盾構刀盤形式對砂卵石地層擾動狀態的影響

賀少輝， 李承輝， 馬 騰， 劉夏冰， 汪大海， 劉仰鵬

(北京交通大學， 北京 100044)

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盾構刀盤形式對砂卵石地層擾動狀態的影響

賀少輝， 李承輝， 馬 騰， 劉夏冰， 汪大海， 劉仰鵬

(北京交通大學， 北京 100044)

盾構刀盤形式的選擇是砂卵石地層盾構掘進面臨的關鍵問題。為解決這一問題，以蘭州地鐵1號線一期工程為背景，綜合運用現場調查、實驗室試驗、三維離散元數值模擬、現場原位監測等方法，對砂卵石地層土壓平衡盾構施工顆粒流動和地表沉降的機制進行了研究。1)通過室內大直徑(300 mm)試樣三軸壓縮試驗獲得了砂卵石地層的應力-應變曲線，基于試驗結果和EDEM離散元三軸數值試驗，標定了離散元數值模擬需要的參數。2)基于Solidworks軟件建立了面板式刀盤盾構和輻條式刀盤盾構三維機械模型。3) 將盾構三維機械模型導入離散元軟件EDEM中，建立了砂卵石地層盾構掘進過程的三維離散元模型； 將模擬結果與現場監測數據對比，揭示了面板式刀盤和輻條式刀盤土壓平衡盾構掘進對砂卵石地層擾動狀態和地表沉降的影響機制。面板式刀盤土壓平衡盾構掘進，刀盤前方、上方的“強烈擾動區”范圍為(0.3～0.5)D(D為刀盤直徑)； 輻條式刀盤土壓平衡盾構掘進的“強烈擾動區”范圍不足面板式刀盤的1/3，且擾動程度輕。

蘭州地鐵； 砂卵石地層； 土壓平衡盾構； 面板式刀盤； 輻條式刀盤； 地層擾動； 三軸壓縮試驗； 三維離散元模擬； 現場監測

0 引言

土壓平衡盾構刀盤形式有面板式和輻條式2種。在砂卵石地層中，選擇面板式刀盤的優點是可以布置可破碎大粒徑卵石的滾刀(實施施工中卻難以起到這種作用)，缺點是一方面需要裝備比輻條式刀盤更高的刀盤額定扭矩，使盾構的造價明顯偏高，另一方面，在施工中往往因刀盤扭矩大，使得其推進困難，難以保持土壓平衡；選擇輻條式刀盤，可明顯降低盾構的刀盤額定裝備扭矩，盡管不能布置滾刀，但其施工推進往往較為順利。在我國地鐵盾構隧道施工中遇到砂卵石地層，首先是在北京地鐵，接著在成都地鐵，再接著在目前施工的蘭州地鐵1號線一期工程。目前，關于砂卵石地層中盾構刀盤選型的觀點不一，意見分歧較大。在北京地鐵，針對砂卵石地層盾構施工，既有選用面板式刀盤，也有選用輻條式刀盤[1]； 在其10號線二期工程施工中，曾出現過因面板式刀盤盾構推進困難而被迫將盾構法改變為礦山法的情況。成都地鐵[2]和蘭州地鐵的土壓平衡盾構均采用面板式刀盤。在蘭州地鐵1號線一期工程施工中，經常遇到盾構難以推進、不能保持土壓平衡、易引發開挖面坍塌等工程難題，這主要是不清楚面板式刀盤盾構掘進對砂卵石地層的擾動機制所致。

