基于半艙氣壓法的大直徑泥水盾構掘進參數(shù)與地表沉降研究

田勇堅，杜守繼，孫偉良，程凱書

基于半艙氣壓法的大直徑泥水盾構掘進參數(shù)與地表沉降研究

田勇堅1，杜守繼1，孫偉良2，程凱書2

(1. 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2. 河南鐵路投資有限責任公司，河南 鄭州 450010)

以新鄭機場至鄭州南站城際鐵路盾構段隧道施工為背景，針對泥水盾構在黏土地層中刀盤結泥餅問題，提出半艙氣壓工法，并對半艙氣壓法下開挖艙內液面高度、氣壓值的設定進行分析。研究半艙氣壓法下盾構掘進參數(shù)(掘進速度、推力、扭矩、轉速)的變化特征，并給出掘進速度與其他盾構參數(shù)的關系式，同時對隧道掘進引起的地面沉降進行監(jiān)測分析。研究結果表明：盾構掘進速度從4.9 mm/min增加至25.4 mm/min，隧道掘進造成的地面沉降穩(wěn)定，最終沉降量為?4 mm，泥水盾構半艙氣壓工法在黏土地層隧道施工中具備一定的工程適用性。

盾構隧道；半艙氣壓法；黏土地層；盾構掘進參數(shù)；地表沉降

在黏土地層盾構施工過程中，盾構機常會遇到刀盤結泥餅問題，從而導致盾構掘進效率降低。王助峰等[1]從刀盤設計布置、沖刷系統(tǒng)改造等方面著手解決盾構刀盤結泥餅問題。李志軍等[2]從盾構選型、控制盾構掘進參數(shù)和盾構操作規(guī)程角度，針對盾構在黏土地層下施工時出現(xiàn)的泥水盾構刀盤結泥餅問題提出了改進措施。YE等[3?4]通過研究渣土改良技術來防治盾構在黏土地層掘進中刀盤結泥餅問題。竺維彬等[5?6]研究了土壓平衡盾構機輔助氣壓法的應用，發(fā)現(xiàn)在復雜地質情況下應用輔助氣壓法改善了盾構掘進狀況，減小了無功損耗及刀盤結泥餅的風險，提高了掘進效率。對于泥水盾構在黏土地層施工過程中刀盤結泥餅問題，工程中一般從盾構機構造改造、掘進參數(shù)控制及降低刀盤前方土體黏附性等方面著手解決，但在實際施工運用中效果不佳。本文以新鄭機場至鄭州南站城際鐵路隧道工程為背景，針對盾構在黏土地層中刀盤結泥餅問題，提出泥水盾構半艙氣壓工法，研究半艙氣壓法下盾構參數(shù)特征及掘進速度與其他盾構參數(shù)之間的相互關系，最后根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析半艙氣壓法下地表沉降規(guī)律。

1 工程概況

新鄭機場至鄭州南站城際鐵路(豫機城際鐵路)位于河南省鄭州市東南部，其自新鄭機場T2航站樓城際鐵路車站引出，向東下穿南水北調中線總干渠后，向南出地面引入新建的鄭州南站，線路全長約11.1 km，線路走向圖如圖1所示。場地地貌屬于平原區(qū)，場地地形平坦、開闊，局部略有起伏，地層為第四系沖積層。其中DK41+750至DK45+550段采用泥水平衡盾構法施工，盾構隧道全長3 800 m。

圖1 豫機城際鐵路走向圖

隧道采用國產大直徑泥水盾構機施工，盾構開挖直徑為12.81 m，盾構主機長約13.8 m，整機長度78 m，刀盤重340 t，整機重2 200 t，刀盤驅動采用11個變頻電機驅動，刀盤開口率約31%。

盾構隧道為雙線鐵路隧道，斷面為圓形，襯砌環(huán)外徑12 400 mm，內徑11 300 mm，管片幅寬2 000 mm，管片厚度550 mm，管片混凝土強度等級為C50。每環(huán)襯砌環(huán)由9塊管片組成，其中1個封頂塊(F)，2個鄰接塊(L1和L2)和6個標準塊(B1-B6)，管片錯縫拼裝，縱、環(huán)縫采用高強度斜螺栓連接，隧道襯砌圓環(huán)立面圖如圖2所示。

