富水硬巖地層泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化分析*

盧澤霖 王旭春 曹云飛 江玉生

(1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 266033， 青島;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 100083, 北京∥第一作者, 博士研究生)

盾構(gòu)法因其掘進(jìn)速度快、施工安全性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于跨越江河湖海的隧道施工中，如南京揚(yáng)子江隧道、武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)做過大量的研究[1-2]，如文獻(xiàn)[3]研究了砂卵石地層泥水平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，通過線性擬合研究了總推力與掘進(jìn)速度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)加大盾構(gòu)總推力能適當(dāng)提高掘進(jìn)速度；文獻(xiàn)[4]研究了黏土地層半艙氣壓法下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化特征，給出了掘進(jìn)速度與其他掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系式；文獻(xiàn)[5]對(duì)富水圓礫地層段和圓礫泥巖復(fù)合地層土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了富水圓礫地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的合理選擇范圍。由此可見，在已有的文獻(xiàn)中，對(duì)于掘進(jìn)參數(shù)的研究多是結(jié)合地層情況展開的，但針對(duì)富水硬巖地層泥水平衡盾構(gòu)施工的工程研究相對(duì)較少。掘進(jìn)參數(shù)是影響盾構(gòu)施工安全和效率的關(guān)鍵，也關(guān)系項(xiàng)目的成本和工期。

本文依托青島地鐵8號(hào)線某區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)施工項(xiàng)目，研究了富水硬巖地層中盾構(gòu)總推力、貫入度等掘進(jìn)參數(shù)，得到了影響泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素。通過對(duì)盾構(gòu)總推力和刀具荷載設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，提出富水硬巖地層泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化方案，并對(duì)參數(shù)優(yōu)化前后的掘進(jìn)效率進(jìn)行對(duì)比分析。

1 青島地鐵8號(hào)線某區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)施工項(xiàng)目工程概況

青島地鐵8號(hào)線某區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)施工段為雙線單洞隧道，全長(zhǎng)為7 784.37 m。其左線隧道長(zhǎng)為3 897.08 m，右線隧道長(zhǎng)為3 887.29 m；隧道線間距為16～125 m，最小曲線半徑為800 m，線路最大縱坡為28‰，隧道埋深為26.49～51.20 m。區(qū)間隧道主要穿越地層為粉質(zhì)黏土、中粗砂、泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖、中風(fēng)化火山角礫巖、塊狀碎裂中風(fēng)化火山角礫巖、砂土狀碎裂凝灰?guī)r及微風(fēng)化凝灰?guī)r。隧道在第990環(huán)處由強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖地層進(jìn)入微風(fēng)化凝灰?guī)r硬巖地層。該處隧道地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。該富水硬巖區(qū)段位于海平面40 m以下，地下水豐富，以松散巖體孔隙水和基巖裂隙水為主，局部地區(qū)與膠州灣海水相通。第990環(huán)—第1 300環(huán)隧道斷面巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，考慮地下水和局部節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖等級(jí)按Ⅳ級(jí)考慮。

該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)選用海瑞克S-888型泥水盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)刀盤采用輻條+面板復(fù)合式刀盤，開口率為36%，采用尺寸為45.72 cm(18 in)的滾刀。刀盤配備有4把雙刃滾刀、39把單刃滾刀、60把刮刀、12把邊刮刀、12把撕裂刀和6把先行撕裂刀。盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為7.02 m，管片襯砌外徑為6.70 m、內(nèi)徑為6.35 m，襯砌厚度為0.35 m，環(huán)寬為1.50 m。

2 青島地鐵8號(hào)線富水硬巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

通過青島地鐵8號(hào)線盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選取第1 022環(huán)的盾構(gòu)總推力、刀盤貫入度進(jìn)行分析，如圖2所示。在第990環(huán)處盾構(gòu)機(jī)由強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化火山角礫巖地層進(jìn)入微風(fēng)化凝灰?guī)r硬巖地層，掘進(jìn)速度明顯變慢，掘進(jìn)效率較低，說明當(dāng)前掘進(jìn)參數(shù)已經(jīng)不再適用于該富水硬巖地層的掘進(jìn)。

