富水砂黏地層盾構(gòu)掘進參數(shù)與地層相關(guān)性研究

曹云飛，王旭春，韓 旭，吳文瑞，洪 勇

（青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，居民出行頻率大幅增漲，為了應(yīng)對日益增長的交通量和人流密度對地面交通所造成的壓力，國內(nèi)較多城市開始興建地鐵，例如：西安、長沙、濟南、青島等。盾構(gòu)法由于施工作業(yè)面小，且對地面交通影響較小，因而被廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道施工。但盾構(gòu)機在施工過程中，掘進參數(shù)會受到城市地質(zhì)、水文等條件的限制，因此通過設(shè)置與地層相對應(yīng)的掘進參數(shù)很有必要。

目前國內(nèi)外關(guān)于掘進參數(shù)與地層的相關(guān)性研究已經(jīng)取得了一些進展。張細寶等[1]利用現(xiàn)場掘進參數(shù)與理論公式分析相結(jié)合的方法，研究了盾構(gòu)穿河前后掘進參數(shù)的主要影響因素。張瑩等[2]基于現(xiàn)場盾構(gòu)實際采樣數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)工作參數(shù)進行了“歸一化”處理，提出了利用掘進參數(shù)識別地質(zhì)特性的方法。楊旸等[3]通過對富水圓礫地層與圓礫泥巖復(fù)合地層掘進參數(shù)對比分析，得出了與地層相應(yīng)的掘進參數(shù)變化規(guī)律。李明陽等[4]基于Terzaghi松動土壓力與 CSM 模型，對軟硬交互地層盾構(gòu)掘進參數(shù)進行了模擬與預(yù)測。趙博劍等[5]采用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了5種掘進參數(shù)與6種主要地層的相關(guān)性。楊懷遠[6]利用地質(zhì)特征組段劃分的方法，分析了不同組段下掘進參數(shù)與地層的相關(guān)性。張志強等[7]基于TBM掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，對破碎帶圍巖穩(wěn)定性進行了分析。于云龍等[8]通過對盾構(gòu)掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，分析了砂黏復(fù)合地層掘進參數(shù)的變化規(guī)律?？傊壳把芯慷嗥蛴谠季蜻M參數(shù)與地層之間的相關(guān)性，且對于掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換與地層的相關(guān)性研究，考慮地下水影響的較少。

因此，本文依托青島地鐵4號線沙子口站至嶗山六中站區(qū)間，通過對復(fù)合比計算公式的改進以及掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，得到了陸域段與河域段掘進參數(shù)與復(fù)合比的關(guān)系。

1 工程概況

青島地鐵4號線沙子口站至嶗山六中站區(qū)間，采用土壓平衡盾構(gòu)機施工，左線隧道長1 112.485 m，右線隧道長 1 114.920 m，左、右線隧道線間距為12～14 m，隧道最小平面曲線半徑為450 m，最大縱坡18.485‰，拱頂埋深約7.0～17.2 m。盾構(gòu)機的開挖直徑為6 250 mm，管片外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，環(huán)寬1 500 mm。本文以沙嶗區(qū)間右線盾構(gòu)隧道為工程依托，通過青島地鐵盾構(gòu)施工管理信息系統(tǒng)獲取 0～160環(huán)的掘進參數(shù)，由于右線掘進至160環(huán)時，左線還未始發(fā)，因此不考慮左線盾構(gòu)掘進對右線地層的擾動。右線隧道在 0～160環(huán)洞身范圍內(nèi)主要為中粗砂與粉質(zhì)黏土的復(fù)合地層，并在70～160環(huán)側(cè)穿南九水河，因此該復(fù)合地層含水量豐富，0～160環(huán)隧道縱斷面圖如圖1所示。

圖1 0～160環(huán)隧道縱斷面圖Fig.1 Diagram of longitudinal section of 0-160 ring tunnel

本區(qū)段地層中，中粗砂與粉質(zhì)黏土的物理、力學(xué)性質(zhì)差異較大，因此盾構(gòu)機在本區(qū)段掘進時，所對應(yīng)的掘進參數(shù)會存在明顯差別。穿越地層的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 穿越地層的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical property indices of traversing strata

當(dāng)復(fù)合地層在開挖面范圍內(nèi)沿地層分界線均勻分布時，復(fù)合比通常采用某一層占開挖面的面積比或高度比進行計算[8-10]。而對于本區(qū)間來說，沿隧道縱向砂層與粉質(zhì)黏土層所占的比例在持續(xù)變化，若復(fù)合比采用上述方法，則計算結(jié)果會與實際地層產(chǎn)生較大偏差。

