cm。 2.试验土体的特性 试验土分软硬两种，均采用硅砂5号土制成，软土以每铺设30cm后灌水，使其饱和后再排水；而硬土则是以每铺设10cm为一层，夯实后灌水，饱和后再排水的方式制作的。试验土体的土质特性见表1。 表1 试验土体的土质特性 特 性 软土 硬土 土的湿重度，kN/m3 16.1 17.1 土的干重度，kN/m3 14.6 15.7 含水量，% 10.0 9.0 空隙比 0.80 0.68 饱和度，% 34.9 34.9 盾构开挖面土体锥头阻力，MPa 1～3 10～13 3.试验内容 (1)不同运转条件(刀盘转速转向、前后刀盘先后转动顺序)下，盾构??推进速度和推进距离； (2) 不同加载条件下，刀盘的扭矩、轴向力和盾构机的推力； (3) 观测地面沉降量以及土体的松动状况。 三、试验结果 双圆盾构在推进时的性能是通过和单圆盾构的各项技术参数进行比较而得出的。为便于数据分析，采取了断面开挖面积等价的方法。 1.刀盘扭矩 试验结果表明：作用在双圆盾构上的总扭矩T，无论是在软土或是硬土中，均与盾构推进速度V和刀盘转速f之比(V/f)呈正比，尤其在硬土中，两者的相关性较好。 从图3中可以看出：双圆盾构的刀盘扭矩约为单圆盾构的50%以下；纵向双圆盾构的上下刀盘扭矩为横向的40%～60%。其原因是纵向双圆的上下土压舱内没有设置隔板，上部土压舱内土的充填量低，挖土较为容易，作用在刀盘上的扭矩也相对减小；即使在上下土压舱内设置隔板，则作用在上下刀盘上的总扭矩也仅为横向双圆盾构的80%～90%。 另外，双圆盾构的两个刀盘的转速和转向是互相独立、互不干涉的，即使给予双圆盾构先后行刀盘以不同的转速(fF、fR)和旋转方向，先后行刀盘的扭矩(TF、TR)和V/f之间的关系也是线性的。 2.推力 盾构推进时的作用力可分为克服开挖面的土压力Ft和盾构机周的摩阻力Ff， Ft为轴向力，可通过实测得到。试验结果表明：作用在横向和纵向双圆盾构上的Ft约为单圆盾构的50%～60%；作用在单圆盾构上的Ff为21kN，横向双圆盾构为19kN，下部先行纵向盾构为16kN，上部先行纵向盾构为14kN，因此，作用在横纵向双圆盾构上的总推力(Ft+Ff)均较单圆盾构小。 3.轴力、剪力和弯矩 作用在刀盘上的外力可分为轴力N和剪力S(见图4)。轴力N是由作用在刀盘上的主动土压力引起，可通过计算或测定刀盘转动轴上的应变求得；而剪力S则需通过间接的方法计算求出，即首先通过测定设置在刀盘转动轴上下两侧的应变换算出弯矩M，而弯矩M可分解成MN和MS，MN是由土压力的偏心产生的，可由计算确定，其值为一定值。MS是由剪力引起的，其值为作用在刀盘上的剪力S和刀盘与应变测定点之间的距离的乘积。也就是说通过实测的弯矩M和计算求出的弯矩MN和MS，再由MS反算剪力S。 剪力S可分解成垂直方向(SV)和水平方向(SH)两个不平衡剪力。除作