泥巖和砂卵石交互地層盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化研究

鄭鵬飛， 郭治岳， 陳文宇， 陳 行， 于 超， 徐海南

(1. 中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東深圳 518083； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031； 3.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

盾構(gòu)法因開挖速度快、地層擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸成為城市隧道最常使用的工法。但盾構(gòu)法一般適用于較為均一的地層，在軟硬不均的交互地層中盾構(gòu)法的施工難度會(huì)大幅增加。盾構(gòu)法需要與所開挖交互地層相適應(yīng)，才能發(fā)揮其最佳狀態(tài)的性能，因此選取合適的盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)是至關(guān)重要的。

國內(nèi)圍繞盾構(gòu)施工參數(shù)已有不少研究成果，何祥凡[1]等建立數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)隧道穿越復(fù)合地層掌子面過程中不同分區(qū)內(nèi)的頂推力規(guī)律，為上軟下硬地層盾構(gòu)施工提供參考；譚忠盛[2]等針對不均勻地層盾構(gòu)施工重難點(diǎn)，提出將盾構(gòu)設(shè)計(jì)為復(fù)合盾構(gòu)，并對其功能與參數(shù)進(jìn)行研究；宋克志[3]等基于現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，研究了泥巖和砂巖交互地層條件下影響盾構(gòu)推進(jìn)效能的因素；王暉[4]等考慮多種因素，對影響復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的主要因素進(jìn)行了分析并提出了控制措施。以上學(xué)者主要是針對軟硬不均地層盾構(gòu)開挖的施工參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析和理論研究，但由于盾構(gòu)施工參數(shù)在交互地層中較均一地層更復(fù)雜和盾構(gòu)施工參數(shù)對地層具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。本文依托成都軌道交通10號線二期雙流機(jī)場2航站樓站—雙流西站盾構(gòu)區(qū)間工程，針對泥巖和砂巖交互地層的地質(zhì)條件下，通分析盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場滑行道過程中各施工參數(shù)的變化規(guī)律，得出了各施工參數(shù)的最優(yōu)取值范圍，給類似工程施工提供參考指導(dǎo)。

1 工程概況

盾構(gòu)下穿雙流機(jī)場隧道位于雙流機(jī)場2航站樓～雙流西站區(qū)間，各區(qū)域分布如圖1所示，停機(jī)坪區(qū)域內(nèi)有四根中航油輸油管線，盾構(gòu)隧道正穿該四根油管。該區(qū)段埋深44 m，隧道頂深入泥巖層4～5 m。盾構(gòu)區(qū)間處于泥巖和砂卵石交互地層，該地層的主要特點(diǎn)為巖體松散，自穩(wěn)能力較差，石塊的單個(gè)強(qiáng)度較高。砂卵石地層屬于力學(xué)不穩(wěn)定地層，該地層空隙率大，粘聚力低，無水狀態(tài)時(shí)，地層反應(yīng)靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，地層極易被破壞而發(fā)生坍塌，引起較大的地層損失和圍巖擾動(dòng)。本文基于盾構(gòu)下穿機(jī)場滑行面盾構(gòu)掘進(jìn)工程，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)在掘進(jìn)過程中的規(guī)律并歸納出了參考范圍。

圖1 盾構(gòu)下穿機(jī)場滑行道示意

2 施工參數(shù)選取與分析

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)中，總推力是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的動(dòng)力所在，其值大小將直接影響盾構(gòu)的掘進(jìn)效率；刀盤扭矩是土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中一個(gè)重要的控制參數(shù)，盾構(gòu)施工時(shí)需根據(jù)實(shí)際工況確定刀盤扭矩；盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)地層而設(shè)置，即不同地段地層對應(yīng)不同的推進(jìn)速度；刀盤轉(zhuǎn)速表示盾構(gòu)刀盤切削土體的快慢，是盾構(gòu)施工中的重要掘進(jìn)參數(shù)；在土壓平衡盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)機(jī)土艙壓力會(huì)對開挖掌子面土體移動(dòng)有明顯影響，因此，在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對土艙壓力數(shù)值進(jìn)行全程檢測顯得尤為重要。

本文以成都軌道交通10號線二期雙流機(jī)場2航站樓站～雙流西站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿機(jī)場滑行面工程為依托，選擇穿越泥巖和砂卵石交互地層的700環(huán)至1300環(huán)的施工現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)作為分析對象，選取盾構(gòu)機(jī)總推力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速和土艙壓力共5項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