近年來，盾構掘進對地層的擾動狀態引起了研究者的關注。CHEN等[3]在1個4 m(軸向)×5 m(橫向)×6 m(垂向)模型箱內設計了1個直徑1 m的圓筒裝置用來模擬盾構掘進，通過模型試驗和基于FLAC3D的有限差分數值模擬，研究了砂層中盾構掘進的拱效應和地層沉降規律。此外，CHEN等[4]還基于顆粒間數值直剪試驗所確定的摩擦因數，通過PFC3D離散元數值模擬，研究了干砂層中淺埋盾構掘進刀盤前方開挖面的穩定性，但沒有涉及刀盤形式及出渣量控制對開挖面穩定性的影響。文獻[5-7]基于PFC2D、PFC3D軟件，對成都地鐵、北京地鐵砂卵石層中盾構掘進地層擾動狀態進行了二維、三維離散元數值模擬； 其中，文獻[5-6]對成都地鐵隧道盾構掘進采用二維模擬不便考慮刀盤形式的影響，文獻[7]針對北京地鐵4號線角門西站相鄰區間隧道采用面板式刀盤盾構掘進對地層的擾動進行了三維模擬，但沒有說明離散元模擬關鍵參數的取值依據。V.Fargnoli等[8]基于意大利米蘭新地鐵5號線砂卵石層盾構掘進過程的系統監測結果和Peck[9]、O’Reilly等[10]、Rankine[11]、Lake等[12]的經驗公式，分析了盾構掘進參數與地表沉降的相互影響規律。

如上所述，國內外所開展的相關研究主要存在2方面的問題： 一是所進行的盾構掘進對砂卵石地層的擾動、變形規律的離散元模擬研究，基本上是通過數值試驗標定關鍵參數，缺乏實驗室試驗數據支撐； 二是缺乏對面板式、輻條式2種刀盤盾構掘進對砂卵石地層擾動狀態的對比研究。

本文以蘭州地鐵1號線一期工程砂卵石地層中土壓平衡盾構掘進為研究對象，針對大直徑砂卵石試樣(直徑300 mm)進行三軸應力-應變關系試驗(國內首次)，以其作為三維離散元數值模擬時采用三軸數值試驗標定離散元模擬關鍵參數(靜摩擦因數、滾動摩擦因數、恢復系數)的依據； 以現場試驗測試獲取的砂卵石地層開挖后的松散系數作為數值模擬時螺旋輸送機出渣量控制的依據； 通過建立砂卵石地層顆粒級配模型和面板式刀盤盾構、輻條式刀盤盾構的三維機械模型，對2種刀盤盾構掘進對砂卵石地層的擾動狀態進行數值模擬研究。綜合三維離散元數值模擬結果以及對蘭州地鐵盾構隧道掘進試驗斷面采取深層監測所獲得的變形監測結果，揭示了面板式刀盤和輻條式刀盤盾構掘進對砂卵石地層的擾動規律，可作為新線建設時盾構刀盤選型的依據。

1 工程概況及砂卵石地層特征

1.1 工程概況

蘭州地鐵1號線一期工程(陳官營—東崗段)長約26.692 km，其區間隧道大部分采用土壓平衡盾構掘進。本研究選取了最具代表性的世紀大道站—中間風井區段。該區段土壓盾構掘進穿越〈2-10〉和〈3-11〉砂卵石層，隧道結構底部處于〈3-11〉砂卵石層。

1.2 砂卵石地層特征

根據地勘報告，〈2-10〉砂卵石層粒徑大于20 mm的卵石平均含量約為64.12%，偶遇漂石的最大粒徑可達500 mm； 該層砂卵石的含砂率(即粒徑小于2 mm的顆粒含量)平均約為19.27%，局部存在泥質微膠結。〈3-11〉砂卵石層粒徑大于20 mm的卵石平均含量約為60.39%，偶遇漂石的最大粒徑可達500 mm以上； 該層砂卵石的含砂率平均約為21.47%，局部存在泥、鈣質弱膠結。因此，〈2-10〉和〈3-11〉地層均為含砂率偏低的砂卵石層。〈3-11〉砂卵石層如圖1所示。

圖1 〈3-11〉砂卵石地層

根據現場試驗測定，砂卵石地層開挖后的松散系數最大約為1.23。

2 砂卵石地層的應力-應變關系試驗

2.1 試驗儀器及試樣制備

本次試驗在中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室的SJ70大型高壓三軸剪力儀上進行，如圖2所示。試樣直徑為 300 mm，高度為700 mm。

圖2 砂卵石三軸應力-應變試驗

Fig. 2 Tri-axial stress-strain test of sandy gravel stratum in laboratory

在車站基坑開挖過程中，按照試驗要求分別采集了〈2-10〉和〈3-11〉樣品； 根據篩分結果，粒徑大于60 mm的卵石顆粒約占5%，如圖3所示。按照SL 237—1999《土工試驗規程》，對于粒徑大于60 mm的卵石，可采用40～60 mm的粒徑對其進行替代，替代后的試驗級配見表1。

