盾構施工控制對刀盤扭矩及地表沉降影響試驗研究

黃大維，石海斌,3，徐長節(jié)，羅文俊，熊 昊，李 雪

(1.華東交通大學 軌道交通基礎設施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013；2.華東交通大學 江西省防災減災及應急管理重點實驗，江西 南昌 330013；3.蘇州軌道交通集團有限公司，江蘇 蘇州 215004；4.深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518000；5.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500)

盾構渣土輸出控制是盾構掘進施工過程中的關鍵控制參數(shù)之一，渣土輸出過快，將導致土艙飽滿度過小；反之，則會導致土艙飽滿度過大。單位掘進距離的盾構渣土輸出質量直接關系到盾構施工過程中的地層損失，盾構施工過程中地層損失越大，盾構施工對周圍地層擾動影響也越大，由此導致地表沉降大，進而影響到周邊建(構)筑物。因此，如何科學地控制盾構渣土輸出，對提高盾構隧道施工質量至關重要。

文獻[1]通過遺傳算法分析認為，刀盤扭矩與地表沉降有一定的關系，但未從機理上解釋其內在相關性。文獻[2]采用橡膠膜內排水的方式模擬盾構開挖，分析了地層損失對地表沉降的影響，認為土體損失率與地表最大沉降值呈線性關系。文獻[3]通過數(shù)值仿真與現(xiàn)場實測分析表明，地表沉降量隨著盾構機土艙壓力的增大而減小。文獻[4]指出土艙壓力、渣土輸出控制及同步注漿為影響施工期地表沉降的關鍵因素。文獻[5-7]通過室內試驗，分析認為盾構機頂推力直接影響盾構土艙壓力，地層損失是地表沉降的主要原因。文獻[8]分析表明，盾構掘進速度對盾構掘進變形影響明顯。文獻[9]分析表明，地表沉降受出土率及土艙內外壓力差影響。文獻[10]認為，地層條件與盾構掘進速度為影響地表沉降的主要因素。文獻[11]認為土體的彈性模量對地表沉降影響顯著。文獻[12]分別分析了開挖面整體失穩(wěn)及局部失穩(wěn)的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)開挖面失穩(wěn)時內摩擦角及隧道埋深對極限支護壓力的影響較為顯著。文獻[13]發(fā)現(xiàn)刀盤切削土體對開挖面穩(wěn)定的削弱程度與隧道埋深與面板開口率有關，而刀盤面板對開挖面的穩(wěn)固效果受隧道埋深以及施工狀態(tài)影響。由現(xiàn)有研究分析可知，盾構頂推力控制、盾構渣土輸出控制直接關系到盾構施工對周圍地層的擾動。然而，盾構施工控制對地表沉降影響的內在機理有待進一步深入分析，現(xiàn)有的盾構施工控制主要由盾構施工技術人員憑經驗確定，現(xiàn)場也未對渣土輸出質量進行實時監(jiān)測，渣土輸出控制對盾構開挖掘進及地表沉降的影響暫無分析，也缺乏盾構渣土輸出控制量化評價體系。

為此，本文采用自主研發(fā)的縮尺模型盾構機開展了試驗研究，根據試驗結果分析了渣土輸出控制對刀盤扭矩的影響機制，以及渣土輸出量對地表沉降的影響，并提出了相關建議。研究成果對提高盾構施工控制水平、減小盾構施工對周圍地層擾動具有良好的指導意義。

1 縮尺模型試驗簡介

1.1 模型盾構機

為了開展盾構施工研究，自主研發(fā)了盾構施工模擬系統(tǒng)[14]。實際中的單洞單線地鐵盾構隧道直徑一般在6.0～6.8 m，所用盾構機的盾殼外徑為6.4～7.3 m，經綜合考慮后，設原型盾構機外徑為7.0 m，按幾何相似比為1∶10考慮，所以本模型盾構機的盾殼外徑為0.7 m，長度為1.2 m，模型盾構機見圖1(a)。盾構機刀盤外徑為0.71 m，通過在開口位置設置可轉動閘板(見圖1(b))，達到刀盤開口率可調的目的。盾構機后端與始發(fā)架連接；始發(fā)架后端安裝有反力架，反力架兩側各安裝一個液壓千斤頂，并將千斤頂前端與始發(fā)架連接。反力架與始發(fā)架可在縱梁上前后移動，盾構機頂推施工時在縱梁上安裝銷釘，防止反力架向后滑移，再通過千斤頂頂推始發(fā)架達到推動盾構機的目的。始發(fā)架內側周圍安裝有減摩滑輪，因此千斤頂頂推力可近似為盾構機的頂推力?？v梁前端與土箱連接。盾構機渣土通過螺旋輸送機輸出，然后再通過渣土輸送帶輸?shù)轿捕说慕油料渖?。盾構刀盤液壓馬達、螺旋輸送機液壓馬達、頂推千斤頂?shù)膭恿梢簤簞恿φ咎峁?。完成安裝的盾構施工模擬系統(tǒng)見圖1(c)。

