富水卵漂石地層土壓平衡盾構施工參數研究

王柳善，楊龍才，孟慶明

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中水電成都建設投資有限公司，四川 成都601212）

富水卵漂石地層土壓平衡盾構施工參數研究

王柳善1，楊龍才1，孟慶明2

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中水電成都建設投資有限公司，四川 成都601212）

針對富水卵漂石地層土壓平衡盾構（EPBS）施工出土控制困難、掘進效率低問題，依托成都地鐵某盾構隧道區間的現場實驗段，對富水卵漂石地層中土壓平衡盾構的實測關鍵施工參數進行了統計分析，并探索了與地層相適應的掘進參數以及提高掘進效率的途徑。研究參數包括：出土量、土艙壓力、貫入度、掘進速度等，研究結果表明：雖然富水卵漂石地層中的土壓平衡盾構掘進易超出土，但通過適當減少土艙壓力和增大貫入度能夠減少超出土量，盾構法適用于該地層；改善地層可掘削性能和適當降低土艙壓力是提高掘進速度有效方法，而增大總推力可能導致掘進速度下降。

盾構隧道；卵漂石地層；施工參數；適應性

近年來，我國地鐵建設大規模開展，據統計，截至2014年底，地鐵總運營里程達2 361 km[1]。在軟土地區，盾構法施工作為一種對周邊環境影響較小的方法，被廣泛應用于地鐵工程建設。而我國幅員遼闊，各城市地質情況差異大，許多城市面臨著在黃土、砂卵石、卵漂石、復合地層等復雜地層中進行盾構施工的問題，其施工參數的設定，甚至盾構工法的適應性都值得探討，對此許多學者已經開展了不少有益的探索。對于盾構施工這一極為復雜的動態過程，室內模型實驗和現場掘進實驗都是較為有效的研究手段。何川[2]針對我國首例黃土地層中的城市地鐵盾構隧道工程，采用自主研制的土壓平衡式模型盾構機，開展了室內掘進實驗研究黃土地層條件下盾構掘進對地層的擾動情況以及盾構施工關鍵參數的匹配問題，研究表明盾構頂推力的變化直接影響隔艙土壓力的變化，而出土率有隨頂推力的增大而呈減小的趨勢，并與推進速度成反比。徐前衛[3]根據相似理論建立了盾構掘進試驗模型，進行了砂土地層不同盾構工作參數組合的掘削試驗，研究了盾構機工作參數對砂土地層的適應性。然而，對于卵漂石地層，由于其土體顆粒粒徑大（可達幾十厘米）、粒徑分布極為不均，模型實驗難以模擬原狀土層的性質，國內外未見卵漂石地層盾構模型實驗研究，因而現場掘進實驗成為研究卵漂石地層盾構法適應性的更為直接有效的方法。為了擴展盾構工法的應用范圍，以滿足我國大范圍地鐵建設的需求，在成都地鐵某區間進行了土壓平衡盾構在富水卵漂石地層中掘進的首次嘗試，并設立了現場試驗段探索盾構法的適應性及與地層匹配的施工參數。

在富水卵漂石地層條件下進行盾構施工是一個世界級難題[4]，富水卵漂石地層的主要特征呈現為巖體松散、弱膠結、自穩能力差、流動性差，并且隨機分布有高強度大粒徑漂石。盾構在卵漂石層中掘進主要問題表現為：①高強度大粒徑漂石難以破碎，易引起刀盤和螺旋輸送機卡死；②地層反應非常靈敏，刀盤旋轉切削時，很易破壞原來的相對穩定或平衡狀態而產生坍塌，引起較大的地層損失和圍巖擾動，使開挖面失去穩定；③地層富水，而卵漂石滲透性強，易發生螺旋輸送機噴涌；④渣土流動性差，排土相對困難，導致大顆粒卵石、漂石滯留土艙內或向盾構機四周動，使得盾構機位置和姿態控制變得困難，嚴重時會發生堵塞，致使盾構機無法推進。這些問題在盾構施工過程中主要反映為出土控制困難、掘進效率低、刀具磨損嚴重等問題。本文以現場掘進試驗段實驗結果為依據，在盾構機實際反饋數據的基礎上，分析盾構掘進參數與出土控制的匹配性，并討論了能適應高效掘進的施工參數，為土壓平衡盾構穿越富水卵漂石地層施工參數的設定提供參考。