單位：mm

圖3 地質剖面圖

盾構隧道在DK44+620至DK44+720里程范圍下穿南水北調中線總干渠，在DK44+690位置處盾構刀盤開始大部分處于粉質黏土層中，局部地段穿越細砂層，隧道埋深在31~37 m范圍內。隧道下穿干渠段地質剖面圖如圖3所示。圖3中隧道所穿越粉質黏土層土體天然密度為2.02 g/cm3，黏聚力為25.1 kPa，內摩擦角為21.2°，壓縮模量為8.96 MPa，滲透系數(shù)為0.015 m/d。

2 半艙氣壓工法及應用

盾構在DK44+690位置處(1470環(huán))所遇黏土地層范圍變大，隨后盾構機刀盤結泥餅現(xiàn)象嚴重，導致盾構掘進速度減慢，平均掘進速度只有4.93 mm/min，同時盾構機功耗增大，期間泥水循環(huán)系統(tǒng)中繼泵軸承斷裂一次，極大拖慢了施工進度。

為保證地表結構的安全并使其沉降在合理的范圍內，盾構需要保證一定的掘進速度。為減輕刀盤結泥餅影響，DK44+714位置處(1 482環(huán))停止推進空轉刀盤，并在泥漿中加入清洗劑對開挖艙進行泡艙，但實際效果不明顯，后續(xù)掘進速度依舊緩慢，刀盤結泥餅問題亟需解決。

2.1 半艙氣壓法原理

本工程所使用大直徑泥水盾構機泥水壓力控制模式為間接控制式，即盾構機調壓系統(tǒng)通過調整氣墊艙內的空氣緩沖層壓力，間接調節(jié)開挖艙內泥漿壓力，確保開挖面壓力穩(wěn)定。本文中稱這種開挖艙呈全艙泥水開挖狀態(tài)掘進的方法為全艙泥水法。

為加快施工進度，盾構機在DK44+720位置處(1 485環(huán))通過平衡閥將氣墊艙與開挖艙聯(lián)通，使得開挖艙與氣墊艙液面高度相同，開挖艙上半部是壓縮空氣、下半部為泥漿，為維持開挖面穩(wěn)定，上半部氣壓設定值較艙內腰線氣壓值小0.2 bar。此時開挖艙不再是全艙泥水，而是“半艙”泥水，故稱為半艙氣壓法。采用該法后半個小時后速度突變，盾構掘進速度從2~5 mm/min增加至15~25 mm/min，出渣黏土塊明顯。隨后盾構施工保持高速推進，且盾構機功耗下降，盾構參數(shù)穩(wěn)定。

泥水盾構半艙氣壓法就是在泥水盾構掘進過程中，使盾構機開挖艙與氣墊艙聯(lián)通，平衡開挖面的介質由以泥水為主的“液相”介質變?yōu)橐阅嗨c空氣混合的“液相+氣相”混合介質，開挖艙呈非全艙泥水開挖狀態(tài)的盾構掘進方法。本工程半艙氣壓法示意圖如圖4所示。

圖4 半艙氣壓法示意圖

2.2 開挖艙液面高度及氣壓值的設定

開挖艙頂部氣壓值的合理設定是保證半艙氣壓法下盾構平穩(wěn)掘進的關鍵。大直徑泥水盾構開挖艙內泥漿壓力的大小關系到開挖面的穩(wěn)定與否[7]。半艙氣壓法下，開挖艙頂部氣體承擔給開挖艙底部泥漿施壓的作用，同時氣體壓力的大小會對地表沉降產生影響。半艙氣壓法下氣壓值的設定依據(jù)主要是開挖艙內液氣界面處前方開挖土層水土合算的側向土壓力，在施工過程中，先選用進行試驗，再結合刀盤上方地表隆起或塌陷值逐步微調氣壓值，以刀盤正上方地表隆起值0~2 mm來確定值。同時半艙氣壓法下盾構施工對盾構鉸接及盾尾密封處油脂注入提出了較高要求，若鉸接及盾尾密封處油脂注入量不夠、均勻度差以及壓力不足，則可能發(fā)生氣體擊穿密封現(xiàn)象。