圖1 土壓平衡盾構模擬系統(tǒng)

1.2 試驗數(shù)據采集

在往土箱內填土時，在吊車掛鉤上放置掛稱，對填土進行稱量，從而控制填土密度。渣土輸送帶尾端的接土箱則放在稱盤上，此稱采用無線稱重顯示器，方便錄像記錄渣土輸出質量。在土箱頂部安裝沉降標尺，在盾構機始發(fā)架的縱梁上貼有標尺，試驗過程中均通過攝像頭對數(shù)據進行監(jiān)測記錄。盾構機的刀盤、螺旋輸送機、頂推均通過觸摸控制屏進行控制，同時對刀盤的轉速與扭矩、螺旋輸送機的轉速與扭矩、頂推力進行數(shù)據采集與記錄。

1.3 試驗填土

為方便切割圓孔，土箱的盾構始發(fā)側采用3 cm厚復合木板，木板上部與土箱其余三面均采用3 cm厚的有機玻璃板。土箱內部長為(盾構機前進方向)76 cm、寬為82.5 cm、高為107.5 cm，試驗時盾殼頂部的覆土厚度約為30 cm。填土采用砂土，為了防止螺旋輸送機的螺旋軸被卡，通過過濾篩剔除10 mm以上的大顆粒，試驗用砂土的級配曲線見圖2，試驗時含水量約6.5%，密度約為1 663 kg/m3。試驗時在盾構機頂推方向中軸線位置布設8個沉降標，每推進一環(huán)(幾何相似比為1∶10，實際中一環(huán)為120 cm，所以試驗時的一環(huán)為12 cm)記錄一次地表沉降，每次試驗頂推5環(huán)(共60 cm)。

圖2 填土級配曲線

2 盾構施工控制對刀盤扭矩影響

2.1 盾構機刀盤扭矩組成

盾構機的刀盤扭矩主要由以下因素導致：①刀盤前面與開挖面的相互作用；②刀盤背面與土艙內土體相互作用；③刀盤徑向邊緣與周圍土體相互作用。土艙內為開挖過程中進入的松散土體，掘進施工時土艙飽滿度并不高，且試驗所用土體為細砂；刀盤邊緣光滑，在推進過程中③所導致的扭矩基本恒定，因此相比①所導致的扭矩而言，②、③所導致的扭矩要小得多?？紤]到本次試驗為分析渣土輸出及刀盤開口率對刀盤扭矩的影響，為此假設刀盤扭矩由①所導致，即由刀盤前面與開挖面的相互作用所導致。

刀盤前面與開挖面相互作用又分為以下三部分：①刀盤面板與開挖面土體相互作用；②刀盤開口處土體與開挖面土體相互作用；③刀具與開挖面相互作用。刀具突出于刀盤面板，掘進施工時刀具以一定的深度刺入開挖面的原狀土體中，因此刀盤切削開挖面土體由③起作用，③也是刀盤扭矩的主要部分。

但是刀盤前面與開挖面相互作用所導致的扭矩中不方便嚴格區(qū)分開，為了方便分析刀盤扭矩，假設刀盤與開挖面的平均水平作用力為P，刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)為μ。刀盤與開挖面作用的微分單元扭矩計算式為

dM=rdf=r(Pμ)(2πrdr)

(1)

因此刀盤前面與開挖面相互作用導致的扭矩T的計算式為

(2)

式中：T為刀盤扭矩；M為刀盤與開挖面相互作用的摩阻力導致的彎矩；R為刀盤的半徑；r為刀盤面上任意點的半徑；df為半徑r位置微分環(huán)的環(huán)向摩阻力；P為刀盤與開挖面之間的平均接觸應力；μ為刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)。

由式(2)可知，刀盤扭矩大小與平均接觸應力及摩阻系數(shù)成正比。

2.2 渣土輸出對刀盤扭矩影響

試驗時填土密度控制在約1 663 kg/m3，根據盾構機每掘進1 cm對應的切削體體積計算，對應的理論單位掘進距離(1 cm)的渣土輸出質量約為6.4 kg。為了分析單位掘進距離(1 cm)渣土輸出對刀盤扭矩的影響，試驗時設計了單位掘進距離的渣土輸出質量分別為5.0、6.0、6.4、7.0 kg/cm。以單位掘進距離的渣土實際輸出質量與理論輸出質量的比值作為出土率，即

(3)