圖3 砂卵石級配曲線

粒徑/mm試驗級配/%<2-10><3-11>60 100 10040 82.23 81.5820 55.20 48.6810 40.08 31.955 31.57 24.44

2.2 試驗方案

本次試驗采用固結排水剪切試驗(CD)，分別進行〈2-10〉和〈3-11〉砂卵石2組試驗，每組4個試樣，每個試樣在飽和后分別進行圍壓σ3為0.4、0.8、1.2、1.6 MPa的剪切試驗，飽和方法采用抽氣飽和法。

2.3 試驗結果

試驗得到的〈2-10〉和〈3-11〉砂卵石的應力-應變曲線基本一致，不同圍壓下的應力-應變曲線試驗結果如圖4所示。據圖4所示的室內試驗曲線，砂卵石的應力-應變關系為非線性彈性關系。

圖4 三軸實驗室試驗和數值試驗標定的應力-應變曲線

Fig. 4 Stress-strain curves obtained by tri-axial laboratory tests and numerical simulation

3 盾構刀盤形式及盾構主要技術參數

3.1 刀盤構造及刀具布置

蘭州市地鐵1號線一期工程盾構隧道采用由鐵建重工制造的ZTE6410面板式刀盤土壓平衡盾構施工，盾構刀盤采用復合式設計，支撐方式為中心支撐。刀盤開挖直徑為6 456 mm，開口率約33%。圖5示出即將下井組裝的盾構刀盤。

圖5 盾構刀盤

3.2 盾構主要技術參數

盾構的主要技術參數見表2。

表2 盾構主要技術參數

4 三維離散元模擬數值建模及參數標定

4.1 計算參數的試驗標定

三維離散元模擬是研究盾構掘進對砂卵石地層顆粒擾動較為適合的數值方法[5-7]。本文采用EDEM(Engineering+Discrete Element Method)軟件進行三維離散元數值模擬。

離散元模擬的關鍵是相關計算參數的標定。本文基于圖4中砂卵石的實驗室三軸應力-應變試驗結果，采用數值三軸試驗對EDEM離散元模型的參數進行標定。

如前所述，表1所示的顆粒級配，為實際地層中數量占5%左右、粒徑大于60 mm的卵石顆粒采用粒徑為40～60 mm的顆粒對其等量替代而得到的結果。實際上，粒徑大于60 mm的卵石顆粒，其中有一些粒徑為十幾cm、二十幾cm的卵石顆粒，甚至有個別更粗粒徑的漂石。為使數值模擬的顆粒級配更接近地層實際，在數值三軸試驗時，以表1的顆粒級配為基礎，對實際地層中數量占5%左右、粒徑大于60 mm的卵石顆粒，采用250 mm和150 mm 2種粒徑的卵石作為代表，數量均為2.5%。根據砂卵石地層基本無黏結力的特點，顆粒接觸模型選用不考慮黏結力的Hertz-Mindlin(no-slip)模型。

數值三軸試驗如圖6所示，其試驗步驟嚴格按照室內三軸試驗進行。通過不斷調整顆粒細觀參數，得到數值三軸試驗結果如圖4所示。由圖可知，數值三軸試驗結果與室內三軸試驗結果在低圍壓下較為吻合，高圍壓下數值試驗的應力-應變關系波動明顯，這是由于數值試驗中未考慮顆粒破碎，應變達到一定程度后顆粒間產生滑動，而室內試驗中顆粒在高圍壓下將產生破碎，在一定程度上抵消了應變變化。考慮到地鐵盾構隧道工程中的圍壓一般較小，因此，該標定結果可以認為是較為精確的，說明離散元細觀參數取值合理，能夠準確反應砂卵石地層的宏觀力學性質。數值三軸試驗確定的靜摩擦因數、滾動摩擦因數和恢復系數如表3所示。

(a) 三軸試驗模型示意圖

(b) 三軸試驗試樣破壞

圖6 數值三軸試驗

Fig. 6 Tri-axial test by numerical simulation

表3 數值三軸試驗確定參數值

Table 3 EDEM parameters obtained by tri-axial laboratory tests and numerical simulation

