漂石地層土壓平衡盾構掘進速度模型研究

黃建丹，宮全美，孟慶明，張潤來

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081）

漂石地層土壓平衡盾構掘進速度模型研究

黃建丹1，宮全美1，孟慶明2，張潤來1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081）

目前針對漂石地層土壓平衡盾構的掘進速度模型研究比較少。借助成都地鐵某區間盾構隧道工程，根據現場施工實測數據，利用統計分析、模型回歸等方法分析了參數間的相關性，并依據掘進速度與其他參數間的關系建立了成都漂石地層中的掘進速度模型。研究結果表明：在成都漂石地層中，影響掘進速度最大的因素依次是貫入度、刀盤轉速；掘進速度和刀盤轉速、貫入度、螺旋機轉速成正比，與總推力、土倉壓力正反比；掘進速度與扭矩不是簡單的線性關系，扭矩在一定范圍時，掘進速度緩慢增加，當扭矩大于一定值后，掘進速度隨著扭矩的增大而減小。這些關系對漂石地層土壓平衡盾構的參數選擇和匹配有重要的指導意義，所建立的模型可為盾構掘進參數的優化、預測和控制提供依據。

漂石地層；土壓平衡盾構；掘進速度；模型研究

隨著經濟快速發展，各城市地鐵建設范圍也不斷擴大。我國幅員遼闊，各地地質情況差異大，因此在不同地層進行盾構施工時，如何選擇合理的掘進參數、如何根據盾構機反饋回的施工數據對掘進速度進行預測、調整，是一個越來越值得關注的問題。國外有關硬巖掘進機（TBM）的性能預測模型開展較早，比較有名TBM的性能預測模型有CSM模型［1］、NTH模型等［2］，NTH模型是一個主要基于大量現場掘進數據的經驗統計模型，但是它僅局限于特定地層下的掘進速度預測，如果實際地層與以往條件不同，其預測結果不可靠［3］。在硬巖掘進機的掘進速度預測方面，國內也開展了一些針對不同地層下的研究。何於璉［4］根據西康線秦嶺I線隧道施工現場，對TBM掘進速度與地質條件的關系作了初步研究，利用現已掌握的盾構掘進速度與圍巖組合分類的關系，推斷其它圍巖類別下盾構機的掘進速度；劉明月［5］結合秦嶺隧道施工的相關數據，對掘進速度、利用率、刀具磨損等表征掘進效率的指標與圍巖等級、圍巖類型等地質因素間的關系進行了分析，得到了它們之間的影響關系；張厚美［6］通過正交試驗術，對盾構掘進參數進行組合試驗，采用統計分析方法，分析了總推力、土倉壓力、刀盤轉速等主要參數對掘進速度的影響，得到了EPBS在軟土中的掘進速度數學模型；江華等［7］以北京地鐵9號線盾構工程為背景，在大粒徑卵礫石地層開展土壓平衡盾構現場掘進試驗，得出推進速度與刀盤扭矩、螺旋輸送機轉速、總推力等施工參數間的關系。王洪新［8］在天津地鐵盾構施工收集到的數據基礎上，分析土倉壓力、螺旋機轉速及掘進速度之間關系。周斌［9］基于長沙地鐵1號線盾構工程為背景，根據現象采集的盾構掘進參數建立復合地層下的預測模型。以上國內有關盾構機掘進速度數學模型方面的研究，主要是集中在幾種地層（軟土地層、復合地層等），這是因為土壓平衡盾構掘進是軟土地區地鐵隧道施工的主要方法之一，相關工程項目較多。在漂石地層采用盾構工法修建地鐵隧道，國內工程不多，因此相關的研究甚少。為了擴展土壓平衡盾構的應用范圍，滿足日后工程建設需要，有必要開展盾構機工作參數針對漂石地層的適應性研究。

成都地區的漂石地層，漂石粒徑大、含量高、廣泛不均勻分布、單體強度高，隧道沿線分布強透水富水地層，部分區域地層自穩性差等，施工中盾構機姿態控制困難。因此在漂石地層如何選擇合理的掘進參數，如何預測盾構掘進速度，是盾構施工過程中需要解決的一個問題。本文擬通過現場施工實測數據利用數理統計、模型回歸等方法對漂石地層的盾構主要的施工參數進行研究，分析參數間的相關性，建立成都地區漂石地層的推進速度模型，以期為盾構掘進參數的優化、預測和控制提供依據。

