成都地鐵富水漂卵石地層土壓平衡盾構隧道掘進參數研究

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

1 引言

盾構隧道的掘進施工是由盾構施工參數控制的，包括掘進速度、千斤頂推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機轉速、同步注漿壓力等。盾構施工參數是一個復雜的系統，施工參數選取的合理與否直接影響到盾構施工的效率高低、對地層變形控制好壞，甚至決定盾構施工的安全。本文通過成都地鐵4號線二期工程土建6標鳳溪站～南熏大道站區間左線盾構施工過程中遇到的各種地質條件以及工況等，對掘進參數的選取等進行總結，提出符合該地層條件下的掘進參數，保質保量地完成了區間盾構掘進施工，確保了施工安全和工期要求，為類似施工提供借鑒經驗。

2 工程概況

成都地鐵4號線二期工程西延線位于成都市溫江區，共8站8區間。西延線全長10.829km，均為地下線。西延線位于卵石最大含量可達85%、漂石粒徑20cm～70cm、卵石單軸抗壓強度超過170MPa的大粒徑、高強度、富水砂卵石地層中，與中心城區內相比，本區段砂卵石地層具有漂石粒徑大(最大粒徑超過70cm)、漂石含量高(漂石含量超過5.5%)、部分地段卵石層密實度差(卵石間只充填松散中細砂)等特點，該地層對地鐵施工，尤其是盾構法區間隧道施工影響較大，施工難度大。本文依托土建6標鳳溪站～南熏大道站～光華公園站區間和鳳凰大街站～西部新城站區間進行研究，選取了成都地鐵4號線西延線鳳～南區間左線572環的盾構施工參數來分析。

3 掘進參數的選取

3.1 掘進速度

盾構掘進速度的大小，是多個參數共同作用產生的，是被動反饋的重要參數。盾構掘進速度是盾構隧道掘進生產效率的最直觀體現，從施工生產角度來講，在條件允許情況下盾構掘進速度越快越好。但站在環境控制角度看，顯然無法實現，因為在掘進過程中需要接受監測數據的反饋，并與其他輔助施工，如同步注漿、壁后二次注漿等相結合，以達到控制周邊地層變化，保護周邊環境的目的。

綜合卵漂石地層下盾構掘進的掘進速度統計情況發現，整個區段內掘進速度數值變化范圍在10mm/min～67mm/min之間，平均值為37mm/min，掘進速度的分布整體呈近似正態分布，統計得到的掘進速度主要落于30mm/min～60mm/min之間。1至450環盾構掘進速度變化從10mm/min～67mm/min不等，波動范圍大，前120環掘進速度波動較大，120環以后掘進速度波動趨于平緩，見圖1、圖2。

圖1 掘進速度圖

圖2 掘進速度直方圖

針對土建6標段砂卵石地層，平均掘進速度保持在40mm/min以上，最低平均掘進速度不能小于30mm/min，卵石含量高時掘進速度會被迫降低，平均掘進速度低于30mm/min將導致超方。

但綜觀整個區段的掘進速度統計數據，掘進速度的波動較大，尤其是盾構始發后的第一個區間，說明人為操作因素對于掘進速度的控制影響很大。掘進速度的設定，還需同螺旋輸送機轉速、土倉壓力控制等相匹配。

3.2 總推力

盾構總推力是盾構技術參數中主要參數之一，沒有推力就沒有掘進速度，理論上應該等于盾構推進過程中所遇到的各種阻力的總和，包括盾構側面與周邊地層的摩阻力、刀具貫入抵抗、刀盤正面阻力、盾構姿態調整或曲線施工附加阻力、管片和盾殼之間的摩擦力、盾尾脫出阻力和后配套的牽引力等。盾構施工中總推力的大小，對盾構機本身機械狀態及對周邊環境均有重要的影響。1至450環的總推力如下圖3、圖4所示。70環之前、320環之后推力波動大，70環～320環之間波動程度小。

圖3 總推力圖

圖4 總推力直方圖

綜合卵漂石地層下盾構掘進的總推力統計情況發現，整個區段內總推力數值變化范圍在8000kN～20000kN之間，平均值為12984kN，主要落于10000kN～20000kN之間。海瑞克盾構機的最大總推力為34210kN，可見盾構總推力尚有較大的富余，總體上來看該設備滿足盾構推進的需求。

