土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越灃河掘進(jìn)參數(shù)研究

王亞萍，樊 普，周東方，周新偉

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710024)

0 前 言

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)被應(yīng)用于大多數(shù)城市地鐵修建中，其掘進(jìn)參數(shù)通常需要根據(jù)掘進(jìn)段不同的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件設(shè)置，掘進(jìn)參數(shù)的合理設(shè)置直接影響到隧道工程建設(shè)安全性。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用于在黏土地層隧道中掘進(jìn)，當(dāng)遇到滲透系數(shù)大的富水砂層，特別是穿河段，碴土流塑性差、土層透水性強(qiáng)，掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生噴涌、土倉(cāng)失穩(wěn)、地層變形等現(xiàn)象。因此，在穿越富水砂層、穿河段，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置就尤為重要。趙博劍等[1]采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，分析了深圳地鐵11號(hào)線典型地段不同地層與掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，給出了6種不同地層的參數(shù)控制范圍。蔣昌盛等[2]對(duì)南昌地鐵一號(hào)線贛江以東區(qū)域富水砂層區(qū)，通過(guò)刀盤選型、土壓和施工參數(shù)的合理調(diào)整，解決了砂層中掘進(jìn)速度慢、地表沉降大等問(wèn)題。潘慶明等[3]經(jīng)過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化與分析，得到了盾構(gòu)在硬巖及地層轉(zhuǎn)換時(shí)的參數(shù)的合理范圍。文佳、汪俊等[4-5]分析了掘進(jìn)參數(shù)與掘進(jìn)速度的相關(guān)性，采用多元線性、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了不同地層地質(zhì)條件掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。路平、鄭剛等[6-8]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用模糊統(tǒng)計(jì)、可拓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及數(shù)值模擬的方法評(píng)估了刀盤扭矩、掌子面壓力和注漿壓力等掘進(jìn)參數(shù)與地層沉降的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系，提出了精細(xì)化控制施工的建議。李忠超等[9]研究了軟黏土中地表沉降與盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)關(guān)系，給出了此類地層盾構(gòu)掘進(jìn)的參數(shù)范圍。李承輝、王振飛、楊玉龍等[10-12]采用不同理論計(jì)算方法計(jì)算了泥水盾構(gòu)穿黃河、富水砂卵石地層的掘進(jìn)參數(shù)，驗(yàn)證了方法的合理性，并利用地層沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證掘進(jìn)參數(shù)的合理性。楊永杰等[13]分析了哈爾濱軌道交通2號(hào)線一期工程富水砂層段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，并采用太沙基理論土壓力計(jì)算值驗(yàn)證了土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。張細(xì)寶等[14]提出了南昌地鐵1號(hào)線土壓平衡盾構(gòu)穿撫河段掘進(jìn)參數(shù)的控制范圍。目前的掘進(jìn)參數(shù)研究大多是針對(duì)特殊地質(zhì)條件的研究分析，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿河掘進(jìn)參數(shù)研究較少。

西安地鐵一號(hào)線三期韓非路站～灃河森林公園站區(qū)間下穿灃河，地下水位高，滲透性大，碴土具有明顯的觸變性，與水體無(wú)法固結(jié)，易發(fā)生噴涌、土倉(cāng)失穩(wěn)等現(xiàn)象。因此，為防止發(fā)生噴涌、土倉(cāng)失穩(wěn)，本文對(duì)盾構(gòu)穿灃河段的掘進(jìn)參數(shù)、碴土改良、同步注漿配比進(jìn)行研究，為盾構(gòu)安全順利穿越灃河奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程概況

西安地鐵一號(hào)線三期韓非路站～灃河森林公園站區(qū)間下穿灃河，結(jié)構(gòu)拱頂距灃河河床最小豎向距離為16.6 m。灃河河寬約220 m，河床最低點(diǎn)高程377.74 m，堤岸高程387.62 m，上游堤防采用混凝土鋪筑，河流最大洪水流量1 430 m3/s，河底最低沖刷高程372.52 m。地鐵線路與灃河正交，從世紀(jì)大道灃河橋北側(cè)經(jīng)過(guò)，盾構(gòu)區(qū)間與灃河平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與灃河位置關(guān)系

