土压平衡盾构推力和扭矩实测分析

一、引言

土压平衡盾构作为现代隧道施工中的重要技术，其推力与扭矩参数的准确测量和估算对于施工的安全与效率至关重要。澳门地区的地质和水文条件很独特，盾构施工因此面临严峻挑战，地下水位和土壤特性又复杂，施工时推力与扭矩等的掘进参数十分重要。

很多研究都致力于对土压平衡盾构的推力与扭矩相关性展开分析。例如，张佳乐等（2022）通过现场实测数据分析推动力与扭矩之间的关系，设立了相应的推力计算公式，为后续研究提供了理论基础。更为重要的是，随着数据驱动的方法日益成熟，机器学习技术已被引入以提升盾构参数的预测精度，回馈与土壤可掘性指标的划分，使得在复杂地质条件下的掘进决策更为科学合理[1]。

二、土压平衡盾构的工作机理（一）土压平衡盾构的基本特点

土压平衡盾构（EPB）作为现代地下工程掘进的重要工具，其基本特点体现在多个关键设计原理中[2]。土压平衡盾构通过保持土压力与机器推力的平衡，能够有效地减小对周围土体的扰动，从而保证隧道周边地表的稳定性。在盾构施工时，刀盘在地层里穿插，这一情况会使得土压力、地质特性、水位等多方面因素相互作用。

进一步分析，土压平衡盾构的设计理念确保了其在不同类型土壤中的适用性，尤其是在粘性土和砂土等地层条件下，通过调整刀盘的推进速度和推力，可以有效控制土体的变形，进而提高施工安全性和效率。

（二）土压平衡盾构外壳与周围地层间的摩擦阻力

在土压平衡盾构施工过程中，外壳与周围地层之间的摩擦阻 是影响推力需求的重要因素之一。盾构机推进时，如果周围土层的摩擦系数因水 推力的大小就会直接受到影响。研究表明，土壤的特征参数，如粘 在推力计算里占很大比重。比如说，在特定的地层里，要是土壤 会突然大幅上升，这样盾构机推进效率就会受到影响。而在实际应用上，通过现场数据监测， 和扭矩的关系建立起来，进一步证实了摩擦力变化对推力需求的具体影响。

（三）土压平衡盾构机正面阻力的影响因素

土压平衡盾构机（Earth Pressure Balance Machine，简称 EPB）的正面阻力，对推进效率和施工安全来说，是关键因素之一。地质方面的条件，像地质类型、土壤密实度，还有水文条件等，对盾构机的正面阻力有着直接的影响。比如，在含水的土壤里，静水压力（Hydrostatic Force）会让正阻力减小，进而影响推进力的需求。有研究显示，静水压力增加，盾构机所需推力就会明显减少，掘进时会出现非线性变化，这就需要通过实体模型来计算与校正。

三、推力和扭矩的实测分析

（一）实测数据的收集与处理

在本小节中，针对推力和扭矩的实测数据收集与处理，我们首先明确数据来源，其主要来自于澳门新城 A区正在进行的双盾构隧道施工现场。在数据采集时，我们采用了数据实时采集装置，包括推力计、扭矩传感器和行程计，这些传感器能实时、连续地把盾构机在不同地质状况下的运行参数每分钟记录下来。

在数据处理环节，先是把原始数据做了预处理，采用正态分布法，把每环数据离散值（Z>3）剔除，再计算得出每环管片推力、扭矩和速率平均值。

（二）实测结果分析

在对澳门地区土压平衡盾构所测得推力和扭矩进行实测分析时，采集的数据揭示出推力与扭矩之间的相互关系及其影响因素[3]。

经过对收集的推力和刀盘扭矩数据做一些初步分析，我们发觉实际值常常与理论值有偏差，这可能跟地质条件的变化、施工环境的影响、盾构机本身的动力效率有关。比如，在特定的地层状况里，推力的增减可不单由掘进速度和土压力决定，土体的摩擦以及流动性也会对其起作用。然后，我们进一步探究了推力和扭矩的关系，得出推力与扭矩线性相关性较为明显这一结论。

四、推力和扭矩的关系简化估算（一）推力与扭矩的理论关系

盾构机在复杂地质环境下的掘进，推力与扭矩之间的理论关系，是重要的理论依据。根据盾构机的工作原理，推力（F）和刀盘扭矩（T）之间存在着密切的数学联系。具体来讲，推力得把土体的抗力给克服掉，还得让刀盘转个位角，要有足够的扭矩，这样才能保持掘进的稳定。 在推导的公式中，扭矩可表达为 T=C^*R^*F ，当中T为扭矩（kN.m） ，C 为地质经验常数，R 为刀盘半径（m） ，F 为推力（kN） 。

经现场数据分析，我们发现，推力和扭矩的实测值有着很强的相关性。

（二） 推力与扭矩的经验公式

在构建推力与扭矩的经验公式时，要清楚刀盘前方地层的地质情况。本项目主要讨论澳门地区土压平衡盾构（本项目刀盘半径为3.64m）在穿越粉质粘土层时，推力与扭矩的关系。我们选取粉质粘土层的掘进参数，并通过线性回归法得出推力和扭矩在澳门地区粉质粘土层的关系为：

式中： T 为扭矩（kN.m） ， R 为刀盘半径（m） ，F 为推力（kN） 。

五、案例研究与结果（一）结果讨论与展望

在本节我们探讨了澳门地区土压平衡盾构推力和扭矩的实测数据，这些数据为改善盾构掘进作业的科学性和准确性提供了重要支持。对实际 出现场的多种因素加以数据分析后，我们发觉盾构推力与扭矩的变化，跟地层特征、作业条件还有施 复杂的相互影响关系。比如说，对不同地质类型的实测数据加以比较。该现象根源在于岩土的物理特性对刀盘切削效率所产生的影响。

在未来的研究方向上，建议采用机器学习算法对盾构推力和扭矩进行进一步的智能化预测分析，理论上让推力和扭矩的计算更精确，还能给施工提供更精准的参数依据。

六、结语

本论文对澳门地区土压平衡盾构所处的粉质粘土层推力与扭矩的实测研究进行了深入分析。研究借助实测数据的收集与处理，不但揭示了推力和扭矩的关联，还给盾构机掘进的优化设计提供了数据方面的支持，以保证施工在不同地质条件下的安全与效率。研究显示，技术不断进步，机器学习算法也发展起来了，盾构施工就会越来越依靠实时监测和智能算法相结合。论文特别感谢本研究所给予帮助的各方，盼着日后能继续探究盾构施工技术里的新挑战以及新方法，从而推动工程的整体进步。本研究把理论和实践相结合，推动了工程技术进步，也为后续研究提供了新思路与方向，盼着在澳门地区和其他地质条件相似的地区，盾构施工能实现更安全、高效的施工目标，推动整个行业可持续发展。

参考文献：

[1]张佳乐.基于机器学习的盾构推力与刀盘扭矩预测研究[D].导师：宋克志;孔恒.鲁东大学，2022

2]刘雪桦.盾构掘进参数分析与安全控制[D].导师：万衡;沈建强.上海应用技术大学，2021.

[3]陈仁朋，刘源，汤旅军，周保生.复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究[J].地下空间与工程学报，2012，8（01）：26-32.