1 470~1 500環(huán)開挖艙液面高度變化曲線如圖5所示，盾構機開挖艙壓力變化曲線如圖6所示，泥水盾構開挖艙參數(shù)平均值如表1所示。以1 470~ 1 484環(huán)為全艙泥水法區(qū)間，1 486~1 500為半艙氣壓法區(qū)間，由圖5~6和表1知，在全艙泥水法下，開挖艙液位為1 240 cm，即開挖時呈滿艙泥水狀態(tài)。在半艙氣壓法下，開挖艙液位下降為890 cm，即開挖時泥水液面高度設定約為開挖艙高度的2/3，1號2號傳感器位置即開挖艙頂部由液體壓力變?yōu)榱藲怏w壓力，壓力略微上升，3號4號傳感器位置即開挖艙中部壓力下降，5號傳感器位置處即開挖艙底部壓力數(shù)值略微減小，這是氣壓調節(jié)的結果。

圖5 開挖艙內泥漿液面高度變化曲線

本次施工采用半艙氣壓法共掘進215環(huán)(1 486~ 1 700)，期間液面高度設定約為開挖艙高度的2/3。由于開挖期間刀盤上方土層厚度及土層性質未發(fā)生較大改變，故開挖艙頂部氣壓值設定保持在3.2 bar左右。期間盾構機保持了高效、安全、穩(wěn)定的掘進狀態(tài)。

圖6 開挖艙壓力變化曲線

表1 泥水盾構開挖艙參數(shù)平均值

3 半艙氣壓法掘進參數(shù)分析

3.1 半艙氣壓法掘進參數(shù)特征

盾構機掘進至1 470環(huán)遇見大面積黏土土層，1 485環(huán)開始采用半艙氣壓法，以1 470~1 500環(huán)掘進參數(shù)為研究對象，共分為2個區(qū)間，1 470~1 484環(huán)為全艙泥水法區(qū)間，1 486~1 500環(huán)為半艙氣壓法區(qū)間。研究區(qū)間內盾構掘進參數(shù)變化圖如圖7所示，盾構掘進參數(shù)平均值如表2所示。

表2 研究區(qū)間盾構掘進參數(shù)平均值

注：表中“速度”指盾構掘進速度，盾構掘進速度定義為刀盤開挖時單位時間內盾構的行程。“開挖艙壓力”為開挖艙內各壓力傳感器數(shù)值平均值的總平均值。

(a) 掘進速度；(b) 總推力；(c) 扭矩；(d) 轉速

由于刀盤結泥餅，全艙泥水法下盾構機掘進速度緩慢，為加快在黏土地層中的掘進速度，采取增大轉速同時提高總推力的措施，由圖7可知，掘進速度并未明顯改變，依舊保持較低水平，但扭矩呈現(xiàn)減小趨勢。泥水盾構刀盤正面摩阻扭矩占總扭矩60%以上[8]，由于刀盤結泥餅現(xiàn)象嚴重，刀盤上一部分區(qū)域被泥餅覆蓋，刀盤與土體間的摩擦因數(shù)降低，故扭矩在逐漸減小。

在使用半艙氣壓法后，由圖7和表2可知，盾構在黏土地層中的掘進速度得到大幅度提升，掘進速度由4.9 mm/min增加到25.4 mm/min，提高了約4倍。盾構機功耗降低，推力由93 069 kN下降至74 473 kN，減少了約20%，扭矩由10 712 kN?m下降至6 814 kN?m，減少了約36%，并保持穩(wěn)定。轉速由1.43 rpm變化至1.40 rpm，未發(fā)生較大改變，說明盾構在推力、扭矩降低的情況下保持了高轉速狀態(tài)。

半艙氣壓法下，掘進過程中刀盤在泥漿和空氣兩者之間改換介質，此時泥漿對刀盤有很強的沖洗效果，能促使刀盤上泥餅掉落，同時當?shù)侗P泥餅暴露在空氣中時，泥漿對泥餅的浮力消失，部分泥餅會在自身重力和離心力作用下脫離刀盤，附在刀盤上泥餅減少，刀盤對土體的切削作用增強，刀盤切削土體效率變高，故盾構掘進速度提高。盾構有效推力、扭矩增大，故盾構總推力、扭矩降低，盾構掘進的功耗降低。同時，開挖艙內只有下半部有泥漿填充，有利于泥漿在攪拌裝置下的流動，減小了泥水艙攪拌扭矩，增大了攪拌效率，切削下來的黏土塊更容易混合在泥水艙內泥漿中由泥水循環(huán)系統(tǒng)輸送到泥漿處理站，減少了事故的發(fā)生。