穿越區(qū)域盾構(gòu)拱頂與地表之間主要為中、粗砂層等透水地層，滲透系數(shù)為40 m/d，可能與河道存在水力聯(lián)系。盾構(gòu)施工過(guò)程中如參數(shù)控制不當(dāng)，可能產(chǎn)生冒頂、河水倒灌、涌水等情況，影響盾構(gòu)施工安全，甚至產(chǎn)生重大安全事故。

2 盾構(gòu)穿越灃河掘進(jìn)參數(shù)控制

結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告可知，隧道地層土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體力學(xué)參數(shù)表

2.1 掘進(jìn)參數(shù)理論計(jì)算

2.1.1土倉(cāng)壓力

平衡壓力的設(shè)定是土壓平衡式盾構(gòu)施工的關(guān)鍵，維持和調(diào)整設(shè)定的土壓力值亦是盾構(gòu)推進(jìn)操作中的重要環(huán)節(jié)，這里面包含著推力、推進(jìn)速度和排土量的三者相互關(guān)系，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)和地層變形量的控制起主導(dǎo)作用。土壓力計(jì)算如下：

Pe1=∑γihi

(1)

公式(1)中：Pe1為盾構(gòu)機(jī)頂部豎向壓力，bar；γi為計(jì)算深度內(nèi)各土層容重，g/cm3；hi為計(jì)算深度內(nèi)各土層厚度，m；水的容重取0.98 t/m3，地下水位穩(wěn)定水位埋深9.0～13.4 m，始發(fā)段盾構(gòu)機(jī)中部到地下水位距離1.2～5.6 m；計(jì)算得到Pe1=2.76 kPa。

考慮盾構(gòu)機(jī)自重引起土體抗力 后，根據(jù)作用力與反作用力關(guān)系，可知盾構(gòu)自重引起土體抗力與盾構(gòu)底部半圓弧內(nèi)的反壓強(qiáng)度在量值上大小相等。在考慮盾構(gòu)自重引起土體抗力 后，盾構(gòu)機(jī)底部豎向土壓力計(jì)算如下：

(2)

qe1=K0Pe1

(3)

qe2=K0Pe2

(4)

公式(2)～(4)中：Pe2為盾構(gòu)機(jī)底部豎向壓力，bar；W為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)重量，t；D為盾構(gòu)機(jī)外徑，mm；L為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長(zhǎng)度，mm； 為盾構(gòu)掘進(jìn)土層中靜止土壓力系數(shù)，K0=1-sinφ，由表1中內(nèi)摩擦角計(jì)算得K0=0.47。

通過(guò)計(jì)算，建議盾構(gòu)在下穿灃河段掘進(jìn)的土倉(cāng)壓力為1.30～1.56 bar，但是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不能將土壓力控制在一個(gè)固定值，因此需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際盾構(gòu)掘進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該數(shù)值進(jìn)行實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.1.2總推力

掘進(jìn)總推力是掘進(jìn)參數(shù)的重要指標(biāo)，總推力取值是否合適，關(guān)系著盾構(gòu)機(jī)能否正常掘進(jìn)，匹配的總推力還有利于刀盤的保護(hù)。選取的總推力計(jì)算如下：

P=F1+F2=μ(P1+P2)L

(5)

2.1.3扭矩

盾構(gòu)掘進(jìn)刀盤扭矩計(jì)算如下：

(6)

公式(6)中：T1為刀盤正面的摩阻力矩，kN·m；T2為刀盤背面的摩阻力矩，kN·m。

將各參數(shù)代入上述公式中，計(jì)算出盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)頂推力施工控制的理論值為3 868～5 667 kN·m。

