盾构下坡掘进自重产生的下滑力对掘进的影响研究_管会生_陶伟_吴和北

重沿垂直于坡面方向的分力作用于地层产生摩擦力，后配套重力
沿垂直于坡面方向的分力作用于钢轨产生后配套牵引阻力，称为
摩擦阻力。把下滑力与摩擦阻力之和定义为合力 FH。
2.1 合力 FH 计算
2.1.1 盾构自重产生的下滑力
盾构下坡掘进机器自重分量示意图，如图 1 所示。则盾构自
重产生的下滑力为：
FX =Wz sinα+Wp sinα
′′ ′
F =F1 +F2 -（FX -FM）
（5）
3.2 下滑力对推力的影响
（1）当 α=0 时，相当于盾构水平掘进，不产生下滑力，仅有摩
擦阻力，且此时的摩擦阻力为最大，FM=μ1Wz+μ2Wp，盾构需要多提 供大小为 μ1Wz+μ2Wp 的推力；
（2）当 α∈（0，α0）时，下滑力不足以抵抗摩擦阻力，盾构需要 多提供大小为 FH 的力来克服摩擦阻力;
将推动机器继续向下滑移，使刀盘上刀具嵌入掌子面，将增大刀
盘的启动扭矩。
4 下滑力对刀盘扭矩的影响
4.1 盾构刀盘扭矩分析
EPB 模式下，作用于盾构刀盘上的载荷主要有：刀盘正面、
侧面的土压力及泥土舱内的碴土压力。由于刀盘的旋转运动，刀
盘在切削土体的同时还与周围土体摩擦，从而产生各个阻力和
阻力矩。其中包括[6-7]：刀盘切削阻力矩、刀盘正面、背面以及外围
自重引起的摩擦阻力为：
FM =μ1 Wz cosα+μ2 Wp cosα
（2）
式中：μ1—盾壳与土层摩擦系数； μ2—后配套拖车与钢轨间的摩擦系数。
2.1.3 合力 FH
FH 为下滑力与摩擦阻力之和，取沿盾构主机轴线向下为正 方向，根据式（1）、式（2）分析，可得：
FH =（WH +Wp）sinα-（μ1 Wz +μ2 Wp）cosα
（3）
2.2 FH 与倾角 α 的关系
盾构下坡掘进，倾角可在（0~90）°内变化，根据 2.1 节分析得
到的下滑力 FX、摩擦阻力 FM 及合力 FH 与倾角 α 的函数关系式（1） ~式（3），可得到倾角在（0~90）°范围内 FX、FM 及 FH 与倾角 α 的关 系，如图 2 所示。
（1）倾角在（0~90）°范围内，机器自重产生的下滑力 FX 随着 坡角的增大而增大。当盾构水平掘进时（坡道倾角为 0），不产生
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盾构主机 后配套
Wzsinα Wz Wzcosα
Wpsinα Wp Wpcosα
α
图 1 盾构自重分量示意图 Fig.1 Schematic of Component of Shield’s Weight
2.1.2 盾构自重引起的摩擦阻力
盾构自重引起的摩擦阻力包括主机自重沿垂直于轴线方向的
分力作用于土层产生摩擦力和后配套牵引阻力，如图 1 所示。盾构
42epb模式下下滑力对扭矩的影响421下滑力对刀盘的阻力矩盾构在epb模式下掘进下滑力有增大推力的作用与推进力叠加共同通过刀盘作用于开挖面土体使刀盘正面与土体之间产生摩擦阻力距tg可按式8计算fh与倾角关系fig2relationshipbetweenfh下滑力对推力的影响分析31盾构推力分析围岩松软而不能自稳时盾构在epb模式下工作受到来自开挖面和盾壳周围的水土压力及覆土载荷的作用盾构推进阻力主要包括6
3 下滑力对推力的影响分析
3.1 盾构推力分析
围岩松软而不能自稳时，盾构在 EPB 模式下工作，受到来自
开挖面和盾壳周围的水土压力及覆土载荷的作用，盾构推进阻力 主要包括[5-6]：推进时的正面阻力 F1、盾构壳体与周围地层的摩擦
阻力 F（2 不计自重）、盾尾与管片的摩擦力 F3、切口环贯入阻力 F4、 盾构变向阻力 F5、盾构由于自重引起的壳体与地层的摩擦阻力 F6 与牵引后配套阻力 F7，其中 F6+F7=FM。此外，盾构下坡掘进，机器自 重产生的下滑力作为主动力，推力计算时必须予以考虑。因此，盾
（3）当 α=α0 时，下滑力 FX 等于摩擦阻力 FM，则合力 FH=0，对 盾构总推力没有影响。
（4）当 α∈（α0，π/2）时，下滑力大于摩擦阻力，FH>0，即合力的 方向沿盾构轴线向下与盾构总推力一样成为主动力，有加强推力
的作用，有助于克服开挖面的作业阻力；但另一方面，FH 与推力 又有不同，它不能控制，若盾构停机，在机器重力作用下，下滑力
可以得到：
