復雜地質條件下泥水式盾構掘進數據分析

張大鑫

石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043

1 工程概況

南京長江隧道位于江蘇省南京市，橫越長江南北兩岸，由浦口區直通河西新城區。隧道全長5850 m，分為左右汊兩部分。右汊橋梁部分架橋連接市區和梅子洲，左汊隧道部分由掘進方向依次為浦口（江北）明挖段、盾構段、梅子洲（江南）明挖段。

左汊隧道部分為左右兩線，盾構段施工時使用兩臺海瑞克泥水式盾構，左右線從浦口區（江北）同向始發[1]。隧道左線長3020 m，于2009年5月貫通；右線長3015 m，于2009年8月貫通，建成后為雙向通行6車道路段，最高行車速度80 km/h。

2 掘進數據處理和統計

在采用盾構法進行施工時，會同時涉及幾十個甚至上百個參數。分析掘進參數的第一步是從大量數據資料中正確選取合適的掘進參數。本文主要對掘進數據進行處理，得出每環的主要掘進參數，并利用SPSS軟件進行初步統計。

2.1 掘進數據處理

南京長江隧道工程盾構段左線里程K3＋600～K6＋620，共3020 m，其所用海瑞克泥水盾構每環管片寬2 m，監測有R0001～R1510環原始掘進數據。

揚州瘦西湖隧道工程使用的正是南京長江隧道工程的兩臺海瑞克泥水盾構，兩個工程的地質條件相似，施工技術相同。揚州瘦西湖隧道工程的掘進報告也是以環為單位，各個掘進參數的數值也應相近。

在掘進數據處理時發現，極端值對平均值有較大影響，因此，使用3σ準則剔除極端值。

2.2 主要掘進參數的選取

盾構機檢測數據分析處理系統自動記錄施工過程中的所有參數，包括推進油缸壓力及行程、沖程、注漿孔壓力、刀盤工作負載等上百個參數[2]。綜合泥水盾構特點和實際施工經驗，對掘進速度、貫入度、刀盤扭矩、總推力和刀盤轉速進行分析和處理。

3 掘進速度分布規律

為進行縱向比較，在各地層中挑選能代表該地層特性的地段，從始發段（10～59環）、江北大堤段（100～149環）、江北粉細砂層（400～449環）、砂礫復合地層（650～699、850～899、1100～1149環）、江中沖槽段（1200～1249環）、江南粉細砂層（1284～1333環）、江南大堤段（1335～1384環）、到達段（1450～1499環）8種地層共選取500環使用SPSS軟件進行參數分布規律分析[3]。

3.1 推進速度

推進速度是衡量盾構性能的主要標準之一，受盾構性能和地質條件影響[4]，始發段、江北粉細砂層、砂礫復合層、江中沖槽段、江南粉細砂層5種地層推進速度的，統計結果見如圖1所示。

圖1 推進速度曲線圖

由圖1顯示可知，江中沖槽段前期覆土淺，推進速度低，后期覆土變厚，速度隨之提高。砂礫復合層推進速度明顯低于其他地層，并且在段內緩慢上升（見表1）。

由表1，對于推進速度，砂礫復合層平均值最小，為17.398 mm/min。江南粉細砂層、江南大堤段離散性較小，掘進較穩定。江中沖槽段和到達段的標準偏差較大，分別為6.654 mm/min和4.515 mm/min，對應了覆土厚度的影響。

3.2 參數合理范圍

若原地層參數較平穩，只在平均值附近波動（如砂礫復合層的推進速度），采用3σ準則舍去直方圖上頻率較小的極值；若原地層呈上升或下降趨勢（如江北粉細砂層的掘進速度），參數范圍取原地層的最大值和最小值[5]如表2所列。

表1 地質條件下推進速度 單位：mm/min

表2 掘進參數合理范圍

4 結語

本文依托南京長江隧道工程盾構段左線，研究成果如下。

（1）通過對工程穿越地層的調查，根據地質和工程特點，將左線盾構段分為始發段、江北粉細砂層、砂礫復合層、江中沖槽段、江南粉細砂層5種地層。

（2）用3σ準則處理原始掘進數據，剔除極端值，并利用SPSS軟件的語法編輯功能實現批量處理。利用SPSS軟件對掘進速度、貫入度、刀盤扭矩、總推力和刀盤轉速5個主要掘進參數進行統計和處理。

（3）在各地層中挑選若干環能代表該地層特性的地段（砂礫復合層150環，其他7種地層各50環），由統計量化分析得出參數分布規律，進而得出5個主要掘進參數的合理范圍。