TBM掘進(jìn)參數(shù)在不同特性花崗巖中的變化規(guī)律分析

李金明，劉修義

（1.青島市市政公用工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，山東 青島 266000；2.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）在城市軌道交通領(lǐng)域憑借其安全、快速、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用［1］。TBM掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖條件會(huì)對(duì)其掘進(jìn)安全與施工效率產(chǎn)生重要影響，除了前期地質(zhì)勘察所提供的圍巖性質(zhì)外，TBM掘進(jìn)施工參數(shù)也是圍巖性質(zhì)判斷的重要依據(jù)［2-6］。但由于TBM設(shè)備的盾殼、刀盤、刀具與圍巖間存在復(fù)雜的擠壓、摩擦等相互作用，地下圍巖條件不斷變化，因此掘進(jìn)參數(shù)與圍巖性質(zhì)關(guān)系極為復(fù)雜［7］。為確保TBM掘進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)、安全，需要根據(jù)地質(zhì)、水文條件的變化不斷調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)。

宋克志等［8］依托重慶越江排水隧道工程，利用模糊數(shù)學(xué)方法，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與圍巖性質(zhì)的關(guān)系。劉泉聲等［9］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外TBM性能預(yù)測(cè)模型，給出了TBM掘進(jìn)參數(shù)與掘進(jìn)性能之間的關(guān)系。薛亞?wèn)|等［10］依托引漢濟(jì)渭引水隧洞施工數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)切深指數(shù)FPI與地質(zhì)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，建立TBM隧道的圍巖可掘性分級(jí)，并驗(yàn)證利用TBM可掘性分級(jí)方法進(jìn)行掘進(jìn)可以有效降低施工成本和節(jié)約工期。劉修義［11］對(duì)TBM在花崗巖地層施工中的參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了分析，探究了巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、完整性系數(shù)、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等巖體指標(biāo)對(duì)施工參數(shù)的影響。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)與圍巖性質(zhì)關(guān)系開展了大量研究，但是大多針對(duì)于山嶺隧道或施工距離較短等情況，TBM施工穿越的地層環(huán)境較為相近。依托青島地鐵4號(hào)線工程特殊地質(zhì)條件，即內(nèi)海區(qū)間始發(fā)井—?jiǎng)潘扇氛緟^(qū)間含有微風(fēng)化花崗巖、構(gòu)造破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等典型特殊巖層，開展不同特性巖層中的掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律研究。

1 工程概況

青島地鐵4號(hào)線內(nèi)海區(qū)間始發(fā)井—?jiǎng)潘扇氛緟^(qū)間右線線路全長(zhǎng)5 534 m，途中共穿越5個(gè)車站，主要采用雙護(hù)盾TBM施工，刀盤直徑6.3 m。TBM區(qū)間洞身范圍圍巖主要為微風(fēng)化花崗巖，共穿越14條構(gòu)造破碎帶。TBM區(qū)間大里程端存在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖帶，長(zhǎng)度為216.25 m，圍巖等級(jí)Ⅴ～Ⅵ級(jí)，該段地質(zhì)條件復(fù)雜，洞身范圍內(nèi)較難取出原狀巖芯。該工程基巖均為花崗巖，微風(fēng)化表示巖體結(jié)構(gòu)基本未變，僅節(jié)理面有渲染或略有變色，有少量風(fēng)化裂隙，錘擊聲清脆，難擊碎；微風(fēng)化破碎帶表示微風(fēng)化巖體因構(gòu)造活動(dòng)造成發(fā)生拉張性或擠壓性破碎，在斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)、擠壓作用下，使附近的巖石破碎并與多種膠結(jié)形成新的填充物，同時(shí)因應(yīng)力帶的不均勻分布，斷層面附近可能產(chǎn)生派生裂縫，喪失原本的連續(xù)性和完整性，表現(xiàn)為巖體破碎，但單塊巖石強(qiáng)度相對(duì)較高，局部發(fā)育有碎裂巖和糜棱巖等構(gòu)造巖；強(qiáng)風(fēng)化表示巖體結(jié)構(gòu)大部分被破壞，礦物成分變化顯著，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體破碎結(jié)構(gòu)面間距20～200 mm，碎石用手可折斷，用鎬可挖，干鉆不易鉆進(jìn)。因此，結(jié)合工程特點(diǎn)，選取微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖3種不同特性的巖層，并從中選取具有代表性的里程段進(jìn)行分析，涉及的巖層參數(shù)見表1。

