京張高速鐵路清華園隧道大直徑泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)統(tǒng)計分析

劉磊

中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，南京210003

盾構(gòu)法因施工安全可靠、快捷高效，對周圍地層擾動弱而得到廣泛應(yīng)用，尤其是在城市建（構(gòu)）物密集區(qū)［1］。盾構(gòu)施工過程中，為了維持盾構(gòu)機性能穩(wěn)定，提高掘進效率，并最大程度地降低盾構(gòu)掘進對周圍地層的擾動，必須合理控制盾構(gòu)掘進參數(shù)，如盾構(gòu)機泥水壓力、掘進速度、刀盤扭矩與轉(zhuǎn)速、注漿壓力與體積等［2］。李錕等［3］對深圳地鐵天健花園站—龍城中路站區(qū)間左線土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)進行相關(guān)性分析。其中，區(qū)間隧道開挖直徑為6.46 m。汪輝武等［4］對寧波地鐵1號線海晏北路站—福慶北路站區(qū)間盾構(gòu)施工過程進行模擬，分析盾構(gòu)掘進過程中管片注漿時間和壓力、頂進力、上下頂進力差等掘進參數(shù)對管片上浮與地表沉降的影響規(guī)律。其中，盾構(gòu)掘進直徑為6.2 m。史金洪等［5］對昆明市地鐵4 號線昆明東站—牛街莊站區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)進行統(tǒng)計分析，建立了土壓力、推力、刀盤扭矩等因素與盾構(gòu)掘進速度之間的擬合公式。沈翔等［6］依托大連地鐵港灣廣場站—中山廣場站區(qū)間隧道工程，分析現(xiàn)場實測土壓盾構(gòu)掘進參數(shù)變化規(guī)律。其中，盾構(gòu)區(qū)間外徑為6.0 m。張世豪等［7］依托深圳地鐵8 號線一期工程分析了盾構(gòu)總推力及刀盤轉(zhuǎn)速對盾構(gòu)掘進效率的影響規(guī)律。其中，盾構(gòu)開挖直徑為6.28 m。

在對既有工程進行總結(jié)分析的同時，為了能夠指導(dǎo)后續(xù)類似工程施工，眾多學(xué)者提出了各種預(yù)測盾構(gòu)掘進參數(shù)的模型或方法。加武榮［8］結(jié)合室內(nèi)試驗與現(xiàn)場實測結(jié)果分析泡沫注入率對復(fù)合地層下盾構(gòu)掘進參數(shù)的影響規(guī)律。羅維平等［9］基于Python 語言提出一種能夠預(yù)測盾構(gòu)泥水壓力的隨機森林預(yù)測模型。黃靚鈺等［10］以長沙地鐵3號線盾構(gòu)穿越水下巖溶段為工程依托，提出了一種以地層特征參數(shù)和隧道特征參數(shù)為輸入數(shù)據(jù)、以盾構(gòu)掘進參數(shù)為輸出數(shù)據(jù)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水下巖溶盾構(gòu)掘進參數(shù)預(yù)測模型。其中，盾構(gòu)掘進參數(shù)包括掘進速度、推力、刀盤扭矩、開挖面土倉壓力、同步注漿量等，盾構(gòu)管片外徑為6.2 m。牟松等［11］提出一種將正反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的盾構(gòu)掘進參數(shù)預(yù)測方法，并通過某盾構(gòu)掘進實測參數(shù)值對預(yù)測結(jié)果進行驗證。其中，實測盾構(gòu)隧道開挖直徑為6.28 m。

現(xiàn)有研究中盾構(gòu)開挖直徑多集中在6.0 m 左右，有關(guān)大直徑（大于10.0 m）泥水盾構(gòu)隧道掘進過程中盾構(gòu)掘進參數(shù)變化規(guī)律及其參數(shù)之間相關(guān)性強弱的研究較少。本文以京張高速鐵路清華園大直徑（開挖直徑12.64 m）泥水盾構(gòu)隧道工程（3#—2#盾構(gòu)區(qū)間）為依托，對盾構(gòu)掘進過程中盾構(gòu)機泥水壓力、推力、刀盤扭矩、掘進速度及注漿參數(shù)進行統(tǒng)計分析。

