長沙地鐵典型板巖地層土壓平衡盾構掘進參數精細化控制

肖超，陽軍生，褚東升，王樹英

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長沙地鐵典型板巖地層土壓平衡盾構掘進參數精細化控制

肖超1，陽軍生1，褚東升2，王樹英1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州，510230)

依托長沙地鐵2號線典型板巖地段盾構工程，對盾構總推力和刀盤扭矩計算值與實測值進行對比分析，并對刀盤每轉切深和土艙壓力進行統計分析，提出典型板巖地層中土壓平衡盾構掘進參數的控制值。最后結合地表沉降監測，對參數控制的效果進行評價。研究結果表明：采取理論方法計算板巖地層中盾構總推力和刀盤扭矩時，需對這2個參數進行修正。修正總推力計算值時，修正系數取1.4~1.7；修正刀盤扭矩計算值時，修正系數取0.4~0.5。同時刀盤每轉切深應控制在30~40 mm之間；土艙壓力應控制在0.09~0.13 MPa之間。基于地表沉降監測，上述盾構掘進參數控制值具有一定的合理性，且效果明顯。盾構掘進區域內地表的沉降比較小，基本控制在1.5~4.0 mm。

板巖；土壓平衡盾構；掘進參數；精細化控制；地表沉降

掘進參數的確定是盾構施工一項很重要的工作，在多數情況下掘進參數選取直接控制著掘進區域內地表的沉降。因此，盾構掘進參數的控制和優化對盾構掘進工程順利完成起著至關重要的作用。由于長沙地鐵起步比較晚，在長沙這種多板巖的地區盾構掘進參數的確定還缺少經驗，如何合理的控制和優化板巖盾構掘進參數以控制地表的沉降是一個非常值得研究的課題。目前國內外針對硬巖和軟土地區盾構機掘進參數的研究比較多。王洪新等[1]推導了刀盤扭矩的計算公式，并建立了刀盤扭矩與總推力、土艙壓力、刀盤轉速及推進速度關系。Delisio等[2]采用場切深指數(FPI)分析評價了硬巖地層中盾構掘進參數。顏波等[3?5]通過對軟土地層盾構掘進參數進行控制，評價分析了掘進區域地表沉降，建(構)筑物穩定性。Wang等[6]對比了室內試驗總推力和模型計算值，并根據試驗結果改進了模型。Kim等[7]研究了盾構開挖過程中的力學行為，討論了盾構開挖過程中的地表變形和控制問題。本文作者依托長沙地鐵2號線工程對土壓平衡盾構總推力和刀盤扭矩進行反算，并與現場實測參數值進行對比，對兩者進行修正。同時統計分析刀盤每轉切深和土艙壓力。最后結合掘進參數的效果分析，對長沙地鐵典型板巖中盾構掘進參數進行了精確控制。

1 工程概況

長沙地區的板巖主要分布西北面，以湘江為界的大部分河西地區。河西地鐵隧道工程主要位于中風化板巖地層中，而位于強風化板巖地層中不多(見圖1)。為了分析長沙地區典型板巖區域內主要盾構掘進參數，結合隧道掘進區域地層資料和地質異常分布圖分析，選取長沙地鐵2號線湘江隧道溁灣鎮至橘子洲區間(第80~145環)65環作為典型板巖的分析段，該段主要中風化板巖。其物理力學參數見表1。

圖1 長沙地鐵典型板巖地段地層剖面圖

表1 掘進區域板巖地層物理力學特性[8]

長沙地區的板巖主要屬于上古生界二疊統板溪群。板溪群不整合于冷家溪群之上，平行不整合于震動紀長安組與富祿組之下，時代歸屬晚元古代。結構面和地下水作用是影響板巖工程地質特性關鍵因素。板巖破壞形式隨著結構面的變化會不同，破壞形式主要有結構面破壞，剪切破壞和復合破壞。長沙地鐵2號線區域內板巖呈灰色、青灰色，板巖內部存在有大量的由黏土礦物組成的層理、片理、裂縫等軟弱結構面。崩解特性較強，且崩解指數與風化程度直接相關，程度越高，崩解越強烈，遇水易軟化、崩解[8]。