表1 巖層參數(shù)

2 不同巖層掘進(jìn)參數(shù)變化

2.1 掘進(jìn)參數(shù)選取

在正常施工中，刀盤轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確設(shè)定，總推力數(shù)值大小雖然受地質(zhì)環(huán)境影響，但可以通過(guò)主推油缸液壓調(diào)整至合理范圍，掘進(jìn)速度和刀盤扭矩是在掘進(jìn)后，受圍巖和渣土作用得到的結(jié)果。

為分析雙護(hù)盾TBM在不同巖層中掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律，選取TBM在微風(fēng)化花崗巖150 m、微風(fēng)化花崗巖破碎帶120 m、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖140 m掘進(jìn)過(guò)程中所記錄的刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、掘進(jìn)速度、總推力4個(gè)參數(shù)，設(shè)備每10 s記錄1組數(shù)據(jù)，去除啟動(dòng)、停機(jī)狀態(tài)非正常數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 刀盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

TBM在3種巖層中的掘進(jìn)刀盤轉(zhuǎn)速變化規(guī)律見圖1，刀盤轉(zhuǎn)速特征值見表2。從圖1、表2可以看出，刀盤轉(zhuǎn)速在微風(fēng)化花崗巖破碎帶中變化快、波動(dòng)范圍大：變化范圍4.57～9.00 r/min，平均值6.65 r/min，數(shù)據(jù)分布均勻。在微風(fēng)化花崗巖中變化慢、波動(dòng)范圍?。鹤兓秶?.95～8.33 r/min，平均值7.90 r/min，主要變化區(qū)間為7.30～8.33 r/min，數(shù)據(jù)主要分布在平均值附近。在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中變化幅度中等、數(shù)值偏?。鹤兓秶?.59～6.03 r/min，平均值2.79r/min。

表2 不同巖層刀盤轉(zhuǎn)速特征值對(duì)比 r/min

圖1 不同巖層刀盤轉(zhuǎn)速變化曲線

2.3 刀盤扭矩變化規(guī)律

TBM在3種巖層中的掘進(jìn)刀盤扭矩變化規(guī)律見圖2，刀盤扭矩特征值見表3。從圖2、表3可以看出，刀盤扭矩在微風(fēng)化花崗巖破碎帶中變化范圍201.42～999.95 kN·m，平均值662.12 kN·m，數(shù)據(jù)分布均勻。在微風(fēng)化花崗巖中波動(dòng)范圍大，整體數(shù)值較大：變化范圍199.99～1 489.58 kN·m，平均值780.52 kN·m。在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定：變化范圍250.55～999.74 kN·m，平均值556.74 kN·m。

表3 不同巖層刀盤扭矩特征值對(duì)比 kN·m

圖2 不同巖層刀盤扭矩變化曲線

2.4 掘進(jìn)速度變化規(guī)律

TBM在3種巖層中的掘進(jìn)速度變化規(guī)律見圖3，掘進(jìn)速度特征值見表4。從圖3、表4可以看出，掘進(jìn)速度在微風(fēng)化花崗巖破碎帶中波動(dòng)范圍大，整體數(shù)值較大：變化范圍16～70 mm/min，平均值44.41 mm/min，數(shù)據(jù)分布均勻。在微風(fēng)化花崗巖中數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，整體數(shù)值較?。鹤兓秶?0～59 mm/min，平均值23.30 mm/min。在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中變化范圍20～70 mm/min，平均值37.22 mm/min。

?

表4 不同巖層掘進(jìn)速度特征值對(duì)比 mm/min

2.5 總推力變化規(guī)律

TBM在3種巖層中掘進(jìn)總推力的變化規(guī)律見圖4，總推力特征值見表5。從圖4、表5可以看出，總推力在破微風(fēng)化花崗巖碎帶中波動(dòng)范圍大，頻率快：變化范圍3 001.68～9 994.04 kN，平均值5 659.80 kN。在微風(fēng)化花崗巖中數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，整體數(shù)值較大：變化范圍7 018.43～11 994.65 kN，平均值10 775.77 kN。在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中分段變化，整體數(shù)值較?。鹤兓秶? 501.07～6 497.39 kN，平均值3 704.63 kN。