式中：ξ為出土率；Q實際為渣土實際輸出質量；Q理論為渣土理論輸出質量。

考慮到模型盾構機頂推速度控制難以達到與渣土輸出質量剛好匹配，為此每次頂推5 mm，當渣土輸出質量達到設計質量時，再進行下一次頂推。通過盾構施工模型試驗，得到了不同出土率條件下盾構機頂推力與刀盤扭矩，并根據式(2)得到相應的刀盤與開挖面摩阻系數(shù)，結果見表1。因頂推前與頂推后盾構機頂推力與刀盤扭矩相差較大，為此分別進行記錄數(shù)據。

表1 不同出土率時盾構機頂推力與刀盤扭矩

由表1可知，出土率越大，完成頂推后的頂推力越小，而刀盤扭矩在出土率小于1時對應的刀盤扭矩越大，因此計算得到的刀盤與開挖面摩阻系數(shù)也越大。產生上述現(xiàn)象與“刀盤前面-開挖面相互作用”的三部分各自占比有關，出土率越大，土艙內的渣土量越少，即土艙飽滿度越小，此時刀盤開口處土體也越少，因此“刀盤前面-開挖面相互作用”中刀盤開口處土體承擔比越??；此時開挖下來的土體更容易進入土艙，因此刀具與開挖面的相互作用占比越大；在相同的水平相互作用力下，刀具比刀盤開口處土體的摩阻系數(shù)要大得多，因此在出土率小于1時，出土率越大，刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)越大，刀盤扭矩越大。所以當出土率較小時，盡管水平推力較大，開挖面周圍土體被盾構頂推力水平壓實越密實，但刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)反而越小。而隨著出土率的繼續(xù)增大，刀盤與開挖面的接觸應力進一步減小，當出土率大于1時，開挖面周圍土體幾乎未被盾構頂推力進行水平向壓實，所以盡管刀具與開挖面的相互作用占比越大，但刀盤扭矩出現(xiàn)了減小，且刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)也減小，但相對2號試驗，4號試驗的刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)要稍大。

不同出土率時螺旋輸送機平均扭矩與轉速見表2。由表2可知，螺旋輸送機的平均扭矩隨著出土率的增大而減小。不同瞬時出土率時對應的螺旋輸送機扭矩見圖3，由圖3可知，出土率越大，螺旋輸送機扭矩越小。這也再次證明：出土率越大，土艙飽滿度越小，因此螺旋輸送機前端絞入圓筒內的土體越少，螺旋輸送機扭矩也越小，對應螺旋輸送機平均轉速越大。

表2 不同出土率時螺旋輸送機平均扭矩與轉速

圖3 螺旋輸送機扭矩與出土率的關系

由以上分析可知，盾構施工過程中的出土率直接影響土艙內的飽滿度，進而影響“刀盤前面與開挖面相互作用”中“刀具與開挖面相互作用”的占比，通常情況下(一般出土率要小于1)出土率越大，“刀具與開挖面相互作用”的占比越大，刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)越大，刀盤旋轉過程中對開挖面的切削能力越強，刀盤扭矩也越大。當出土率大于1后，單次頂推距離相同時其頂推力有所下降，同時頂推力對開挖面土體的水平壓實作用減小，刀盤扭矩出現(xiàn)減小。

2.3 刀盤開口率對刀盤扭矩影響

為了分析刀盤開口率對刀盤扭矩的影響，將刀盤上調節(jié)開口率的閘板卸掉，使刀盤開口率由25%增大至約35%，試驗時將出土率控制為1，從而與上述的3號試驗形成對比，試驗結果對比見表3。從表3可以看出，當開口率增大后，刀盤面板與開挖面土體相互作用的占比減小，而刀盤開口處土體與開挖面土體相互作用的占比增大，因此刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)減小。

表3 不同開口率條時盾構機頂推力與刀盤扭矩

由刀盤開口率對刀盤扭矩分析可知，刀盤開口率影響刀盤面板與開挖面土體相互作用的占比，從而影響刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)。因刀盤開口處土體與開挖面土體之間的摩阻系數(shù)要大于刀盤面板與開挖面土體之間的摩阻系數(shù)，所以刀盤開口率越大，刀盤與開挖面摩阻系數(shù)越小。

3 盾構施工控制對地表沉降影響

3.1 渣土輸出對地表沉降影響

單位掘進距離(1 cm)不同渣土輸出量時的對應的地表沉降見圖4。為了直觀表示出各沉降曲線對應的開挖面位置，在圖4中采用與沉降曲線相同顏色的虛線箭頭指示出了開挖面位置。由圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可知，在單位掘進距離的渣土輸出質量小于或等于理論單位掘進距離(1 cm)的渣土輸出質量(約為6.4 kg/cm)時，地表的最大沉降總體較為接近，但沉降曲線的形態(tài)不同。在渣土輸出量為5 kg/cm時，在完成前兩環(huán)掘進時，地表發(fā)生了一定的隆起；在完成第三環(huán)掘進后，地表出現(xiàn)了一定的沉降。在渣土輸出量為6.4 kg/cm時，地表沉降最大值發(fā)生的位置比渣土輸出量為5、6 kg/cm時對應的地表沉降最大值發(fā)生位置要偏后，且最大沉降值也稍有增長。