1 現場掘進實驗概況

1.1 地質概況

區間地質縱斷面圖見圖1，由圖可知盾構隧道所穿越的地層主要為密實卵石土地層＜2-9-3＞和＜3-8-3＞。根據地質勘察報告，該地層中漂石含量5%～20%，粒徑一般為20～40 cm，地質勘察所揭露漂石的最大長度為57 cm，最大抗壓強度高達170 MPa，破碎困難。并且該地層顆粒級配極為不良，級配曲線如圖2所示；地質探坑揭露的＜2-9-3＞地層實況如圖2、圖3所示。從圖中可以看出地層中細顆粒含量較少，而粒徑大于20 mm的顆粒占總質量的70%～80%，這些大顆粒間的摩擦系數大，進入土艙后流動性差，易在土艙底部堆積造成出渣困難。并且由于土層內細顆粒少，大顆粒間膠結性弱，在外部擾動作用下易松散掉落，引起較大的地層損失。

區間地下水主要為孔隙潛水，賦存于砂、卵石土中，地層滲透系數大，含水量豐富，含水層總厚度大于30 m，其補給源主要為大氣降水，區間水位埋深5.6～8 m。

圖1 盾構區間地質縱斷面圖Fig.1 Geological profile of shield zone

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Particle grading curve

圖3 探坑揭露<2-9-3>地層實況Fig.3 Geologic situation of layer<2-9-3>

1.2 現場掘進試驗方案

土壓平衡盾構掘進過程中施工參數較多，主要為主動控制參數（推進速度、刀盤轉速、土艙壓力等）和被動控制參數（推力、刀盤扭矩等），掘進過程中大多通過調整主動控制參數達到控制被動參數的目的。為盡量真實地反映盾構設備與地層的適應性特征，現場掘進試驗應以實際工程施工標準為參考，以控制地層變形為首要任務，通過調整、控制盾構關鍵參數來確保盾構正常掘進（即推力、刀盤扭矩不超過額定值），然后在此基礎上優化施工參數以達到高效掘進的目的。

卵漂石地層中盾構超挖會引起盾構機上部一定范圍內土體塌落形成松散帶，盾構通過后難以通過同步注漿對這部分超挖量進行填充，松散帶易向上發展引發地面沉降甚至塌陷[5-6]，因此，控制掘進過程中超挖量對于控制地層變形至關重要，現場掘進實驗中以超挖量作為地層變形評價指標，而掘進效率主要通過掘進速度反映。

2 施工參數匹配研究

盾構始發后，由于施工參數設定經驗不足，引發了大量的超出土，掘進至第5環時隧道上方土體塌陷，盾構長時間停機調整后才恢復掘進，因此，本文僅選取了試驗段內第10環到第214環的施工參數進行分析。

2.1 出土量

福建福州海洋經濟發展示范區的主要任務是探索海產品跨境交易模式，開展涉海金融服務模式創新。廈門海洋經濟發展示范區主要是推動海洋新興產業鏈延伸和產業發展配套能力提升，創新海洋生態環境治理與保護管理模式。

出土量控制是控制盾構施工對周圍環境影響的重要手段，由于卵漂石地層松散系數取值可參照的工程經驗較少，并且土方的計量方式也較為粗糙，本文采用每延米的出土凈重來反映每環實際出土量的控制水平。采用下式計算：

式中：W為每延米出土凈重；Wa為每環渣土實際稱重；ρg為實際注入改良劑的密度；Vg為實際注入改良劑體積；L為每環實際掘進距離。

每延米的理論出渣重量為Wt=πR2ρ，式中R為刀盤開挖半徑；ρ為掘進土層的土體密度。定義超出土系數e=(W-Wt)∕Wt來反映每環的超出土情況，掘進過程中各環的超出土系數如圖4所示（數據中剔除了因卡刀盤處理而超出土等特殊情況），從圖中可以看出多數環超出土系數大于0，說明卵漂石地層盾構掘進過程中出土量控制較為困難，多數環存在超出土現象。除了前述地層弱膠結、自穩定性差的特性易引發超出土外，在掘進過程中發現較多高強度的大粒徑漂石未經破碎而直接被排出，而這些漂石可能只有部分在掘進斷面內，整塊漂石被刀具帶入土艙不僅導致掘進斷面外部分漂石的超挖量，而且引起上部小顆粒松動失穩，跟隨漂石落入土艙內帶來更多的超挖量。而且這些未破碎的大粒徑漂石容易引起刀盤卡死，在實驗段內發生過9次卡刀盤事故，均由此引起，卡刀盤處理易引發大量超挖。