1　工程概況

根據地質勘察報告，成都地鐵某盾構區間隧道所穿越的地層以密實卵石土＜2-9-3＞和＜3-8-3＞為主。穿越區間地質縱斷面見圖1，各地層的主要物理力學參數見表1。地層中漂石含量為5～20%，粒徑一般為20～40 cm，地質勘察所揭露漂石的最大長度為57 cm，最大抗壓強度高達170 MPa，破碎困難［10］。漂石地層的內摩擦角系數較大，渣土的流動性比較差。在無水狀態下，顆粒之間點對點傳力，地層反應靈敏，刀盤旋轉切削時，地層很易破壞原來的相對穩定或平衡狀態而產生坍塌，引起較大的地層損失和圍巖擾動［11］。

根據成都區域水文地質資料及本工程地下水的賦存條件，工程范圍內地下水主要是第四系孔隙水。砂、卵石層含水豐富，含水層總厚度大于30 m，為孔隙潛水。根據成都地區工程經驗，工點范圍內卵石土層滲透系數k取18～35 m·d-1，為強透水層；砂層滲透系數k取值3.5～6 m·d-1，為中等透水層。

圖1　地質縱斷面圖Fig.1　Geological profile

該區間采用海瑞克盾構機，開挖直徑6.3 m，面板式刀盤。面板上布置小刮刀、邊緣、單刃滾刀或雙刃滾刀，刀盤開口率約為36%，如圖3。刀盤額定扭矩6 228 kN·m，最大脫困扭矩7 447 kN·m，最大推力是3 991 T，最大掘進速度是80 mm·min-1。出渣采用直徑850 mm的單級螺旋輸送機，能通過的漂石最大粒徑為310 mm。盾構管片襯砌環寬1 500 mm和1 200 mm，外徑Φ6 000 mm、內徑Φ5 400 mm、厚度300 mm，C50混凝土、6塊/環分塊形式，錯縫拼裝。

圖2　地質情況Fig.2　Geologic situation

圖3　刀盤示意圖Fig.3　Cutter head of shield machine

表1　土層主要物理力學參數Tab.1　Main physical-mechanical parameters of soil

3　各參數間關系及掘進速度研究

3.1各施工參數間的相關性

為了分析參數之間的相關程度，借助參數間的相關系數來評判。相關系數又稱皮氏積矩相關系數，是說明兩個現象之間相關關系密切程度的統計分析指標［12］。相關系數計算公式如下：

x，y分別取兩個變量的平均值。

此外，還有學者對鄰里效應與農戶行為之間的關系進行了研究。史運等[9]認為，農戶在選擇農產品時，其行為會受到鄰里行為的影響，主要體現在鄰里間農戶的相互模仿和跟從等；姚瑞卿等[10]通過對農戶行為大量實地調查發現，農戶無論是種植農作物的方式與耕作習慣，還是選用化肥與農藥，其行為都存在較大程度的鄰里影響，體現了明顯的鄰里效應；李柃燕等[11]指出，跟潮效應可能也會影響農戶購買農業保險。

r值在-1和+1之間變化。如果r＞0時，表示兩者為正相關；如果r＜0時，表示兩者為負相關；如果r＝0表示不相關；當r值的絕對值越大時，兩者的相關程度就越高。

根據所采集的參數數據，計算盾構機各施工參數間的相關系數，如表2。

表2　各參數間相關系數Tab.2　Correlation coefficient of parameters

由表2可知：①刀盤扭矩和推力、掘進速度和貫入度、掘進速度和螺旋輸送機轉速、螺旋輸送機扭矩和螺旋輸送機工作面壓力的r值分別在0.7～1之間，兩者呈現良好的線性正相關。②掘進速度與推力、推力和貫入度、刀盤扭矩和土倉壓力的r值分別在-0.6～-0.7，兩者呈良好的線性負相關。③ 刀盤扭矩隨著總推力的增大而增大。從兩者的物理關系角度出發，當總推力增大時，必然使得刀盤面受到的摩擦力增大，則刀盤的扭矩也相應增大。實測得到的數據也驗證了這一關系。④掘進速度=刀盤轉速×貫入度，故在刀盤轉速一定的情況下，貫入度越大，掘進速度越大。⑤土壓平衡盾構掘進速度是一個多因素共同作用下、反映盾構機在各地層下效能的指標，它的大小不但受到盾構設備的性能影響，而且與螺旋機的出土效率有很大關系，從實測數據看出，土壓平衡盾構的掘進速度與螺旋機轉速的相關性較好。⑥從物理關系來說，當土倉壓力增大時，刀盤背面與土倉內的土體的摩擦力也增大，那么刀盤扭矩也相應增大。但通過上述數據發現，但是圖中顯示兩者不是簡單的正比關系，兩者呈現一定的負相關。這是因為在大漂石地層盾構掘進時，土倉壓力升高時，掘進速度就會降下來，很容易造成刀盤扭矩不足而產生卡死。因此在實際施工過程中，可通過保持適當欠壓，做好渣土改良等控制推力和扭矩在合理范圍內，避免扭矩過大造成刀盤卡死。