2.1.4掘進(jìn)速度

盾構(gòu)掘進(jìn)速度主要受進(jìn)、出土速率的影響。當(dāng)進(jìn)出土速率不協(xié)調(diào)時(shí)，極易出現(xiàn)開(kāi)挖面土體失穩(wěn)和地表沉降過(guò)大等不良現(xiàn)象。當(dāng)掘進(jìn)速度較小時(shí)，會(huì)造成倉(cāng)內(nèi)碴土堆積，使倉(cāng)內(nèi)的土壓力增大，產(chǎn)生不利壓差，盾構(gòu)對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行擠壓，開(kāi)挖面處于被動(dòng)受壓狀態(tài)，產(chǎn)生較大的隆起變形，加大了盾構(gòu)對(duì)土體的擾。根據(jù)試驗(yàn)段參數(shù)，正常掘進(jìn)條件下，掘進(jìn)速度應(yīng)設(shè)定為30～40 mm/min；如盾構(gòu)正面遇到障礙物和通過(guò)軟硬不均地層時(shí)，掘進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況降低。

2.1.5刀盤轉(zhuǎn)速

刀盤轉(zhuǎn)速當(dāng)掘進(jìn)速度確定后，主要受刀具貫入度影響。刀盤轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：

N=V/Pe

(7)

公式(7)中：N為刀盤轉(zhuǎn)速，mm/min；V為掘進(jìn)速度，mm/min；Pe為刀具貫入度，mm/rev。刀具貫入度大，則對(duì)地層擾動(dòng)較大，刀具貫入度控制在15 mm/rev以下，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.9～1.5。

2.1.6 同步注漿參數(shù)

(1) 注漿壓力

(8)

將各參數(shù)代入公式(8)中，計(jì)算出盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)注漿壓力施工控制的理論值為0.1～0.2 MPa。

(2) 注漿量計(jì)算

同步注漿量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算見(jiàn)下式：

(9)

公式(9)中：V為環(huán)注漿量，m3；L為環(huán)寬，m；D1為開(kāi)挖直徑，m；D2為管片外徑，m；K為擴(kuò)大系數(shù)取1.2～1.5。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得注漿量V=4.84～6.07 m3。掘進(jìn)期間按照7 m3注入，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等適時(shí)調(diào)整。根據(jù)目前韓森區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)及上述要求，盾構(gòu)下穿灃河各掘進(jìn)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 盾構(gòu)穿灃河段理論計(jì)算掘進(jìn)參數(shù)

2.1.7穿灃河段掘進(jìn)參數(shù)分析

盾構(gòu)施工中使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄相關(guān)的掘進(jìn)參數(shù)，包括盾構(gòu)土倉(cāng)壓力、主推力、刀盤扭矩、掘進(jìn)速度、出土量、注漿量等，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2～7。

圖2 土倉(cāng)壓力

圖3 主推力

圖4 刀盤扭矩

圖5 掘進(jìn)速度

圖6 注漿量

從圖2～7可以看出土倉(cāng)壓力在1.2～1.5 bar，主推力在12 400～16 800 kN，隨著地層地質(zhì)條件的變化調(diào)整；掘進(jìn)速度在40～48 mm/min的小幅度調(diào)整；刀盤扭矩考慮到掘進(jìn)速度、貫入度、地層性質(zhì)，確保高效掘進(jìn)的情況下，實(shí)際在2 400～3 100 kN·m變動(dòng)；注漿壓力為0.2 MPa，在0.2 MPa的注漿壓力下，注漿量基本穩(wěn)定在6.5～6.8 m3，出土量穩(wěn)定在51～52 m3。理論計(jì)算土倉(cāng)上部壓力值為1.3 bar，與實(shí)際基本相符；總推力和刀盤扭矩理論計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值比略偏大，其偏差在合理范圍內(nèi)，其余掘進(jìn)參數(shù)基本與理論計(jì)算相符，驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的可靠性。