因此為了更好的反應(yīng)本區(qū)間復(fù)合地層沿隧道縱向的變化規(guī)律，本文將復(fù)合比定義為沿隧道縱向每一環(huán)開挖面積中黏土所占的比例。計算公式如下：

式中：f為復(fù)合比；S1為黏土所占的面積；S為縱斷面圖中每一環(huán)所對應(yīng)的開挖面積。

2 掘進參數(shù)的選取與二次轉(zhuǎn)化

2.1 掘進參數(shù)的選取

盾構(gòu)機在正常掘進階段，掘進參數(shù)會受到地層變化的影響，且各掘進參數(shù)之間還存在著復(fù)雜的關(guān)系。因此為了研究方便，本文選取正常狀態(tài)下每一環(huán)掘進參數(shù)的平均值作為該環(huán)的代表值[11]。由于沙嶗區(qū)間始發(fā)段采用高壓旋噴加固地層的方法，加固長度為沿線路縱向12 m，為了消除加固區(qū)對掘進參數(shù)的影響，舍棄前 16環(huán)的掘進數(shù)據(jù)。最終本文采用兩個掘進段進行分析，即 16～70環(huán)所對應(yīng)的陸域段以及71～160環(huán)所對應(yīng)的河域段。

2.2 掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換

盾構(gòu)機在砂黏復(fù)合地層掘進時，受地質(zhì)條件不斷變化的影響，推力、扭矩與單一地層相比波動較大[12]。且推力、扭矩、貫入度（即掘進速度/刀盤轉(zhuǎn)速）是地層與盾構(gòu)機聯(lián)系的重要參數(shù)，而推力、扭矩又與掘進速度和刀盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此為了更好的研究推力、扭矩與地層復(fù)合比之間的關(guān)系，需要將推力、扭矩進行二次轉(zhuǎn)換，即引入比推力與比扭矩，以此來消除掘進速度與刀盤轉(zhuǎn)速對推力與扭矩的影響[2,8,13]，計算公式如下：

3 掘進參數(shù)分析

3.1 貫入度

貫入度作為研究比推力、比扭矩的重要參數(shù)，因此需要首先分析，貫入度與復(fù)合比的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 貫入度與復(fù)合比的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between penetration degree and compound ratio

由圖2（a）可得，陸域段貫入度與復(fù)合比曲線的變化趨勢相同，如 16～47環(huán)復(fù)合比變化曲線呈上升趨勢，變化范圍為57.5%～78.6%，貫入度變化曲線也為上升趨勢，變化范圍為21.1～81.0 mm/r；48～70環(huán)復(fù)合比變化曲線呈下降趨勢，變化范圍為77.3%～33.2%，貫入度變化曲線也為下降趨勢，變化范圍為58.9～33.8 mm/r?？赡茉斐傻脑驗椋河捎诜圪|(zhì)黏土較中粗砂層來說較軟，因此當(dāng)復(fù)合比較高時，即粉質(zhì)黏土所占的比例較高時，盾構(gòu)掘進速度相對較快，導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤貫入度較高，即陸域段刀盤貫入度與地層復(fù)合比呈正相關(guān)。

由圖2（b）可得，河域段的刀盤貫入度變化幅度較小，沒有明顯的變化趨勢，且大部分控制在40～60 mm/r之間?？赡茉斐傻脑驗椋捎谀暇潘优c海水相連，河道底標(biāo)高約0.3～0.6 m，滿潮時水位標(biāo)高為 2.2 m，河道為自然河床，隧道拱頂距離河底的垂直距離約為 7.5 m，因此施工難度較大。為了保證盾構(gòu)機的正常掘進，現(xiàn)場對盾構(gòu)機的掘進速度進行了控制，導(dǎo)致刀盤貫入度穩(wěn)定在一定范圍。

3.2 推力

盾構(gòu)機總推力主要由盾尾與管片襯砌間的摩擦力F1、正面阻力F2、盾殼側(cè)面與地層間的摩擦力F3、轉(zhuǎn)向阻力F4、貫入阻力F5、后配套牽引力F6組成，且主要受到掘進時正面阻力F2的影響，導(dǎo)致推力產(chǎn)生一定的變化。盾構(gòu)機掘進時的正面阻力F2由切削巖土體的阻力F21與倉壓阻力F22組成，計算公式如下[1]：

式中：n為滾刀安裝的數(shù)量；Kd為巖石的滾壓系數(shù)；qu為巖土體的抗壓強度；ri為滾刀的刃角半徑；θi為滾刀半刃角；φ為巖石自然破碎角；r為滾刀半徑；λ為貫入度；D為盾構(gòu)機外徑；ps為土倉壓力。

由于巖土體的抗壓強度qu是影響切削巖土體阻力F21的主要因素[14]，土倉壓力ps是影響倉壓阻力F22的主要因素，因此地層類型與隧道埋深是影響正面阻力F2的主要因素。