在進入小半徑曲線之前，總推力的變化趨勢是先減小然后趨于穩定，進入小半徑曲線之后總推力增大，對比100環～500環的掘進速度，掘進速度并沒有明顯地減小，說明100環之后的地層比較容易開挖，即不需要很大的推力也可以達到較大的掘進速度。

綜上分析，土建6標段最大推力控制在20000kN以內(其中包含對鉸接的克服)，就能夠保證掘進速度，在這樣的推力下不會對管片造成破壞。

3.3 螺旋機閘門開度和轉速與出土量的關系

土壓平衡盾構靠調整螺旋機轉速和閘門開度來維持土壓平衡，如果掘進速度不變，螺旋機轉速加快時出土量增加，土艙壓力變??；螺旋機轉速減慢時出土量減小，土艙壓力變大。如果掘進時盾構推進切削的土體體積等于被螺旋機排出的土體體積，則盾構前方的接觸壓力等于土體的靜止側向土壓力，盾構將既不會擠壓前方土體，也不會對前方土體卸載。此時即達到所謂的土壓平衡狀態。實際上完全做到土壓平衡非常困難，推進時螺旋機排出的土體體積或者大于盾構切削的土體體積形成欠推進狀態，或者小于盾構切削的土體體積形成超推進狀態。

螺旋機出土是維持土壓平衡盾構土壓平衡的關鍵，螺旋機出土量與轉速一般用下式計算：

Q=ηANP

(1)

式中：Q為排土量；η為排土效率；A為螺旋輸送機有效斷面積，按式(2)計算；N為轉速；P為螺旋翼片的間距。

A=π/4(D12-D22)

(2)

式中：D1為螺旋機直徑；D2為螺旋機軸直徑。

通過上述公式，可以定量的計算螺旋機出土量。盾構在推進過程中，有出渣要求時，螺旋機閘門開度和轉速將影響掘進速度?？梢钥偨Y為沒有螺旋機閘門開度和螺旋機轉速，就沒有掘進速度。

3.4 刀盤轉動

刀盤轉動參數包括刀盤扭矩和刀盤轉速，刀盤扭矩參數為自然形成。刀盤轉動在砂卵石地層中的主要作用：(1)擾動掌子面；(2)與推力聯合破石；(3)與泡沫劑聯合攪均土倉渣土；(4)與泡沫劑聯合改良掌子面渣土；(5)加快掌子面渣土入倉。

3.4.1 刀盤轉速

綜合該卵漂石地層下盾構掘進的刀盤轉速統計情況發現，整個區段內刀盤轉速數值變化范圍在1.0RPM～1.7RPM之間，數值主要落于1.3RPM～1.4RPM區段，平均值為1.35RPM，刀盤轉速分布整體呈近似正態分布。

在100環之后，刀盤轉速趨于穩定。在350環之后，盾構開始進入小半徑曲線地段，刀盤轉速根據線路情況進行調整，故參數波動較大，見圖5、圖6。

圖5 刀盤轉速圖

圖6 刀盤轉速直方圖

為分析不同地質條件對刀盤轉速的影響，通過資料調研，選取上海軟土地區、南京砂性土層及廣州巖層中盾構掘進時的刀盤轉速進行對比。本文依托工程盾構穿越地層主要為卵漂石，局部砂夾層，卵石含量占60%～80%(重量比)，充填物為細砂及圓礫，稍密～密實，盾構的刀盤轉動速度平均值為1.21RPM。南京某地鐵隧道主要穿越粉質粘土、粉土、粉細砂層，刀盤轉速變化范圍在0.9RPM～1.2RPM。廣州某地鐵隧道主要穿越微風化巖和中風化巖，巖質較硬，刀盤轉速平均值為1.45RPM。而在類似上海地區的粘性軟土地區，刀盤轉速不超過1.0RPM。由此可見，當地層的強度越高，則刀盤轉速越快，相反地，當地層強度越低時，刀盤轉速越慢。從刀盤轉速與土層強度的相互關系來看，當地層強度高時，盾構掘進時刀具切入土層的深度較小，則刀盤轉動的阻力較小，在額定的功率下刀盤的轉速相應越快。

