復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)性分析及掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)

文 佳李曉東梁 杰郝志強(qiáng)吳遙杰

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 四川成都 610213；2.南京地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 江蘇南京 210000；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

1 引言

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的合理設(shè)置是盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)作業(yè)的基礎(chǔ)，掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)易引發(fā)地層超挖、地面嚴(yán)重沉降、掌子面失穩(wěn)、盾構(gòu)損傷等諸多問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，趙博劍等[1]基于施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析；李向紅、王洪新等[2－3]通過(guò)理論研究和試驗(yàn)，得出了盾構(gòu)掘進(jìn)的數(shù)學(xué)模型、掘進(jìn)參數(shù)之間的關(guān)系；陶冶、李錕等[4－5]通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)速率與各掘進(jìn)參數(shù)變化的敏感程度；李杰等[6－7]運(yùn)用多元非線性回歸分析方法，建立了盾構(gòu)掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型；于云龍、張志奇等[8－9]通過(guò)分析盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，修正了傳統(tǒng)盾構(gòu)掘進(jìn)速率模型；汪俊、李超[10－11]建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在復(fù)合地層進(jìn)行掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)?，F(xiàn)有研究主要針對(duì)盾構(gòu)穿越巖石、砂層、黏土層等單一地層，而對(duì)于復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析及預(yù)測(cè)研究較少，而復(fù)合地層因其地層復(fù)雜多樣導(dǎo)致掘進(jìn)參數(shù)控制較為困難，這可能增加盾構(gòu)刀盤刀具的磨耗，威脅盾構(gòu)施工安全。因此有必要對(duì)復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，研究掘進(jìn)參數(shù)間的相關(guān)規(guī)律并建立盾構(gòu)掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型，以期優(yōu)化掘進(jìn)過(guò)程。

本文依托南京至句容城際軌道交通工程麒麟鎮(zhèn)站－東郊小鎮(zhèn)站區(qū)間(下稱麒東區(qū)間)土壓平衡盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析了掘進(jìn)參數(shù)間的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上建立適用于復(fù)合地層的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型，為復(fù)合地層掘進(jìn)提供指導(dǎo)。

2 工程概況

2.1 區(qū)間概況

南京至句容城際軌道交通麒東區(qū)間工程盾構(gòu)隧道主要穿越的地層復(fù)雜多樣，強(qiáng)度不均，既包括中風(fēng)化花崗巖等硬巖，也包括強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖等軟巖，還有中～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r與殘積土或粉質(zhì)黏土等土層。區(qū)域穿越上軟下硬復(fù)合地層。麒東右線隧道長(zhǎng)1 257 m，隧道直徑6.2 m，隧道最大埋深為19.97 m。通過(guò)鉆孔實(shí)測(cè)獲得的工程地質(zhì)條件如圖1所示。

圖1 麒東區(qū)間右線地質(zhì)條件及地層分區(qū)

為了更好地研究復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律，將復(fù)合地層復(fù)合比Fc定義為硬巖面積S硬巖占開挖面S開挖面的面積比，開挖面地層組成如圖2a所示，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式:

圖2 開挖面地層組成和刀具分布

式中:θ為硬巖層對(duì)應(yīng)的圓心角(°)；h1為硬巖層厚度(m)；R為開挖半徑(m)。

2.2 地質(zhì)分區(qū)

在本工程中，復(fù)雜多變的地層導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選擇困難。隨著地層條件的變化，施工控制參數(shù)應(yīng)隨之調(diào)整，但在實(shí)際施工中很難做到及時(shí)調(diào)整，為此根據(jù)大致的地層變化進(jìn)行地層分類，采用單元鏈控制法[12]將盾構(gòu)區(qū)間分成幾類掘進(jìn)分區(qū)，分析各類掘進(jìn)分區(qū)的掘進(jìn)參數(shù)，建立掘進(jìn)參數(shù)之間的變化規(guī)律。根據(jù)麒東區(qū)間右線盾構(gòu)穿越地層的軟硬性質(zhì)將區(qū)間分成6類掘進(jìn)分區(qū)，如圖1所示。

A類:全斷面硬巖，斷面為中風(fēng)化花崗巖地層(γ-3、γ-3-1)。

B類:中風(fēng)化花崗巖(γ-3、γ-3-1)與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(γ-2)復(fù)合地層。

C類:全斷面軟巖，斷面為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(γ-2)，或含全風(fēng)化花崗巖(γ-1)。

D類:全斷面軟巖，斷面為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r(T2Z-3-1)/強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r(T2Z-2)，包含溶洞及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖(T2h-2)，可能含有溶洞，需對(duì)溶洞進(jìn)行預(yù)處理。

E類:下部為軟巖，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(γ-2)與全風(fēng)化花崗巖(γ-1)軟巖，上部為土層，為黏土、粉質(zhì)黏土(③-1ab-2)的復(fù)合地層。

