1、螺旋驱动式掘进机模型试验的相似准则及相似性摘要：21 世纪隧道施工技术不断发展。为克服盾构掘进机和顶管掘进机在软土中掘进时，前进推力需要依赖后方衬砌的缺点，产生了新型自行走式隧管道掘进机，文章根据相似理论对螺旋驱动式自行走隧道掘进机进行分析，推导得相似准则，并介绍了保证边界条件和初始条件一致性的措施。 关键词：隧道掘进机；相似定理；量纲分析； 中图分类号：U455 文献标识码： A 文章编号： 引言 21 世纪，铁路、公路、地下空间的开发利用越来越多，城市地铁隧道、市政管道、越江管道等地下管道的施工中将广泛的应用到隧道施工机械掘进机，掘进机施工与传统的钻爆法、矿山法、新奥法施工相比： 在护盾的
2、保护下，衬砌施工更安全； 掘进机施工对围岩扰动破坏小，无超挖现象，成洞质量好，产生塌方几率降低。 可以实现自动、远程控制1。 1.隧道掘进机的种类特点 隧道掘进机，是一种隧道开挖机械，利用工作面上的旋转刀具等开挖机械切削破坏工作面前方岩土层并不断推进。隧道掘进机按不同的地质条件和施工方法的不同分为不同的类型。软土地层中应用较多有盾构掘进机(Shield Machine)、 顶管掘进机（Pipe Jacking Machine） ；岩石地层常为岩石隧道掘进机（TBM，Tunnel Boring Machine）2。 盾构掘进机在小半径急曲线施工时，施工难度较大，曲线半径过小会引起管道裂缝、管道失
3、稳等。盾构小半径急曲线施工时，需要综合考虑超挖量、辅助工法、盾构长度、衬砌管片、土质条件等因素，一般把盾构机设计成 2 节或 3 节的形式，节与节之间设置铰接中折机构，该装置可以减少隧道的超挖量，亦可以减少作用在衬砌管片上的偏压，减少对衬砌的破坏。通过控制掘进机筒内布置的千斤顶的伸缩来控制曲线施工 3。 顶管掘进机是借助主顶油缸和各管道中继间的推力，把掘进机等从工作坑顶推至接收坑吊起。一般在机头后面设置中继间，该中继间由滑移钢套环和一组油泵组成，在顶进过程中，通过调整部分油泵的伸缩量纠偏；还可以在前端管节之间设置一端固定，另一端可伸缩的连接拉杆。当顶管机头进入曲线段开始起曲时，后续管节在连接拉
4、杆、顶管顶力、侧向上压力的合力作用下自动弯曲。 盾构机在掘进中遇到的地层阻力，通过千斤顶传递到尾部预制隧道衬砌管片结构上，然后继续传递到竖井或基坑的后靠壁上。顶进推力需要依赖后方已拼装好的衬砌管片，曲线施工时管片和盾构的间隙，必将引起隧道上方地层沉陷。顶管施工时，顶进阻力随顶进长度增加而不断增加，限制了顶进长度。促进了一种新型隧道掘进机自行走隧管道掘进机的产生。 自行走隧管道掘进机的特点是利用掘进机自身增阻结构撑起土体，利用管土之间的增阻力作为掘进机前进反力。自行走隧管道掘进机是由卢清国教授设计研发的新型隧道施工机械，该理论提出后得到各专家学者的高度关注。 螺旋推动自行走式隧管道掘进机是自行走
5、隧道掘进机的另一种新型机种，该掘进机利用布置在掘进机外侧的螺旋装置和土体之间的相互作用力作为掘进机前进动力，相关螺旋构件和土体相互作用的模型试验研究正在进行。 文章针对进行土中螺旋驱动自行走式隧道掘进机螺旋部件与土体的相互作用机理进行相似理论分析，并为进一步的模型试验做好准备。 2.相似准则推导 2.1 土壤机器相似系统 螺旋推动方式驱动土中掘进机是一种创新型技术，目前尚无直接有关理论可供借鉴，与之相似的理论可参考土壤机器地面车辆理论。土壤-机器系统一般包括土壤车辆系统、土壤工程机械系统、土壤耕作系统等。 土壤机器系统最早是在 1944 年，Bekker 为探讨车辆沉陷、滑转等性能的理论公式，
6、 根据量纲分析得到了土壤车辆系统的相关关系4。1953 年，日本川村登为研究土壤应力和耕作机械犁的耕作速度之间的关系，通过土壤应力应变关系，导出特征方程求出相似条件。1966 年美国农业工程师协会举办了相似理论讨论会，在 1970 年着重讨论土壤机器系统相似研究，并论述了相关基本原理和土体机器相关参数变量。 2.2 模型试验的相似准则 由于螺旋推动隧道掘进机在土中前行技术的原创性及地下土层介质的复杂性和研究问题的空间性，直接根据理论得出各种螺旋参数在土中螺旋推动掘进机掘进时对掘进机的作用还很困难。模型试验在基本满足相似原理的前提下，能够相对真实的模拟螺旋杆与土体的相互作用，因其具有直观性、可重