3.4.2 刀盤扭矩

綜合該卵漂石地層下盾構掘進的刀盤扭矩統計情況發現，整個區段內刀盤扭矩數值變化范圍在1.2MN·m～4.67MN·m，平均值為3.1MN·m。統計得到的刀盤扭矩值主要落于2.5MN·m～4.5MN·m。

從刀盤扭矩圖圖7、圖8看出，扭矩隨著盾構的向前掘進，扭矩呈減小的趨勢，原因是進入地層條件相對改善地段，盾構機參數逐步與漂卵石地層匹配，這樣掘進速度可以逐步增大。到了350環之后，盾構機開始進入小半徑曲線，刀盤扭矩逐漸增大，掘進速度降低。

圖7 刀盤扭矩圖

圖8 刀盤扭矩直方圖

為對比軟土地區盾構掘進時刀盤扭矩情況，選取上海某盾構隧道工程，掘進土層為④層(灰色淤泥質粘土)、⑤1-1層(灰色粘土)及⑤1-2層(灰色粉質粘土)粉土，隧道中心埋深為13.42m～20.79m，數據樣本約800個。根據采集的刀盤扭矩值發現，主要落于1MN·m～2MN·m，平均值為1.7MN·m。通過兩者比較，可見卵漂石地層條件下盾構掘進時的刀盤扭矩要比軟土地區大得多，這使得盾構機的刀盤、刀具磨損較嚴重，減短盾構機的壽命。

由前面的分析可知，影響刀盤扭矩大小的主要因素是刀盤正面、側面與土體之間的摩阻力扭矩、刀盤背面與壓力艙內土體的摩阻力扭矩、壓力艙內刀盤和攪拌葉片的攪拌扭矩。根據卵漂石地層的特性，土層與刀盤、盾體的摩擦較大，因此卵漂石地層條件下盾構的刀盤扭矩較大。通過渣土改良方法對刀盤前方土體和土倉內渣土的性狀進行改變，使之與刀盤的摩擦系數減小，是減小刀盤扭矩的一個有效途徑。

通過上述分析得知，在該地層條件下，扭矩大小和刀盤轉速不能限定，只要求能滿足推進速度。扭矩和轉速不作為掘進控制參數的主要依據，作為參考指標，不主動調整。刀盤轉速符合設備要求，和扭矩成反比關系。

3.5 土倉壓力

土壓平衡盾構的平衡應該是出土量的平衡。由于刀盤面板的作用，在出土平衡時，開挖面處存在明顯的擠壓。其它條件相同且出土量平衡時，不同開口率盾構的土艙壓力并不相等。

實際的施工過程中，盾構機的PLC參數系統采集各傳感器位置的土倉壓力值，在100環～310環之間，5#土壓力傳感器失靈，300環之后，1#、3#、4#土壓力傳感器測出來的數據異常，故剔除這些異常數據，現選取1環～310環的1#、2#、3#、4#土壓力來分析。采集得到的各點土倉壓力如下圖9、圖10。

圖9 前300環土倉壓力

圖10 土倉壓力規則系數

從上述隔板上傳感器測得的土倉壓力分布情況可以發現，土倉壓力規則系數平均值是0.32，漂卵石地層中掘進時土倉壓力自上而下的分布極不均勻，局部位置的土倉壓力突然增大，說明土倉內的渣土流塑性狀態差。

然而，我們通過分析認為，此參數為自然形成，在某些流動性較好的土層，通過螺旋機開口和轉速就能建立土壓平衡。在砂卵石地層具有骨架結構效應和滯后沉降現象來看，只要推進速度快，土倉壓力不做為掘進控制參數。

4 結語

本文結合成都地鐵4號線二期西延線區間鳳～南區間左線隧道盾構施工，通過實際施工過程中遇到的各種工況及采取的處理措施得到的相關參數，得出在土建6標段施工的地層中，掘進速度是盾構施工的核心，所有參數均應保證掘進速度，在砂卵石地層可通過推力和螺旋輸送機開度的配合來控制掘進速度，而刀盤轉動和土倉壓力在不影響渣土改良的情況下，只能做為判斷掘進速度的參考指標，不參與控制掘進速度。這一套參數的總結和理念是成功的，為類似地質條件下盾構施工提供借鑒經驗。