3.2掘進速度與其他施工參數相關性

盾構推進速度的大小，是多個參數共同作用產生的，是被動反饋的重要參數［13］。左線掘進過程中450環實際掘進速度如圖4所示。

圖4　掘進速度直方圖Fig.4　Curve of advance speed

圖5　掘進速度直方圖Fig.5　Histogram of advance speed

綜合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10 mm·min-1至68 mm·min-1之間，平均值為38.3 mm·min-1，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30～60 mm·min-1之間。1至450環盾構的掘進速度變化從10～67 mm·min-1不等，波動范圍大，前120環屬于試掘進過程，故掘進速度波動較大，120環以后掘進速度波動趨于平緩。

將掘進速度、總推力的數據點進行整理，如圖6所示。

圖6　掘進速度與總推力的散點圖Fig.6　Scatter diagram of advance speed and thrust force

通過上述數據發現，不同的總推力區段，與掘進速度均值存在很好的線性關系，且兩者線性負相關，相關系數為0.886。當盾構掘進過程中所受到的前方壓力、摩擦力等阻力增大時，盾構機掘進所需要的推力也相應增大，而盾構推進的速度則因阻力的增大而減小。因此，掘進速度不可簡單認為會隨推力增大而增長，在實際操作過程中受較多的隨機因素影響。

掘進參數與其他施工參數相關性的處理，按照圖7掘進速度與總推力類似進行處理：各類參數進行分段整理，將各區段中的掘進速度取平均值［14］，以表征該區段中掘進速度的大小。兩者之間的關系如圖8～圖13所示。

圖7　分區段整理后的總推力與掘進速度Fig.7　Reduced advance speed and thrust force

圖8　掘進速度與總推力Fig.8　Advance speed and thrust force

圖9　掘進速度與刀盤扭矩Fig.9　Advance speed and torque of cutter head

圖10　掘進速度與刀盤轉速Fig.10　Advance speed and cutting wheel rotation

圖11　掘進速度與貫入度Fig.11　Advance speed and penetration

圖12　掘進速度與土倉壓力Fig.12　Advance speed and chamber earth pressure

圖13　掘進速度與螺旋機轉速Fig.13　Advance speed and rotation speed of screw conveyor

從圖8～圖13可以看出，掘進速度和刀盤轉速、貫入度、螺旋機轉速有良好的正相關性，與總推力、土倉壓力有較好的負相關性。①當盾構掘進過程中所受到的前方壓力、摩擦力等阻力增大時，盾構機掘進所需要的推力也相應增大，而盾構推進的速度則因阻力的增大而減小。因此，推進速度不可簡單認為會隨推力增大而增長，在實際操作過程中受較多的隨機因素影響。在軟土地層中常通過增大總推力的方法來增加掘進速度，但在漂石地層中不宜采取此類似措施。②掘進速度與扭矩不是簡單的線性關系，扭矩在一定范圍時，掘進速度緩慢增加，當扭矩大于一定值后，掘進速度隨著扭矩的增大而減小。③理論上存在這樣的關系：推進速度=刀盤轉速×貫入度。實測出的掘進速度和刀盤轉速、貫入度的正相關關系也驗證這一關系。④在維持開挖面穩定的情況下，土倉壓力越小，掘進速度越大。⑤螺旋機轉速越大，掘進速度就越大。螺旋機轉速與出土量有直接關系，故土倉壓力與螺旋機轉速有關，其他條件不變的情況下轉速大土倉壓力小，轉速小土倉壓力大。土倉壓力的變化又會引起掘進速度的變化，故在漂石地層要做好渣土改良，保證螺旋輸送機出渣順利。

3.3推進速度模型研究

在軟土地區施工中，張厚美［6］建立了推進速度的計算模型，得到對掘進速度影響最大的3個操作參數依次為：千斤頂推力、土艙壓力和刀盤轉速。類似的，本節借鑒張厚美建立掘進速度模型的方法來研究成都漂石地層中盾構推進速度的計算模型。