2.2 土艙壓力

盾構機土艙壓力是土壓平衡式盾構機掘進過程中的重要參數，是盾構推進過程中保持開挖面穩定性的重要指標[7-8]。土艙壓力通過布置在盾構土艙隔板上的土壓力傳感器監測，土艙隔板上共布置5個傳感器，其中1#傳感器位置最高，距離盾構橫截面軸線高度為2.4 m，本文以1#傳感器的壓力值為例來分析土艙壓力的變化。實際掘進過程中實測的1#土艙壓力值p1如圖5所示（注：1 bar=0.1 MPa）。

圖4 各環的超出土系數Fig.4 Over excavation coefficient of each ring

圖5 各環的1#土壓力值Fig.5 1#earth pressure value of each ring

理論土艙壓力采用靜止土壓力計算，由于土層滲透性強，采用水土分算，計算公式為

式中：k0為靜止土壓力系數；γw和hw分別為水的重度和水頭高度；σv為掘進面上方垂直土壓力，對于可以形成拱效應的砂性土，應采用松弛土壓力計算，松弛土壓力的計算一般采用太沙基公式，同時需考慮地下水作用，詳細計算方法參見文獻[9]，這里不再贅述。

圖6為土艙內外壓力差△p=p1-pt與每環超出土系數e關系圖，從圖中可以看出并不是土艙內壓力越大，出土量就越小，相反，適當的欠壓更利于出土控制。因此，匹配卵漂石地層的盾構掘進模式為滿艙欠壓掘進，土艙內外壓力差可設置為-0.3 bar左右。

2.3 貫入度

貫入度Prev是表征設備掘進性能的一個重要指標，其定義為掘進速度v與刀盤轉速n的比值，即Prev=v/ n，其物理意義就是刀盤每旋轉一圈后所推進的距離。圖7為貫入度與超出土系數關系曲線，從圖中可以看出，超出土系數與貫入度呈現出負相關性，較大的貫入度時出土控制較好。因此，在地層條件允許的情況下，掘進宜采用低轉速、高掘進速度的模式掘進。一方面，降低刀盤轉速可以減少刀盤對地層的沖擊擾動；另一方面，保持較高的掘進速度，地層被刀盤攪動松散后，盾體可迅速起到支撐作用，減少松散顆粒落入土艙的時間，從而減少超挖量。

圖6 土艙內外壓力差與超出土系數曲線Fig.6 Curves of pressure difference between inside and outside of chamber and over excavation coefficient

圖7 貫入度與超出土系數曲線Fig.7 Curves of penetration and over excavation coefficient

3 高效掘進參數分析

3.1 掘進速度與地層特性

掘進速度直接受設備性能的影響，在設備既定的情況下，地層特性是主要影響因素。許多學者都采用地層識別參數場切深指數(FPI)來反映地層的可掘削性能[10-11]，其定義為：

式中：F為盾構推力；Prev為貫入度。場切深指數表征單位貫入度所需的盾構推力，反映了地層抵抗刀具貫入地層的能力，具有非常明確的物理意義。FPI越大，則刀盤前方的地層密實度或者硬度越大，地層可掘削性能越差。試驗段內掘進速度與場切深指數關系曲線如圖8所示，由圖可知，掘進速度與場切深指數的冪函數有較好的負相關性。對于卵漂石地層，影響其可掘削性能的主要是地層的密實程度和顆粒間的摩擦性能，因此，可以通過向刀盤前方注入泡沫等減摩劑來改善地層的掘削性能，從而提高掘進速度。現場掘進時，在刀盤前方注入了發泡倍數10～11倍的泡沫，注入率為40%～50%，取得了良好的效果。

3.2 掘進速度與土艙壓力

以土艙內1#土壓力為例分析，掘進速度與1#土壓力的關系曲線如圖9所示，從圖中可以看出掘進速度與土艙壓力有較好的負相關性，在能夠維持開挖面穩定的情況下，降低土艙壓力有利于掘進速度的提升。對于卵漂石地層，很難建立真正的土壓平衡，當土壓力升高時，掘進速度立刻下降，甚至造成刀盤扭矩不足而卡死，因此，無論從提高施工效率來說，還是出于減少對周圍環境影響的考慮，適當欠壓掘進都更為合適。

