土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合板巖地層掘進(jìn)參數(shù)的確定

李海全

（中鐵建海南投資有限公司，海南 陵水572400）

1 引言

確定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)是一項(xiàng)重要的工作，通常情況下，掘進(jìn)參數(shù)的選擇直接控制著掘進(jìn)區(qū)的地表沉降。所以，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制和優(yōu)化對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的順利完成起著重要的作用。本文根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)的效果分析，對(duì)復(fù)合板巖地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)提供更好的理論依據(jù)。

2 工程概況

全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化復(fù)合板巖的物理特性主要是：變余泥質(zhì)、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，板巖內(nèi)部存在大量的由黏土礦物組成的層理、片理、裂縫等軟弱結(jié)構(gòu)面。崩解特性較強(qiáng)，風(fēng)化程度越高，崩解越強(qiáng)烈，遇水易軟化、崩解。其主要參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)區(qū)間土體參數(shù)

以ZTE6250 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為例（主要技術(shù)參數(shù)見表2），該盾構(gòu)機(jī)可以自動(dòng)采集各施工參數(shù)。

表2 盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 掘進(jìn)土壓的設(shè)定

盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，刀盤擾動(dòng)改變了原天然土的靜止彈性平衡狀態(tài)，使刀盤附近的土產(chǎn)生主動(dòng)或被動(dòng)土壓力。由于刀盤對(duì)土壤的推力不同，土倉(cāng)產(chǎn)生的土壓力也不同，土中的側(cè)向土壓力也在不斷變化。側(cè)向土壓力的最大和最小極限值就是被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力。靜止土壓力在兩者之間，即Ep＞Eo＞Ea。盾構(gòu)機(jī)刀盤前土壓力＞Ep時(shí)，土向盾構(gòu)機(jī)方向移動(dòng)，地面抬高[1]。盾構(gòu)機(jī)刀盤前土壓力＜Ea時(shí)，土?xí)蛳禄瑒?dòng)，造成地層和地面沉降（見圖1）。

圖1 土壓力范圍示意圖

根據(jù)盾構(gòu)的特點(diǎn)及盾構(gòu)施工原理，結(jié)合我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)、施工的具體經(jīng)驗(yàn)，采用朗金理論計(jì)算：

式中，σw為地下水壓力；σp為被動(dòng)土壓力；σa即為主動(dòng)土壓力；q為土的滲透系數(shù)；γ為水的容重；σh為深度為h處的地層自重應(yīng)力；c為土的黏聚力；φ為地層內(nèi)部摩擦角；h為地下水位距離刀盤頂部的高度[2]。

采用上述計(jì)算公式，根據(jù)地層的埋深不同，復(fù)合板巖地層選取的計(jì)算參數(shù)為q=0.12cm/s，c=90kPa，φ=32°，h=12m，計(jì)算出復(fù)合板巖地層中盾構(gòu)土壓的理論值：Pmax≈0.12MPa，Pmin≈0.08MPa，因此，適合復(fù)合板巖地層的掘進(jìn)土壓值設(shè)定為0.08～0.12MPa。

4 總推力計(jì)算

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)總推力主要由盾殼與地層的摩擦阻力F1、正面阻力F2、管片與盾尾的摩擦阻力F3、變相阻力F4、牽引力F5組成。而影響盾構(gòu)機(jī)總推力的主要是摩擦阻力F1、F3和盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)時(shí)的阻力F2，對(duì)此，計(jì)算公式如下：

式中，L為盾構(gòu)殼體的長(zhǎng)度，取12.5m；m為盾構(gòu)主機(jī)的質(zhì)量，取340t；D為盾體直徑；K為土體的側(cè)壓力系數(shù)，取0.4；f為土與鋼的摩擦系數(shù)，取0.45；H為盾構(gòu)軸線埋深；γ為土體重力密度，取2.51；g為重力加速度；μC為盾殼與管片之間的摩擦因數(shù)，取0.3；mc為每環(huán)管片的質(zhì)量；k為土體的側(cè)壓力系數(shù)。盾構(gòu)機(jī)計(jì)算推力為：

式中，F(xiàn)′為盾構(gòu)機(jī)總推力修正值；F為盾構(gòu)機(jī)推力理論值；λ為修正系數(shù)。

通過(guò)盾構(gòu)機(jī)總推力實(shí)際值與理論值對(duì)比分析：盾構(gòu)機(jī)總推力實(shí)際值比理論值約大40%，提出了適合該地層的影響系數(shù)γ的具體數(shù)值，取1.3～1.5。理論值修正后，實(shí)測(cè)值的變化曲線與修正值的變化曲線比較接近，這表明總推力的修正值能較好地指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)總推力的確定[3]。