F類:全斷面土層，斷面為黏土或粉質(zhì)黏土(③-1ab-2)、(②-2b3)、殘積土(γ-0)。

3 掘進(jìn)控制參數(shù)分析

3.1 施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)與預(yù)處理

借助盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到盾構(gòu)隧道每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中的各項(xiàng)施工參數(shù)包括:刀盤參數(shù)(刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩)、土倉(cāng)壓力、推進(jìn)參數(shù)(掘進(jìn)速度、貫入度、總推力)。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，麒東右線選用鐵建重工DZ423盾構(gòu)機(jī)，刀盤刀具分布如圖2b，其設(shè)備性能見表1。

表1 麒東區(qū)間右線盾構(gòu)設(shè)備及性能參數(shù)

3.2 主要掘進(jìn)參數(shù)

表2統(tǒng)計(jì)了麒東區(qū)間右線不同掘進(jìn)分區(qū)內(nèi)刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、推力、土倉(cāng)壓力的平均值。

表2 麒東區(qū)間右線不同掘進(jìn)分區(qū)掘進(jìn)參數(shù)平均值

(1)刀盤轉(zhuǎn)速

六類地層的刀盤轉(zhuǎn)速平均值最大相差0.06 RPM，A類全斷面硬巖地層的刀盤轉(zhuǎn)速最大；B類復(fù)合地層則由于地層的復(fù)雜性，刀盤轉(zhuǎn)速明顯偏大，與A類接近；C、D類全斷面軟巖地層的刀盤轉(zhuǎn)速相對(duì)前兩種地層較??；E、F類地層由于地層較軟弱而表現(xiàn)出明顯更小的刀盤轉(zhuǎn)速，其中E類上土下軟巖復(fù)合地層的刀盤轉(zhuǎn)速略微偏大。綜上，刀盤轉(zhuǎn)速隨地層變軟而降低。

(2)刀盤扭矩

總體而言，越軟弱地層的平均刀盤扭矩就越低。B類復(fù)合地層的平均扭矩(3.66 MN·m)明顯偏大，甚至大于A類全斷面硬巖地層(3.33 MN·m)，這是由于B類是包含中風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的復(fù)合地層，地質(zhì)條件較全斷面硬巖地層更為復(fù)雜，因此盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的參數(shù)更難控制，使刀盤扭矩異常增大，且扭矩的波動(dòng)也明顯較大。

(3)推力

麒東右線盾構(gòu)推力主要在10 000～15 000 kN之間，平均推力為11 681 kN，相比鐵建重工DZ423盾構(gòu)機(jī)的最大推力為42 575 kN，盾構(gòu)總推力尚有較大的富余，可滿足本工程盾構(gòu)推進(jìn)需求，且地層越軟弱，掘進(jìn)推力越低。

(4)土倉(cāng)壓力

土倉(cāng)壓力為盾構(gòu)機(jī)參數(shù)系統(tǒng)采集刀盤上各傳感器位置的平均值。表2顯示，地層越軟弱，土倉(cāng)壓力越大，這是由于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)依靠土倉(cāng)內(nèi)的土倉(cāng)壓力平衡前方開挖面的水土壓力，當(dāng)?shù)貙虞^軟弱時(shí)，需要更大的土倉(cāng)壓力進(jìn)行平衡。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)性分析

復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)之間存在相關(guān)性，參數(shù)間會(huì)相互影響。結(jié)合麒東右線988環(huán)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，對(duì)各參數(shù)與掘進(jìn)速度之間的相關(guān)性進(jìn)行說(shuō)明，為后續(xù)預(yù)測(cè)模型建立提供依據(jù)。

(1)掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速與貫入度的關(guān)系

理論上:掘進(jìn)速度＝刀盤轉(zhuǎn)速×貫入度。由圖3可知掘進(jìn)速度和貫入度呈線性關(guān)系，與二者的理論關(guān)系式吻合。刀盤轉(zhuǎn)速隨貫入度增大有減小的趨勢(shì)，但變化不大，大致處在1.2 RPM附近，說(shuō)明在復(fù)合地層和全斷面硬巖等低貫入度區(qū)間，轉(zhuǎn)速?zèng)]有降低，這可能會(huì)導(dǎo)致刀盤扭矩劇烈波動(dòng)，增加刀具磨損。

圖3 各掘進(jìn)分區(qū)掘進(jìn)速度及刀盤轉(zhuǎn)速與貫入度關(guān)系

(2)掘進(jìn)速度與螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

將麒東區(qū)間右線掘進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖4所示。

圖4 麒東右線掘進(jìn)速度－螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速呈較高的線性正相關(guān)，根據(jù)該關(guān)系可以設(shè)定掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)之間參數(shù)的匹配。

(3)掘進(jìn)速度與推力之間的關(guān)系

圖5為麒東右線掘進(jìn)速度和推力的關(guān)系。由圖5a可知，隨著推力增大，掘進(jìn)速度先增大后減小，掘進(jìn)穿越復(fù)合地層且地層條件不斷變化，掘進(jìn)速度隨推力的變化規(guī)律性較弱，通常的“推進(jìn)速度越大，推力越大”規(guī)律對(duì)復(fù)雜地層不一定適用。