圖8 掘進速度與場切深指數關系曲線Fig.8 Curves of advance speed and FPI

圖9 掘進速度與1#土壓力曲線Fig.9 Curves of advance speed and 1#earth pressure

3.3 掘進速度與總推力

圖10為掘進速度與總推力的關系曲線，從圖中可以看出掘進速度與總推力有一定的負相關性，這與文獻[12]統計得出的軟土地層中盾構掘進速度與總推力成正比不同，在卵漂石地層中，過大的推力會擠密刀盤前方土體，造成卵漂石顆粒難以在被滾刀松動后由刮刀帶入土艙內，而是需要破碎較多顆粒后才能被刮入土艙，從而刀具切深變淺，掘進速度下降。因此，在卵漂石地層中不宜采取軟土地層中通過增大推力的方法來增加掘進速度。

圖10 掘進速度與總推力關系曲線Fig.10 Curves of advance speed and total thrust force

4 結論

在富水卵漂石地層中土壓平衡盾構現場掘進實驗的基礎上，統計分析了現場實測掘進參數（包括土艙壓力、貫入度等）與出土控制的匹配性，并探討了提高盾構掘進速度的方法。研究表明：

1）由于地層弱膠結、自穩定性差，加上盾殼周圍難以破碎的大粒徑漂石影響，卵漂石地層盾構掘進過程中出土控制困難。

2）匹配富水卵漂石地層出土控制的盾構掘進模式為滿艙欠壓、低轉速、高掘進速度模式。

3）改良刀盤前方土體，增加其可掘削性能和適當降低土艙壓力都是提高掘進效率的有效手段，而增大推力可能擠密刀盤前方土體，導致掘進速度下降。

[1]中國城市軌道交通協會.城市軌道交通2014年度統計分析報告[R].北京:中國城市軌道交通協會，2015.

[2]何川，李訊，江英超，等.黃土地層盾構隧道施工的掘進試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2013（9）：1736-1743.

[3]徐前衛，朱合華，廖少明，等.砂土地層盾構法施工的地層適應性模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006（25）：2902-2909.

[4]何川.成都地鐵盾構隧道工程建設關鍵技術[J].學術動態，2013（4）：17-24.

[5]白永學.富水砂卵石地層盾構施工誘發地層塌陷機理及對策研究[D].成都：西南交通大學，2012：28-31.

[6]馮劍.富水砂卵石地層盾構施工引起空洞的機理及對策研究[D].成都：西南交通大學，2013：38-43.

[7]ANAGNOSTOU G，KOVARI K.Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research，1996（112）：165-173.

[8]KASPER T,MESCHKE G.On the influence of face pressure,grouting pressure and TBM design in soft ground tunneling[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21（2）：160-171.

[9]小泉淳，官林星.盾構隧道管片設計[M].中國建筑工業出版社，2012：256-260.

[10]邢彤，趙陽.盾構掘進土層識別及刀盤轉速控制策略研究[J].浙江工業大學學報，2010（6）：649-654.

[11]江華.北京典型砂卵石地層土壓平衡盾構適應性研究[D].北京：中國礦業大學，2012：67-68.

[12]張厚美,吳秀國,曾偉華.土壓平衡式盾構掘進試驗及掘進數學模型研究[J].巖石力學與工程學報，2005（S2）：5762-5766.

Research on the Key Construction Parameters for EPBS in Saturated Cobble and Boulder Stratum

Wang Liushan1,Yang Longcai1,Meng Qinming2
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 201804,China；2.Sinohydro Chengdu Construction Investment Co.,Ltd.,Chengdu 601212,China)

Aiming at the problems of earth pressure balanced shield (EPBS)tunneling in saturated cobble and boulder stratum,the difficulty of over excavation controlling and low tunneling efficiency,this paper,based on one field experiment segment of shield tunnel interval in Chengdu metro,studied the measured key construction parameters by statistical analysis,then discussed the tunneling parameters corresponding to the stratum and the way of improving tunneling efficiency.Research parameters included volume of excavated soil,chamber earth pressure,penetration and advance speed.Results show that by properly reducing chamber earth pressure and increasing penetration,the volume of over excavated soil would decrease although over excavation occurs easily in EPBS tunneling in saturated cobble and boulder stratum.It finds that shield driving method is suitable for the stratum;improving the tunneling performance of stratum and reducing the chamber earth pressure properly are effective method to improve advance speed,but the increase of total thrust may reduce it.

shield tunnel;cobble and boulder stratum;construction parameter;adaptability

U25

A

1005-0523（2015）06-0014-06

(責任編輯 王建華)

2015－08-20

王柳善（1991—），男，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通研究。

楊龍才（1971—），男，副研究員，博士，研究方向為軌道交通土工結構設計研究。