富水軟土地層土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)分析

【摘 要】依托鄭州地鐵8號線盾構(gòu)下穿鄭州北編組站工程，分析富水軟土地層中土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)的波動情況，并探究掘進參數(shù)的相互關(guān)系，得出結(jié)論：（1）土壓平衡盾構(gòu)在富水軟土地層中掘進時，盾構(gòu)機總推力與土壓力、刀盤扭矩具有顯著的線性擬合關(guān)系；（2）土壓平衡盾構(gòu)在富水軟土地層中掘進時，盾構(gòu)機掘進速度與總推力、刀盤扭矩具有顯著的線性擬合關(guān)系；（3）土壓平衡盾構(gòu)在富水軟土地層中掘進時，應(yīng)結(jié)合地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整掘進參數(shù)，以減小施工影響。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道； 土壓平衡盾構(gòu)； 富水軟土地層； 數(shù)理統(tǒng)計； 掘進參數(shù)

【中圖分類號】U455.43【文獻標志碼】A

0 引言

近年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市地鐵隧道正如火如荼地建設(shè)著。盾構(gòu)法因其對地面沉降控制好、施工速度快、自動化程度高等特點已成為首選修建工法［1］。如何結(jié)合工程地質(zhì)條件，選擇合適的掘進參數(shù)，對提高掘進效率、控制地表沉降有著重要意義。

目前，國內(nèi)外學者對盾構(gòu)機掘進參數(shù)進行了一定程度的探索研究。張厚美等［2］通過正交實驗分析了土艙壓力、盾構(gòu)機總推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)對掘進速度、刀盤扭矩的影響。江華等［3］在大粒徑卵礫石地層開展土壓平衡盾構(gòu)現(xiàn)場原型掘進試驗，通過分析試驗數(shù)據(jù)，探明土壓平衡盾構(gòu)主要掘進參數(shù)的相互關(guān)系。魏新江等［4］、宋克志等［5］、沈翔等［6］、林存剛等［7］結(jié)合現(xiàn)場原型試驗，對盾構(gòu)機掘進參數(shù)的波動情況進行分析。龔興旺等［8］依托盾構(gòu)下穿珠江工程，分析土倉壓力、注漿壓力、盾構(gòu)機頂推力對地表沉降的影響程度。曹云飛［9］通過分析青島4號線盾構(gòu)掘進參數(shù)，并與理論公式相結(jié)合，分析了試驗段掘進參數(shù)。王洪新［10-11］通過模型實驗結(jié)果，探明了土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)間的相互關(guān)系。

本文依托鄭州市軌道交通8號線五龍口站—同樂站區(qū)間盾構(gòu)下穿鄭州北編組站工程，統(tǒng)計施工過程中土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)，研究富水軟土地層下土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)的波動情況及其原因，并對掘進參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進行研究，以期為土壓平衡盾構(gòu)在同種地層條件下掘進參數(shù)的選取和優(yōu)化提供參考。

1 工程概況和水文地質(zhì)

1.1 工程概況

鄭州市軌道交通8號線五龍口站—同樂站區(qū)間（以下簡稱“五同區(qū)間”）隧道以82°交角下穿鄭州北編組站。鄭州北編組站共89條股道，其中上行編組場線路38條，交換場交換線10條和下行編組場線路41條。五同區(qū)間隧道與鄭州北編組站相對位置關(guān)系見圖1。

1.2 水文地質(zhì)條件

五同區(qū)間隧道埋深16.7～25.6 m，隧道上方為雜填土和黏質(zhì)粉土，隧道穿越地層為粉砂和黏質(zhì)粉土，隧道底部為粉質(zhì)黏土。鄭州北編組段地質(zhì)情況如圖2所示。本區(qū)域地下水穩(wěn)定水位埋深8.0～13.2 m，主要賦存于粉土、粉質(zhì)黏土中。

1.3 盾構(gòu)機選型

五同區(qū)間采用2臺鐵建重工DZ422/DZ423型土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)機開挖6.44 m。盾構(gòu)機刀盤為“圓柱輻條+小面板”結(jié)構(gòu)形式，刀盤開口率50%，配備1把魚尾中心刀、28把弧形貝殼刀、56把切刀、16把保徑刀和1把超挖刀。盾構(gòu)機額定扭矩7 560 kN·m，脫困扭矩8 300 kN·m，最大推力4 257.5 t。本區(qū)間采用混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P12的鋼筋混凝土管片，管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，幅寬1.5 m，厚度0.35 m。

2 盾構(gòu)下穿編組站掘進參數(shù)分析

盾構(gòu)掘進參數(shù)主要包括掘進速度、刀盤扭矩、總推力和土艙壓力等，上述掘進參數(shù)既相互獨立，又相互影響。下面選擇盾構(gòu)下穿鄭州北編組站期間左線275～697環(huán)，右線282～704環(huán)的掘進參數(shù)進行分析。

