不同地層條件泥水盾構掘進參數(shù)演化規(guī)律研究★

龔學棟 胡宇琛 蔣亞龍 郭小龍 耿大新 章云生

(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)的逐步發(fā)展，大量地鐵建設項目應運而生，盾構法因其受地面干擾小、施工效率高、環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，在地鐵隧道施工中得到了廣泛應用。在泥水平衡盾構掘進過程中，依據(jù)外部條件的變化而調(diào)整主要的掘進參數(shù)，從而保證隧道的安全高效掘進，不恰當?shù)木蜻M參數(shù)易導致盾構掌子面失穩(wěn)破壞、地層沉陷、盾構偏差過大、姿態(tài)控制難度大等問題[1]。為了確保泥水盾構施工質(zhì)量，探明地層參數(shù)和主要掘進參數(shù)之間的相關性，并構建相應的數(shù)學模型顯得尤為重要[2，3]。

近年來許多學者就不同地層條件下掘進參數(shù)的選取做了大量研究。路平等[4]結合天津地鐵建國道站至天津站區(qū)間盾構施工參數(shù)記錄，針對盾構掘進過程中的掘進速度和力學掘進參數(shù)進行了分析與模糊統(tǒng)計試驗，并提出了針對力學掘進參數(shù)優(yōu)化控制措施。肖超等[5]以長沙地鐵2號線為工程依托，對盾構總推力和刀盤扭矩計算值與實測值進行對比分析，提出了典型板巖地層中土壓平衡盾構掘進參數(shù)的控制值。趙博劍等[6]以深圳地鐵11號線為工程背景，針對區(qū)間典型地段的不同地層，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了5種關鍵掘進參數(shù)與不同地層的相關性。

南昌相比于其他城市地質(zhì)條件特殊，地層復雜，主要存在以下工程難點：1)江底段的隧頂最大埋深為25.8 m，隧道埋深大、水壓力大；2)泥水盾構區(qū)間總長3.05 km，盾構施工時需空推過2座風井，該區(qū)間與國內(nèi)其他城市地鐵的穿江工程相比，掘進距離更長、施工風險更高、施工組織難度更大；3)贛江工程地質(zhì)條件復雜，根據(jù)南昌地鐵1號、2號線施工經(jīng)驗，分布有斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件，盾構過破碎帶時易引起刀盤泥漿逃逸、江水回灌等安全風險。地層中多為富水砂層，當盾構穿越砂層段圍巖時自穩(wěn)性較差、透水性較強、水壓較高，所以在南昌地區(qū)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。

2 工程背景

工程標段為南昌軌道交通4號線02工區(qū)二工區(qū)(東新站—安豐站)，安豐站—東新站盾構區(qū)間在西岸下穿淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫層及強風化泥質(zhì)粉砂巖、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、砂礫層、中風化泥質(zhì)粉砂巖。各地層主要地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

3 掘進參數(shù)演化規(guī)律分析

本節(jié)就泥水平衡盾構總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速及盾構掘進速率4個主要掘進參數(shù)在3種典型地層中掘進時的演化規(guī)律展開研究。所選典型地層依次為：砂礫層(4環(huán)～81環(huán))；上軟下硬地層(82環(huán)～194環(huán))，其中上部地層為砂礫層，下部地層為泥質(zhì)粉砂巖，當82環(huán)～138環(huán)時，巖層厚度小于2 m，當139環(huán)～145環(huán)時，巖層厚度小于3 m，當146環(huán)～159環(huán)時，巖層厚度小于4 m，當160環(huán)～173環(huán)時，巖層厚度小于5 m，當174環(huán)～194環(huán)時，巖層厚度小于5.36 m；中風化泥質(zhì)粉砂巖(878環(huán)～897環(huán))。

3.1 刀盤總推力

對所研究地層進行相應的數(shù)據(jù)分析，不同地層總推力如圖1所示。

由圖1可知，盾構在砂礫層中掘進時，從盾構管片第4環(huán)(XK13+172.816)至第81環(huán)(XK13+57.158)，泥水盾構總推力在812 t～1 446 t之間浮動，經(jīng)計算平均總推力為1 143.87 t。當在上軟下硬地層中掘進時，泥水盾構總推力在890 t～1 925 t之間浮動，經(jīng)計算得到平均總推力為1 145.20 t。當在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，泥水盾構總推力在980 t～1 150 t之間變化，經(jīng)計算平均總推力為1 068.50 t。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析易得：泥水盾構在上軟下硬復合地層(5 m<巖層厚度<5.36 m)掘進時所需的總推力最大，而在砂礫地層與上軟下硬復合地層(巖層厚度<5 m)中掘進時所需總推力相近?？傮w而言泥水盾構在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時總推力相比于其他三種地層更加穩(wěn)定，即地層土體均質(zhì)性越強，盾構總推力變化幅度越小；在上軟下硬地層掘進時，盾構總推力與地層的巖層厚度有關，當盾構掘進至標號為174環(huán)管片時(巖層厚度>5 m)，盾構總推力隨著掘進縱深方向呈現(xiàn)一個顯著增加趨勢。

