曹云飛，王旭春，孟成龍，吳文瑞，洪 勇

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033）

0 引 言

隨著我國地下空間技術(shù)的快速發(fā)展，盾構(gòu)法修建隧道被廣泛應(yīng)用于城市地鐵施工中。但盾構(gòu)掘進受地層條件影響較大，且各地區(qū)的地層情況具有差異性，如北京市主要以砂卵石地層為主，上海市主要以軟土地層為主，青島市主要以花崗巖地層為主。由于刀盤直接作用于地層，其與地層間的適應(yīng)性是影響盾構(gòu)機掘進效率的關(guān)鍵因素[1]。因此，對于盾構(gòu)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性分析很有必要。

目前國內(nèi)外針對盾構(gòu)刀盤與地層的適應(yīng)性研究已經(jīng)取得了一些進展。詹金武[1]采用理論計算與現(xiàn)場掘進參數(shù)相結(jié)合的方法，分析了刀盤與地層的相關(guān)性。胡國良[2]利用模型試驗的方法，研究了盾構(gòu)機工作參數(shù)與土體的相互關(guān)系。何峰[3]通過總結(jié)工程經(jīng)驗，提出了適用于砂卵石地層的刀具布置形式。徐前衛(wèi)[4]利用相似理論與模型試驗的方法，對盾構(gòu)機工作參數(shù)與地層適應(yīng)性進行了研究。江華[5]通過對比面板式與輻條式盾構(gòu)的掘進參數(shù)，得出了適用于砂卵石地層的刀盤形式。夏毅敏[6]基于模糊數(shù)學(xué)理論，提出了一種地質(zhì)適應(yīng)性配刀方法。孫劍萍[7]以刀盤設(shè)計適應(yīng)性為影響機理，提出了基于改進TOPSIS的分析模型與評價方法?？傊?，目前對盾構(gòu)刀盤地層適應(yīng)性分析主要依托于數(shù)學(xué)模型與室內(nèi)模型試驗，而對于掘進參數(shù)來分析地層適應(yīng)性的研究相對較少。

因此，本文依托青島地鐵4號線沙子口站至嶗山六中站區(qū)間，通過刀盤地層適應(yīng)性初步評價與掘進參數(shù)分析，研究了盾構(gòu)刀盤與地層適應(yīng)性的關(guān)系，以期為同類盾構(gòu)隧道施工提供經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程及地質(zhì)概況

沙子口站—嶗山六中站區(qū)間設(shè)計為雙洞單線隧道，采用盾構(gòu)法施工，左線隧道長1 112.485 m，右線隧道長1 114.920 m。該區(qū)間最小平面曲線半徑為 450 m，隧道縱斷面采用人字坡，最大縱坡為18.485‰，隧道拱頂埋深7.0～17.2 m。管片外徑為6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，管片幅寬1 500 mm，管片厚度300 mm。每環(huán)襯砌環(huán)由6塊管片組成，分為3塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2塊鄰接塊和1塊封頂塊。本文以沙嶗區(qū)間右線盾構(gòu)隧道為工程依托，采用青島地鐵盾構(gòu)施工管理信息系統(tǒng)獲取本區(qū)間掘進參數(shù)，且由于右線盾構(gòu)首先始發(fā)，因此不考慮左線隧道施工對右線地層的擾動。右線隧道軟土段長度為844 m，巖石段長度為271 m，主要穿越的地層為粉質(zhì)黏土、中粗砂、卵石土、強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。

1.2 水文概況

區(qū)間右線在YDK26+200處下穿南九水河，南九水河河道兩側(cè)為砌石河堤，線路通過區(qū)域為南九水河下游南岸，靠近沙子口灣，距沙子口灣約500 m，地勢平坦開闊，海水漲潮時，海水會倒灌進河道內(nèi)，河道底標(biāo)高約0.3～0.6 m，滿潮時水位標(biāo)高為 2.2 m，河道為自然河床，河底地層與海水連通，因此本區(qū)間隧道穿越地層含水量較豐富。本段地鐵線路沿線地下水主要賦存在第四系松散砂土層及基巖的裂隙中。場區(qū)地下水主要類型為第四系孔隙水潛水、承壓水和基巖裂隙水。

