土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)土量平衡及參數(shù)相關(guān)性分析

竇正磊，李大華，張自光

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

隨著地下軌道交通的發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)也得以快速發(fā)展。現(xiàn)階段隧道施工廣泛使用土壓平衡盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)存在出土率高、適用地層的范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)，在掘進(jìn)時(shí)能夠有效地維持土體的穩(wěn)定從而降低對(duì)地表沉降的影響。因此，充分了解土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)存在的平衡關(guān)系以及各施工參數(shù)間的相關(guān)性是專家廣泛關(guān)注的問(wèn)題。

針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的平衡狀態(tài)及參數(shù)的相關(guān)性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)分析對(duì)此做出了大量的研究：胡國(guó)良等研究發(fā)現(xiàn)可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度或輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制土倉(cāng)壓力維持在設(shè)定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到土壓平衡狀態(tài)；王洪新等建立了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)一步推導(dǎo)出盾構(gòu)各施工參數(shù)間的相關(guān)性；周冠南分析螺旋輸送機(jī)排土及保壓作用時(shí)，總結(jié)出土倉(cāng)內(nèi)外壓力及進(jìn)、出土量的平衡可通過(guò)對(duì)排土量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；邢彤等通過(guò)模型試驗(yàn)分析了刀盤扭矩與刀盤開口率、土倉(cāng)壓力、推進(jìn)力的關(guān)系；江華等以北京地鐵9號(hào)線為背景討論了輻條式與面板式在大粒徑卵礫石地層施工時(shí)參數(shù)的關(guān)鍵性特征。

上述研究提出了通過(guò)改變輸送機(jī)轉(zhuǎn)速或推進(jìn)速度來(lái)控制排土量的思路，但對(duì)其土量平衡狀態(tài)分析則不夠全面，并且參數(shù)的相關(guān)性大多數(shù)是基于模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的，忽略了地層的復(fù)雜性，因此不能為實(shí)際盾構(gòu)施工提供較高的參考價(jià)值。研究對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的土量平衡進(jìn)行理論分析，提出了通過(guò)控制輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度的比值來(lái)維持土量平衡，從而使盾構(gòu)達(dá)到土壓平衡狀態(tài)。同時(shí)對(duì)合肥地鐵4號(hào)線盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出相應(yīng)的相關(guān)性，其結(jié)果可為將來(lái)合肥地區(qū)類似工程提供參考。

1 土量平衡

1.1 土量平衡理論分析

現(xiàn)階段土壓平衡盾構(gòu)在施工時(shí)，主要以控制土壓力為目標(biāo)，建立盾構(gòu)的土壓平衡狀態(tài)。所謂土壓平衡狀態(tài)就是土倉(cāng)內(nèi)的土壓力等于前方土體對(duì)盾構(gòu)的水土壓力。施工前首先設(shè)定好土倉(cāng)內(nèi)的壓力值，一般壓力值的取值范圍是：(水壓力+主動(dòng)土壓力)<

P

<(水壓力+被動(dòng)土壓力)。然后，結(jié)合掘進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)的地表沉降、隆起等數(shù)據(jù)對(duì)土倉(cāng)內(nèi)的壓力值進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)改變土壓平衡盾構(gòu)的推進(jìn)速度或螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整土倉(cāng)內(nèi)的壓力值，從而確保開挖面的穩(wěn)定。然而復(fù)雜的土層條件導(dǎo)致實(shí)際操作中很難確定開挖面的水土壓力且這種滯后操作需要施工人員具備豐富的施工經(jīng)驗(yàn)才能精準(zhǔn)地調(diào)控盾構(gòu)開挖，故很容易造成不平衡掘進(jìn)的現(xiàn)象。因此可以考慮盾構(gòu)存在的另一種平衡狀態(tài)--土量平衡，即刀盤開挖進(jìn)土倉(cāng)內(nèi)的土量等于螺旋輸送機(jī)排出的土量。土壓平衡盾構(gòu)的工作狀態(tài)如圖1所示。其中，盾構(gòu)推進(jìn)的距離是

dS

；盾構(gòu)刀盤切削進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)的天然狀態(tài)土體積是