3.2 刀盤扭矩

對所研究地層進行相應的數(shù)據(jù)分析，不同地層刀盤扭矩圖如圖2所示。

由圖2結果進行分析可知，盾構在砂礫層中掘進過程時，刀盤扭矩在1 363 kN·m～3 131 kN·m之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤扭矩為2 244.23 kN·m。當在上軟下硬地層中掘進時，刀盤扭矩在1 090 kN·m～3 870 kN·m之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤扭矩為1 871.61 kN·m。當在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，刀盤扭矩在2 000 kN·m～2 400 kN·m之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤扭矩為2 225 kN·m。

施工過程中的具體表現(xiàn)是：盾構機在上軟下硬復合地層(5 m<巖層厚度<5.36 m)中掘進時的刀盤扭矩最大，在中風化泥質(zhì)粉砂巖中刀盤扭矩的變化波動范圍要稍微平緩一些，這是因為中風化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)間的巖體較為均勻、巖體強度較為均勻，而在上軟下硬地層中，巖層厚度始終在變化，此時更易使得刀盤結泥餅形成，進而刀盤扭矩增大，刀盤扭矩總體變化趨勢與泥水盾構總推力基本一致。

3.3 刀盤轉(zhuǎn)速

經(jīng)對實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到不同地層刀盤轉(zhuǎn)速如圖3所示。

由圖3進行數(shù)據(jù)分析可知，盾構在砂礫層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速在1.0 r/min～1.1 r/min之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤轉(zhuǎn)速為1.0 r/min。在上軟下硬地層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速介于1.0 r/min～1.2 r/min之間，此時經(jīng)計算得到平均刀盤轉(zhuǎn)速為1.1 r/min。在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1.7 r/min，經(jīng)計算平均刀盤轉(zhuǎn)速為1.7 r/min。經(jīng)過對比分析可知：盾構在砂礫層掘進時刀盤轉(zhuǎn)速設定值大約在1.0 r/min；盾構在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1.7 r/min；盾構在上軟下硬復合地層中掘進時,刀盤轉(zhuǎn)速與巖層厚度有關,其中當巖層厚度小于2 m時，刀盤轉(zhuǎn)速基本設定為1.1 r/min，當巖層厚度介于5 m和5.36 m之間時，刀盤轉(zhuǎn)速設定值大約為1.0 r/min?？梢姷侗P轉(zhuǎn)速設定值與所處地層有關且數(shù)值在一定范圍內(nèi)。這是因為盾構機結構的地質(zhì)適應性是決定刀盤轉(zhuǎn)速的關鍵因素之一，對于特定的盾構設備，其最大刀盤轉(zhuǎn)動頻率以及對應的齒輪箱頻率是個定值，進而確定了刀盤轉(zhuǎn)速的取值范圍。當盾構進入復合地層掘進時工況復雜，在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，巖層穩(wěn)定，但黏性土細顆粒含量高，不易分離，刀盤易結泥餅。因此在不同的地層中掘進時，需要通過調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)動頻率來調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速，所以在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時刀盤轉(zhuǎn)速設定值比另外兩種更大。

3.4 盾構掘進速度

經(jīng)數(shù)據(jù)對比得到不同地層掘進速度圖如圖4所示。

對圖4中的數(shù)據(jù)進行分析可知，在砂礫層中掘進時，盾構掘進速度在24 mm/min～42 mm/min之間浮動，經(jīng)計算平均掘進速度為36.5 mm/min。在上軟下硬地層中掘進時，盾構掘進速度在15 mm/min～18 mm/min之間變化，經(jīng)計算平均掘進速度為38.4 mm/min。在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，掘進速度大小在30 mm/min～34 mm/min之間，經(jīng)計算平均掘進速度為32.2 mm/min，從現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)點線圖可以看出在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時掘進速度是比較平穩(wěn)的，在砂礫層和上軟下硬地層時掘進速度隨著盾構掘進推進有明顯的變化規(guī)律，對于砂礫層來說，掘進速度隨盾構掘進而逐漸減小，盾構在上軟下硬地層(5 m<巖層厚度<5.36 m)中掘進時相比于巖層厚度小于5 m的情況下掘進速度有明顯的下降趨勢，從地層角度分析，泥水盾構在上軟下硬地層掘進，由于巖層厚度是變化的，刀盤切削產(chǎn)生的碎屑易使得刀盤結泥餅形成。

4 結論

以南昌軌道交通4號線過江隧道為研究背景，對掘進參數(shù)與不同地層間關系進行研究，得到結論如下：

1)掘進參數(shù)取值與所處地層有關，刀盤轉(zhuǎn)速在中風化泥質(zhì)粉砂巖中時設定值最大，數(shù)值穩(wěn)定在1.7 r/min，在砂礫層中時設定值最小，數(shù)值大約為1.0 r/min。

2)盾構掘進過程中，盾構總推力、刀盤扭矩及泥水倉壓力在上軟下硬(5 m<巖層<5.36 m)地層中設定值最大，最大值分別可達到1 925 t，3 870 kN·m以及1.9 bar，而該地層對應的掘進速度最小，最小值僅為17 mm/min。掘進參數(shù)的穩(wěn)定性受巖體均勻性和巖體強度均勻性的影響，當巖體和巖體強度越均勻時，掘進參數(shù)越穩(wěn)定。