上軟下硬復(fù)合地層土壓盾構(gòu)掘進參數(shù)演化規(guī)律分析

李經(jīng)緯

（南京龍鈺建筑工程有限公司，江蘇 南京 211299）

1 前言

隨著地下工程的快速發(fā)展，國內(nèi)諸多城市開始興建地鐵，盾構(gòu)法作為地鐵隧道施工方法的一種，因其受氣候條件的影響小、對地面及地下環(huán)境影響小、掘進效率高、自動化程度高等特點而被廣泛運用。但在盾構(gòu)掘進施工過程中采用不恰當(dāng)?shù)木蜻M參數(shù)極易導(dǎo)致盾構(gòu)掌子面失穩(wěn)破壞、地層沉陷、盾構(gòu)偏差過大、姿態(tài)控制難度大等問題。因此，為保證土壓盾構(gòu)施工期間的安全，探究掘進參數(shù)之間的相關(guān)性對掘進參數(shù)控制顯得尤為重要。

近年來，已經(jīng)有許多的學(xué)者對盾構(gòu)在復(fù)合地層施工時掘進參數(shù)的演化規(guī)律及參數(shù)關(guān)聯(lián)性展開了研究，其中趙博劍等依托深圳地鐵11號線（公廟站～紅樹灣站）工程，分析了在復(fù)合地層掘進時5種主要盾構(gòu)掘進參數(shù)與不同地層間的相關(guān)性；沈翔等采用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了復(fù)雜地層條件時的盾構(gòu)掘進參數(shù)控制技術(shù)及其變化規(guī)律；徐汪豪等依托北京清華園隧道，分析了盾構(gòu)在不同地層掘進時主要掘進參數(shù)的變化規(guī)律及波動情況；李琨等采用多元線性回歸和隨機森林的方法對6個主要掘進參數(shù)的相關(guān)性進行了定量分析并建立預(yù)測模型。

通過盾構(gòu)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析上軟下硬復(fù)合地層中主要掘進參數(shù)的變化規(guī)律，接著采用曲線擬合方法，得出各項掘進參數(shù)的變化規(guī)律及其之間相互關(guān)聯(lián)性，對提升盾構(gòu)掘進效率和保障施工安全具有重要作用，能夠為類似工程施工過程中掘進參數(shù)調(diào)整與控制提供參考。

2 工程背景

該區(qū)間隧道正線采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間左線長804.395m，右線長815.196m，線間距14～17m，隧道頂埋深9.9～17.5m。盾構(gòu)掘進過程區(qū)間隧道穿越土層主要為礫砂、中砂、粗砂等，部分區(qū)域穿越中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，同一開挖斷面存在上下軟硬不均的現(xiàn)象，因此盾構(gòu)進入和離開中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)段均存在上軟下硬的現(xiàn)象，穿越此種地層時盾構(gòu)姿態(tài)的控制是難點，且掘進參數(shù)設(shè)置不當(dāng)不利于有效控制盾構(gòu)姿態(tài)。

3 掘進參數(shù)分析

對區(qū)間隧道內(nèi)左線0～210環(huán)的盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)進行分析，盾構(gòu)在區(qū)段內(nèi)掘進時地層為上軟下硬復(fù)合地層，其中1～50號環(huán)管片區(qū)間內(nèi)為沖擊砂礫-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（用Ⅰ區(qū)表征），50～90號管片區(qū)間內(nèi)為沖擊砂礫-強風(fēng)化-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（用Ⅱ區(qū)表征），90～150號管片區(qū)間內(nèi)為沖擊砂礫-強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（Ⅲ區(qū)），150～210號管片區(qū)間內(nèi)為全斷面沖擊砂礫地層（Ⅳ區(qū)）。

3.1 盾構(gòu)總推力

對所研究地層內(nèi)各環(huán)盾構(gòu)總推力進行統(tǒng)計分析，得到不同地層下總推力變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)總推力變化曲線圖

由圖1可知，盾構(gòu)在沖擊砂礫-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)段掘進時，此區(qū)段內(nèi)盾構(gòu)總推力在7100～13700kN之間波動，經(jīng)計算此區(qū)段的平均總推力為11011.4kN；當(dāng)盾構(gòu)在沖擊砂礫-強風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)段掘進時，盾構(gòu)總推力在11300～13500kN之間波動，經(jīng)計算得此區(qū)段的平均推力為12226.5kN；盾構(gòu)在沖擊砂礫-強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)段掘進時，盾構(gòu)總推力在11200～12900kN之間波動，經(jīng)計算得此區(qū)段的平均推力為11852.2kN；盾構(gòu)在沖擊砂礫-強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)段掘進時盾構(gòu)總推力在10100～12700kN之間波動，經(jīng)計算得此區(qū)段的平均推力為11805.4kN。

根據(jù)上述分析可知，盾構(gòu)在不同地層中掘進時總推力平均值差異不大，均處于為10000～13000kN之間；但是在沖擊砂礫-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中總推力的波動性最大，最小值為7100kN，最大值為僅為其他地層條件下總推力最小值的左右，最大值達到13700kN，最小值僅為最大值的52%?？梢姸軜?gòu)在復(fù)合地層掘進時，兩種巖層的強度差異越大，盾構(gòu)總推力越不易控制。