1.3 隧道穿越地層占比分析

右線隧道長1 114.92 m，共743環(huán)，其中盾構(gòu)機掘進至0～160環(huán)、293～539環(huán)所穿越的地層為砂黏復(fù)合地層，占整個區(qū)間隧道長度的 54.9%；161～292環(huán)為粉質(zhì)黏土地層，占整個區(qū)間隧道長度的17.8%；540～670環(huán)為上軟下硬地層，占整個區(qū)間隧道長度的17.6%。由于本區(qū)間巖土工程勘察采用鉆孔取芯方式進行分析，鉆孔間距20～50 m，因此隧道縱斷面圖可能與實際地層存在差異。通過盾構(gòu)機在 671～743環(huán)的掘進試驗發(fā)現(xiàn)，實際掘進地層應(yīng)為微風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖并夾雜有中粗砂的地層，為了描述方便，將本區(qū)段地層定義為中粗砂與花崗巖混合地層，本區(qū)段占整個區(qū)間隧道長度的9.7%，盾構(gòu)機的出渣情況如圖1所示。各地層占比如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)機出渣情況Fig. 1 Slagging situation of the shield machine

圖2 右線隧道各地層占比Fig. 2 Proportions of each stratum in the right-line tunnel

2 沙嶗區(qū)間盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)

2.1 設(shè)備參數(shù)

右線隧道采用一臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機從沙子口站東端頭井始發(fā)推進至嶗山六中站西端頭井接收，盾構(gòu)機型號為ZTE 6250，前盾直徑6 250 mm，盾體長度約7 980 mm，整機長度約82 000 mm。刀盤采用四輻條+四面板的輻板式設(shè)計，支撐方式為中心支撐。刀盤上安裝有滾刀、切刀、邊緣刮刀、導(dǎo)流刀和貝殼刀等，對隧道進行全斷面開挖，并可實現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)出渣。根據(jù)不同的地質(zhì)工況，滾刀可以全部或部分更換成齒刀。所有可拆式刀具均可從刀盤背部進行更換，刀盤主體結(jié)構(gòu)的正常使用壽命大于10 km。刀具技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 刀具技術(shù)參數(shù)表Table 1 Tool technical parameters

2.2 盾構(gòu)針對性設(shè)計方案

針對沙嶗區(qū)間的水文地質(zhì)特點，為了降低泥餅形成的危險，整個刀盤面板的開口率約為33%，中心采用端蓋式齒刀（滾刀），刀座尺寸較小，刀間距可以做的更窄，在不減少刀具配置的情況下，中心開口率可達到38%。并采用Z字形連續(xù)肋板的設(shè)計，在對Ф350 mm粒徑進行篩選的同時，提高整體扭矩傳遞的均勻性和流經(jīng)肋板處渣土的流動性。開口處的縱深方向采用梯形設(shè)計即“嚴(yán)進寬出”的結(jié)構(gòu)，有利于渣土的縱向流動，提高渣土的流動效率，繼而降低滯磨率[3,8]；為了進一步提高中心區(qū)域的渣土流動性能，在保證徑向均勻布置的前提下，加強了中心區(qū)域的渣土改良點和沖洗口布置，進而降低結(jié)泥餅的風(fēng)險。

針對巖石地層的高沖擊性，滾刀采用加寬型刀刃，且可換裝 18"刀圈，刀轂部分加焊耐磨層，盡可能減少中途換刀的次數(shù)以控制地面沉降。且為了提高刀盤邊緣區(qū)域的耐磨性，增加邊緣區(qū)域切刀、刮刀的數(shù)量，有效保證了開挖直徑。齒刀、切刀、邊刮刀都采用合金設(shè)計，大大提高了刀具的耐磨性能以及耐沖擊性能，刀座背部采用了耐磨合金保護刀座，各面板處也布置了相應(yīng)的導(dǎo)流刀具用于保護刀座。為了增加盾構(gòu)機刀盤面板的耐磨性能，本區(qū)間盾構(gòu)機采用正面母材上加覆12.5 mm的復(fù)合耐磨板，而大圓環(huán)外周則配以鑲嵌合金的耐磨板，且刀盤的背面和邊緣過渡區(qū)，也焊有致密耐磨網(wǎng)格。在刀盤的外周設(shè)置有2個液壓開關(guān)式的磨損檢測，用于預(yù)警刀盤外周的磨損情況。

3 盾構(gòu)刀盤適應(yīng)性分析

針對本區(qū)間地質(zhì)情況與盾構(gòu)機刀盤參數(shù)進行分析，結(jié)果如下[9]：

（1）盤型滾刀的標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格一般根據(jù)隧道的開挖直徑來選擇，當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖直徑為5～12 m時，滾刀尺寸可采用 17"[10]。本區(qū)間盤型滾刀尺寸均為17"，因此與隧道的開挖直徑6 280 mm相適應(yīng)。