半艙氣壓法下，由于切削土體效率變高，盾構機可保持高轉速低扭矩狀態(tài)，而保持高轉速低扭矩又可以在功率一定的前提下加大刀盤中泥餅的離心力，同時加快了刀盤在泥漿和空氣兩者之間改換介質的頻率，增強了泥漿沖洗刀盤的效果，從而盾構機掘進效率可以得到進一步提升。同時，刀盤保持高轉速，可降低刀盤貫入度，減小刀盤磨損，減小掘削下來的土塊尺寸，降低了盾構在黏土地層中掘進堵管的風險，而刀盤扭矩的減小，可以減少刀盤對地層的擾動和盾構偏轉。

黏土地層大直徑泥水盾構刀盤結泥餅后，掘進速度變慢，全艙泥水法下提高轉速及總推力均不能使掘進速度變快。使用半艙氣壓工法后，盾構掘進速度大幅度提升，盾構推力及扭矩均有明顯下降，并可在高轉速低扭矩狀態(tài)下平穩(wěn)掘進。故半艙氣壓法可有效解決黏土地層大直徑泥水盾構刀盤結泥餅問題，使得盾構施工效率提升的同時還可降低盾構機功耗，減小盾構磨損，延長盾構機的使用壽命。

3.2 半艙氣壓法下掘進速度與其他盾構掘進參數(shù)關系分析

為探究黏土地層半艙氣壓法下掘進速度與盾構參數(shù)中總推力、刀盤轉速、開挖艙壓力之間的關系，指導半艙氣壓法下盾構施工，選擇1 470~1 484，1 486~1 500環(huán)共30組樣本數(shù)據(jù)，對采用不同工法的2區(qū)間各15組數(shù)據(jù)分別進行回歸分析。

參考張厚美等[9]提出的多元線性回歸模型：

式中：為掘進速度，mm/min；為推力，kN；為刀盤轉速，r/min；為開挖艙壓力，kN/cm2。

經回歸分析，全艙泥水法區(qū)間由于地質條件差，導致掘進速度異常緩慢，而且事故頻發(fā)，各盾構參數(shù)之間的相關性不高，相關系數(shù)只有0.19。半艙氣壓法區(qū)間盾構推進平穩(wěn)前進，各盾構參數(shù)較穩(wěn)定，各盾構參數(shù)之間的相關性較高，相關系數(shù)達到了0.92。經檢驗，半艙氣壓法下掘進速度模型總體上存在顯著線性關系，回歸結果如式(2)所示。

通過式(2)可得到1 486~1 500環(huán)掘進速度的擬合值，同時利用式(2)去預測1 501~1 510環(huán)掘進速度，掘進速度實際值與擬合值、預測值對比見圖8。1 486~1 500環(huán)掘進速度實際值與擬合值之間的最大相對誤差為37%，最小為0.17%，平均相對誤差僅11%。1 501~1 510環(huán)掘進速度實際值與預測值之間的最大相對誤差為27%，最小為2%，平均相對誤差僅6%。故式(2)能較好體現(xiàn)本次半艙氣壓法盾構施工中掘進速度與盾構參數(shù)中總推力、刀盤轉速、開挖艙壓力之間的關系。

由式(2)可知，泥水盾構在黏土地層中使用半艙氣壓法，為提高掘進速度，可提高盾構轉速，同時在保證地表沉降穩(wěn)定及盾構密封不被擊穿的前提下盡量提高開挖艙壓力，但提高總推力并不能增加掘進速度，應根據(jù)情況合理設置盾構推力。

圖8 掘進速度實際值與擬合值、預測值對比

4 半艙氣壓法地表沉降研究

隧道采用泥水平衡盾構機掘進施工，盾構施工會導致開挖土體產生地層損失從而引起地表沉降，而盾構機掘進參數(shù)的變化會引起土體地層損失率的變化從而對地表沉降產生影響[10-13]。在泥水盾構采用半艙氣壓法施工區(qū)域中選取5處人工監(jiān)測點DBC1485-1525，對地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，考察半艙氣壓法下地表沉降的規(guī)律。地表沉降監(jiān)測斷面布置情況如圖9所示，圖中JGC-01和JGC-02為采用全艙泥水法施工區(qū)域南水北調干渠兩岸自動化測點。