5 刀盤扭矩計(jì)算

刀盤在正常工作時(shí)的扭矩曲線如圖2 所示。

圖2 刀盤驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

在盾構(gòu)刀盤切削巖石（土壤）的過(guò)程中，刀盤受刀頭與土體之間的摩擦、地層阻力、混合土體阻力和刀具摩擦阻力產(chǎn)生的影響，是盾構(gòu)刀盤扭矩形成的主要原因。因此，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩由以下部分組成：（1）刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩T1；（2）刀盤背面與壓力艙內(nèi)的土體摩擦阻力扭矩T2；（3）刀盤側(cè)面與土體之間的摩擦阻力扭矩T3；（4）刀具切削土體時(shí)的地層抗力產(chǎn)生的扭矩T4；（5）刀盤攪拌阻力扭矩T5；（6）刀盤主密封摩擦阻力扭矩T6；（7）主軸承摩擦阻力扭矩T7。在實(shí)際傳動(dòng)中，前4 項(xiàng)刀盤扭矩在刀盤總扭矩的占比是95%以上。

刀盤扭矩計(jì)算過(guò)程如下：

式中，k為側(cè)向土壓力系數(shù)；f為刀盤與土體之間的摩擦因數(shù)；γ為土體的重力密度；H為地表到盾構(gòu)機(jī)軸線的垂直距離；η為刀盤開口率；m為刀盤的質(zhì)量；μ為刀盤系數(shù)；D為盾體外徑；ω為刀盤轉(zhuǎn)速；qu為巖土體單軸抗壓強(qiáng)度；K1為與刀盤正面相比刀盤背面摩擦阻力扭矩計(jì)算的調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取K1=0.6～0.8。

采用上述計(jì)算公式，計(jì)算出復(fù)合板巖地層中盾構(gòu)刀盤扭矩理論值，計(jì)算參數(shù)的選取見表3。并對(duì)在復(fù)合板巖中掘進(jìn)時(shí)刀盤扭矩進(jìn)行修正。

表3 刀盤扭矩計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)扭矩計(jì)算為：

式中，λ為修正系數(shù)。

對(duì)比分析刀盤扭矩實(shí)際值和理論值可知：刀盤扭矩的實(shí)際值與理論計(jì)算值有一定的差異。板巖地層中刀盤扭矩的理論值大于實(shí)際值。通過(guò)對(duì)典型盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩理論計(jì)算值與實(shí)際值的比較，提出了適用于地層的影響系數(shù)γ的具體值，取0.6～0.7。理論值修正后，實(shí)測(cè)的刀盤扭矩值與修正值接近，說(shuō)明修正后的刀盤扭矩值能更好地指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)的刀盤扭矩。

6 注漿量及注漿壓力的控制

6.1 每環(huán)注漿數(shù)量的設(shè)定

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，要進(jìn)行同步注漿，及時(shí)填補(bǔ)空隙，減少地面沉降，以此提高襯砌止水的效果。每環(huán)同步注漿量通常按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，L為管片寬度；D為盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑；d為管片外徑；λ為充填系數(shù)。針對(duì)復(fù)合板巖地層，滲透系數(shù)比較大（見表1），因此填充系數(shù)可取值范圍為1.3～1.5。

然而，在實(shí)際施工中，若盾構(gòu)超挖1cm，注漿量將增加10%左右。超挖區(qū)注漿量計(jì)算方法如下：

式中，ξ為計(jì)算系數(shù)；V為盾構(gòu)超挖附加量；R為盾構(gòu)曲線半徑；C為刀盤到盾尾的長(zhǎng)度；D為盾體直徑[4]。

故實(shí)際注漿量Q=λ（Q+V）。經(jīng)計(jì)算，每環(huán)注漿量大約為6m3。

6.2 注漿壓力

在實(shí)際施工過(guò)程中要合理設(shè)置注漿壓力，避免出現(xiàn)管片發(fā)生變形或錯(cuò)臺(tái)、盾尾刷損壞等質(zhì)量事故。復(fù)合板巖地層注漿壓力一般取0.15～0.3MPa。

7 泡沫劑注入量的確定

根據(jù)強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化板巖地層的土層顆粒級(jí)配，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定泡沫添加率為45%，（即切削1m3渣土需注入泡沫450L），在60r/min 的低轉(zhuǎn)速下，泡沫與土體（15kg）在3min 內(nèi)可完全拌和均勻。按照發(fā)泡倍率10，土倉(cāng)內(nèi)土壓力取0.09MPa，可以求得一環(huán)所需的起泡液的體積為45L。

按水、起泡劑的比例分別為97%和3%，配制45L 起泡液需起泡劑的體積為：0.03×45=1.35L。因此，掘進(jìn)一環(huán)所需泡沫劑用量為1.35×46.44=62.7L。其中，46.44 為每環(huán)切削的渣土量。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理制訂盾構(gòu)施工參數(shù)理論值，為今后相似地層地鐵隧道施工提供了一定理論依據(jù)。