2.1 掘進速度

盾構(gòu)下穿鄭州北編組站期間，合理設(shè)置盾構(gòu)機掘進速度，可以保持盾構(gòu)均勻穩(wěn)定掘進，可以有效控制地表沉降和路基沉降，保障列車行車安全。根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可以整理出盾構(gòu)下穿鄭州北編組站期間掘進速度變化曲線圖，如圖3所示。

從圖3看出，左線盾構(gòu)最大掘進速度為78 mm/min，平均掘進速度為60.8 mm/min，左線盾構(gòu)掘進初始階段，掘進速度保持在70～75 mm/min范圍內(nèi)，當掘進到430環(huán)附近時，掘進速度開始大幅度降低，這是因為盾構(gòu)下穿鄭州北編組站段為下坡段，430環(huán)位置即為軸線變坡點，盾構(gòu)需調(diào)整姿態(tài)以符合線路軸線要求，后續(xù)階段掘進速度在55 mm/min附近波動。右線盾構(gòu)最大掘進速度為78 mm/min，平均掘進速度為68.8 mm/min，右線盾構(gòu)掘進速度整體保持在62～78 mm/min范圍內(nèi)。

2.2 刀盤扭矩

本區(qū)間選用盾構(gòu)機額定扭矩7 560 kN·m，脫困扭矩8 300 kN·m。根據(jù)本區(qū)間地層條件，下穿鄭州北編組站期間刀盤扭矩控制在100～250 t·m左右。根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可以整理出盾構(gòu)下穿鄭州北編組站期間刀盤扭矩變化曲線圖（圖4）和刀盤扭矩分布直方圖（圖5）。

從圖4和圖5可以看出，左線盾構(gòu)平均刀盤扭矩為170.6 t·m，刀盤扭矩總體在100～250 t·m，主要分布在140～220 t·m；右線盾構(gòu)平均刀盤扭矩為153.6 t·m，刀盤扭矩總體在100～240 t·m，主要分布在100～200 t·m。左線盾構(gòu)和右線盾構(gòu)刀盤扭矩整體上均逐漸上升，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是粉砂和黏質(zhì)粉土的內(nèi)摩擦角較大，切削過程中受擠壓作用變得密實，這就需要增大扭矩來完成切削，且隨著盾構(gòu)向前掘進，刀具磨損速度變快，所需刀盤扭矩亦逐漸增大。

觀察刀盤扭矩變化曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩存在諸多突變點。為分析突變原因，通過整理左線盾構(gòu)刀盤扭矩和掘進速度，可以得出刀盤扭矩與掘進速度關(guān)系曲線圖，如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在刀盤扭矩增大時，盾構(gòu)掘進速度增大、不變、減小的情況均存在。如果刀盤扭矩增大而掘進速度驟減，說明盾構(gòu)機前方遇到障礙；如果刀盤扭矩增大而掘進速度基本不變，說明刀盤中心區(qū)形成“泥餅”或者是其他原因；如果刀盤扭矩增大且掘進速度增大，說明盾構(gòu)司機提高掘進效率。

2.3 總推力

在盾構(gòu)機掘進過程中，總推力大小將隨著地層變化而變化，不同的地層條件下總推力大小不同。根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可以整理出盾構(gòu)下穿鄭州北編組站期間總推力變化曲線圖（圖7）和總推力分布直方圖（圖8）。

從圖7和圖8可以看出，左線盾構(gòu)平均總推力為1 175.6 t，總推力總體在900～1 600 t，主要分布在1 100～1 300 t；右線盾構(gòu)平均總推力為1 187.9 t，總推力總體在900～1 700 t，主要分布在1 000～1 300 t。相比盾構(gòu)機的最大推力為4 257.5 t，盾構(gòu)機總推力尚有較大富余，可滿足本工程后續(xù)施工。

2.4 土艙壓力

鄭州北編組站區(qū)段為下坡段，盾構(gòu)掘進土艙壓力主要取決于刀盤前水土壓力，一般取刀盤中心處的水土壓力為準，故隨著隧道埋深越大，刀盤前方水土壓力越大，土艙壓力也越大。盾構(gòu)下穿鄭州北編組站段隧道中心埋深為19.2～28.8 m，土壓力變化范圍為1.6～2.4 bar。根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可以整理出盾構(gòu)下穿鄭州北編組站期間土艙壓力變化曲線（圖9）。

從圖9可以看出，隨著埋深增大，土艙壓力也逐漸增大。左線盾構(gòu)土艙壓力總體分布在1.5～2.5 bar，右線盾構(gòu)土艙壓力總體分布在1.6～2.6 bar，這與前面的計算結(jié)果相符合。

