盾構機掘進參數的關聯分析與地質特征識別

閆海生

摘要：地鐵十號線標段全長近3.8km，包括“兩站三區間”，盾構機從城西路站始發，本標段選擇了兩臺海瑞克生產的土壓平衡式復合盾構機，盾構機主要由刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋輸送機、管片拼裝機、設備橋、1-5 號拖車組成。

關鍵詞：盾構機掘進參數的關聯;地質特征識別;

前言：

隨著經濟和社會的發展，城市的建設逐漸向三維空間擴展.高效、節能、輕污染的要求使得隧道及地下空間的開發成為新型的經濟熱點.盾構是隧道暗挖施工法的一種，近年來以其安全、快速、優質等特點而得到廣泛應用.由于盾構施工具有全封閉、快掘進、邊掘進邊襯砌的施工特點，而地質參數與掘進參數之間往往具有一定的對應關系，研究這種對應關系，對于控制盾構機保持良好的掘進姿態，以滿足施工進度、安全和質量要求，以及有效地控制地面沉降具有重要意義。

一、盾構機掘進參數

1.工程地質及水文地質。主要地層從上到下依次為：① -1 雜填土、① -2-2 素填土、① -3 淤泥、② -1b2-3 粉質黏土、② -2b4 淤泥質粉質黏土～粉質黏土、② -2e2粉質粘土混卵礫石、② -3b3-4 粉質粘土、④ -2b2 粉質粘土、④ -3b1-2粉質粘土、④ -4e-2 卵礫石、K2P-2 強風化粉砂質泥巖～泥質粉砂巖、K2P-3 中風化粉砂質泥巖- 泥質粉砂巖。為確定施工參數，以右線前100 環隧道掘進進行分析，該段地質條件復雜，上部主要為淤泥，中部為卵礫石，下部為風化巖，屬上軟下硬復合地層。根據鉆探揭示的地層結構特征，本標段的地下水類型主要為松散巖類孔隙水（孔隙潛水、微承壓水）和基巖裂隙水，本段卵礫石層中含承壓水。

2.工程地質評價及對盾構掘進影響。該段隧道埋深較淺，隧道掘進地層屬上軟下硬復合地層，夾雜的卵礫石層為富水地層，且卵礫石強度較高，地質條件極差，對盾構掘進主要影響為：（1）盾構掘進緩慢，掘進方向易發生偏差該段開挖面底部巖層多為中風化、強風化粉砂質泥巖，開挖面混雜大量卵礫石。在軟硬不均的地層中掘進時，推力和扭矩變化較大，盾構主機有著向地層較軟一側偏移的慣性，特別是當盾構機需要向硬巖一側調線時，姿態將更難控制，甚至造成盾構機“卡殼”。（2）刀具磨損嚴重，但開艙換刀風險高開挖面上部的粘性土層粘粒含量高，掘進參數控制不當極易造成刀盤結泥餅，造成滾刀偏磨，加之在中、微風化巖層中掘進滾刀磨損嚴重，加劇了刀具的損耗，甚至崩裂刮刀，開艙換刀的幾率大大高于在均質土層中換刀的幾率。（3）噴涌嚴重，清碴量大在開挖面④ -4e-2 卵礫石層中卵礫石含量超過50%，礫石層中混含粉質粘土，黏土中小顆粒的組分含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少。這種獨特的組分特征，使其既具有砂土的特征，亦具粘性土特征，同時也為小顆粒從大顆粒的孔隙中涌出提供可能性。加之卵礫石層裂隙水發育，富含微承壓水，巖層中補勘經常出現漿液流失現象因此，當盾構掘進參數控制不當時，螺旋出土器會出現涌水、涌碴情況，每環掘進都要花費大量的人力、物力及寶貴的時間來清理碴土。

3.盾構機的選型。針對淤泥質軟土、淤泥質粉質黏土、粉土這種特殊地層，采用盾構工法進行隧道掘進，通過盾構掘進保證開挖面穩定安全，并有效控制地層變形，降低振動、噪聲等影響城市生活的因素。盾構選型中必須保證具有很強的糾偏抗扭與彎道施工的能力，必須確保各項作業的安全性和可靠性。根據盾構隧道區域的地質條件與水文條件， 通過地層以淤泥質軟土、粉土、粉質黏土等軟弱地層為主;地層中富含地下水，此類地層雖然具有一定的穩定性，但開挖后在水壓力的作用下，開挖面的穩定性難以保證。目前在含水地層中使用最多的盾構主要有泥水加壓式盾構、加泥式土壓平衡式盾構和土壓平衡盾構。泥水加壓式盾構需要的泥水分離設備場地大、占地多，不適合市內狹小的空間施工。土壓平衡式盾構占地少，適用于本區間隧道的粉質黏土、黏土、粉土和部分砂層，因此從技術角度考慮，本區間隧道盾構建議大部分采用土壓平衡式盾構。土壓平衡盾構在軟土地層中具有非常好的適用性，可通過調節掘進速度、螺旋輸料機轉速、刀盤倉門大小等參數來控制出土速度，進而調整切削腔室的土壓穩定，達到開挖工作面內壓力的平衡、土層的穩定并控制地面沉降變形的目的。