3 關(guān)鍵參數(shù)規(guī)律性分析及最優(yōu)取值范圍

3.1 盾構(gòu)機(jī)總推力

提取成都地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿機(jī)場滑行面施工現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)總推力記錄數(shù)據(jù)，繪出盾構(gòu)機(jī)總推力規(guī)律曲線和盾構(gòu)機(jī)總推力分布直方圖(圖2、圖3)。

圖2 盾構(gòu)總推力規(guī)律曲線

圖3 盾構(gòu)總推力分布直方圖

由圖2和圖3可知，盾構(gòu)機(jī)在泥巖和砂卵石交互地層中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)總推力總體呈現(xiàn)略微增加的趨勢，總推力分布在1 000～2 300 t區(qū)間，集中分布在1 000～1 800 t區(qū)間，約為額定推力的25 %～45 %，分析認(rèn)為，下穿機(jī)場滑行面地層巖性較為穩(wěn)定，圍巖巖性大致相同，故盾構(gòu)機(jī)總推力在掘進(jìn)過程中可穩(wěn)定逐步增加。

3.2 盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩

提取成都地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿機(jī)場滑行面施工現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩記錄數(shù)據(jù)，繪出盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩規(guī)律曲線和盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩分布直方圖(圖4、圖5)。

圖4 刀盤扭矩規(guī)律曲線

圖5 刀盤扭矩分布直方圖

由圖4和圖5可知，盾構(gòu)機(jī)在泥巖和砂卵石交互地層中掘進(jìn)時(shí)，刀盤扭矩需求較大，均值可達(dá)到3 664 kN·m；刀盤扭矩分布在1 200～5 400 kN·m區(qū)間，集中分布在2 200～4 600 kN·m區(qū)間，約為額定刀盤扭矩的32 %～67 %，分析認(rèn)為，下穿機(jī)場滑行面地層巖性較為穩(wěn)定，圍巖巖性大致相同，盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩在掘進(jìn)過程中呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的規(guī)律；左線刀盤扭矩?cái)?shù)值大致分布在2 000～4 300 kN·m，右線刀盤扭矩大小整體略高于左線，數(shù)值大致分布在2 200～4 500 kN·m，分析認(rèn)為右線施工晚于左線，左右線間距為13 m，右線施工受到的地層擾動(dòng)較大，故刀盤扭矩較高。

3.3 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度

提取成都地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿機(jī)場滑行面施工現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度記錄數(shù)據(jù)，繪出盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度規(guī)律曲線和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度分布直方圖(圖6、圖7)。

圖6 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度規(guī)律曲線

圖7 盾構(gòu)推進(jìn)速度分布直方圖

由圖6和圖7可知，盾構(gòu)機(jī)在泥巖和砂卵石交互地層中推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定規(guī)律，推進(jìn)速度均值為44.46 mm/min，推進(jìn)速度分布范圍較大，為18～70 mm/min區(qū)間，集中分布在30～60 mm/min區(qū)間，推進(jìn)速度分布曲線峰值為35～48 mm/min，分析認(rèn)為下穿機(jī)場滑行面地層巖性較為穩(wěn)定，圍巖巖性大致相同，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度在推進(jìn)過程中呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的規(guī)律。

3.4 盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速

提取成都地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿機(jī)場滑行面施工現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速記錄數(shù)據(jù)，繪出盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速規(guī)律曲線和盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速分布直方圖(圖8、圖9)。

圖8 刀盤轉(zhuǎn)速規(guī)律曲線

圖9 刀盤轉(zhuǎn)速分布直方圖

由圖8和圖9可知，盾構(gòu)機(jī)在泥巖和砂卵石交互地層中推進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速分布在1.2～1.7 r/min區(qū)間，平均值為1.47 r/min，刀盤轉(zhuǎn)速分布整體呈近似正態(tài)分布，分析認(rèn)為，盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速是隨著圍巖巖性的變化而發(fā)生變化的，在泥巖和砂卵石地層中巖性會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性，故刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化；刀盤轉(zhuǎn)速在900環(huán)左右時(shí)發(fā)生突然減小，可能是由于地質(zhì)情況變化或認(rèn)為調(diào)整，為保護(hù)刀盤，適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速。

3.5 盾構(gòu)機(jī)土艙壓力

提取成都地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿機(jī)場滑行面施工現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)土倉壓力記錄數(shù)據(jù)，繪出盾構(gòu)機(jī)土倉壓力規(guī)律曲線和盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速分布直方圖(圖10、圖11)。