7、复性和接近实际情况等优势，成为特别适用于此类研究的有效方法之一。 模型试验的基础是相似理论，研究模型相似理论的重要意义在于指导模型试验，并通过量纲分析法得到螺旋驱动式隧道掘进机相似准则条件，进而推导得出准则关系式。结合试验结果，应用数理统计学相关方法，得到描述自变量和因变量之间明确函数意义的经验公式。 模型试验目的是验证螺旋掘进机外侧壁螺旋杆件与周围土体的相互作用对掘进机轴向推力的影响，试验对象为螺旋杆件，其主要设计参数为螺旋杆直径、齿高、牙型角和牙底距。 根据掘进机和推动其前进的螺旋杆特性，模型试验涉及到的系统参量包括：螺旋构件外径 D (L)、齿高 h (L)、牙型角 ()、牙底距 b (
8、L)、土体变形模量 E (FL-2)、土体容重 (FL-3)、土体应力 (FL-2)、黏聚力C (FL-2)、内摩擦角 ()、土体变形量 ( L)、孔隙比 e、含水率、泊松比、螺旋杆转速 n (T-1)、推进速度 (LT-1)、推进距离 d (L)、驱动扭矩 T (FL)、轴向推力 F (F)；共有 18 个参数，取 FLT 力系统作为基本量纲系统，把所有物理量量纲排列为量纲矩阵，根据量纲的均衡性和齐次性分析求得相似准则因子5 表 1 量纲矩阵 Table 1 dimension matrix 由相似第二定理，现象包含的物理量有 18 个，基本量纲有 3 个，需要 18-3=15 个相似准则。
9、具体如下： 把试验研究的轴向拉力作为因变量，本次试验根据参数对试验结果影响的重要程度，选择与齿高、牙型角和牙底距相关的准则为试验中的自变量，建立准则间的函数关系式如下：得 (1) 或： (1) 其他准则在本次试验中作为试验的边界和初始条件保持不变，并在以后的试验中再行研究。 3.模型试验的边界条件 模型试验之前必须进行试验设计和试验准备工作。根据现有试验设计理论，正交试验设计法的特性是“均衡分散性”和“整齐可比性” ，能够从所有因素水平组合中，筛选出具有代表性的因素水平组合6。因而广泛应用于多因素多水平试验设计中。 试验中环境温度不断变化，不可避免的会对模型箱内土体的基本物理力学性质产生影响，
10、在推导相似准则时，没有把温度作为基本量纲，故需要保证每次试验时箱内土体温度基本恒定。 由于试验环境最低温度为-26，最高温度为-1.3，为保证土体温度符合要求（约 8） ，采用智能温控伴热电缆来调节箱内土体温度。智能温控伴热电缆是一种电热功率随系统温度自调的带状限温伴热器，电缆本身能够自动限温，伴热管线温度均匀且能随着被加热体系的温度变化自动调整输出功率。经温度计量测，通过一定时间的加热可以保证土体的温度恒定。 为保证每次试验边界条件一致性，同时采取以下措施： 试验利用专门制作的矩形钢板箱，储存每次试验完成后从试验箱内取出的土体，保证每次试验土性和用土量基本相同。 试验中模型箱体内部设置聚苯乙
11、烯塑料泡沫板，泡沫板的弹性和刚度特性，使模型箱内土体和箱体的接触条件和工程实际基本吻合，泡沫材料吸水率低在一定程度上阻止了土体水分流失； 设置填土夯土规范，在高度方向每隔一定距离填土夯土，每个位置夯土次数相同，并保证夯实后土体表面平整； 试验每天测定土体含水率，保证土体含水率一致，根据含水率差值，对土体及时补水； 每次试验装土卸土的过程中和试验完成后，对暴露在空气中的土，采取遮盖措施，防止土体水分丢失； 为保证螺旋杆轴向上直线运动，须在螺旋杆件一侧设置导向杆。 螺纹牙与土体的相互作用提供螺旋推力，为降低误差需要尽量减少螺旋杆其余部分和土体的接触，试验采取在导向杆外侧套轻质高强的管材，以形成螺旋
12、杆件行进孔道。管材选用硬质 PV 管，由于各螺旋杆件齿高不同，利用缠线法满足管材不同的外径需求。 结语 利用隧道掘进机外设螺旋驱动构件在土中自行走前行开挖隧道是一种新型隧道施工技术。文中提出了不同螺旋参数组合与所能提供的掘进机前进推力的模型试验所应遵循的相似准则，建立了本次试验需要的准则关系式，并介绍了保证模型试验初始条件和边界条件一致性的措施，供以后类似研究参考。 参考文献： 1 王梦恕.我国城市交通的发展方向J.铁道工程学报,2003.3 43-47 2 洪代玲.隧道掘进机的发展J.世界隧道.1996;(1):32-35 3 张宏宇.卢清国等.急曲线管隧施工装备技术现状及展望 J.矿山机械,2008.17;1-5. 4 朱合华.徐前卫.廖少明.土体-盾构机器系统的相似理论研究J.岩土工程界,2004(增),24(3);185-188 5 徐挺.相似理论与模型试验M.北京.中国农业机械出版社,1982. 6 正交试验法编写组.正交试验法.国防工业出版社,1976.12