二、盾構機掘進參數的關聯分析與地質特征識別

1.盾構機掘進參數計算。盾構機掘進參數的計算主要是根據水文地質條件、隧道埋深、隧道尺寸、相關盾構機的結構和性能參數進行。盾構掘進機的主要參數為土壓平衡工況下盾構機推力和扭矩。盾構機掘進區域地質參數選取巖土體的破壞模型采用計算過程綜合考慮了摩擦阻力、水平推力、刀盤推力及盾尾與管片之間的摩擦力對盾構機總推力的影響， 通過上述計算可基本準確得到盾構機設備所需要的總推力。盾構機推進扭矩計算盾構機設備在推進過程中所需要克服的扭矩包含多部分，切削巖土體所需要克服的旋轉扭矩、盾構機設備刀盤自重產生的旋轉反力矩、盾構刀盤結構自身旋轉所需要克服的機械阻力矩、盾構機刀盤引推力荷載產生的反力矩、盾構機設備裝置密封部件所產生的摩擦力矩、盾構機刀盤前端面的摩擦力矩、盾構機設備刀盤后面的摩擦力矩、盾構機刀盤開口處的剪切力矩、刀盤前方土倉內的攪動力矩。盾構機設備掘進過程中所需要克服的總扭矩為切削巖土體所需要克服的旋轉扭矩、盾構機設備刀盤自重產生的旋轉反力矩、盾構刀盤結構自身旋轉所需要克服的機械阻力矩、盾構機設備裝置密封部件所產生的摩擦力矩、盾構機刀盤前端面的摩擦力矩、盾構機刀盤引推力荷載產生的反力矩、盾構機設備刀盤后面的摩擦力矩、盾構機刀盤開口處的剪切力矩、刀盤前方土倉內的攪動力矩的總和，最終得到盾構機刀盤總扭矩。

2.盾構機掘進效率的高低在一定程度上取決于圍。巖的地質條件.對于地質條件比較均一的粉質粘土層，巖土承載力和圍巖的含水量及出水量與掘進效率有直接關系.考察該段隧道的導洞地質圖，選擇巖土承載力彤和潮濕級別作為表征地質特征的指標.不考慮井孔質量等因素的影響，認為導洞地質圖給出的地質情況是客觀準確的.由于隧道含多個地質土層，而且受到隧道上層地質的影響。較高水平波動，較低水平波動.以附近為分界線，濕度變大，巖土承載力變小，因此掘進施工變得容易，每轉切深增大，參數和變小.需要說明是，地質和掘進參數曲線發生轉折的分界線略有不同，地質曲線在附近，而掘進參數在附近，這是由于導洞數據和掘進參數數據長度不同引入的計算誤差。

3.沉降觀測。在試推進施工期間，對周邊地表沉降、周邊建筑物沉降、地下管線沉降、隧道凈空收斂等項目進行了監測。通過對施工監測數據進行統計，周邊建筑物沉降、地下管線沉降、隧道凈空收斂均未超過報警值，周邊地表沉降監測點中累計沉降最大累計最大沉降值為-85.1mm，日沉降最大變化值-22.3mm，目前該點地表沉降已趨于穩定。根據前期的施工參數，優化了設置掘進參數，地表沉降得到了很好控制掘進，日沉降量和累計沉降量均控制在規范允許范圍內。

結束語：

盾構機掘進參數的準確選擇對于保證盾構隧道施工效率、節約工程成本具有重要的作用，針對盾構穿越粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土等軟土地層的特殊工況，通過計算最終確定了盾構機掘進所需要的推力及扭矩參數，為盾構機選配提供了依據。

參考文獻：

[1] 陳仁朋，魯立，張陽，吳懷娜.盾構管片UHPC 加固技術及力學性能分析[J].工程力學，2019，36（11）：41-49.

[2] 劉庭金，陳思威，葉振威.堆載誘發盾構隧道病害及結構安全分析[J].鐵道工程學報，2019，36（11）：67-73.