圖4 不同巖層總推力變化曲線

表5 不同巖層總推力特征值對(duì)比 kN

3 掘進(jìn)參數(shù)間相關(guān)性分析

分析以上圖表，刀盤扭矩在3種巖層中差異較小，刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度和總推力則隨巖層變化特征變化明顯，考慮到掘進(jìn)速度同時(shí)受刀盤轉(zhuǎn)速、總推力2個(gè)主動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)影響，在分析時(shí)加入貫入度參數(shù)（貫入度=掘進(jìn)速度/刀盤轉(zhuǎn)速），即刀盤每旋轉(zhuǎn)1周的掘進(jìn)距離，以反映總推力對(duì)掘進(jìn)速度的單因素影響。通過(guò)軟件計(jì)算5個(gè)參數(shù)間的Pearson相關(guān)系數(shù)（見表6—表8）。

結(jié)合表6—表8數(shù)據(jù)可知，3種巖層中，5個(gè)參數(shù)間均存在極顯著的相關(guān)性。分析數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)以下特征：

表6 微風(fēng)化花崗巖破碎帶掘進(jìn)參數(shù)Pearson相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

表8 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖掘進(jìn)參數(shù)Pearson相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

（1）刀盤扭矩和掘進(jìn)速度均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，且微風(fēng)化花崗巖中相關(guān)性明顯強(qiáng)于其他巖層，分析原因可能是較快的掘進(jìn)速度造成了較多的石渣量，增加了刀盤旋轉(zhuǎn)的負(fù)載。圍巖越均質(zhì)、穩(wěn)定，圍巖對(duì)扭矩的影響越小，刀盤扭矩和掘進(jìn)速度的相關(guān)性越強(qiáng)。

表7 微風(fēng)化花崗巖掘進(jìn)參數(shù)Pearson相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

（2）刀盤扭矩和總推力表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，且微風(fēng)化花崗巖中相關(guān)性明顯弱于其他巖層，分析原因可能是在破碎帶及強(qiáng)風(fēng)化巖層中，刀具、刀盤與巖面間存在一定的滑動(dòng)摩擦關(guān)系，增加作用力會(huì)增加其摩擦阻力，而在堅(jiān)硬穩(wěn)定圍巖中，主要為滾動(dòng)摩擦。

（3）總推力和刀盤轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，且強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中相關(guān)性明顯強(qiáng)于其他巖層。為保證掘進(jìn)過(guò)程中圍巖穩(wěn)定，軟弱圍巖中總推力和刀盤轉(zhuǎn)速均需嚴(yán)格控制，圍巖越不穩(wěn)定，總推力和刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)值越低，圍巖變穩(wěn)定則2數(shù)值可同時(shí)提升，所以不良地質(zhì)中常見同升同降的情況。

（4）總推力和貫入度呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且微風(fēng)化花崗巖中相關(guān)性明顯弱于其他巖層。原因是即使在同一類巖層中，巖石的力學(xué)特性也在不斷變化，硬巖強(qiáng)度高、完整性好，則較難掘進(jìn)，需要提高總推力來(lái)保持貫入度；而巖石強(qiáng)度低、易破碎，則較易掘進(jìn)，在較低的總推力下即可保持正常的貫入度，這時(shí)反而要降低推力，以求圍巖穩(wěn)定。表中的相關(guān)性僅是對(duì)2個(gè)參數(shù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的分析，未考慮巖石力學(xué)特性持續(xù)變化的復(fù)合影響，所以與相同地質(zhì)條件下的正相關(guān)性并不矛盾。

（5）貫入度和掘進(jìn)速度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，且微風(fēng)化花崗巖中相關(guān)性明顯強(qiáng)于其他巖層，達(dá)到0.996。由于貫入度本就是掘進(jìn)速度的一個(gè)乘數(shù)，相關(guān)性的差異反映了刀盤轉(zhuǎn)速的變化特征，微風(fēng)化花崗巖轉(zhuǎn)速最穩(wěn)定，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖轉(zhuǎn)速波動(dòng)比率更大。

在施工過(guò)程中，刀盤扭矩屬于被動(dòng)參數(shù)，需要注意的是，當(dāng)?shù)侗P扭矩出現(xiàn)較大或頻繁波動(dòng)時(shí)，刀盤前方渣土量或者接觸面巖體特性可能產(chǎn)生的變化，具有一定的示警性。

4 部分掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)性回歸擬合

在實(shí)際施工中，掘進(jìn)速度是關(guān)注度較高的參數(shù)，根據(jù)以上分析，總推力、刀盤扭矩和掘進(jìn)速度相關(guān)性較強(qiáng)，故選用總推力（TF）、刀盤扭矩（T）、掘進(jìn)速度（PR）進(jìn)行回歸擬合分析，針對(duì)3種巖層統(tǒng)計(jì)不同線性模型擬合的R2值結(jié)果見表9。