3.3 扭矩

盾構(gòu)機的刀盤扭矩主要由5部分組成，分別為刀盤正面與地層間的摩擦力T1、土倉內(nèi)土體與刀盤背面間的摩擦力T2、刀盤側(cè)面與地層間的摩擦力T3、刀具切削土體時地層產(chǎn)生的抗力T4、攪拌棒阻力T5，且引起扭矩發(fā)生變化的主要因素為T1與T4，兩者的計算公式如下：

式中：K為側(cè)向土壓力系數(shù)；f為刀盤與地層之間的摩擦系數(shù)；γ為重度；H為盾構(gòu)機軸線至地面的垂直距離；η為刀盤的開口率；D為盾構(gòu)機外徑；λ為貫入度；qu為巖土體抗壓強度。

由于H為T1產(chǎn)生變化的主要影響因素，λ與qu是T4產(chǎn)生變化的主要影響因素，因此地層類型與隧道埋深也是刀盤扭矩產(chǎn)生變化的主要影響因素。

3.4 陸域段比推力、比扭矩

在不考慮地下水影響的條件下，對于砂黏復(fù)合地層來說，復(fù)合比與比推力、比扭矩之間的關(guān)系為反相關(guān)，即復(fù)合比越小則地層越硬，比推力與比扭矩越大[8]。對于本區(qū)段所研究的富水砂黏復(fù)合地層來說，復(fù)合比變化曲線與比推力、比扭矩的關(guān)系也為反相關(guān)。陸域段所對應(yīng)的比推力、比扭矩與復(fù)合比的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 陸域段掘進參數(shù)與復(fù)合比的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between tunneling parameters and compound ratio in land section

由圖3（a）、3（b）可得，16～47環(huán)復(fù)合比變化曲線呈上升趨勢，變化范圍為57.5%～78.6%，而比推力與比矩具有明顯的下降趨勢，變化范圍分別為 333.1～129.6 kN/mm 與 51.9～12.5 kN·m/mm；48～70環(huán)復(fù)合比變化曲線呈下降趨勢，變化范圍為77.3%～33.2%，但比推力與比扭矩具有明顯的上升趨勢，變化范圍分別為 219.6～411.6 kN/mm 與20.1～47.3 kN?m/mm。

根據(jù)式（4）～（5）可得，陸域段隧道埋深變化較?。s為0.6 m），因此可以忽略F22，即造成推力產(chǎn)生變化的主要原因為切削巖土體的阻力F21，且F21與巖土體抗壓強度qu呈正相關(guān)。受本區(qū)段地層富含地下水的影響，中粗砂相對于粉質(zhì)黏土來說，強度較大且硬度較高，即中粗砂的qu比粉質(zhì)黏土層高，因此當(dāng)?shù)貙拥膹?fù)合比較高時，中粗砂層所占的比例越小，導(dǎo)致開挖面整體的qu較小，即qu與復(fù)合比呈反相關(guān)，因此F21與復(fù)合比也呈反相關(guān)。但由于陸域段刀盤貫入度與地層復(fù)合比呈正相關(guān)，因此陸域段比推力與地層復(fù)合比呈反相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)式（6）～（7）可得，由于陸域段隧道埋深變化較小，因此可忽略T1的影響，且根據(jù)比扭矩的定義可得，T4中的貫入度可與比扭矩定義中的貫入度相互抵消，因此只考慮qu對刀盤扭矩的影響，且qu與刀盤扭矩呈正相關(guān)。又由上文可得，qu與復(fù)合比呈反相關(guān)，因此比扭矩與復(fù)合比之間也為反相關(guān)。

3.5 河域段比推力、比扭矩

河域段所對應(yīng)的掘進環(huán)號范圍為71～160環(huán)，并位于南九水河道下方，因此地層含水量更豐富，導(dǎo)致掘進參數(shù)與地層復(fù)合比變化曲線關(guān)系與陸域段相比有所不同。河域段掘進參數(shù)與復(fù)合比的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 河域段掘進參數(shù)與復(fù)合比的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between tunneling parameters and compound ratio in river section