Q

；螺旋輸送機(jī)排出去的天然狀態(tài)土體積是

Q

；故盾構(gòu)擠壓前方土體的體積變形量為

dV

擠壓=

Q

-

Q

，用擠壓量除以盾構(gòu)掘進(jìn)面的截面積就得出不平衡掘進(jìn)量

dl

。王洪新引入接觸壓力作用下土體產(chǎn)生單位變形時(shí)的反力值

K

,即似剛度，則超推進(jìn)(欠推進(jìn))狀態(tài)時(shí)盾構(gòu)掌子面壓力與靜止側(cè)向土壓力之差和不平衡掘進(jìn)量的物理關(guān)系式為

dP

=

Kdl

。如果

Q

>

Q

，則掌子面的壓力大于側(cè)向土壓力，對(duì)前方土體形成擠壓，造成超推進(jìn)現(xiàn)象。反之，如果

Q

<

Q

，盾構(gòu)對(duì)前方土體形成卸載,造成欠推進(jìn)現(xiàn)象。因此，維持盾構(gòu)的土量平衡，使得開挖的土體能夠及時(shí)通過(guò)輸送機(jī)排出就能穩(wěn)定土倉(cāng)內(nèi)的壓力值，從而達(dá)到土壓平衡狀態(tài)保證盾構(gòu)施工的安全。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的原理圖

1.2 挖土量與排土量

針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的土量平衡，主要需要研究單位時(shí)間內(nèi)刀盤切削進(jìn)土倉(cāng)內(nèi)的土量和螺旋輸送機(jī)排出的土量。假設(shè)盾構(gòu)掘進(jìn)速度為

V

,盾構(gòu)開挖面的半徑為

D

，則單位時(shí)間

T

內(nèi)的挖土量為

而盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中，開挖的天然土體經(jīng)過(guò)刀盤的切削以及在土倉(cāng)內(nèi)的攪拌擠壓，土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變，因此螺旋輸送機(jī)排出去的土體與開挖的土體相比變得更加松散，故需要考慮土的松散系數(shù)

k

，由此得出的挖土量

Q

=

kQ

才是螺旋輸送機(jī)排出土量的體積。土壓平衡盾構(gòu)通常采用中心軸螺旋桿式輸送機(jī)，輸送機(jī)排出的土量主要受其轉(zhuǎn)速的控制，因此，假設(shè)螺旋輸送機(jī)的直徑為

d

,螺旋輸送機(jī)軸的直徑為

d

，螺旋輸送機(jī)的節(jié)距為

L

，則土體充滿螺旋機(jī)內(nèi)部情況下單轉(zhuǎn)的排土量為

式中,

γ

為添加泡沫劑后將土體積換算為重量的參數(shù)；

N

為螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速；

γ

為土體的天然容重。

1.3 土壓平衡比

根據(jù)挖土量與排土量的公式可進(jìn)一步推導(dǎo)出出土率

e

為

出土率是衡量土壓平衡盾構(gòu)處于土量平衡狀態(tài)的重要參數(shù)，因此準(zhǔn)確把控出土率的大小才能使盾構(gòu)保持穩(wěn)定掘進(jìn)的狀態(tài)。但實(shí)際施工中，盾構(gòu)的出土量非常大，很難準(zhǔn)確對(duì)出土率進(jìn)行定量的控制。通過(guò)公式可以發(fā)現(xiàn)出土率與推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速存在明顯的線性關(guān)系，并且這兩個(gè)數(shù)據(jù)都是可以直接控制的，因此可以通過(guò)控制推進(jìn)速度和輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的比值使得盾構(gòu)處于土量平衡狀態(tài)。當(dāng)出土率

e

=100%時(shí)，盾構(gòu)的挖土量就等于排土量，盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)最小，處于土壓平衡狀態(tài)，同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)速度與螺旋輸送機(jī)的比值也保持為定值，關(guān)系式為

2 工程概況

2.1 隧道施工方案

合肥地鐵4號(hào)線二標(biāo)區(qū)間隧道始于豐樂(lè)河路站東端，沿習(xí)友路路中下方穿行至玉蘭大道站西端，為兩條單洞單線圓形隧道，區(qū)間左線長(zhǎng)1 473.560 m，右線長(zhǎng)1 470.778 m,地理位置如圖2所示。區(qū)間隧道采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，平面最小曲線半徑為500 m，線間距為9.1～17.5 m,區(qū)間隧道覆土厚度約為8.85～16.85 m,最大坡度28%。土壓平衡盾構(gòu)開挖直徑為6 280 mm,最大推進(jìn)速度可達(dá)到80 mm/min，盾構(gòu)刀盤的開口率為60%。用于運(yùn)輸渣土的螺旋輸機(jī)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)25 rmp，輸送機(jī)殼體內(nèi)徑為700 mm，螺桿的直徑為220 mm，葉片的間距為560 mm。