3.2 刀盤扭矩

對所研究地層內(nèi)各環(huán)盾構(gòu)刀盤扭矩進行統(tǒng)計分析，得到不同地層下刀盤扭矩變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 各地層刀盤扭矩變化曲線圖

從各地層刀盤扭矩變化曲線圖可以看出，刀盤扭矩大小整體呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，盾構(gòu)掘進到?jīng)_擊沙礫-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖刀盤扭矩發(fā)生劇烈的波動，波動范圍為2100～3200kN·m。在全斷面沖擊沙礫掘進時刀盤扭矩的值最小，其均值為2371.6kN·m。在不同的復(fù)合地層掘進時刀盤扭矩值相差不大，其均值為2637.1kN·m。這是因為盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進時，如沖擊沙礫-強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，從圖中可以清晰的看到盾構(gòu)在沖擊沙礫-強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖掘進時，刀盤扭矩的大小呈現(xiàn)一個逐漸下降的趨勢，這表明隨著硬巖（強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖）范圍的減小，刀盤受到的阻力越來越小，刀盤扭矩也相應(yīng)的減小。

3.3 盾構(gòu)掘進速度

對所研究地層內(nèi)各環(huán)盾構(gòu)掘進速度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到不同地層下掘進速度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 各地層掘進速度變化曲線圖

從各地層掘進速度變化曲線圖可以看出，盾構(gòu)機在全斷面沖擊砂礫地層掘進速度最快，其平均速度達到了39.76mm/min，且盾構(gòu)機在各個地層中的掘進速度變化呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，由復(fù)合地層向沖擊砂礫地層過渡后，掘進速度開始顯著上升，分析其原因為：在上軟下硬復(fù)合地層中刀具和軟硬不均巖面作周期性碰撞，造成刀盤振動、刀具磕損，為了保護刀盤和刀具，掘進速度應(yīng)該要有所降低。盾構(gòu)掘進到?jīng)_擊砂礫地層時，沖擊砂礫的巖石強度要低于強中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，相同推力的情況下，沖擊砂礫的貫入速率大于復(fù)合地層的貫入速率且刀盤受到的阻力較小，從而導(dǎo)致了掘進速度的提高。

4 掘進參數(shù)分布情況分析

4.1 盾構(gòu)總推力與扭矩

將各地層的盾構(gòu)總推力、扭矩的數(shù)據(jù)點進行整理，不同地層下分布情況得到如圖4所示的散點圖。

圖4 各地層盾構(gòu)總推力-扭矩的分布散點圖

以推力和扭矩在不同地層下波動范圍的中心值為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的第一象限為低推力高扭矩組合，第二象限為高推力高扭矩組合，第三象限為低推力低扭矩組合，第四象限為高推力低扭矩組合。從圖4中可以清晰的看到，復(fù)合地層（Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)，III區(qū)）推力與扭矩的散點主要集中在右上角，全斷面沖擊砂礫地層（Ⅳ區(qū)）推力與扭矩的散點主要集中在右下角。右上角代表的時高扭矩高推力組合，右下角代表的是低扭矩高推力組合。這表明盾構(gòu)在復(fù)合地層掘進時掘進參數(shù)的選取應(yīng)為高推力高扭矩組合，在全斷面沖擊沙礫地層中應(yīng)選用高推力低扭矩組合。

4.2 盾構(gòu)總推力與掘進速度

將各地層的盾構(gòu)總推力、掘進速度的數(shù)據(jù)點進行整理，不同地層下分布情況得到如圖5所示的散點圖。

圖5 各地層盾構(gòu)總推力-掘進速度的分布散點圖

從圖5中可以清晰的看到，盾構(gòu)在沖擊沙礫-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖掘進時的推力和掘進速度散點圖較為分散，在Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)掘進時推力和掘進速度散點圖較為集中，主要分布在第二第四象限。

5 結(jié)語

以南昌軌道交通4號線某區(qū)間隧道為工程依托，對盾構(gòu)掘進過程中機器參數(shù)的發(fā)展及其之間的相關(guān)性進行研究，得到結(jié)論如下。

（1）掘進參數(shù)的穩(wěn)定性受巖體均勻性和巖體強度均勻性的影響，巖體強度越均勻，盾構(gòu)的總推力、扭矩和掘進速度越穩(wěn)定。而盾構(gòu)總推力、扭矩以及掘進速度在沖擊沙礫-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中最不穩(wěn)定。

（2）復(fù)合地層中掘進時刀盤扭矩會隨著掌子面上硬巖范圍的增大而增大，且掘進地層中硬巖強度越大，刀盤扭矩也隨之增大。

（3）盾構(gòu)在上軟下硬復(fù)合地層中掘進時，掘進參數(shù)有以下特點：沖擊沙礫地層土層松軟、強度較低，掘進時所需盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩較小，盾構(gòu)掘進速度大。在上軟下硬復(fù)合地層中斷面上下地層強度變化大，總推力及刀盤扭矩需求大，掘進速度偏慢。