表9 針對(duì)3種巖層統(tǒng)計(jì)不同線性模型擬合的R2值結(jié)果

對(duì)比各模型R2值，原則上選取最大的R2值以確保線性擬合匹配度更高，由于二次函數(shù)模型與三次函數(shù)模型R2值差距極小，為便于參考、使用，除微風(fēng)化花崗巖的T與PR關(guān)系采用冪函數(shù)模型外，其余均采用二次函數(shù)模型，關(guān)系曲線見圖5—圖10。由此得出3種不同特性巖層中，掘進(jìn)速度（PR）隨總推力（TF）的變化關(guān)系（關(guān)系式見圖5—圖7），以及掘進(jìn)速度（PR）隨刀盤扭矩（T）的變化關(guān)系（關(guān)系式見圖8—圖10）。

圖5 微風(fēng)化花崗巖破碎帶TF與PR關(guān)系

圖7 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖TF與PR關(guān)系

圖8 微風(fēng)化花崗巖破碎帶T與PR關(guān)系

圖10 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖T與PR關(guān)系

整合3種巖層中掘進(jìn)速度（PR）隨總推力（TF）的變化擬合曲線見圖11，掘進(jìn)速度（PR）隨刀盤扭矩（T）的變化擬合曲線見圖12，匯總關(guān)系式見表10、表11。

表10 掘進(jìn)速度（PR）隨總推力（TF）變化關(guān)系式匯總

表11 掘進(jìn)速度（PR）隨刀盤扭矩（T）變化關(guān)系式匯總

分析圖11可知，在正常施工的參數(shù)變化范圍內(nèi)，在相同總推力下，TBM在微風(fēng)化花崗巖破碎帶的掘進(jìn)速度更高，且受總推力影響最大；在微風(fēng)化花崗巖中，掘進(jìn)速度總體偏小，總推力影響最小，變化平穩(wěn)。

圖6 微風(fēng)化花崗巖TF與PR關(guān)系

圖11 TF與PR變化擬合曲線整合

分析圖12可知，在正常施工的參數(shù)變化范圍內(nèi)，相同的刀盤扭矩下，TBM在微風(fēng)化花崗巖破碎帶的掘進(jìn)速度更高，在微風(fēng)化花崗巖中掘進(jìn)速度最??；在3種巖層中，掘進(jìn)速度和刀盤扭矩均表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖9 微風(fēng)化花崗巖T與PR關(guān)系

圖12 T與PR變化擬合曲線整合

對(duì)比掘進(jìn)速度隨總推力和刀盤扭矩2種參數(shù)變化曲線的R2值可知，在微風(fēng)化花崗巖破碎帶中，總推力對(duì)掘進(jìn)速度的影響明顯；而在微風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖2種相對(duì)均質(zhì)的巖層中，刀盤扭矩對(duì)掘進(jìn)速度的影響明顯強(qiáng)于總推力。

5 結(jié)論

依托青島地鐵4號(hào)線內(nèi)海區(qū)間始發(fā)井—?jiǎng)潘扇氛竟こ蹋骄縏BM在不同特性花崗巖掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）在微風(fēng)化花崗巖破碎帶掘進(jìn)的參數(shù)變化頻率最大，掘進(jìn)速度最快（變化范圍16～70 mm/min，平均值44.41 mm/min）；在微風(fēng)化花崗巖掘進(jìn)的參數(shù)較為穩(wěn)定，刀盤轉(zhuǎn)速最快，刀盤扭矩和掘進(jìn)速度表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性；在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖掘進(jìn)的變化幅度與頻率均較大，因?yàn)閲鷰r強(qiáng)度較低，其轉(zhuǎn)速、總推力與扭矩?cái)?shù)值最低，總推力和刀盤轉(zhuǎn)速的正相關(guān)性最高。

（2）選取相關(guān)性較強(qiáng)的掘進(jìn)速度與總推力、刀盤扭矩進(jìn)行回歸擬合分析，其中微風(fēng)化花崗巖的掘進(jìn)速度與總推力、刀盤扭矩的相關(guān)性較強(qiáng)，微風(fēng)化花崗巖破碎帶的掘進(jìn)速度與總推力、刀盤扭矩則相關(guān)性較弱，研究成果可為地質(zhì)條件相似工程的TBM掘進(jìn)速度控制提供一些參考。