長沙地鐵2號線采用土壓平衡盾構(具體參數見表2)。隧道管片外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，寬度為1.5 m，分布為3個標準管片、2個鄰接管片和1個封頂管片。

表2 盾構機主要技術參數

2 總推力與刀盤扭矩的計算和分析

2.1 總推力

在巖(土)體盾構掘進過程中，盾構機的總推力大致包括6個部分：盾構側面與周邊地層的摩阻力1、掘進時正面的阻力2、盾尾與管片間的摩阻力3、當盾構機切口環凸出于刀盤時應考慮切口環的貫入阻力4、在曲線中掘進時應考慮變向阻力5和尾隨機構的牽引力6等[9?11]。

由于巖層的存在一定的自穩能力，在巖層的掘進時，盾構機的拱頂、兩側和底部所受的壓力均很小，對盾構機的推進影響不大。所以盾構機在不同類型的地層掘進時，影響盾構機總推力的主要是盾構機自重引起的摩擦力12和盾尾、管片間的摩阻力3和盾構推進時正面的阻力2，而正面阻力2由切削巖體的阻力21和艙壓阻力222部分組成，計算公式如下：

式中：為刀盤上安裝滾刀的數量；d為巖石的滾壓系數；u為巖石抗壓強度；i為滾刀的刃角半徑；i為盤形滾刀的半刃角；為巖石的自然破碎角；為滾刀半徑；為每轉切深；e為盾構機外徑；s為盾構機入倉壓力；C為盾殼與管片之間的摩擦因數；c為每環管片的質量。

采用上述計算公式，計算出長沙地區板巖地層中盾構總推力理論值，計算參數的選取見表3。基于理論計算值與實際值的對比分析，對理論計算值進行了修正，并得出相應的修正系數。

式中：1為盾構機總推力修正值；為盾構機總推力理論計算值；1為修正系數。

表3 總推力計算參數

分析長沙地區典型板巖中盾構機總推力實際值、理論值和優化值對比分析圖(圖2)可知：盾構機總推力的實際值要比理論計算值要大，約大60%。通過對比長沙地區典型板巖盾構機刀盤總推力理論計算值和實際值，提出了適合該地區的影響系數的具體數值，取1.4~1.7。理論值修正后，實測值的變化曲線與修正值的變化曲線比較接近，這表明總推力的修正值能較好的指導盾構機掘進時總推力的確定。理論計算值、實際值和修正值都隨著深度的增加有增大的趨勢。

1—實際值；2—理論值；3—修正值；4—頂板厚度

圖2 總推力實測值、理論值與優化值的關系

Fig. 2 Relationship among measured value, calculated value and optimal value of total thrust

2.2 刀盤扭矩

盾構機的刀盤切削巖(土)土體過程中，刀盤會受到刀盤與土體之間的摩擦力、地層抗力、攪拌土體的阻力和刀具受到的摩擦阻力等，這些因素都是形成盾構刀盤扭矩的主要原因。在巖層中盾構機的刀盤切削扭矩主要包含：刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩1；刀盤背面與壓力艙內的土體摩擦阻力扭矩2；刀盤側面與土體之間的摩擦阻力3；刀具切削時的地層抗力產生的扭矩4；刀盤攪拌阻力矩5等[9?10]。而在巖層中盾構掘進時，1，3和4是影響刀盤扭矩的主要因素。考慮到巖層中盾構機的拱頂、兩側和底部所受的壓力均很小，刀盤側面與土體之間的摩擦阻力(3)只受到刀盤自重的影響，土壓力對其影響很小。各扭矩的計算公式如下：