（2）由于單刃滾刀的破巖能力一般大于80.0 MPa，因此適用于較硬的地層。而雙聯(lián)滾刀破巖能耗較高，且破巖能力為30.0～80.0 MPa，因此適用于軟巖地層。本區(qū)間采用4把中心雙聯(lián)滾刀、20把正面單刃滾刀以及11把邊緣單刃滾刀的布置方式，使得盾構(gòu)機刀盤既滿足破巖的同時，并能保證開挖面積，因此本區(qū)間滾刀的選擇和布置與刀具自身的工作特性相適應(yīng)。

（3）花崗巖地層所對應(yīng)的滾刀間距一般為50.0～85.0 mm，砂巖地層所對應(yīng)的滾刀間距一般為70.0～85.0 mm，頁巖（以黏土類礦物為主）地層所對應(yīng)的滾刀間距一般為85.0～100 mm，而本區(qū)間隧道所穿越的地層以砂黏復(fù)合地層與花崗巖地層為主，因此正面滾刀間距與中心滾刀間距與地層相適應(yīng)。

（4）本區(qū)間盾構(gòu)機刀盤面板上安裝的切刀、邊刮刀都采用合金設(shè)計，可以有效提高刀具的耐磨性能以及耐沖擊性能，刀座背部采用了耐磨合金保護刀座，各面板處也布置了相應(yīng)的導(dǎo)流刀具用于保護刀座，因此本區(qū)間刀具的耐磨性與地層的高磨損性相適應(yīng)，且為了便于換刀，切刀與滾刀均采用背裝式。

（5）增加邊緣區(qū)域切刀、刮刀的數(shù)量，提高刀盤邊緣區(qū)域的耐磨性能，可以有效保證開挖直徑。

（6）滾刀與切刀、刮刀的組合方式可以同時滿足復(fù)合地層、軟土地層、上軟下硬以及較堅硬地層的掘進需求，可從深圳軌道交通 11號線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間隧道的成功貫通得已驗證。

（7）17"滾刀的允許磨損量一般為25.0 mm。對于本區(qū)間來說，正面滾刀與中心滾刀的刀高為187.5 mm，切刀刀高為 140 mm，安裝高度差為47.5 mm，故安裝高度差大于25.0 mm，因此可以在滿足滾刀先行工作的同時，保護切刀。

（8）本區(qū)間刀盤的開口率約為 33%，降低滯磨率。中心開口率約為38%，可以提高中心低速渣土的流動性，從而降低泥餅形成的危險，且深圳軌道交通 11號線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間盾構(gòu)機刀盤的開口率與本區(qū)間基本一致，因此開口率的設(shè)置是合理的。

綜上所述，通過借鑒深圳軌道交通 11號線車公廟站—紅樹灣站區(qū)間隧道的成功經(jīng)驗，可以初步表明ZTE 6250型盾構(gòu)機刀盤與本區(qū)間地層具有較好的適應(yīng)性。

4 不同地層掘進參數(shù)分析

4.1 砂黏復(fù)合地層掘進參數(shù)分析

為了保證掘進參數(shù)在特定地層下，能較好地反映盾構(gòu)機的掘進特性，本文選取正常掘進狀態(tài)下每一環(huán)掘進數(shù)據(jù)的平均值作為該環(huán)的代表值[11]。沙嶗區(qū)間右線0～160環(huán)所對應(yīng)的地層為砂黏復(fù)合地層，且始發(fā)端頭采用高壓旋噴加固地層的方法，加固長度為沿線路縱向12 m，因此為了消除始發(fā)加固區(qū)對掘進參數(shù)產(chǎn)生影響，選取16～160環(huán)所對應(yīng)的掘進參數(shù)進行分析。該地層所對應(yīng)的掘進參數(shù)如圖3所示，其中圖3（a）為推力、扭矩變化曲線，圖3（b）為掘進速度、貫入度變化曲線。

圖3 16～160環(huán)掘進參數(shù)變化曲線Fig. 3 Change curve of tunneling parameters of ring 16～160

由圖3（a）可得，盾構(gòu)機在沙嶗區(qū)間右線砂黏復(fù)合地層中掘進時，總推力、刀盤扭矩控制在5 043.0～16 820.8 kN、731.4～1 806.2 kN·m之間，且該區(qū)段的平均推力為 10 444.2 kN、平均扭矩為1 114.2 kN·m，均小于刀具裝備推力39 914.0 kN、刀盤裝備扭矩6 848.0 kN·m。由圖3（b）可得，貫入度與掘進速度保持在 21.1～81.0 mm/r、26.6～98.5 mm/min之間，該區(qū)段的平均貫入度為51.4 mm/r，平均掘進速度為58.6 mm/min，且掘進過程中約有一半以上的掘進速度大于平均掘進速度。這表明在技術(shù)性能范圍內(nèi)，ZTE 6250型土壓平衡盾構(gòu)機在砂黏復(fù)合地層掘進時，具有較高的掘進效率。