圖4 單位掘進距離不同渣土輸出量時的地表沉降

圖4(a)～圖4(c)單位掘進距離的渣土輸出質量小于或等于理論單位掘進距離的渣土輸出質量，即盾構掘進過程中并未發(fā)生超挖，但地表仍發(fā)生了沉降。由此可見，在單位掘進距離的渣土輸出質量小于或等于理論單位掘進距離的渣土輸出質量時，地表的沉降主要由開挖掘進對周圍地擾動所致，因刀盤直徑(71 cm)要大于盾殼的直徑(70 cm)，由此不可避免地產生了地表沉降。而在渣土輸出質量較小時，開挖面前面的部分土體被擠向四周，但在減小因刀盤直徑大于盾殼的直徑而導致的沉降效果并不明顯。

在渣土輸出質量為7 kg/cm時，地表沉降增加明顯，導致此沉降主要與開挖面前方土體向開挖面發(fā)生位移有關，由此導致周圍土壓力減小[15]，即超挖導致沉降。同時刀盤開挖直徑(71 cm)要大于盾殼的直徑(70 cm)也將導致部分沉降。

綜上分析可知，單位掘進距離的渣土輸出量直接關系到盾構掘進過程中的超挖控制，從而影響地表沉降。當處于“欠挖”狀態(tài)時，因開挖面的水平土壓力要大于原地層的水平土壓力，部分土體被擠向四周，當“欠挖”程度較大時(見圖4(a))，甚至發(fā)生一定的地表隆起。但由于刀盤直徑大于盾殼直徑，盾殼上部土體荷載轉為由盾殼承擔時，會不可避免地導致一定的沉降。為此，松軟地層施工的盾構機設計時，建議刀盤的直徑不必大于盾殼外徑，以便減小盾構施工過程中的地表沉降，甚至刀盤直徑可稍小于盾殼外徑，從而使盾構機頂推過程對周圍土體達到“擠密”效果。

當處于“超挖”狀態(tài)時，因開挖面周圍土體向開挖面發(fā)生位移，因此導致地表沉降明顯。在實際過程中，因盾構機頂推力不僅由開挖面水平荷載組成，盾殼與地層之間的摩擦力、后配套系統(tǒng)的牽引力均將由盾構機頂推力提供，加上原地層的水平荷載預測精度有限，因此，在實際盾構施工過程中，建議對渣土輸出量進行實時稱量，其結果為盾構機頂推速度控制提供參考依據。

3.2 刀盤開口率對地表沉降影響

將刀盤開口率調整為35%，渣土輸出質量控制在6.4 kg/cm時(與理論單位掘進距離的渣土輸出質量相同)，其地表沉降見圖5。從圖5與圖4(c)對比可知，當單位掘進距離的渣土輸出質量相同時，不同開口率對應的最大地表沉降接近，但沉降曲線的形態(tài)稍有不同。當開口率增大后，最大沉降位置距離始發(fā)端的距離更小。這是因為刀盤開口率增大后，開挖面上的土體更加容易進入土艙內，由于填充土艙進土體較多，因此與小開口率工況相比，地表沉降會提前發(fā)生。從表3中刀盤與開挖面摩阻系數(shù)也可看出，刀盤開口率越大，刀盤與開挖面摩阻系數(shù)越小，說明土艙的飽滿度越大。

圖5 大開口率下的地表沉降

4 結論

(1)盾構施工過程中的出土率直接影響土艙內的飽滿度，進而影響刀具與開挖面相互作用的占比，當出土率要小于1時，出土率越大，刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)越大，刀盤扭矩也越大。

(2)螺旋輸送機扭矩受土艙飽滿度影響顯著，土艙飽滿度越小(出土率越大)，渣土輸出效率越低，因此螺旋輸送機扭矩越小，轉速越大。因此螺旋輸送機扭矩與出土效率之間存在反比關系。

(3)當開口率增大后，刀盤面板與開挖面土體相互作用的占比要減小，而刀盤開口處土體與開挖面土體相互作用的占比要增大，因此刀盤與開挖面的摩阻系數(shù)要減小。

(4)當出土率小于1時，出土率對地表沉降影響較小；當出土率大于1時，出土率增大導致地表沉降量增加顯著。出土率小于1仍發(fā)生沉降主要與刀盤開挖直徑大于盾殼直徑有關。

(5)基于盾構渣土輸出控制的重要性，建議對盾構渣輸出質量進行實時監(jiān)測，對于具體工程應該建立盾構頂推量與渣土輸出質量的關系。在松散軟弱地層中施工時，建議盾構機刀盤不必大于盾殼外徑。