接觸部位靜摩擦因數滾動摩擦因數恢復系數顆粒-加載盤5.030.020.31顆粒-邊界5.030.020.31顆粒-顆粒5.030.020.31

4.2 離散元模型

4.2.1 盾構模型

基于Solidworks軟件，建立面板式刀盤盾構三維機械模型，如圖7所示； 同時，為給蘭州地鐵1號線剩余區段和后續建設線路隧道掘進的盾構選型提供依據，建立輻條式刀盤盾構三維機械模型進行對比研究，如圖8所示。面板式刀盤盾構包括刀盤及刀具(包括滾刀、刮刀、齒刀等，嚴格按第3.1節和3.2節描述的刀具布置和技術參數進行建模)、土艙、螺旋輸送機、盾尾等，輻條式刀盤盾構包括刀盤及刀具(包括刮刀、齒刀)、土艙、螺旋輸送機、盾尾等。刀盤開挖直徑為6 456 mm，盾體長度為7 978 mm，盾體直徑為6 410 mm。螺旋輸送機殼體內徑為920 mm，節距為630 mm。

4.2.2 盾構掘進離散元模型

將盾構三維機械模型導入離散元軟件EDEM中，建立盾構掘進過程的離散元三維模型如圖9所示。

(a) 盾構正面

(b) 刀盤、螺旋輸送機剖面

(c) 刀具布置詳圖

(d) 滾刀正面

圖7 面板式刀盤盾構三維機械模型

Fig. 7 3D models of EPB shields with plate cutterhead

(a) 盾構正面

(b) 刀具布置詳圖

圖8 輻條式刀盤盾構三維機械模型

Fig. 8 3D models of EPB shields with spoke cutterhead

(a) 面板式刀盤盾構

(b) 輻條式刀盤盾構

模型尺寸為： 隧道覆土厚度為10.6 m(約為1.5D，D為盾構刀盤直徑)，刀盤前方縱向長度為8 m(1倍盾構主機長度)，刀盤左、右至邊界寬度為6.8 m(略大于1倍盾構刀盤直徑)，刀盤底至下邊界為5 m。通過在EDEM模型中設定盾構的運動形式，實現盾構掘進過程中盾構前進以及刀盤、滾刀、螺旋輸送機旋轉姿態的控制。離散元模擬的相關參數見表4—8。

表4 盾構幾何及施工參數

表5 模型材料參數

表6 離散元模型參數

表7 仿真參數

注：R為最大顆粒半徑，mm。

表8 接觸參數

對于砂卵石地層，當掘進界面處的壓力pt控制在式(1)所表達的荷載域時，即表明盾構掘進處于土壓平衡狀態。

pt∈(Ea，E0)。

(1)

式中：Ea為主動土壓力；E0為靜止土壓力。

由于掘進界面處的壓力pt無法直接觀測，只能通過布置于土艙隔板上的壓力傳感器進行監測而間接控制。文獻[13]建立了掘進界面處的壓力pt和盾構土艙壓力pc的相互關系：

pc=αpt。

(2)

式中α為與地層條件、盾構刀盤開口率、螺旋輸送機轉動速度等因素有關的壓力傳遞系數。

α=0.018 4β-0.000 1β2。

(3)

式中β為盾構刀盤開口率。

表4中的螺旋輸送機轉動速度通過數值模擬試驗標定。標定的步驟為： 1)根據刀盤開口率β，由式(3)確定壓力傳遞系數α； 2)根據式(1)和式(2)確定盾構土艙壓力pc； 3)按照速度由低到高，轉動螺旋輸送機進行盾構掘進模擬，當監測到模擬過程中的土艙壓力滿足式(1)時，即得到滿足盾構土壓平衡掘進的螺旋輸送機轉動速度； 4)由第1.2節中通過現場試驗測定的地層開挖后的松散系數所控制的最大出渣量(出渣控制如圖10所示)，核算滿足土壓平衡的螺旋輸送機轉動速度是否符合最大出渣量控制要求，如符合，即為合理的轉動速度。由此，相應地實現盾構掘進過程中螺旋輸送機轉動、出渣量控制和土壓平衡保持的聯動調節。

