超大型泥水平衡盾構掘進參數計算模型建構

李海福

（中國水利水電第十四工程局有限公司, 云南 昆明 650000）

本文就對于某隧道地址條件，創建泥水盾構掘進參數計算模型，并且得到一定規律。

1 工程概況

某越江隧道工程使用雙管單層型的方式，主要包括南北兩線穿過湘江。過江段的盾構隧道長度為2722.52 單線米，其中的南線長度為1347.58m，北線長度為1374.94m。掘進的方式使用泥水盾構，隧道的管片外徑為11.3m，管片的內徑為10.3m，管片的厚度為50cm，環寬為2m，環向一共有九塊。

掘進區域中的地層主要包括中風化礫巖、強風化礫巖等，盾構掘進的區域就在兩者中。根據此隧道的物探報告，全面分析隧道掘進區域中裂隙的密度帶。通過分析表示，隧道掘進區破碎帶主要包括裂隙密集帶，掘進區域中具有四個較大的異常帶，屬于裂隙密集帶，分別為北西向及北東向的走向，其他的裂隙密集帶小，分布沒有規律。裂隙密集帶中的內巖體破碎，缺乏良好整體性。和區域地質資料相互結合進行分析，場地附近具有較多的斷裂構造，對隧道沿線位置的巖體破碎造成了影響，節理裂隙的發育也有所影響，風化的程度比較高，并且分布不均勻。具有多條裂隙密集帶穿越隧道軸線，裂隙帶的走向為北西鄉及北東向[1]。

和隧道掘進區域地質異常、地層資料及隧道的設計文件相互結合，選擇北線K1+050 到K1+240 段掘進參數成為分析段，也就是管片環數為315-410 環之間。參數分析段地層的類型屬于中風化礫巖，隧道線路坡度從西到東分別為0.4%。區域中具有較差地址條件區域，也就是裂隙密集帶F2。以此區域中的地質條件，使實驗分析帶劃分成為正常區域及裂隙密集區域。

2 計算盾構掘進參數

利用對掘進施工過程中的實際測量數據進行整理和統計，得到超大泥水平衡盾構參數的設定技術[2]。

2.1 計算切口水壓

根據泥水平衡盾構來說，其重點為匹配多種掘進參數。在各個參數中，設置切口壓力和控制技術尤為重要。為了降低開挖面土體擾動，在盾構推進挖土及襯砌拼裝的過程中，要始終保持密封倉中的壓力比正面主動側壓力及水壓力的和大。分析掘進參數，得到切口壓力計算方法，并且在后期盾構掘進施工過程中進行完善及驗證。隧道頂部切口水壓設置值能夠以常用土力學計算公式進行計算，上限值根據靜止土壓力計算，下限值根據主動土壓力計算，實際值的計算為(上限值+下限值)/2-0.2bar。

以盾構掘進的區域，頂部切口水壓包括江中段及岸上段。切口水壓上限值的計算公式為：

其中Pfu指的是隧道頂部切口水壓的上限值，P1指的是地下水壓力，P2指的是靜止土壓力，P3是指變動土壓力，K0指的是靜止土壓力的系數。

切口水壓下限值的計算公式為：

Pf1指的是隧道頂部切口水壓的下限值，K0指的是變動土壓力[3]。

2.2 切口水壓的完善

通過切口水壓計算公式表示，切口水壓的值和隧道上部水位具有密切的關系，要對河流水位的變化進行全面的考慮，尤其是因為潮汐導致的影響，要重視水位檢測頻率。根據切口水壓計算公式表示隧道上部水面標高有1m 的變化，那么切口水壓就要調整0.1bar。另外，在長時間持續降雨或者防水的特殊情況，要提高隧道切口水壓的值。在隧道盾構掘進穿越錢覆土段的時候，切口水壓要根據上述公式中的值，避免出現冒漿的情況，使切口水壓降低。以此表示，切口水壓取值能夠在此隧道工程中使用，超大泥水平衡盾構穿越淺覆土地段的時候會出現輕微的冒漿情況，根據以上所出現的泥水切口壓力計算方法實現掘進參數的設置[4]。

2.3 泥水平衡盾構掘進過程

其一，盾構機開挖第一環節，這個時候的相應位置土體被殺死，以此實現土體被挖掘過程的模擬，還能夠使預設機身殼單元進行激活，機身和土體接觸的單元也激活。

其二，盾構機開挖到第二環距離的時候，盾構機機身也施加位移。

其三，盾構機在完全進入到土層之后，盾構機機尾已經完成一環襯砌的拼裝。

其四，完成第一環襯砌，并且同步注漿。這個時候，使注漿單元層的位置機身單元殺死，實現盾尾遷移的模擬，將此機身和土體的接觸進行接觸。對注漿力學性質在空間及時間中的變化考慮，所以使注漿充分考慮非線性彈性材料。

其五，在開挖盾構機一段時間之后，盾構機后方拖車隨著盾構機運動，拖車施力位置也運動，表示拖車對于襯砌作用屬于連續靜荷載，實現開挖模擬。

2.4 配置模型地層

以相似比原理選擇模型底層，對比實際底層，內摩擦角、重度、彈性模量、粘聚力要滿足相似比，模擬實驗過程中使用灰度淤泥質粘土和灰色粉西沙[5]，表1 為土體力學參數。

表1 土體力學參數

3 模擬實驗的設計

實驗系統主要包括驅動系統、模型盾構、實驗土箱及測試系統。泥水平衡盾構模型機的直徑為40mm，通過一臺小型土壓平衡盾構模型改造。試驗土箱為長方體。因為此實驗臺的尺寸比較小，數據收集系統較為簡單，推進系統泥漿壓力能夠通過在泥水倉壓力埋設計算，利用人工測量推進距離。

對比推進段實驗結果，并且使試驗值和模型理論計算上下限制和沉降檢測數值實現對比，能夠得到泥水倉壓力和地表關系規律。圖1 為0-10cm 推進段的泥水倉壓力。

圖10-10cm 推進段的泥水倉壓力

盾構在開始10cm 試推進過程中，因為泥漿管路反復堵管，要不斷的進行管路疏通，因為無法正常創建泥漿壓力，泥水倉內部泥漿利用刀盤間隙涌出，降低泥水倉壓力。實際的泥水倉壓力比理論計算下限要低，但是因為盾構在高底層強度出洞加固體范圍中，檢測底層沉降值較低。

盾構在進入到模擬江中淺埋試驗段之后，泥水倉壓力上下的浮動比較大，是因為管道嚴重堵塞，從而導致壓力波動。通過實驗過程表示，在泥水倉壓力浮動值長時間比理論值±20%要長的時候，會出現堵管及冒漿的情況。和其相互對應的沉降分析可以看出來，壓力波動較大時候的沉降監測值及隆起值也比較大[6]。

4 結語

在盾構穿越底層過程中，要實現盾構掘進參數的優化和控制，使盾構總推力得到提高，解決總推力降低的問題，避免刀盤每轉切深降低，以此使盾構機能夠快速的穿越到裂隙密集區域中。提高泥水進漿量，對掌子面穩定性進行保證。