富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的分析優(yōu)化

雷博超 程鵬飛

(中交一公局西北工程有限公司，陜西 西安 710000)

盾構(gòu)機(jī)在富水砂卵石地層掘進(jìn)施工，由于地層卵石強(qiáng)度高，填充物為細(xì)沙，地下水豐富，地層穩(wěn)定性差，造成掘進(jìn)參數(shù)異常，影響盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行情況，阻礙掘進(jìn)施工的進(jìn)度。本文按照實(shí)體工程為例，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析研究，豐富了成都富水砂卵石地層中的相近地層及開(kāi)挖直徑的盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)的控制應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

五桐廟停車(chē)場(chǎng)出入場(chǎng)線(xiàn)區(qū)間，自停車(chē)場(chǎng)出入場(chǎng)線(xiàn)明挖段引出沿成新蒲大道南側(cè)村莊園林向東至雙溫路后行進(jìn)至成新蒲大道，而后進(jìn)入九江北站明挖區(qū)間，出場(chǎng)線(xiàn)隧道長(zhǎng)2219.715m，入場(chǎng)線(xiàn)隧道長(zhǎng)2220.107m，雙線(xiàn)合計(jì)4439.822m。隧道中心間距18.5m，最大埋深17m，最小埋深約7.5m，最小曲線(xiàn)半徑600m，最小坡度2.967‰，最大坡度34‰。

1.2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)區(qū)間穿越地層以<3-8-3>密實(shí)卵石土層及<3-8-2>中密卵石土層為主，卵石含量約占50%～70%，粒徑一般2cm～20cm，以細(xì)、中砂充填，局部地段含漂石，漂石粒徑大于200mm，卵石土分選性及均一性差，抗壓強(qiáng)度高，自穩(wěn)性較差，滲透系數(shù)大，透水性強(qiáng)，富水性良好。

1.3 水文條件

本區(qū)間沿線(xiàn)地下水位埋深約5.33m，平均地下水靜止水位高程約509.95m。地下水主要為砂土、卵石土中賦存的孔隙潛水，水量較大。

1.4 盾構(gòu)選型

區(qū)間掘進(jìn)采用開(kāi)挖直徑φ8634mm的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤(pán)由6根主輻條和面板構(gòu)成，主要刀具為滾刀，切削刀，滾刀高出刀盤(pán)面板170mm，切削刀高出刀盤(pán)面板125mm，兩者的高差為45mm，確保了渣土的流動(dòng)性，可有效的防止渣土在刀盤(pán)上粘著并導(dǎo)致刀盤(pán)磨損刀盤(pán)開(kāi)口率約36%，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)力采用變頻電動(dòng)機(jī)控制，工作扭矩為24324.3kN·m，脫困扭矩為36486.5kN·m，為防止刀盤(pán)中心土砂粘著，在刀盤(pán)中心處設(shè)置了6處注水口，采用雙管單泵方式，刀盤(pán)面板上有10個(gè)加泥或泡沫注入口，采用單管單泵方式。裝備有19組(38根)千斤頂，每根油缸的推力為2000kN，總推力為76000kN。

2 掘進(jìn)參數(shù)分析優(yōu)化(圖1，2)

2.1 試掘進(jìn)段參數(shù)控制

前百環(huán)為試掘進(jìn)段，左線(xiàn)(入場(chǎng)線(xiàn))1～100環(huán)隧道平面為半徑800m的右轉(zhuǎn)彎，縱斷面為34.4‰的下坡。 右線(xiàn)(出場(chǎng)線(xiàn))1～100環(huán)隧道平面為直線(xiàn)段，縱斷面為34.4‰的下坡。左、右線(xiàn)軸線(xiàn)間距為7.6m。隧道覆土厚度為6.3m～11.5m。始發(fā)穿越全斷面砂卵石層，其中上部為<3-8-2>中密卵石土，下部為<3-8-3>密實(shí)卵石土。

通過(guò)理論數(shù)據(jù)計(jì)算，結(jié)合相近標(biāo)段掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)前20環(huán)的掘進(jìn)后，試掘進(jìn)段參數(shù)趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)狀態(tài)良好，平均推力25000kN～35000kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.4～1.6r/min，平均扭矩10000kN-m～15000kN-m，平均速度50mm/min～60mm/min。