式中：為側向土壓力系數；為刀盤與土體之間的摩擦因數；為土體的重力密度；為地表到盾構機軸線的垂直距離；為刀盤開口率；1為刀盤的質量；為刀盤半徑；1為刀盤系數；為盾構機外徑；為盾構機掘進速度；為刀盤轉速；u為巖土體單軸抗壓強度。

采用上述計算公式，計算出長沙地區板巖地層中盾構刀盤扭矩理論值，計算參數的選取見表4。并對在長沙地區典型板巖中掘進時刀盤扭矩進行修正。

式中：1為盾構機總推力修正值；為盾構機總推力理論計算值；2為修正系數。

表4 刀盤扭矩計算參數

對比分析長沙地區典型板巖中刀盤扭矩實際值、理論值和優化值(圖3)可知：刀盤扭矩的實際值和理論計算值之間存在著一定的差異，板巖地層中板巖的刀盤扭矩的理論值要比實際值要大很多。通過對比長沙地區典型板巖盾構機刀盤扭矩理論計算值和實際值，提出了適合該地區的影響系數的具體數值，取0.4~0.5。理論值修正后其變化曲線與實際值變化曲線比較相符。同時理論計算值、實際值和優化值與盾構機頂板的厚度成正比。

1—實際值；2—理論值；3—修正值；4—頂板厚度

圖3 刀盤扭矩實際值、理論值與優化值的關系

Fig. 3 Relationship among measured value, calculated value and optimal value of cutter torque

3 刀盤每轉切深和土艙壓力的統計分析

刀盤的每轉切深是影響總推力和刀盤扭矩計算的關鍵因素，而土艙壓力也是影響總推力重要因素。在總推力計算中，刀盤每轉切深和土艙壓力決定刀盤正面的推力。在扭矩的計算中，它對確定地層抗力產生的扭矩有重要的影響。所以，確定刀盤每轉切深和土艙壓力對盾構掘進總推力和刀盤扭矩的控制和優化起到關鍵的作用。刀盤每轉切深計算表達式如下：

式中：為刀盤的每轉切深；為盾構機掘進速度；為刀盤轉速。

土艙壓力是土壓平衡盾構最重要的工作參數之一。盾構掘進時，控制開挖面穩定和地表變形主要是通過控制土艙的支護壓力實現的，合理地確定土艙壓力對于有效控制地表沉陷與隆起、保證盾構施工安全和連續作業是非常重要的[12?14]。

通過對典型板巖中刀盤的每轉切深和土艙壓力進行統計，獲得了兩者的直方圖和描述性統計表，分別如圖4和表5所示。由圖4和表5可知：在典型板巖地層中刀盤每轉切深的離散性不大，但該值偏離均值的程度較大，方差達到了21.130 0；其主要分布在30~40 mm之間，其平均值為33.720 0 mm；其分布曲線為左偏態，且較為平坦。土艙壓力的離散性不大，且偏離均值的程度較小；其平均值主要分布在0.09~0.13 MPa之間，其平均值為0.099 0 MPa；其分布曲線為由偏態，且較為平坦。

首先，認真組織電力工程輸電線路施工圖紙會審和施工應用技術交底的工作，檢查設計是否滿足電力工程施工的實際要求。其次，認真做好輸電線路結構的設計和選型工作，檢驗設計和選型對施工的適應和對設計意圖的符合情況。最后，審核電力工程輸電線路施工的組織方案、管理設計和監督體系，從各個角度提高電力工程輸電線路施工的經濟效益。