圖2 區(qū)間現(xiàn)狀地理位置示意圖

2.2 工程地質(zhì)條件

土壓平衡盾構(gòu)施工穿越的土層地質(zhì)條件如表1所示。記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的路段地層主要為⑨強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和⑨中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，土質(zhì)較均勻。

3 隧道施工工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

表1 掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地層的物理力學(xué)特性

圖3 264～363環(huán)區(qū)間螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度比值

4 掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)性分析

為了更全面研究土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)的平衡狀態(tài)，需要分析掘進(jìn)參數(shù)之間的相互影響。不同的地質(zhì)條件會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)的施工參數(shù)存在較大差異，且盾構(gòu)參數(shù)之間的相互關(guān)系較為復(fù)雜，很難通過(guò)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行表示。故可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)討論各掘進(jìn)參數(shù)之間的相關(guān)性。選取合肥地鐵4號(hào)線盾構(gòu)施工的264～363環(huán)作為試驗(yàn)區(qū)間，記錄每一環(huán)的土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、總推力及刀盤扭矩等數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸對(duì)相關(guān)性進(jìn)行分析。

4.1 土倉(cāng)壓力和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系

4.2 總推力和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系

盾構(gòu)的總推力主要受開挖過(guò)程中的總阻力與開挖面的水土壓力的影響，而總推力的大小決定了盾構(gòu)推進(jìn)快慢，因此就需要討論總推力和輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度的關(guān)系。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得出的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可以看出,總推力與輸送機(jī)轉(zhuǎn)速

/

推進(jìn)速度呈負(fù)相關(guān)，其中相關(guān)系數(shù)

R

=0

.

216 8。因?yàn)槎軜?gòu)在掘進(jìn)時(shí)總阻力的影響因素較多，導(dǎo)致總推力的值不斷發(fā)生變化，所以兩者的相關(guān)性較弱。

圖4 土倉(cāng)壓力與輸送機(jī)轉(zhuǎn)速/推進(jìn)速度的關(guān)系 圖5 總推力與輸送機(jī)轉(zhuǎn)速/推進(jìn)速度的關(guān)系

4.3 土倉(cāng)壓力與刀盤扭矩的關(guān)系

刀盤扭矩是影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵性因素，刀盤扭矩的大小決定了刀盤切削土體的能力，若刀盤扭矩過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足刀盤被困住的現(xiàn)象。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得到土倉(cāng)壓力與刀盤扭矩的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可以看出，土倉(cāng)壓力與刀盤扭矩呈負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)

R

=0

.

365 7，兩個(gè)參數(shù)的相關(guān)性中等。因此，施工時(shí)要注意刀盤扭矩的變化對(duì)土倉(cāng)壓力的影響，才能保證盾構(gòu)的順利開挖。

4.4 總推力和刀盤扭矩的關(guān)系

土壓平衡盾構(gòu)主要通過(guò)控制土倉(cāng)壓力來(lái)防止地表土層的下沉，一般都是討論參數(shù)與土倉(cāng)壓力的相關(guān)性，而忽視了對(duì)其他參數(shù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性的研究。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)討論總推力與刀盤扭矩的相關(guān)性，關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，相關(guān)系數(shù)

R

=0

.

023 1，兩個(gè)參數(shù)并不存在相關(guān)性。

圖6 土倉(cāng)壓力與刀盤扭矩關(guān)系 圖7 刀盤扭矩與總推力的關(guān)系

5 結(jié)論

研究總結(jié)了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中的土量平衡狀態(tài)，若盾構(gòu)能控制土量平衡就能使其處于土壓平衡狀態(tài)，對(duì)地層產(chǎn)生的損失值最小。

參數(shù)相關(guān)性主要是基于合肥地質(zhì)條件收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出土倉(cāng)壓力與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速

/

推進(jìn)速度、刀盤扭矩存在較強(qiáng)的相關(guān)性；土倉(cāng)壓力隨著螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速

/

推進(jìn)速度和刀盤扭矩的增加而降低；總推力與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速

/

推進(jìn)速度存在一定的相關(guān)性。故合肥類似工程施工時(shí)可結(jié)合上述參數(shù)的相關(guān)性結(jié)果對(duì)盾構(gòu)的土壓平衡進(jìn)行控制，避免造成不平衡掘進(jìn)。