復合地層泥水盾構掘進參數相關性研究★

龔學棟 胡宇琛 蔣亞龍 郭小龍 章云生 陳 強

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，江西 南昌 330209； 2.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013)

1 概述

隨著我國城市交通業的快速發展，我國大量城市開始興建地鐵，而盾構法因其施工效率高、對地面交通擾動小而廣泛應用于地鐵施工中。在泥水平衡盾構掘進過程中，合理調整主要的掘進參數對保證隧道的安全高效掘進是十分重要的，不恰當的掘進參數易導致姿態難控制、泥餅、掘進困難等問題[1-3]。為了確保泥水盾構施工質量，探究盾構掘進過程中主要掘進參數之間的相關性，并構建相應的擬合模型顯得非常重要[4]。

近年來國內大量學者就盾構掘進過程中機器參數之間的相關性做了大量研究。楊旸等[5]以南寧軌道交通2號線為工程依托，對富水圓礫地層段和圓礫泥巖復合地層段土壓平衡盾構掘進參數進行對比分析并提出圓礫地層土倉壓力取值范圍的計算方法；田勇堅等[6]以新鄭機場至鄭州南站城際鐵路盾構段隧道施工為背景，針對泥水盾構在黏土地層中刀盤結泥餅問題提出了半艙氣壓工法，研究了半艙氣壓法下盾構掘進參數的變化特征；于云龍等[7]依托石家莊地鐵1號線白留區間隧道工程，基于現場盾構掘進試驗，通過對盾構原始掘進參數的二次轉換，建立標準推力—標準轉矩特征空間，并對傳統盾構掘進速率模型進行修正；范文超等[8]以汕頭海灣隧道為依托，對區間內掘進參數進行分析，通過優選函數類別和網絡結構，建立基于BP神經網絡的復合地層超大直徑泥水盾構掘進參數預測模型,通過機器參數相關性分析定量預測刀盤轉矩、泥水壓力等數據。

依托南昌軌道交通4號線安豐站—東新站盾構掘進區間隧道，由于泥水盾構隧道在復合地層中的施工較為復雜，本文旨在探究泥水平衡盾構主要掘進參數與不同地層參數之間的關系，確定不同地層條件下合理的掘進參數取值范圍，能夠為后續盾構掘進工作或者其他相似工況提供數據參考。

2 工程背景

安豐站—東新站盾構區間在西岸下穿淤泥質黏土、粉質黏土、砂礫及強風化、中風化泥質粉砂巖，過江段為中風化泥質粉砂巖，東岸下穿中砂、粗砂、砂礫、中風化泥質粉砂巖，區段工程各地層主要土層參數如表1所示。其中全斷面砂層自穩性較差、透水性較強、水壓較高，而中風化泥質粉砂巖為典型不透水地層，圍巖強度較高、自穩性好。

表1 土層參數

3 掘進參數相關性分析

用于分析的盾構掘進參數均來自施工現場控制室監測與施工單位臺賬記錄，由于監測數據體系龐大，在參數分析時無法充分地考慮到所有掘進參數，故選取其中起主要影響作用的掘進參數，本節就盾構總推力和掘進速度、刀盤轉速和掘進速度、刀盤扭矩和掘進速度以及刀盤扭矩與盾構總推力之間的相關性展開分析。

3.1 盾構總推力與掘進速度之間的關系

盾構在南昌地區掘進時上軟下硬地層最具特色，即指的是上部是砂層，下部是中風化泥質粉砂巖，下文統稱為上軟下硬地層。選取三種典型地層中的掘進參數進行相關性分析，分別為砂礫層、上軟下硬地層和中風化泥質粉砂巖地層，以在這三種地層盾構時的現場掘進數據作為分析對象，得出了總推力與掘進速度的關系表達式，如圖1所示。

由圖1可見：總推力N與掘進速度u關系可以近似擬合為u=-0.023 78N+64.172 08，R2=0.443 59，即盾構總推力增大時，伴隨著掘進速度下降的趨勢，這是因為盾構過程中遇到復雜的地層條件，巖層厚度的變化及巖體強度變化導致盾構掘進速度隨著盾構總推力的增大而減小[9]。

3.2 刀盤轉速與掘進速度之間的關系

以在這三種地層盾構時的現場掘進數據作為分析對象，繪制出刀盤扭矩與掘進速度關系曲線，如圖2所示。

對圖2進行分析可知：刀盤轉速均穩定在1.0 r/min～1.2 r/min之間，說明施工過程中，刀盤轉速與刀盤轉速線性相關性差，這是因為一般刀盤轉速調整范圍很小，掘進速度受到盾構設備、出土設備、注漿設備和盾構機操作員水平等因素影響，因此掘進速度更多受客觀條件影響。

3.3 刀盤扭矩與掘進速度之間的關系

以在這三種地層盾構時的現場掘進數據作為分析對象，繪制出刀盤扭矩與掘進速度關系曲線并進行擬合，如圖3所示。

由圖3可知：掘進速度u與刀盤扭矩T的關系可擬合為u=-0.007 9T+53.252 92，R2=0.464 38，即刀盤扭矩增大時，伴隨著有掘進速度下降的趨勢，這是因為在該區間隧道斷面存在細砂等摩擦角較大的土層，當刀盤切削隧道周圍土體時，刀盤與周圍土體摩擦系數增大，盾構掘進時需要克服更大的切削土阻力轉矩、刀盤旋轉阻力矩和其他附加轉矩，從而導致掘進速度降低。

3.4 刀盤扭矩與盾構總推力

以在這三種地層盾構時的現場掘進數據作為分析對象，繪制出刀盤扭矩與盾構總推力關系曲線并進行擬合，如圖4所示。

由圖4可知：盾構總推力N與刀盤扭矩T的關系可擬合為N=0.215 82T+696.560 76，R2=0.442 2，即刀盤扭矩逐漸增大時，伴隨著有總推力增大的趨勢，出現刀盤扭矩偏大最重要的原因是刀盤結泥餅形成，盾構區段巖體不均勻、巖層強度不均勻，尤其在上軟下硬地層中易使刀盤結泥餅形成，進而增加了盾構總推力。

4 結語

以南昌軌道交通4號線過江隧道為工程依托，對盾構掘進過程中機器參數之間的關系進行研究，得到結論如下：

1)在盾構掘進過程中，采用線性擬合的分析方法，建立各項掘進參數之間線性關系數學模型，發現不同掘進參數之間存在一定的相關聯性，其中掘進速度受盾構總推力和刀盤扭矩的影響，盾構總推力和刀盤扭矩增大時，伴隨著有掘進速度下降的趨勢，受刀盤結泥餅影響，會出現刀盤扭矩和總推力驟增，盾構推進速度出現較大幅度降低，對于盾構掘進工作來說為不利的工作狀態。

2)縱使盾構總推力、刀盤扭矩、刀盤轉速及掘進速度等掘進參數之間存在一定的相互關系，但由于盾構施工的地層不同，其相關性的顯著性也不同，但整體可以反映盾構掘進參數之間的相關性。

3)刀盤轉速與掘進速度之間不存在顯著的線性相關性。