表5 刀盤每轉切深和土艙壓力描述性統計

注：管片觀測環數量為80。

(a) 刀盤每轉切深；(b) 土艙壓力

圖4 刀盤每轉切深和土艙壓力直方圖

Fig. 4 Histogram of cutting depth per rotation and soil pressure

4 掘進參數效果評價和控制

通過盾構掘進期間地表累計沉降監測果，對上述盾構掘進參數的合理性和可行性進行分析。通過整理地表沉降監測數據后，得出了不同環號管片處地表沉降累值變化曲線，如圖5所示。由圖5可知：盾構掘進區域內地表的沉降得到了較好的控制，地表沉降控制在1.5~4.0 mm，最大值僅為4.03 mm左右，遠低于地表沉降警戒值。采用上述掘進參數在長沙地區典型板巖中進行盾構開挖時，能較好地控制地表累計沉降，保證周圍建(構)筑的安全。這表明這些掘進參數具有一定的合理性。

圖5 累計沉降變化曲線

基于總推力與刀盤扭矩計算理論值的修正和刀盤每轉切深與土艙壓力的統計分析，結合參數效果評價，實現對長沙地區典型板巖中主要盾構掘進參數的精確控制：對于總推力，計算出總推力后，需對理論值其進行修正，修正系數取1.4~1.7；對于刀盤扭矩，計算出理論值后，同樣需對其修正，修正系數取0.4~0.5；刀盤每轉切深可在30~40 mm之間取值，平均值為33 mm左右；土艙壓力可在0.09~0.13 MPa之間進行取值，其平均值控制在0.099 0 MPa。

5 結論

1) 在長沙典型板巖地段采用理論計算確定土壓平衡盾構總推力和刀盤扭矩時，總推力計算值小于實測值，而刀盤扭矩計算值大于實測值。因此需要對這2個參數進行修正。

2) 提出了盾構掘進參數的精確控制范圍：總推力修正系數取1.4~1.7；刀盤扭矩修正系數為0.4~0.5；刀盤每轉切深應控制在30~40 mm之間；土艙壓力控制在0.09~0.13 MPa之間。

3) 盾構掘進區域內地表的沉降得到較好的控制，地表沉降控制在1.5~4.0 mm，最大值僅為4.03 mm左右，遠低于地表沉降警戒值。表明主要參數精細化控制后能較好地控制地表累計沉降，保證周圍建(構)筑的安全，確定了這些參數的控制值的有效性和合理性。為長沙地區今后地鐵隧道施工提供了一定理論依據。

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Detailed control for shield excavation parameters in typical slate strata of Changsha Metro

XIAO Chao1, YANG Junsheng1, CHU Dongsheng2, WANG Shuying1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. CCCC FHDI Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510230, China)

Based on Changsha Metro line 1 EPB shield tunneling project, the measured value and calculated value of total thrust and cutter torque were analyzed, cutter cutting depth per rotation and soil tank pressure were summarized, and then controlled values of EPB shield parameters were ascertained in typical slate area of Changsha Metro consequently. Combined with monitoring of ground surface subsidence, the effect of parameter control was evaluated. The results show that the total thrust correction item of calculated value must be kept in the region of 1.4?1.7, and the cutter torque ranges from 0.4 to 0.5. The cutting depth per rotation should be controlled between 30 mm and 40 mm at the same time, and the soil tank pressure is between 0.09 MPa and 0.13 MPa. According to the monitoring results of ground surface settlement, the controlled parameters have a relatively rational and obvious effect. The ground surface settlement is very small, which is mainly between 1.5 mm and 4.0 mm.

slate; earth pressure balance shield; shield parameter; detailed control; ground surface settlement

U455.4

A

1672?7207(2015)01?0261?06

2014?02?13；

2014?04?09

國家科技支撐計劃項目(2012BAK24B02)；國家自然科學青年基金項目(51208516)；湖南省博士生科研創新項目(CX2014B072) (Project(2012BAK24B02) supported by the National Science and Technology Pillar Program; Project(51208516) supported by the National Natural Science Foundation of China for Youths; Project(CX2014B072) supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)

肖超，博士研究生，從事城市盾構方面的研究；E-mail: xiaochao317@qq.com

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.035

(編輯 楊幼平)