盾構(gòu)的總推力和刀盤轉(zhuǎn)速屬于主動(dòng)參數(shù)，可人為設(shè)置。預(yù)設(shè)盾構(gòu)機(jī)推力為15 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速為2.0 r/min，盾構(gòu)總推力變化曲線如圖2 a)。由圖2 a)和圖2 b)可知，在1 500～1 800 s處，盾構(gòu)總推力提升至16 000 kN，相應(yīng)地刀盤貫入度亦提升至3.5～4.6 mm/r。在第1 900 s和第3 100 s處，盾構(gòu)機(jī)總推力降低至13 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)貫入度降為0?？梢?，在巖質(zhì)均一的硬巖地層中控制盾構(gòu)總推力可以調(diào)整刀盤貫入度，進(jìn)而控制盾構(gòu)的掘進(jìn)速度。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)效率分析

通過對(duì)第1 021環(huán)—第1 040環(huán)的掘進(jìn)速度、每環(huán)開挖耗時(shí)以及管片拼裝耗時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到當(dāng)前掘進(jìn)條件下每環(huán)襯砌開挖效率統(tǒng)計(jì)表，如表1所示。

表1 當(dāng)前掘進(jìn)參數(shù)條件下每環(huán)襯砌開挖效率統(tǒng)計(jì)表

由表1可以看到，在當(dāng)前的掘進(jìn)參數(shù)條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)速度為5.67～10.11 mm/min，每環(huán)襯砌開挖耗時(shí)為2.47～4.41 h，開挖掘進(jìn)耗時(shí)較長(zhǎng)。管片拼裝耗時(shí)為0.42～0.59 h，拼裝總體耗時(shí)較為穩(wěn)定，均在0.5 h左右。盾構(gòu)機(jī)在第1 029環(huán)施工時(shí)，耗時(shí)最長(zhǎng)，為4.93 h。按此施工效率，盾構(gòu)在穿越富水硬巖地層時(shí)最多每日掘進(jìn)4～5環(huán)。由于當(dāng)前盾構(gòu)掘進(jìn)效率無(wú)法達(dá)到項(xiàng)目工期要求，因此必須提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度。

盾構(gòu)掘進(jìn)速度主要是由刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度決定。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速提高時(shí)，刀盤最外側(cè)滾刀線速度會(huì)顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致周邊滾刀磨損嚴(yán)重。因該隧道位于海底，開艙換刀需要帶壓作業(yè)。海底帶壓換刀不僅需要大量的時(shí)間，而且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)前條件下可以通過提高刀具貫入度來增加盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度。由地質(zhì)斷面圖可知，當(dāng)前地層巖性較為均一，擬采用增加盾構(gòu)總推力的方式增加刀盤貫入度，進(jìn)而提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化方案

3.1 刀具與巖體作用荷載計(jì)算

為了防止盲目增加總推力導(dǎo)致刀具過載，造成盾構(gòu)刀具的非正常磨損，需要對(duì)當(dāng)前掘進(jìn)條件下盾構(gòu)機(jī)的刀具與巖體作用荷載進(jìn)行計(jì)算。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，盾體的總推力F主要是由刀具與巖體的作用荷載F1、盾體與地層之間的摩擦阻力F2、盾構(gòu)機(jī)與管片之間的摩擦力F3、后配套臺(tái)車的牽引力F4以及刀盤對(duì)開挖面的支撐荷載F5等組成[6]。盾構(gòu)機(jī)推力計(jì)算式為：

F=F1+F2+F3+F4+F5

(1)

盾構(gòu)機(jī)與地層之間的摩擦力由兩部分組成，一部分是盾構(gòu)機(jī)自重產(chǎn)生的摩擦阻力，另一部分是圍巖壓力作用在盾殼上產(chǎn)生的摩擦阻力。隧道圍巖壓力分布如圖3所示。

故盾構(gòu)與地層之間摩擦力可以通過式(2)進(jìn)行計(jì)算：

F2=0.25πDLμ1(2Pe+2K0Pe+K0γD)+μ1mg

(2)

式中：

L——盾體長(zhǎng)度；

μ1——盾殼與地層之間的摩擦因數(shù)；

g——重力加速度;

m——盾體總質(zhì)量。

盾構(gòu)機(jī)與管片之間的摩擦力主要由管片在脫出盾尾之前與盾體內(nèi)壁的摩擦力、管片與盾尾刷之間的摩擦阻力兩部分構(gòu)成，其計(jì)算式為：

F3=μ2πDlPo+nμ2msg

(3)