（1）当 α∈［0，α0］时，下滑力小于摩擦阻力，与水平掘进类
似，不会在刀盘前表面产生摩擦阻力距，此时下滑力对刀盘扭矩
1 引言
盾构法施工具有对地面干扰小、施工速度快、安全、环保、机 械化和自动化程度高等诸多优点，近年来在国内交通和水工隧道 施工中得到了大力推广。但目前所用盾构多为水平掘进的单模式 盾构，已不能满足复杂条件的隧道开挖要求。为顺应我国西部深 埋煤层的开采需求，双模盾构已被研制并应用于煤矿斜井的建设 当中。双模盾构是 TBM 和土压平衡（EPB）盾构机的结合体，既能 在中硬岩地层中高速顺利推进，也能够在不良地层中安全掘进， 且可实现两种模式间快速转换[1-2]。推进系统和刀盘驱动系统作为 盾构向前掘进的重要执行装置，在盾构掘进过程中发挥着关键性 作用。推进力和刀盘扭矩是盾构掘进的主要性能参数，是盾构设 计和选型的重要依据[3-4]。煤矿斜井开挖与地铁盾构隧道不同，坡 度大，盾构下坡掘进，机器自重产生的下滑力会对盾构掘进过程 及掘进参数产生重要影响，进而影响盾构的选型和参数配置。盾 构在不同模式下掘进，下滑力对掘进的影响又有所不同。目前公 开发表的文章还未见对盾构自重产生的下滑力的相关研究，结合
No.8
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机械设计与制造
Ａｕｇ．２０１４
Tg
=
2 3
μ0 Rc（FX -FM）
式中：μ0—土与刀盘之间的摩擦系数；Rc—刀盘半径。
4.2.2 下滑力对扭矩的影响
（8）
由（式 8）可知，合力在刀盘前表面产生的摩擦阻力矩 Tg 是
（FX-FM）的正比例函数。根据（0~90）°FH 与 α 的关系，如图 2 所示。
（1）
式中：Wz—盾构主机重量；Wp—后配套重量；α—盾构倾角。
来稿日期：2014-01-11 基金项目：国家科技支撑计划（2013BAB10B01） 作者简介：管会生，（1961-），男，安徽巢县人，博士，教授，主要研究方向：工程机械设计理论、盾构机设计及理论
第8期
管会生等：盾构下坡掘进自重产生的下滑力对掘进的影响研合力 FH 沿盾构轴线向上；当 α>α0 时，下滑力大
于摩擦阻力，FH 大于 0，作为主动力。
FM
FX
μ1Wz+μ2Wp
Wz+Wp FH
O -（μ1Wz+μ2Wp）
α/°
α0
90
arctan
μ1Wz+μ2Wp Wz+Wp
图 2 FH 与倾角 α 关系 Fig.2 Relationship Between FH and Inclination α
（7）
两种模式下，机器自重产生的下滑力对刀盘的阻力矩不同，
因此需要分开讨论。
4.2 EPB 模式下下滑力对扭矩的影响
4.2.1 下滑力对刀盘的阻力矩 Tg
盾构在 EPB 模式下掘进，下滑力有增大推力的作用，与推进
力叠加，共同通过刀盘作用于开挖面土体，使刀盘正面与土体之 间产生摩擦阻力距，Tg 可按式（8）计算[8]：
机械设计与制造
第8期
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Machinery Design ＆ Manufacture
2014 年 8 月
盾构下坡掘进自重产生的下滑力对掘进的影响研究
管会生，陶 伟，吴和北
（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）
摘 要：某煤矿隧道最大埋深 600 多米，盾构采用 6 度斜坡下行掘进，盾构自重产生的下滑力对掘进的影响成为突出问 题。推进力和扭矩是盾构掘进的主要性能参数，是盾构设计和选型的重要依据。首先对自重力的影响进行分析，引入合力 FH 定义，并建立数学模型，分析了 FH 与倾角 α 的关系，讨论了下滑力在不同坡角下对盾构推力和刀盘扭矩的影响，最 后就盾构自重产生的下滑力对推力和扭矩等掘进参数及掘进过程的影响进行实例研究，研究结果可为斜井双模盾构选 型和掘进参数配置提供一定参考。 关键词：盾构；下坡掘进；自重；下滑力；掘进参数 中图分类号：TH16；U455.43 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2014）08-0012-03
构的总推进力为：
F=F1 +F2 +F3 +F4 +F5 -（FX -FM）
（4）
围岩自稳定性比较好时，主机在 TBM 模式下工作，推进阻