1 工程概況

京張高速鐵路是連接北京和張家口的城際鐵路，是2022 年北京冬奧會的重要交通設(shè)施。清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，是京張高速鐵路的控制性工程之一。清華園隧道始于學(xué)院南路南側(cè)，終于清華大學(xué)東門，全長6.02 km，共設(shè)計3 座豎井［12］。清華園隧道3#—2#盾構(gòu)區(qū)間（DK18+200—DK16+459）全長1.74 km，平均覆土厚度14.0 m。盾構(gòu)區(qū)間采用直徑12.64 m、全長124.0 m 的海瑞克泥水平衡盾構(gòu)機，區(qū)間管片采用全預(yù)制拼裝法，內(nèi)外徑分別為11.1 m 和12.2 m，管片寬度與厚度分別為2.0 m和0.55 m［13］。盾構(gòu)區(qū)間上部地層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土①、粉土、粉質(zhì)砂土與中砂夾層，中部地層為砂卵石①、粉質(zhì)黏土②及粉質(zhì)砂土，下部地層為砂卵石②。地下水類型主要為上層滯水、潛水及承壓水。地下水對混凝土及其內(nèi)部鋼筋具有微腐蝕性。在干濕交替環(huán)境下，地下水對混凝土內(nèi)部鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性［14］。

2 盾構(gòu)機掘進參數(shù)統(tǒng)計分析

2.1 盾構(gòu)機泥水壓力統(tǒng)計分析

盾構(gòu)機掘進過程中泥水壓力變化曲線及其頻數(shù)直方圖見圖1。掘進800 環(huán)過程中泥水壓力的統(tǒng)計特征見表1。

圖1 盾構(gòu)機泥水壓力及其頻數(shù)直方圖

表1 盾構(gòu)機泥水壓力的統(tǒng)計特征

由圖1（a）可知，泥水壓力在盾構(gòu)機掘進過程中大致經(jīng)歷了四個階段：①急速增長階段（0 ～80環(huán)），泥水壓力從0.023 MPa 急速增加到0.013 MPa，增長速率達0.00134 MPa/環(huán)。由于此時的盾構(gòu)機淺層始發(fā)，故初始泥水壓力較小。隨著盾構(gòu)機所處埋深增加，泥水壓力急速增大。②平穩(wěn)變化階段（81 ～155 環(huán)），此時的泥水壓力最小值和最大值分別為0.122 MPa 和0.162 MPa，平均值為0.137 MPa。由于此時盾構(gòu)機已到達隧道埋深，且此階段為粉質(zhì)黏土地層，故泥水壓力平穩(wěn)變化。③近似線性增長階段（156 ～440環(huán)），泥水壓力從0.106 MPa 近似線性增加到0.20 MPa。由于此階段盾構(gòu)機從粉質(zhì)黏性地層逐漸進入上軟下硬地層，需要更大的泥水壓力來切削土體，故泥水壓力近似線性增加。④基本穩(wěn)定階段（441 ～800環(huán)），此時的泥水壓力基本維持在0.186 ～0.199 MPa，平均值為0.192 MPa。由于此階段盾構(gòu)機已進入砂卵石地層，故泥水壓力基本穩(wěn)定。

由圖1（b）可知，泥水壓力頻數(shù)基本呈雙峰正態(tài)分布（決定系數(shù)R2=0.98），第一個峰值對應(yīng)粉質(zhì)黏土地層，泥水壓力主要在0.115 ～0.155 MPa；第二個峰值對應(yīng)砂卵石地層，泥水壓力主要在0.185 ～0.215 MPa。

2.2 盾構(gòu)機推力統(tǒng)計分析

盾構(gòu)機掘進過程中推力變化曲線及其頻數(shù)直方圖見圖2。掘進800環(huán)過程推力的統(tǒng)計特征見表2。

圖2 盾構(gòu)機推力及其頻數(shù)直方圖

表2 盾構(gòu)機推力的統(tǒng)計特征

由圖2（a）可知，盾構(gòu)推力在盾構(gòu)機掘進過程中大致經(jīng)歷了兩個階段：①第一階段（0 ～155 環(huán)），盾構(gòu)推力平均為3.37×104kN。此時盾構(gòu)機位于淺層始發(fā)段及粉質(zhì)黏土地層中，盾構(gòu)推力平均值較小。②第二階段（156 ～ 800 環(huán)），盾構(gòu)推力平均為4.98 × 104kN，增幅47.77%（相比第一階段）。此時盾構(gòu)機已經(jīng)進入上軟下硬地層及砂卵石地層，盾構(gòu)外殼與土體或砂卵石之間的摩擦阻力增大，盾構(gòu)推力平均值較大。