由圖 4（a）、4（b）可知，河域段的比推力、比扭矩的變化趨勢與陸域段相比，較不明顯，因此河域段采用平均值作為參考對象。如 71～92環(huán)復(fù)合比變化曲線呈下降趨勢，變化范圍為 31.9%～25.4%，比推力平均值為298.9 kN/mm，比扭矩平均值為26.5 kN?m/mm；93～118環(huán)復(fù)合比變化曲線呈上升趨勢，變化范圍為25.5%～76.9%，比推力平均值為205.1 kN/mm，比扭矩平均值為22.1 kN?m/mm；因此可以得出，93～118環(huán)的掘進參數(shù)均小于71～92環(huán)，且比推力、比扭矩與復(fù)合比變化曲線大致呈反相關(guān)。119～160環(huán)，復(fù)合比變化趨勢為先降低后升高再降低，復(fù)合比變化范圍為55.7%～97.3%，比推力、比扭矩沒有明顯的變化趨勢，而是穩(wěn)定在一定范圍，比推力控制在109.6～234.9 kN/mm之間，比扭矩控制在14.0～26.5 kN?m/mm之間。

可能造成71～118環(huán)掘進參數(shù)與復(fù)合比關(guān)系的原因為：由于河域段的貫入度控制在一定范圍，因此比推力與比扭矩的變化幅度與貫入度的關(guān)系較弱，可以忽略。71～118環(huán)受隧道埋深下降較大的影響（約為2.3 m），ps不斷減小，導(dǎo)致F22不斷減小。而根據(jù)陸域段的經(jīng)驗可得，F(xiàn)21與復(fù)合比呈反相關(guān)，因此當(dāng)復(fù)合比呈上升趨勢時，F(xiàn)21與F22均減小，當(dāng)復(fù)合比呈下降趨勢時，F(xiàn)21增加，F(xiàn)22減小，由此就導(dǎo)致河域段的比推力隨復(fù)合比的變化趨勢不太明顯，但大致復(fù)合比關(guān)系曲線呈反相關(guān)關(guān)系。對于比扭矩來說，由式（6）～（7）可得，T1與H呈正相關(guān)，T4與λ、qu呈正相關(guān)，但由于忽略了貫入度的影響，因此只考慮H對T1、qu對T4的影響，即復(fù)合比增大時，T1與T4均減?。粡?fù)合比減小時，T1減小，T4增大。因此刀盤扭矩的變化趨勢也不太明顯，但大致復(fù)合比關(guān)系曲線呈反相關(guān)關(guān)系。

可能造成 119～160環(huán)掘進參數(shù)與復(fù)合比關(guān)系的原因為：（1）該區(qū)段的隧道埋深很小且變化較小，導(dǎo)致比推力與比扭矩數(shù)值較小，因此變化趨勢不明顯；（2）由于已到達河床最低處，因此地層的含水量更加豐富，導(dǎo)致土體的性質(zhì)變差，對掘進參數(shù)的影響程度減弱。

4 掘進效率評價

通過對本區(qū)間陸域段與河域段所對應(yīng)的貫入度與掘進速度進行統(tǒng)計，可以得到盾構(gòu)機在本區(qū)間的掘進效率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 盾構(gòu)掘進效率表Table 2 Shield tunneling efficiency table

由表2可得，盾構(gòu)機在陸域段的貫入度均值與掘進速度均值較高，分別為51.0 mm/r和58.9 mm/min，在71～118環(huán)所對應(yīng)的河域段，貫入度均值與掘進速度均值也較高，分別為50.7 mm/r和57.6 mm/min，且在119～160環(huán)所對應(yīng)的河域段，貫入度均值與掘進速度均值最高，分別為52.6 mm/r和59.2 mm/min。因此，通過復(fù)合比的變化趨勢來調(diào)整比推力、比扭矩，可以使盾構(gòu)機保持較高的掘進效率。

5 結(jié) 論

（1）對于沿隧道縱向砂層與粉質(zhì)黏土層所占的比例在持續(xù)變化的復(fù)合地層來說，采用沿隧道縱向每一環(huán)開挖面積中黏土所占的比例來計算復(fù)合比是合理的。

（2）對于富水砂黏復(fù)合地層來說，可利用復(fù)合比的變化趨勢來調(diào)整比推力、比扭矩。

（3）對于陸域段的富水砂黏地層來說，比推力、比扭矩與地層復(fù)合比變化曲線之間關(guān)系為反相關(guān)，且復(fù)合比范圍在33.2%～78.6%時，比推力控制在129.6～411.6 kN/mm之間，比扭矩控制在12.5～51.9 kN?m/mm之間。

（4）對于未穿越至河床最低點的河域段富水砂黏地層來說，比推力、比扭矩與地層復(fù)合比變化曲線之間關(guān)系大致呈反相關(guān)，且當(dāng)復(fù)合比范圍在25.4%～76.9%時，比推力控制在 125.0～380.1 kN/mm 之間，比扭矩控制在 14.5～40.8 kN?m/mm之間；當(dāng)開始穿越河床最低區(qū)段，且復(fù)合比范圍在 55.7%～97.3%時，比推力控制在109.6～234.9 kN/mm 之間，比扭矩控制在 14.0～26.5 kN?m/mm之間。