2.2 下穿河流參數(shù)控制

區(qū)間隧道在CDK2+543.035～CDK2+524.635，RDK2+414.819～RDK2+396.519段下穿白河，埋深約13.8m，河道上口寬10.5，下口寬6.6m，河床深3.1m，河底至隧道頂部10.709m，穿越時(shí)水深1m，水流自北向南，水流平緩。隧道底位于<3-8-3>密實(shí)卵石土地層。

圖1 掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖2 掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

下穿河流期間，地層較為松散，掘進(jìn)參數(shù)變化較大，平均推力在30000kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.4r/min～1.6r/min，平均扭矩在11000kN·m～14000kN·m左右波動(dòng)，平均速度在45mm/min～60mm/min左右。

2.3 上跨既有線(xiàn)參數(shù)控制

盾構(gòu)隧道盾構(gòu)機(jī)在CDK1+494.788～CDK1+380.488，RDK1+482.943～RDK1+361.743區(qū)段上跨既有線(xiàn)隧道，隧道埋深17m左右，兩隧道夾土體厚度最小值約3.49m。既有線(xiàn)位于下方，出入場(chǎng)線(xiàn)上跨，穿越區(qū)位于<3-8-3>密實(shí)卵土地層。

穿越前，既有線(xiàn)隧道內(nèi)進(jìn)行了門(mén)式工字鋼加固、隧頂注漿，地面進(jìn)行了袖閥管加固注漿，掘進(jìn)過(guò)程中參數(shù)控制較為穩(wěn)定，掘進(jìn)狀態(tài)良好，平均推力25000kN～30000kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1.4r/min～1.6r/min，平均扭矩10000kN-m～13000kN-m，平均速度45mm/min～55mm/min。

2.4 數(shù)據(jù)分析優(yōu)化

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)不同地質(zhì)，覆土厚度，地面建筑情況并結(jié)合地表隆陷監(jiān)測(cè)結(jié)果控制好盾構(gòu)機(jī)的推力，刀盤(pán)扭矩，掘進(jìn)速度和出土量，使得盾構(gòu)設(shè)備可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)保證掘進(jìn)狀態(tài)的穩(wěn)定性。不同的刀具配置，不同的土倉(cāng)壓力，不同的刀盤(pán)扭矩，不同的渣土改良，不同的出土量都會(huì)影響盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化，通過(guò)本區(qū)間不同地層的情況下參數(shù)變化情況，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了不斷的優(yōu)化，選擇了最適合本工程范圍地層的掘進(jìn)參數(shù)范圍，保證了盾構(gòu)機(jī)的良好工作狀態(tài)。

根據(jù)本工程3處掘進(jìn)參數(shù)分析，富水砂卵石地層地質(zhì)松散，掘進(jìn)開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)較大，地層易發(fā)生松動(dòng)坍塌，盾體所受的摩擦力較大，實(shí)際推進(jìn)中總推力略大于理論計(jì)算值，優(yōu)化后推力控制在25000kN～30000kN。掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)扭矩和總推力的規(guī)律基本一致，略大于理論值，但膨潤(rùn)土+泡沫改良時(shí)刀盤(pán)扭矩略小于泡沫+水改良下的刀盤(pán)扭矩，優(yōu)化平均扭矩控制為15000kN-m。由于地質(zhì)松軟，土體穩(wěn)定性差，所以推進(jìn)速度應(yīng)相對(duì)提高，快速通過(guò)，減小土體沉降，優(yōu)化掘進(jìn)平均速度為45mm/min～60mm/min。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度相匹配，使貫入度保持在30mm/r左右為宜；本工程盾構(gòu)掘進(jìn)中土倉(cāng)壓力為適當(dāng)欠壓，但最低不能低于0.06MPa，否則容易造成超方及滯后沉降數(shù)據(jù)過(guò)大等問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

在進(jìn)行盾構(gòu)施工過(guò)程中，掘進(jìn)參數(shù)控制是十分重要的技術(shù)，因此要不斷的對(duì)其進(jìn)行分析優(yōu)化。本文主要對(duì)實(shí)體工程富水砂卵石地層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過(guò)不斷優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，提高了盾構(gòu)機(jī)的工作效率，另外還降低了更換刀具及盾構(gòu)故障的頻率，取得了良好的效益，推動(dòng)了工程的質(zhì)量和進(jìn)度。