式中：

μ2——盾尾與管片之間的摩擦因數(shù)；

l——盾尾刷的寬度；

Po——盾尾刷油脂壓力；

n——未脫出盾尾的管片環(huán)數(shù)；

ms——每環(huán)管片質(zhì)量。

后配套臺(tái)車所需的牽引力由臺(tái)車的自重及臺(tái)車車輪與鋼軌的摩擦系數(shù)決定，可以采用式(4)計(jì)算：

F4=μ3mhg

(4)

式中：

μ3——臺(tái)車車輪與鋼軌的摩擦系數(shù)；

mh——所有后配套臺(tái)車的質(zhì)量之和。

刀盤對(duì)開挖面的支撐荷載與掌子面巖體水平側(cè)壓力及刀盤開口率有關(guān)，可以采用式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：

ξ——刀盤開口率。

由盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)可知，D為7.02 m，L為10.81 m，m為463 t，μ1取0.13。盾構(gòu)機(jī)安裝3道盾尾密封鋼絲刷，l為0.85 m，Po為0.35 MPa，ms為20 t，n為2，μ2取0.3。Wh為206 t，μ3取0.25。ξ為36%。由工程地質(zhì)參數(shù)可知，Pe為155.52 kPa，γ為26 kN/m3，K0為0.5。

將上述的盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)和工程地質(zhì)參數(shù)代入式(2)—式(5)中，可以求得F2為4 921.66 kN，F(xiàn)3為2 087.32 kN，F(xiàn)4為515 kN，F(xiàn)5為3 198.15 kN。已知當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中F為15 000 kN，將F2、F3、F4、F5代入式(1)中，得到F1為4 277.87 kN。

3.2 刀具設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

3.2.1 刀盤刀具布置

海瑞克S-888泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的破巖刀具主要是滾刀。滾刀分為中心滾刀區(qū)、正面滾刀區(qū)和周邊滾刀區(qū)，中心區(qū)滾刀為雙刃滾刀，其余均為單刃滾刀。中心區(qū)設(shè)有滾刀4把，其切削軌跡線為1#—8#；正面滾刀29把，切削軌跡線為9#—37#；周邊滾刀10把，切削軌跡線為38#—46#，其中46#軌跡線上有2把滾刀。刀具的布置方法為同心圓布置，刀具切削軌跡線如圖4所示。

該盾構(gòu)刀具尺寸均為45.72 cm(18 in)，刀具高度為188 mm，刀具的額定荷載為275 kN。中心刀和正面滾刀安裝角度為0°，周邊刀安裝半徑及角度如表2。

表2 周邊刀安裝半徑及角度

3.2.2 刀具設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

刀具所能承受的極限荷載即是所有的刀具額定荷載值之和。由周邊滾刀具有一定的安裝角度，所以刀具與巖石的作用荷載屬于刀具徑向作用力的分力。則刀具極限荷載值為：

(6)

式中：

Fmax——刀具極限荷載值；

Fi——第i把刀的額定荷載；

βi——第i把刀的安裝角度。

刀具在切削巖體時(shí)每把刀具工作狀態(tài)存在差異。在極限承載力作用下，一部分刀具可能沒有達(dá)到額定荷載值，另一部分刀具可能因超過滾刀的額定荷載而造成刀具失效，從而導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)困難。在進(jìn)行刀具設(shè)計(jì)荷載計(jì)算時(shí)，刀具設(shè)計(jì)荷載值往往小于刀具極限荷載值。刀具的安全系數(shù)可以采用式(7)計(jì)算：

Ks=Fmax/Fd

(7)

式中：

Ks——刀具承載力安全系數(shù)；

Fd——刀具承載力設(shè)計(jì)值。

由刀具的布置可知刀具額定荷載和各刀具安裝角度，將參數(shù)代入式(6)中可以計(jì)算得到刀具極限荷載Fmax為11 910.28 kN。Ks通常取1.25，代入式(7)中可得Fd為9 528.22 kN。

由上述計(jì)算可知，刀具荷載設(shè)計(jì)值為9 528.22 kN，而在當(dāng)前總推力條件下掘進(jìn)時(shí)刀具與巖體作用荷載僅為 4 277.87 kN，刀具切削巖體的作用力不足刀具荷載設(shè)計(jì)值的50%。這說明盾構(gòu)在硬巖地層掘進(jìn)過程中，當(dāng)前的總推力并沒有較好地發(fā)揮刀具的切削作用，故可以將刀具與巖體作用荷載增加至刀具設(shè)計(jì)荷載的75%，即刀具與巖體作用荷載增大至7 146.15 kN。將優(yōu)化后的刀具與巖體作用荷載代入式(1)中計(jì)算，得到參數(shù)優(yōu)化后的盾構(gòu)總推力為17 868.28 kN。故盾構(gòu)在該富水硬巖地層段掘進(jìn)時(shí)，建議加大盾構(gòu)機(jī)總推力至18 000 kN，以此來提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。