由圖2（b）可知，盾構(gòu)推力頻數(shù)基本呈單峰正態(tài)分布（決定系數(shù)R2= 0.90），盾構(gòu)推力峰值主要維持在4 × 104～ 6 × 104kN。由于盾構(gòu)機在第一階段經(jīng)歷了155 環(huán)，故3 × 104～ 4 × 104kN 區(qū)間的盾構(gòu)推力頻數(shù)顯著大于6×104～7×104kN區(qū)間的。

2.3 盾構(gòu)機刀盤扭矩統(tǒng)計分析

盾構(gòu)機掘進過程中刀盤扭矩變化曲線及其頻數(shù)直方圖見圖3。掘進800 環(huán)過程中刀盤扭矩的統(tǒng)計特征見表3。可知，刀盤扭矩在盾構(gòu)機掘進過程中大致經(jīng)歷了三個階段：①第一階段（0 ～330環(huán)）包含盾構(gòu)機淺層始發(fā)、粉質(zhì)黏土地層及上軟下硬地層，刀盤扭矩平均為6.20 × 103kN·m。②第二階段（331 ～ 630 環(huán)）包含上軟下硬地層及砂卵石地層，此階段的刀盤扭矩平均為9.07 × 103kN·m，增幅46.29%（相比第一階段）。③第三階段（631 ～880 環(huán)）包含砂卵石地層，刀盤扭矩平均7.62×103kN·m，降幅19.03%（相比第二階段）。這三個階段與盾構(gòu)機所穿越地層情況之間無顯著的對應(yīng)關(guān)系。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是刀盤扭矩與地層之間相關(guān)性較弱或者受盾構(gòu)司機操作水平影響所致。

圖3 盾構(gòu)機刀盤扭矩及其頻數(shù)直方圖

表3 盾構(gòu)機刀盤扭矩的統(tǒng)計特征

2.4 盾構(gòu)機掘進速度統(tǒng)計分析

盾構(gòu)機掘進過程中掘進速度變化曲線及其頻數(shù)直方圖見圖4。掘進800 環(huán)過程中掘進速度的統(tǒng)計特征見表4。

圖4 盾構(gòu)機掘進速度及其頻數(shù)直方圖

表4 盾構(gòu)機掘進速度的統(tǒng)計特征

由圖4（a）可知，盾構(gòu)掘進速度在整個過程中大致經(jīng)歷了兩個階段：①急速增長階段（0 ～95 環(huán)），盾構(gòu)掘進速度從8.0 mm/min急速增加到26.0 mm/min，增長速率達每環(huán)0.225 mm/min。由于此時的盾構(gòu)機從淺層始發(fā)段開始，故盾構(gòu)掘進速度急速增長。此外，盾構(gòu)掘進初始階段須逐步適應(yīng)周圍地層，故盾構(gòu)掘進速度波動變化較大。當盾構(gòu)機到達隧道埋深時，掘進速度達到最大值。②平穩(wěn)變化階段（96 ～800 環(huán)），盾構(gòu)掘進速度平均為20.5 mm/min。隨著盾構(gòu)機所處深度增加，地層條件更加復(fù)雜，故盾構(gòu)掘進速度逐漸放緩并趨于平穩(wěn)波動。此外，盾構(gòu)機已逐步適應(yīng)周圍地層，故盾構(gòu)掘進速度波動變化較平穩(wěn)。

由圖4（b）可知，盾構(gòu)掘進速度的頻數(shù)基本呈單峰正態(tài)分布（決定系數(shù)R2=0.98），掘進速度的峰值主要在14 ～ 24 mm/min。