圖10 螺旋輸送機出渣量控制

5 面板式刀盤和輻條式刀盤盾構掘進的顆粒流動和地表沉降

5.1 離散元數值模擬結果及分析

選取如圖11所示的A斷面進行分析。A斷面為垂直隧道軸線方向，位于模型的中部。

圖11 監測斷面

圖12(a)和圖12(b)分別示出面板式刀盤和輻條式刀盤盾構掘進時，刀盤在穿過斷面A后12m(10環管片長度)位置時距地表不同深度處的地層擾動和沉降曲線。由圖可知，地表、地表以下1m深度、地表以下4m深度的沉降曲線類似Peck曲線形狀； 地表以下7m深度(距離隧道洞頂3.6m，約為0.5倍的盾構刀盤直徑)的沉降曲線在隧道中線及其兩側一定范圍呈鋸齒狀波動，尤其是面板式刀盤盾構掘進呈現強烈鋸齒狀波動，這是由刀盤面板對卵石顆粒的擠壓、碾磨造成的顆粒滾動與跳動引起的。

(a) 面板式刀盤

(b) 輻條式刀盤

Fig. 12CurvesofgrounddisturbanceandsettlementinducedbyEPBshieldtunneling

圖13為盾構掘進時土艙內和刀盤前方卵石顆粒運動速度矢量圖。圖中線框區域內的顆粒運動速度矢量表明，盾構掘進過程中，刀盤前方和上方的地層顆粒受到強烈擾動，為“強烈擾動區”； 此區域以上至地表的范圍為“沉降變形區”。

(a) 面板式刀盤

(b) 輻條式刀盤

圖13 土艙內和刀盤前方卵石顆粒運動速度矢量圖

Fig. 13 Velocity vectors of grain movements ahead of cutterhead and in spoil chamber

因面板的擠壓、碾磨作用，面板式刀盤盾構掘進的擾動程度較輻條式刀盤明顯偏大。面板式刀盤盾構掘進的“強烈擾動區”的范圍為(0.3～0.5)D(D為盾構刀盤直徑)； 同時，面板式刀盤盾構掘進的“強烈擾動區”內的顆粒運動最大速度為1.87 m/s，約為輻條式刀盤的1.25倍。“強烈擾動區”上方的顆粒運動速度急劇衰減為0，表明“沉降變形區”的地層存在明顯的拱效應。

輻條式刀盤土壓平衡盾構掘進對砂卵石地層的擾動明顯小于面板式刀盤盾構，其“強烈擾動區”范圍不足面板式刀盤的1/3，且擾動程度輕。

5.2 數值模擬結果與現場監測結果對比

為確定面板式刀盤土壓平衡盾構施工對隧頂上方地層的擾動狀態和范圍，在奧體中心站—中間風井區段隧道(覆土厚度為10.6 m)中線正上方的不同深度布設4個測點，分別為地表(測點編號Y0)、地表以下1 m(測點編號Y1)、地表以下4 m(測點編號Y4)和地表以下7 m(測點編號Y7，該測點距盾構刀盤頂約為0.5D)。測點構造如圖14所示。

地層沉降監測結果如圖15所示。由圖可知： 距刀盤頂為0.5D的測點(Y7)的最終沉降較大，大于65 mm，與圖12(a)所示的離散元數值模擬結果基本吻合； 地表測點(Y0)和較淺深度的測點(Y1和Y4)的沉降很小，僅為5～6 mm。這一方面驗證了離散元數值模擬結果——刀盤前方、上方(0.3～0.5)D的范圍為“強烈擾動區”的合理性，另一方面也進一步說明，當隧道覆土厚度達到1.5D及以上時，如離散元模擬結果分析，“強烈擾動區”上部的砂卵石地層具有很好的成拱效應。

圖14 地表以下深部地層沉降測點構造

圖15 隧道中線正上方不同深度處的地層沉降曲線

Fig. 15 Curves of ground settlement above tunnel central line at different depths