盾構機主要靠主千斤頂對盾體施加向前的推力而向前推進的，因此千斤頂推力對盾構推進起主要影響作用；由于掘進速度=刀盤轉速×刀盤貫入度，所以刀盤轉速及貫入度也直接影響了掘進速度；螺旋輸送機參數決定了渣土輸出的速度、出土量，間接影響了盾構的推進速度；本計算模型中取所測各土倉壓力的平均值作為分析對象。

由第3.2節分析可知，推進速度與各變量之間存在一定的相關性。其中盾構機螺旋輸送機扭矩、螺旋輸送機工作面壓力和推進速度的相關系數較小，說明螺旋輸送機扭矩和螺旋輸送機工作面壓力對推進速度的影響不大，因此舍去這兩個變量。故本計算模型中參數變量的選取為刀盤轉速、刀盤扭矩、推進力、貫入度、螺旋輸送機轉速、平均土倉壓力。如表3所示。

表3　掘進速度模型參數選取Tab.3　Choice of model regression parameters

利用上述模型參數進行模型建立：

模型回歸參數結果如表4所示。

表4　模型回歸參數結果Tab.4　Result of model regression parameters

根據回歸統計結果，可知回歸相關系數R= 0.99，說明 自變量與回歸統計結果有很高的相關性。根據方差分析結果，可知F值=5 000.495 9，SignificanceF=0＜0.01，表明所建立的回歸方程非常顯著。根據模型回歸參數結果表，根據t值的大小可知因素的主次順序是:貫入度＞刀盤轉速＞螺旋轉速＞推力＞土倉壓力＞刀盤扭矩；根據“P-value”可知上述變量對試驗結果影響高度顯著。

圖14　模型計算與實測數據對比Fig.14　Comparison between model calculation and measured data

由上述分析可得到推進速度的計算模型為：

采用上述的掘進速度模型，利用右線的200環的施工參數進行驗證。

對比計算結果表明：上述推進速度計算模型得到的數據與實測得到的數據之間的相關系數為0.86，該模型能較好地擬合大薸石地層條件下的盾構推進速度，所建立的模型可應用為盾構掘進參數的優化、預測和控制提供依據。模型中貫入度、刀盤轉速、螺旋輸送機轉速對推進速度的影響相對較大。

4　總結

本文根據現場施工實測數據，對漂石地層的盾構掘進參數進行研究，分析各施工參數間的相關性，建立了漂石地層中的掘進速度模型，模型與實測數據相關性良好，可為盾構掘進參數的預測、優化和控制提供參考。得到以下結論：

1）掘進速度與貫入度、刀盤轉速、螺旋機輸送機轉速呈正相關，與總推力、土倉壓力呈負相關；

2）掘進速度與扭矩不是簡單的線性關系，扭矩在一定范圍時，掘進速度緩慢增加，當扭矩大于一定值后，掘進速度隨著扭矩的增大而減小；

3）對于掘進速度影響最大的因素依次是貫入度、刀盤轉速、螺旋轉速、推力、土倉壓力、刀盤扭矩；

4）盾構在漂石地層施工過程中，可通過保持適當欠壓，做好渣土改良等控制推力和扭矩在合理范圍內，避免扭矩過大造成刀盤卡死。

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（責任編輯王建華）

Research on Mathematical Model of Advance Speed for EPBS in Boulder Stratum

Huang Jiandan，Gong Quanmei，Meng Qingming，Zhang Runlai
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804；2.Sinohydro Engineering Bureau No.7 CO.，LTD.，Chengdu 610081）

At present，there are seldom researches on mathematical model of advance speed for earth pressure balanced shield（EPBS）in boulder stratum.In one shield tunnel section of Chengdu Metro，according to field construction data，correlation between parameters was discussed by statistical analysis and model regression，and mathematical models of advanced speed of EPBS in boulder stratum were obtained in this study．The results show that，in the boulder stratum of Chengdu，the construction parameters which affect advance speed most are penetration and cutting wheel rotation；advance speed is in proportion to cutter speed，penetration and screw machine speed；advance speed is in proportion to total thrust force and earth pressure inversely；advance speed and torque of cutter head is no simple linearity（within a range of torque，advance speed will slowly increase，while torque keeps increasing and beyond the range，advance speed will decrease）.These correlations have important guiding significance in choosing and matching EPBS’parameters in boulder stratum，and the mathematical models can be references for optimization，prediction and control of parameters of advance speed of EPBS.

boulder stratum；EPBS；advance speed；model research

TU443

A

1005-0523（2016）04-0037-08

2015－04－08

黃建丹（1991—），女，碩士研究生，主要從事城市軌道交通研究。

宮全美（1967—），女，教授，博導，主要從事軌道交通結構設計理論研究與施工、線路動力學。