4.2 粉質(zhì)黏土地層掘進參數(shù)分析

沙嶗區(qū)間右線 200～250環(huán)所穿越的地層為粉質(zhì)黏土，該地層所對應(yīng)的掘進參數(shù)如圖4所示，其中圖4（a）為推力、扭矩變化曲線，圖4（b）為掘進速度、貫入度變化曲線。

圖4 200～250環(huán)掘進參數(shù)變化曲線Fig. 4 Change curve of tunneling parameters of ring 200～250

由圖4（a）可得，盾構(gòu)機在沙嶗區(qū)間右線粉質(zhì)黏土地層中掘進時，總推力、刀盤扭矩控制在7 047.5～11 135.9 kN、1 002.0～1 713.0 kN·m之間，且該區(qū)段的平均推力為 8 602.7 kN、平均扭矩為1 278.6 kN·m。由此可得，盾構(gòu)機在該區(qū)段掘進時，掘進參數(shù)均小于刀具裝備推力39 914.0 kN、刀盤裝備扭矩6 848.0 kN·m。由圖4（b）可得，貫入度與掘進速度保持在 42.3～78.6 mm/r、53.2～83.8 mm/min之間，該區(qū)段的平均貫入度為60.0 mm/r，平均掘進速度為67.9 mm/min。在掘進過程中約有一半的掘進速度大于平均掘進速度，且掘進速度與貫入度總體呈上升趨勢，這表明在技術(shù)性能范圍內(nèi)，ZTE 6250型土壓平衡盾構(gòu)機在粉質(zhì)黏土地層掘進時，可以保持較高的掘進效率。

4.3 上軟下硬地層掘進參數(shù)分析

沙嶗區(qū)間右線 540～670環(huán)所穿越的地層為上軟下硬地層，上部主要分布有中粗砂層、粉質(zhì)黏土層和卵石土層，下部主要分布有微風(fēng)化、中風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖地層。該上軟下硬地層所對應(yīng)的掘進參數(shù)如圖5所示，其中圖5（a）為推力、扭矩變化曲線，圖5（b）為掘進速度、貫入度變化曲線。

圖5 540～670環(huán)掘進參數(shù)變化曲線Fig. 5 Change curve of tunneling parameters of ring 540～670

由圖5（a）可得，盾構(gòu)機在沙嶗區(qū)間右線上軟下硬地層中掘進時，總推力、刀盤扭矩控制在7 813.0～27 211.5 kN、1 200.5～4 636.7 kN·m之間，且該區(qū)段的平均推力為 15 872.0 kN、平均扭矩為2 837.2 kN·m，因此均小于刀具裝備推力39 914.0 kN、刀盤裝備扭矩6 848.0 kN·m。由圖5（b）可得，貫入度與掘進速度保持在 1.9～63.0 mm/r、1.5～67.1 mm/min之間，該區(qū)段的平均貫入度為19.6 mm/r，平均掘進速度為19.2 mm/min?？赡茉斐傻脑蚴牵軜?gòu)機在上軟下硬地層掘進時，上部與下部巖土體強度差距較大，且對原地層擾動較大，掘進參數(shù)不易控制導(dǎo)致掘進速度相對較慢[12]。但在掘進過程中約有40%的掘進速度大于平均掘進速度，且盾構(gòu)掘進至610～670環(huán)時，掘進速度穩(wěn)定在平均值附近，這表明合理的設(shè)置掘進參數(shù)，可以使ZTE 6250型土壓平衡盾構(gòu)機在粉質(zhì)黏土地層中掘進時，具有較穩(wěn)定的掘進速度。

4.4 中粗砂與花崗巖混合地層掘進參數(shù)分析

沙嶗區(qū)間右線 671～738環(huán)所穿越的地層為微風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖并夾雜有部分中粗砂的地層，該地層所對應(yīng)的掘進參數(shù)如圖6所示，其中圖6（a）為推力、扭矩變化曲線，圖6（b）為掘進速度、貫入度變化曲線。

圖6 671～738環(huán)掘進參數(shù)變化曲線Fig. 6 Change curve of tunneling parameters of ring 671～738