圖5 麒東右線掘進(jìn)速度－推力關(guān)系

進(jìn)一步分析各掘進(jìn)分區(qū)推力與掘進(jìn)速度關(guān)系，由圖5b可知，地層越硬，推力越大，掘進(jìn)效率也越低。掘進(jìn)分區(qū)地層硬度大小:A類>B類>C類>D類>E類>F類，和掘進(jìn)速度－總推力數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律基本符合。此外，B類復(fù)合地層掘進(jìn)分區(qū)中盾構(gòu)推力和掘進(jìn)速度較C類均小，說(shuō)明在B類復(fù)合地層分區(qū)中掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)功率富余較多，掘進(jìn)速度還可以適當(dāng)提高。

(4)掘進(jìn)速度與刀盤扭矩之間的關(guān)系

圖6為麒東區(qū)間右線不同掘進(jìn)分區(qū)內(nèi)掘進(jìn)速度和刀盤扭矩的關(guān)系。由圖6可知，與推力相似，隨著刀盤扭矩的增大，掘進(jìn)速度先增大、后減小，掘進(jìn)過(guò)程中由于地層條件變化掘進(jìn)速度隨推力的變化情況規(guī)律性較弱，說(shuō)明通常的“推進(jìn)速度越大，扭矩越大”規(guī)律在復(fù)雜地層也不適用。

圖6 麒東右線掘進(jìn)速度－刀盤扭矩關(guān)系

4 復(fù)合地層掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型

4.1 模型參數(shù)選取

工程實(shí)踐表明，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)速度受多個(gè)變量共同作用，是多個(gè)相關(guān)參數(shù)綜合影響的結(jié)果。盾構(gòu)機(jī)主要靠千斤頂對(duì)盾體施加向前的推力而向前推進(jìn)，并依靠刀盤扭矩掘進(jìn)，因此推力和扭矩對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)起主要影響作用；而掘進(jìn)速度v＝刀盤轉(zhuǎn)速(ω1)×刀盤貫入度(r)，所以刀盤轉(zhuǎn)速及貫入度也直接影響了掘進(jìn)速度，且由上文分析可知掘進(jìn)速度與貫入度存在較好的線性關(guān)系，因此選擇刀盤轉(zhuǎn)速作為預(yù)測(cè)參數(shù)。前文分析可知，土倉(cāng)壓力分布不均勻，因此選取土倉(cāng)壓力平均值作為預(yù)測(cè)參數(shù)之一。螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制著掘進(jìn)過(guò)程中的出渣速度，并通過(guò)排土量進(jìn)行土倉(cāng)壓力管理。此外本模型考慮復(fù)合地層的性質(zhì)，引入復(fù)合地層的復(fù)合比作為回歸參數(shù)。綜上，選取的回歸變量如表3所示。

表3 掘進(jìn)速度模型參數(shù)選取

4.2 模型建立

利用上述模型參數(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建，令:

模型回歸結(jié)果如表4所示，回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示回歸相關(guān)系數(shù)R2＝0.89，說(shuō)明自變量與回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有很高的相關(guān)性。方差分析表明F＝142，SignificanceF<0.01，表明所建立的回歸方程較為顯著。對(duì)于多元線性回歸，可直接根據(jù)t值的大小來(lái)判斷因素的主次，各因素的主次順序?yàn)?螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速>刀盤轉(zhuǎn)速>土倉(cāng)壓力?！癙-value”表示t檢驗(yàn)偏回歸系數(shù)不顯著的概率，如果P-value<0.01，可認(rèn)為該系數(shù)對(duì)應(yīng)的變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響非常顯著；如果0.01

表4 模型回歸結(jié)果

4.3 模型驗(yàn)證與結(jié)果分析

采用上述掘進(jìn)速度模型對(duì)麒東右線1～970環(huán)的施工參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7 模型計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

結(jié)果表明:上述推進(jìn)速度計(jì)算模型得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.89，說(shuō)明該模型能較好地?cái)M合復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)推進(jìn)速度。模型中螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、刀盤轉(zhuǎn)速、土倉(cāng)壓力對(duì)推進(jìn)速度的影響相對(duì)較大。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)復(fù)雜多變的地層環(huán)境，基于單元鏈控制法，將盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)段分成不同的掘進(jìn)分區(qū)，并對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，獲得不同地層掘進(jìn)參數(shù)之間的變化規(guī)律。

(2)基于復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)的相關(guān)性分析，建立了復(fù)合地層掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型，引入了硬巖復(fù)合比作為回歸參數(shù)，相較傳統(tǒng)的掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型，考慮了復(fù)合地層的地質(zhì)差異因素。

(3)將復(fù)合地層掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型運(yùn)用于麒東區(qū)間工程掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)，該模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)R2＝0.89，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可信度，可為同類地質(zhì)條件下的復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。