復合地層泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)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(yè)的快速發(fā)展，我國大量城市開始興建地鐵，而盾構(gòu)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(gòu)掘進過程中，合理調(diào)整主要的掘進參數(shù)對保證隧道的安全高效掘進是十分重要的，不恰當?shù)木蜻M參數(shù)易導致姿態(tài)難控制、泥餅、掘進困難等問題[1-3]。為了確保泥水盾構(gòu)施工質(zhì)量，探究盾構(gòu)掘進過程中主要掘進參數(shù)之間的相關性，并構(gòu)建相應的擬合模型顯得非常重要[4]。

近年來國內(nèi)大量學者就盾構(gòu)掘進過程中機器參數(shù)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(gòu)掘進參數(shù)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(gòu)段隧道施工為背景，針對泥水盾構(gòu)在黏土地層中刀盤結(jié)泥餅問題提出了半艙氣壓工法，研究了半艙氣壓法下盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化特征；于云龍等[7]依托石家莊地鐵1號線白留區(qū)間隧道工程，基于現(xiàn)場盾構(gòu)掘進試驗，通過對盾構(gòu)原始掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，建立標準推力—標準轉(zhuǎn)矩特征空間，并對傳統(tǒng)盾構(gòu)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(qū)間內(nèi)掘進參數(shù)進行分析，通過優(yōu)選函數(shù)類別和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的復合地層超大直徑泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)預測模型,通過機器參數(shù)相關性分析定量預測刀盤轉(zhuǎn)矩、泥水壓力等數(shù)據(jù)。

依托南昌軌道交通4號線安豐站—東新站盾構(gòu)掘進區(qū)間隧道，由于泥水盾構(gòu)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(gòu)主要掘進參數(shù)與不同地層參數(shù)之間的關系，確定不同地層條件下合理的掘進參數(shù)取值范圍，能夠為后續(xù)盾構(gòu)掘進工作或者其他相似工況提供數(shù)據(jù)參考。

2 工程背景

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

表1 土層參數(shù)

3 掘進參數(shù)相關性分析

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

3.1 盾構(gòu)總推力與掘進速度之間的關系

盾構(gòu)在南昌地區(qū)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(zhì)粉砂巖，下文統(tǒng)稱為上軟下硬地層。選取三種典型地層中的掘進參數(shù)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(zhì)粉砂巖地層，以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)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(gòu)總推力增大時，伴隨著掘進速度下降的趨勢，這是因為盾構(gòu)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(gòu)掘進速度隨著盾構(gòu)總推力的增大而減小[9]。

3.2 刀盤轉(zhuǎn)速與掘進速度之間的關系

以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速均穩(wěn)定在1.0 r/min～1.2 r/min之間，說明施工過程中，刀盤轉(zhuǎn)速與刀盤轉(zhuǎn)速線性相關性差，這是因為一般刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍很小，掘進速度受到盾構(gòu)設備、出土設備、注漿設備和盾構(gòu)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(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)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(qū)間隧道斷面存在細砂等摩擦角較大的土層，當?shù)侗P切削隧道周圍土體時，刀盤與周圍土體摩擦系數(shù)增大，盾構(gòu)掘進時需要克服更大的切削土阻力轉(zhuǎn)矩、刀盤旋轉(zhuǎn)阻力矩和其他附加轉(zhuǎn)矩，從而導致掘進速度降低。

3.4 刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力

以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)作為分析對象，繪制出刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力關系曲線并進行擬合，如圖4所示。

由圖4可知：盾構(gòu)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(xiàn)刀盤扭矩偏大最重要的原因是刀盤結(jié)泥餅形成，盾構(gòu)區(qū)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(jié)泥餅形成，進而增加了盾構(gòu)總推力。

4 結(jié)語

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

1)在盾構(gòu)掘進過程中，采用線性擬合的分析方法，建立各項掘進參數(shù)之間線性關系數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)不同掘進參數(shù)之間存在一定的相關聯(lián)性，其中掘進速度受盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩的影響，盾構(gòu)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(jié)泥餅影響，會出現(xiàn)刀盤扭矩和總推力驟增，盾構(gòu)推進速度出現(xiàn)較大幅度降低，對于盾構(gòu)掘進工作來說為不利的工作狀態(tài)。

2)縱使盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速及掘進速度等掘進參數(shù)之間存在一定的相互關系，但由于盾構(gòu)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(gòu)掘進參數(shù)之間的相關性。

3)刀盤轉(zhuǎn)速與掘進速度之間不存在顯著的線性相關性。