6 結論與建議

目前國內外所開展的一些盾構掘進對砂卵石地層的擾動、變形規律的三維離散元模擬研究，基本上是通過數值試驗標定關鍵參數，缺乏實驗室試驗依據的支撐。本研究基于實驗室大直徑試樣的三軸試驗獲得的砂卵石地層應力-應變曲線，進行數值三軸試驗來標定離散元數值模擬的靜摩擦因數、滾動摩擦因數和恢復系數等關鍵參數，結論可靠，為蘭州地鐵后續線路建設時開展土壓平衡盾構掘進對地層擾動和周邊環境影響的模擬及預測提供了依據，也可為其他城市類似地層條件下地鐵盾構隧道施工進行模擬和預測時相關參數的取值提供借鑒。

采用面板式刀盤土壓平衡盾構掘進時，刀盤前方、上方的“強烈擾動區”范圍為(0.3～0.5D)(D為刀盤直徑)。當隧道的覆土厚度達到1.5D及以上時，“強烈擾動區”上方的“變形區”存在明顯的“拱效應”。若在盾構掘進時，同步注漿和二次補注漿未將“強烈擾動區”填實，盾構在不利的隧道覆土厚度((1.0～1.5)D)區段掘進時，易引發后續的突發性超量地表沉降； 當隧道處于最不利覆土厚度(1.0D)時，如不按照試驗確定的地層開挖后的松散系數計算的出渣量嚴格控制出渣，后續可能存在發生突發性地表塌陷的風險； 因此，在鄰近、下穿主要道路、重要建(構)筑物等環境風險源時，建議自地表布設深達可監測到“強烈擾動區”狀態的深層測點，以改變目前施工方監測和第三方監測通常采用的以地表沉降測點代替地表下深層沉降測點的做法。

輻條式刀盤土壓平衡盾構掘進對砂卵石地層的擾動明顯小于面板式刀盤盾構，其“強烈擾動區”范圍不足面板式刀盤的1/3，且擾動程度輕。蘭州地鐵1號線一期工程盾構隧道施工全部選用面板式刀盤土壓平衡盾構，一方面，施工造成對砂卵石地層的擾動大，另一方面，需裝備更大的刀盤機械扭矩，影響經濟性。因此，在蘭州地鐵后續線路建設的盾構選型時，建議進行2種刀盤形式的綜合比選。

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Study of Influence of Types of Cutterhead of Shield on Sandy Gravel Stratum

HE Shaohui, LI Chenghui, MA Teng, LIU Xiabing, WANG Dahai, LIU Yangpeng

(BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044,China)

The selection of cutterhead type is a key issue of EPB shield tunneling in sandy gravel stratum. The mechanism of ground disturbance induced by Lanzhou Metro Line No. 1 bored by EPB(earth pressure balance) shield with two types of cutterhead in sandy gravel stratum is systematically studied by field investigation, laboratory tests, 3D discrete element method (DEM) modeling and field monitoring. The major works of the study are as follows: 1) Firstly, tri-axial tests (sample diameter of 30 cm) are carried out to obtain the stress-strain curve of sandy gravel stratum in lab. Then the parameters of DEM simulation are obtained by comparison between numerical experiments and laboratory tests. 2) 3D mechanical models of shields with plate cutterhead and spoke cutterhead are built by software Solidworks. 3) A 3D DEM model is established to simulate the ground disturbance induced by EPB shield tunneling. And the results of 3D DEM modeling and field monitoring reveal the effects of tunneling induced ground disturbance by EPB shield with two types of cutterhead in sandy gravel stratum. The range of the heavily disturbed zone of plate cutterhead shield tunneling is about 0.3D-0.5D(Drefers to diameter of the cutterhead), while that of the disturbed zone of spoke cutterhead shield tunneling is less than 1/3 of that of the plate shield.

Lanzhou Metro; sandy gravel stratum; EPB shield; plate cutterhead; spoke cutterhead; ground disturbance; tri-axial compressive tests; 3D DEM simulation; field monitoring

2016-11-08;

2017-04-26

蘭州市軌道交通科技計劃項目(2014-02)

賀少輝(1966—)，男，江西永新人，1995年畢業于北京科技大學，工程力學專業，博士，教授，博士生導師，主要從事隧道與地下工程專業領域的教學與研究工作。E-mail: heshaohui1114@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.002

U 455.43

A

1672-741X(2017)05-0529-08