圖10 土艙壓力規(guī)律曲線

圖11 土艙壓力分布直方圖

由圖10和圖11可知，盾構(gòu)機(jī)在泥巖和砂卵石交互地層中推進(jìn)時(shí)，土艙壓力均值為153 kPa；土艙壓力分布在30～230 kPa內(nèi)，集中分布在100～180 kPa區(qū)間，分析認(rèn)為下穿機(jī)場滑行面地層巖性較為穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)土倉壓力在推進(jìn)過程中分布較為穩(wěn)定；土艙壓力整體趨勢先是下降后再逐漸增大，分析原因?yàn)榭赡苡龅教厥獾刭|(zhì)，需要降低土艙壓力來保持穩(wěn)定，隨后地質(zhì)條件逐漸變好，土艙壓力逐漸趨向于穩(wěn)定；在760～1 100環(huán)之間，左線盾構(gòu)土艙壓力略低于右線盾構(gòu)土艙壓力，分析認(rèn)為可能是由于左線晚于右線開挖，且兩隧道較近的緣故。

3.6 關(guān)鍵參數(shù)需求額度及最優(yōu)控制范圍

提取關(guān)鍵參數(shù)控制范圍見表1。

表1 盾構(gòu)推進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)需求額度及控制范圍

4 相似工程推進(jìn)參數(shù)對比分析

本文選取成都地鐵1號線和4號線盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)[5-6]與成都地鐵10號線二期盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對比分析，數(shù)據(jù)見表2。

表2 相似工程關(guān)鍵參數(shù)需求額度及控制范圍

結(jié)合相似工程案例和實(shí)際地質(zhì)條件情況，對成都地鐵10號線二期工程盾構(gòu)推進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)取值進(jìn)行歸納，盾構(gòu)機(jī)總推力參考值為10～15 MN，刀盤扭矩參考值為2.5～4.6 MN·m，推進(jìn)速度參考值為20～50 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速參考值為1.0～1.5 r/min。

5 結(jié)論

本文依托成都軌道交通10號線二期雙流機(jī)場2航站樓站～雙流西站盾構(gòu)區(qū)間工程，研究了泥巖和砂卵石交互地層條件下，盾構(gòu)開挖時(shí)盾構(gòu)機(jī)總推力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速和土艙壓力5個(gè)施工參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)行相似工程對比分析，得出了以下結(jié)論：

(1)盾構(gòu)機(jī)總推力總體呈現(xiàn)略微增加的趨勢，集中分布在1 000～1 800 t區(qū)間，約為額定推力的25 %～45 %，分析認(rèn)為，施工區(qū)間地層巖性較為穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)總推力在推進(jìn)過程中可穩(wěn)定逐步增加。

(2)盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩需求較大，均值可達(dá)到3 664 kN·m，集中分布在2 200～4 600 kN·m區(qū)間，約為額定刀盤扭矩的32 %～67 %，分析認(rèn)為，施工區(qū)間地層巖性較為穩(wěn)定，刀盤扭矩可維持穩(wěn)定；右線刀盤扭矩大小整體略高于左線，分析認(rèn)為右線施工晚于左線，右線施工受到的地層擾動(dòng)較大。

(3)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)推進(jìn)速度呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定規(guī)律，推進(jìn)速度均值為44.46 mm/min，集中分布在30～60 mm/min區(qū)間，推進(jìn)速度分布曲線峰值為35～48 mm/min，分析認(rèn)為施工區(qū)間地層巖性穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度較為穩(wěn)定。

(4)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速分布整體呈近似正態(tài)分布，刀盤轉(zhuǎn)速分布在1.3 r/min～1.7 r/min區(qū)間，平均值為1.47 r/min，分析認(rèn)為，施工地層巖性表現(xiàn)出一定的差異性，導(dǎo)致刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化；刀盤轉(zhuǎn)速在900環(huán)左右時(shí)突然減小，可能是地質(zhì)情況變化或人為調(diào)整的原因。

(5)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)土倉壓力集中分布在100～200 kPa區(qū)間，土艙壓力整體趨勢先是下降后再逐漸增大，分析原因?yàn)榭赡苡龅教厥獾刭|(zhì)，需要降低土艙壓力來保持穩(wěn)定，隨后地質(zhì)條件逐漸變好，土艙壓力逐漸趨向于穩(wěn)定。

(6)歸納盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)參考值，盾構(gòu)機(jī)總推力為10～15 MN，刀盤扭矩為2.5～4.6 MN·m，推進(jìn)速度為20～50 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.0～1.5 r/min。