4 參數(shù)優(yōu)化后掘進(jìn)效率分析

4.1 優(yōu)化后盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

通過對(duì)刀盤設(shè)計(jì)荷載值進(jìn)行計(jì)算，得到增加盾構(gòu)總推力至18 000 kN、保持原刀盤轉(zhuǎn)速不變的優(yōu)化方案。將優(yōu)化后的掘進(jìn)參數(shù)用于第1 071環(huán)—第1 090環(huán)的掘進(jìn)，通過青島地鐵盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并選取第1 089環(huán)的盾構(gòu)總推力、刀盤貫入度進(jìn)行分析，如圖5所示。

由圖5 a)可以看到，掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后單環(huán)管片開挖用時(shí)由13 050 s減少至8 000 s，單環(huán)管片掘進(jìn)用時(shí)較優(yōu)化前減少了38.7%；由圖5 b)可看出，掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后刀具貫入度有明顯提升，由原來的4 mm/r提升至6 mm/r。

4.2 優(yōu)化后盾構(gòu)掘進(jìn)效率分析

通過對(duì)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后的第1 071環(huán)—第1 090環(huán)掘進(jìn)速度、每環(huán)開挖耗時(shí)及管片拼裝耗時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后每環(huán)襯砌開挖效率統(tǒng)計(jì)表，如表3所示。

表3 掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后開挖效率統(tǒng)計(jì)表

由表3可以看出，掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后盾構(gòu)掘進(jìn)速度由原來的5.67～10.11 mm/min提升至11.62～15.24 mm/min。同時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后每環(huán)管片開挖耗時(shí)為1.64～2.15 h，每環(huán)開挖耗時(shí)均明顯減少。管片拼裝耗時(shí)為0.42～0.79 h，與參數(shù)優(yōu)化前基本保持不變。每環(huán)管片施工總耗時(shí)最長(zhǎng)為第1 070環(huán)，耗時(shí)為2.77 h。按此施工效率，掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化后最多每日掘進(jìn)8～9環(huán)，施工效率相比于參數(shù)優(yōu)化前提高了一倍。因此，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后盾構(gòu)施工的每環(huán)管片開挖耗時(shí)減少、日掘進(jìn)環(huán)數(shù)顯著增加，說明盾構(gòu)在穿越富水硬巖地層時(shí)，合理控制盾構(gòu)推力可以有效增加刀盤與巖體的作用荷載，從而提高刀盤貫入度，提升盾構(gòu)掘進(jìn)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

依托青島地鐵8號(hào)線某區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)隧道施工項(xiàng)目，對(duì)盾構(gòu)穿越富水硬巖地層的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了分析。通過對(duì)刀具與巖體作用荷載值和刀具荷載設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，提出盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化方案，并分析了優(yōu)化后的掘進(jìn)效率。得到如下結(jié)論：

1) 盾構(gòu)在富水硬巖地層中掘進(jìn)時(shí)，可以通過控制盾構(gòu)總推力和刀盤轉(zhuǎn)速增加掘進(jìn)速度。刀盤轉(zhuǎn)速增加會(huì)加劇刀具磨損，因海底隧道帶壓換刀耗時(shí)且安全風(fēng)險(xiǎn)大，故優(yōu)先采用增加總推力以增加盾構(gòu)掘進(jìn)速度。

2) 盾構(gòu)刀具與巖層作用荷載為4 277.87 kN，遠(yuǎn)小于刀具設(shè)計(jì)荷載值9 528.22 kN。建議增大推力至刀具設(shè)計(jì)荷載值的75%，即優(yōu)化盾構(gòu)總推力為18 000.00 kN。

3) 采用將盾構(gòu)總推力提升至18 000.00 kN而刀盤轉(zhuǎn)速保持不變的掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化方案，盾構(gòu)每環(huán)開挖耗時(shí)較參數(shù)優(yōu)化前減少了38.7%，施工效率提高了一倍。