2.2碴土改良

考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域地層為粒徑較大且松散的中砂層，因此需要通道碴土改良調(diào)整土倉(cāng)內(nèi)土體達(dá)到一種流塑性流動(dòng)狀態(tài)。泡沫是工程實(shí)踐中常用的改良劑，它的加入可有效減少砂土的內(nèi)摩擦角，提高碴土流塑性。而膨潤(rùn)土泥漿可以迅速補(bǔ)充細(xì)微顆粒含量，改善碴土級(jí)配和和易性，進(jìn)而提高止水性。因此，對(duì)于盾構(gòu)穿河段選用泡沫與膨潤(rùn)土結(jié)合對(duì)碴土進(jìn)行改良。盾構(gòu)掘進(jìn)施工中采用泡沫原液濃度為3%，15倍的發(fā)泡率，泡沫注入率為10%；采用鈉基膨潤(rùn)土泥漿質(zhì)量比為1∶5，最佳膨化時(shí)間為12～20 h，膨潤(rùn)土泥漿與砂土質(zhì)量比為1∶9。采用鈉基膨潤(rùn)土泥漿與泡沫結(jié)合對(duì)砂土進(jìn)行改良后，土的滲透性顯著降低，內(nèi)摩擦角減小，黏聚力增大，施工和易性和流動(dòng)性滿足施工要求。

2.3 盾構(gòu)穿封河段同步注漿控制

下穿灃河段，屬于強(qiáng)透水層，需要提前設(shè)置試驗(yàn)段，對(duì)同步注漿做配合比試驗(yàn)，對(duì)于強(qiáng)透水地層和需要有較高早期強(qiáng)度的地段，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整配比或者加入早強(qiáng)劑的方法縮短凝結(jié)時(shí)間。盾構(gòu)下穿灃河段，同步注漿采用凝結(jié)時(shí)間較短的漿液，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)獲得穿灃河段的同步注漿配比見(jiàn)表3。

表3 同步注漿配比

對(duì)比其與正常掘進(jìn)段同步注漿的配比可以發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)增加膠凝材料水泥，將水泥用量從130 kg/m3調(diào)整至180 kg/m3，縮短漿體的凝結(jié)時(shí)間，滿足穿灃河段高透水性地層同步注漿的需求。

3 掘進(jìn)參數(shù)的驗(yàn)證

試驗(yàn)段掘進(jìn)中并未發(fā)生噴涌事件。根據(jù)試驗(yàn)段，現(xiàn)場(chǎng)布置地表沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中10環(huán)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)和40環(huán)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形的變化規(guī)律見(jiàn)圖8～9。

圖8 10環(huán)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表變形變化規(guī)律

圖9 40環(huán)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表變形變化規(guī)律

由圖8～9可以看出地層變形整體上呈現(xiàn)出“變形緩慢-變形較大-變形穩(wěn)定”的趨勢(shì)，且10環(huán)處最大變形為11.0 mm，40處最大變形為18.6 mm，均未出現(xiàn)預(yù)警。由此可見(jiàn)穿灃河段地層變形值，滿足CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中的要求，因此本文確定的施工參數(shù)及其調(diào)整方案在控制地表變形方面具有較好效果。

4 結(jié) 論

(1) 利用理論計(jì)算土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿河掘進(jìn)參數(shù)控制地層變形，計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)為土倉(cāng)壓力1.30～1.56 bar，主推力17 455～20 424 kN，刀盤扭矩3 868～5 667 kN·m，掘進(jìn)速度30～40 mm/min，注漿壓力0.1～0.2 MPa，注漿量基本穩(wěn)定在6～7 m3，出碴量穩(wěn)定在51～52 m3；通過(guò)對(duì)比實(shí)際掘進(jìn)中參數(shù)的監(jiān)測(cè)值，驗(yàn)證了理論計(jì)算參數(shù)的正確性，形成了一套可用于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿河掘進(jìn)參數(shù)選用的計(jì)算方法，表明該理論計(jì)算方法可用于指導(dǎo)類似地質(zhì)條件下實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)選用。

(2) 對(duì)比正常掘進(jìn)段和穿灃河段的同步注漿配比，可通過(guò)在130～180 kg/m3調(diào)整水泥用量，縮短漿體的凝結(jié)時(shí)間，即可滿足穿灃河段高透水性地層同步注漿的需求。

(3) 試驗(yàn)段掘進(jìn)后，地層變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示最大值為18.6 mm，未達(dá)到預(yù)警值；且掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生噴涌事件，因此盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)滿足施工要求。