3 掘進參數(shù)相關(guān)關(guān)系分析

3.1 總推力與土壓力相互關(guān)系分析

土壓平衡盾構(gòu)掘進過程中，盾構(gòu)總推力是主要掘進參數(shù)之一。從朱合華等［12］的模型試驗可知，盾構(gòu)總推力和土艙壓力存在著內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)整理五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可得到盾構(gòu)機總推力與土壓力相關(guān)關(guān)系曲線，如圖10所示。

數(shù)理統(tǒng)計中，決定系數(shù)R2至關(guān)重要。R2取值0～1之間， R2=0～0.09為無相關(guān)性，R2=0.1～0.3為弱相關(guān)，R2=0.3～0.5為中等相關(guān)，R2=0.5～1.0為強相關(guān)。

從圖10可以看出，盾構(gòu)機總推力F與土壓力P具有良好的線性擬合關(guān)系：左線P=0.00127F+0.6793，右線P=0.00132F+0.5107。決定系數(shù)R2分別為0.64、0.66，說明軟土地層盾構(gòu)機總推力和土壓力強相關(guān)，土壓力越大，盾構(gòu)機總推力越大。

3.2 總推力與刀盤扭矩相互關(guān)系分析

根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計回歸分析，可以得到盾構(gòu)機總推力與刀盤扭矩相關(guān)關(guān)系曲線圖，如圖11所示。

從圖11可以看出，盾構(gòu)機總推力F與刀盤扭矩T具有良好的線性擬合關(guān)系：左線T=0.1289F+10.5399，右線T=0.1134F+19.6789。決定系數(shù)R2分別為0.52、0.56，說明軟土地層盾構(gòu)機總推力和刀盤扭矩強相關(guān)，盾構(gòu)機總推力越大，刀盤扭矩越大。

3.3 掘進速度與總推力相互關(guān)系分析

根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計回歸分析，可以得到盾構(gòu)機掘進速度與總推力相關(guān)關(guān)系曲線，如圖12所示。

從圖12可以看出，盾構(gòu)機掘進速度v與總推力F具有良好的線性擬合關(guān)系：左線F=5.7380v+903.7660，右線F=8.7143v+576.1429。決定系數(shù)R2分別為0.42、0.46，說明軟土地層盾構(gòu)機掘進速度與總推力中等相關(guān)程度。

3.4 掘進速度與刀盤扭矩相互關(guān)系分析

根據(jù)五同區(qū)間盾構(gòu)掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過數(shù)理統(tǒng)計回歸分析，可以得到盾構(gòu)機掘進速度與刀盤扭矩相關(guān)關(guān)系曲線，如圖13所示。

圖13 掘進速度-刀盤扭矩相互關(guān)系曲線從圖13可以看出，盾構(gòu)機掘進速度v與刀盤扭矩T具有良好的線性擬合關(guān)系：左線T=2.0461v+51.2730，右線T=3.6248v-96.0250。決定系數(shù)R2分別為0.53、0.51，說明軟土地層盾構(gòu)機掘進速度與總推力強相關(guān)。

4 結(jié)論

本文依托鄭州市軌道交通8號線五龍口站—同樂站區(qū)間盾構(gòu)下穿鄭州北編組站工程，通過數(shù)理統(tǒng)計的方法對掘進參數(shù)進行分析，研究富水軟土地層下土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)的波動情況及其原因，并對掘進參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進行研

究，得出結(jié)論：

（1）土壓平衡盾構(gòu)在富水軟土地層中掘進時，盾構(gòu)機總推力F與土壓力P、刀盤扭矩T均具有顯著的線性擬合關(guān)系。盾構(gòu)機總推力F與土壓力P的關(guān)系：左線P=0.00127F+0.6793，右線P=0.00132F+0.5107，決定系數(shù)R2分別為0.64、0.66；盾構(gòu)機總推力F與刀盤扭矩T的關(guān)系：左線T=0.1289F+10.5399，右線T=0.1134F+19.6789，決定系數(shù)R2分別為0.52、0.56。

（2）土壓平衡盾構(gòu)在富水軟土地層中掘進時，盾構(gòu)機掘進速度v與總推力F、刀盤扭矩T均具有顯著的線性擬合關(guān)系。盾構(gòu)機掘進速度v與總推力F的關(guān)系：左線F=5.7380v+903.7660，右線F=8.7143v+576.1429，決定系數(shù)R2分別為0.42、0.46；盾構(gòu)機掘進速度v與刀盤扭矩T的關(guān)系：左線T=2.0461v+51.2730，右線T=3.6248v-96.0250。決定系數(shù)R2分別為0.53、0.51。

（3）土壓平衡盾構(gòu)在富水軟土地層中掘進時，應(yīng)實時根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)機掘進參數(shù)，以減小隧道開挖對地層沉降的影響，保證地表上建筑物的安全。

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［作者簡介］向華（1989—），男， 本科， 工程師，從事地鐵項目施工工作。