2.5 盾構(gòu)機注漿參數(shù)統(tǒng)計分析

盾構(gòu)機掘進過程中注漿參數(shù)變化曲線見圖5，頻數(shù)直方圖見圖6。掘進800 環(huán)過程中注漿參數(shù)的統(tǒng)計特征見表5。可知，同步注漿壓力變化曲線無明顯規(guī)律可循，整個掘進過程中盾構(gòu)機同步注漿壓力在區(qū)間0.35 ～0.56 MPa 波動變化。二次注漿壓力和體積在盾構(gòu)機淺層始發(fā)階段較小，平均值分別為0.05 MPa和8.5 m3。當盾構(gòu)機到達隧道埋深后，由于盾構(gòu)機與周圍地層之間有一個相互適應(yīng)過程，故早期掘進階段的二次注漿壓力和體積波動變化較大。隨著盾構(gòu)機與周圍地層逐步適應(yīng)，二次注漿壓力和體積的變化逐漸趨于穩(wěn)定，平均值分別為0.07 MPa 和9.5 m3，頻數(shù)變化峰值分別集中在 0.65 ～0.75 MPa 和 9.0 ～ 10.0 m3。同步注漿體積在盾構(gòu)機淺層始發(fā)及早期適應(yīng)階段的波動變化范圍均較大。在盾構(gòu)機與周圍地層適應(yīng)后，同步注漿體積變化也逐漸趨于穩(wěn)定，平均值為25 m3，相對應(yīng)的頻數(shù)變化峰值集中在25.0～31.0 m3。

圖5 盾構(gòu)機注漿參數(shù)變化曲線

圖6 盾構(gòu)機注漿參數(shù)頻數(shù)直方圖

表5 注漿參數(shù)的統(tǒng)計特征

3 盾構(gòu)機掘進參數(shù)相關(guān)性分析

相關(guān)性指兩個變量或者滿足條件的多個變量之間的關(guān)聯(lián)程度，可以通過相關(guān)系數(shù)r來定量描述，r的取值為［-1，1］。根據(jù)相關(guān)系數(shù)可以將變量之間的關(guān)聯(lián)程度分為正相關(guān)（0＜r≤ 1）、負相關(guān)（-1≤r ＜0）以及不相關(guān)（r=0）。變量之間關(guān)聯(lián)程度隨著相關(guān)系數(shù)絕對值的增大而加強，正負號僅表示變量之間關(guān)聯(lián)程度的相關(guān)方向，相關(guān)系數(shù)絕對值表示變量之間關(guān)聯(lián)程度的強弱［15］。變量之間相關(guān)性強弱可根據(jù)表6判斷。

表6 相關(guān)性強弱劃分

兩個變量之間的相關(guān)系數(shù)r計算式［16］為

式中：n表示數(shù)據(jù)組數(shù)；（xi，yi）表示第i組數(shù)據(jù)值；（xˉ，yˉ）表示所有數(shù)據(jù)組的均值。

利用式（1）計算盾構(gòu)機泥水壓力、推力、刀盤扭矩、掘進速度及注漿參數(shù)（同步、二次注漿的壓力和體積）兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表7。可知，泥水壓力與刀盤扭矩之間的相關(guān)性系數(shù)為0.63，二次注漿壓力與體積之間的相關(guān)性系數(shù)為0.79，盾構(gòu)機掘進參數(shù)之間表現(xiàn)出強相關(guān)性。泥水壓力與推力、二次注漿壓力、二次注漿體積之間的相關(guān)性系數(shù)分別為0.52、0.41、0.45，推力與刀盤扭矩之間的相關(guān)性系數(shù)為0.56，盾構(gòu)機掘進參數(shù)之間相關(guān)性中等。盾構(gòu)機的其他掘進參數(shù)兩兩之間的相關(guān)性均為弱或極弱。

表7 盾構(gòu)機掘進參數(shù)相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

1）盾構(gòu)機從淺層始發(fā)到隧道設(shè)計埋深的掘進過程中，盾構(gòu)機泥水壓力、推力及掘進速度均急速增加。盾構(gòu)機在隧道埋深位置正常掘進過程中，盾構(gòu)機推力、掘進速度及注漿參數(shù)均保持一定范圍內(nèi)的平穩(wěn)波動變化。

2）盾構(gòu)機泥水壓力的頻數(shù)呈雙峰正態(tài)分布，決定系數(shù)R2= 0.98；盾構(gòu)機推力的頻數(shù)呈單峰正態(tài)分布，決定系數(shù)R2=0.90；盾構(gòu)機掘進速度的頻數(shù)呈單峰正態(tài)分布，決定系數(shù)R2=0.98。

3）泥水壓力與刀盤扭矩之間、二次注漿壓力與體積之間均表現(xiàn)出強相關(guān)性，泥水壓力與推力、二次注漿壓力、二次注漿體積之間均表現(xiàn)出中等強度的相關(guān)性，其他掘進參數(shù)兩兩之間的相關(guān)性均為弱或極弱。