由圖6（a）可得，盾構(gòu)機在本區(qū)段地層中掘進時，總推力、刀盤扭矩控制在5 118.6～17 600.5 kN、719.9～2 995.3 kN?m之間，且該區(qū)段的平均推力為9 033.4 kN、平均扭矩為1 721.7 kN?m，因此均小于刀具裝備推力 39 914.0 kN、刀盤裝備扭矩6 848.0 kN?m。由圖6（b）可得，貫入度與掘進速度保持在2.6～20.8 mm/r、4.5～30.7 mm/min之間，該區(qū)段的平均貫入度為8.6 mm/r，平均掘進速度為13.4 mm/min?？赡茉斐傻脑驗椋捎诒緟^(qū)段地層復(fù)雜且含有硬巖，可能會造成刀具磨損量偏大，且該區(qū)段距離接收端較近，為了減少中途開倉換刀次數(shù)，采用較小的掘進參數(shù)進行盾構(gòu)掘進，因此盾構(gòu)機在本區(qū)段掘進時，受地質(zhì)情況與刀具磨損控制影響較大，導(dǎo)致掘進參數(shù)偏小且波動較大，掘進速度相對較慢[13-14]。當(dāng)盾構(gòu)機掘進至710環(huán)之后，掘進速度具有上升趨勢，掘進速度平均值為18.3 mm/min，因此可以表明通過設(shè)置與地層相適應(yīng)的掘進參數(shù)，可以使ZTE 6250型土壓平衡盾構(gòu)機在硬巖地層中掘進時，具有較穩(wěn)高的掘進效率。

5 不同地層刀盤與地層適應(yīng)性對比

為了更好的分析盾構(gòu)機刀盤與地層的適應(yīng)性，將4種不同地層條件下的總推力變化范圍、刀盤扭矩、總推力平均值、扭矩平均值、貫入度平均值和掘進速度平均值進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表 2所示。由表2可得，盾構(gòu)機在4種不同的地層掘進時，總推力與刀盤扭矩均小于刀具裝備推力與扭矩，且整個區(qū)間的平均掘進速度約為40 mm/min，這表明ZTE 6250型土壓平衡盾構(gòu)機在本區(qū)間具有較高的掘進效率，因此刀盤與地層具有較好的適應(yīng)性。而對于砂黏復(fù)合地層與粉質(zhì)黏土地層來說，盾構(gòu)機總推力、刀盤扭矩的波動范圍較小，且平均值也較小，但貫入度與掘進速度均保持較高水平。對于上軟下硬地層與硬巖地層來說，盾構(gòu)機總推力、刀盤扭矩波動較大，且平均值也較大，但貫入度與掘進速度相對較小。因此，盾構(gòu)機刀盤與粉質(zhì)黏土地層與砂黏復(fù)合地層的適應(yīng)性更好。造成此現(xiàn)象的原因為，粉質(zhì)黏土地層與砂黏復(fù)合地層所占的總比例為72.7%，因此盾構(gòu)機刀盤設(shè)計以軟土地層為主，其它地層為輔，從而導(dǎo)致在軟土地層掘進時，盾構(gòu)機刀盤與地層的適應(yīng)性更好。

表2 掘進參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistics table of shield tunneling parameters

而對于軟土地層來說，ZTE 6250型土壓平衡盾構(gòu)機在粉質(zhì)黏土地層掘進時的總推力比砂黏復(fù)合地層更小，且貫入度與掘進速度更大，即盾構(gòu)機在粉質(zhì)黏土地層掘進時可以消耗較小的推力產(chǎn)生較高的掘進速度與貫入度，因此刀盤與粉質(zhì)黏土地層的適應(yīng)性最好。

6 結(jié) 論

（1）通過借鑒深圳軌道交通11號線盾構(gòu)隧道的成功經(jīng)驗，可以初步表明ZTE 6250型盾構(gòu)機刀盤與本區(qū)間地層具有較好的適應(yīng)性。

（2）盾構(gòu)機在 4種不同的地層掘進時，總推力控制在5 043.0～27 211.5 kN之間，刀盤扭矩控制在719.9～4 636.7之間，均未超過刀具裝備推力與扭矩，且整個區(qū)間的平均掘進速度約為40 mm/min，因此刀盤與地層具有較好的適應(yīng)性。

（3）由于本區(qū)間粉質(zhì)黏土地層與砂黏復(fù)合地層所占的總比例為72.7%，因此盾構(gòu)機刀盤設(shè)計以軟土地層為主，其它地層為輔，從而可以表明利用地層進行刀盤針對性設(shè)計是合理的。

（4）盾構(gòu)機在粉質(zhì)黏土地層掘進時，消耗的推力最小，產(chǎn)生的掘進速度與貫入度最高，因此本區(qū)間盾構(gòu)機刀盤與粉質(zhì)黏土地層的適應(yīng)性最好。