′
′
力主要包括：正面阻力 F1 、盾尾与管片的摩擦力 F2 、牵引后配套
′
′
阻力 F3 、盾壳与地层摩擦力 F4 及机器自重产生的下滑力 FX，其中
′′
F3 +F4 =FM。盾构的总推进力为：
Abstract：The maximum depth of one coal mine is over 600 meters，and shield tunneling downhill is with 6 degrees，the influence of the sliding force caused by the dead weight on tunneling becomes a prominent issue. Thrust and torque are the main performance parameters of the shield tunneling and an important basis for shield design and selection. At first，analyzes the influence of the dead weight，introduces a definition of resultant force FH，and establishes mathematical model，analyzing the relationship between FH and inclination α，discussing the influence of sliding force on thrust and torque with the change of inclination. Finally，based on practical case study，the sliding force caused by the dead weight impacts on the thrust， torque and other tunneling parameters are discussed，and the results of the research can provide reference for the matching of tunneling parameters of the inclined shaft dual-mode shield. Key Words：Shield；Downhill Tunneling；Dead Weigh；Sliding Force；Tunneling Parameters
The Influence Study of Sliding Force Caused by the Dead Weight on the Tunneling When Shield is Tunneling Downhill
GUAN Hui-sheng，TAO Wei，WU He-bei
（College of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Sichuan Chengdu 610031，China）
下滑力；当倾角为 90°时，FX 达到最大值，FX=Wz+Wp。而摩擦阻力
FM 的变化相反，其数值随着坡道倾角的增大而减小，当倾角为 0
时，FM 取得最大值，FM=μ1Wz+μ2Wp。
（2）总体上，合力 FH 随着倾角的增大而变大。命 FH=0 时的倾
角为 α0，且 α0=arctan
μ1 Wz +μ2 Wp Wz +Wp
工程实例，对不同模式下盾构自重产生的下滑力对掘进的影响展开
研究，研究结果可为斜井双模盾构掘进参数配置提供一定参考。
2 合力 FH 定义及其变化规律
盾构下坡掘进，机器自重将产生沿盾构主机轴线向下及垂
直于坡面方向的两个分力，其中机器自重包括主机和后配套的重
力。沿盾构主机轴线方向的分力即为自重产生的下滑力；主机自
与周围土体之间的摩阻阻力矩、刀盘回转机械摩擦阻力矩等。机
器自重产生的下滑力与推力一样，作用于刀盘上并在 FH>0 时在
刀盘上产生摩擦阻力矩 Tg。盾构刀盘的总扭矩可表示为：
T=ΣTi +Tg
（6）
在 TBM 模式下，盾构自重产生的下滑力作用于滚刀上产生
′
的阻力矩 Tg ，刀盘总扭矩为：
′′
T=ΣTi +Tg