單位：m

4.1 最終沉降分析

DBC1485-1525人工測點隧道軸線地面最終沉降量如圖10所示。半艙氣壓法下，各測點沉降量變化幅度較小，地面沉降較穩(wěn)定，沉降量平均值為?4.0 mm。全艙泥水法下南水北調兩岸自動化測點JGC-01和JGC-02軸線最終沉降量平均值為 ?4.8 mm。故黏土地層泥水盾構使用半艙氣壓法，盾構在保持掘進速度大幅度提升的狀態(tài)下，地表沉降也能得到較好的控制。

盾構施工速度定義為單位時間內盾構的行程，在1 470~1 485環(huán)盾構施工速度平均值為1.7 mm/ min，在改用半艙氣壓法后即1485~1500環(huán)盾構施工速度平均值為10.6 mm/min。黏土地層中使用半艙氣壓法并保持盾構穩(wěn)定掘進的前提下，施工速度得到大幅度提升，縮短了管片注漿時間，從而能及時填充隧道空隙，有效抑制盾尾地層損失，同時減少了盾構及后續(xù)拖車壓縮下臥土層引起的地面 沉降。

半艙氣壓法下，開挖面上半部形成保護性氣體，逼退了開挖面后地下水，并在盾體的開挖空隙中形成氣壓，阻止盾體上方地下水和盾尾注漿進入盾體與地層間的空隙，減少了地下水流失，同時保證了脫出盾尾部分土體的干燥，同步注漿不會受到地下水的稀釋而質量上有所保證，有利于隧道結構安全性和減小地面沉降。

圖10 隧道軸線地面最終沉降量

4.2 沉降歷時曲線分析

DBC1485-1525人工測點隧道軸線地面沉降歷時變化曲線如圖11所示，將地面沉降隨盾構推進的整個歷時變化過程分為5個階段：1) 先行沉降階段；2) 切口到達階段；3) 盾構機身通過階段；4)盾尾脫出階段；5) 后續(xù)沉降階段。各階段沉降平均值與所占最終沉降平均值百分比如表3所示。由圖11和表3可知，半艙氣壓法下，1階段沉降占比達到了17.5%，盾構機到達前的先行沉降不容忽視。2階段地表產生了1.2 mm的隆起，這說明開挖艙頂部雖為氣體，但仍能使開挖面前上方土體產生明顯隆起，所以在施工中需要嚴格控制氣壓值的大小。3階段歷時時間短，沉降量較小，可以忽略。但在4階段，盾尾脫出后一天內的盾尾孔隙沉降就到達了1.9 mm，后續(xù)受同步注漿及二次注漿的影響，地表呈沉降或隆起狀態(tài)，此階段占最終沉降的百分比達到了55%，故在施工中盾尾孔隙沉降需要引起重視，應通過提高盾尾注漿質量來減小地表形變。由于掘進速度快，對土體擾動小，5階段沉降較為平穩(wěn)，但所占百分比較大，達到了52.5%。

圖11 隧道軸線地面沉降歷時變化曲線

表3 沉降歷時變化各階段沉降平均值與所占最終沉降平均值百分比

5 結論

1) 半艙氣壓工法可有效解決黏土地層大直徑泥水盾構刀盤結泥餅問題，使得盾構掘進速度從4.9 mm/min增加至25.4 mm/min，同時推力由93 069 kN下降至74 473 kN，扭矩由10 712 kN?m下降至6 814 kN?m，轉速保持在1.4 rpm左右，使得盾構施工效率提升的同時還降低了盾構機功耗。

2) 開挖艙液面高度的合理設定是采用半艙氣壓法的前提條件，開挖艙頂部氣壓值的合理設定是保證半艙氣壓法下盾構平穩(wěn)掘進的關鍵。本次半艙氣壓法施工液面高度設定約為開挖艙高度的2/3，開挖艙頂部氣壓值設定保持在3.2 bar左右，期間盾構機保持了高效、安全和穩(wěn)定的掘進狀態(tài)。

3) 半艙氣壓法下掘進速度與推力、刀盤轉速、開挖倉壓力等盾構參數(shù)之間的相關性較高，回歸分析相關系數(shù)達到0.92，由擬合結果知，可通過合理地增大盾構轉速和開挖艙壓力來提高盾構掘進 速度。

4)半艙氣壓法下地面沉降穩(wěn)定且最終沉降得到較好控制，最終沉降量為?4.0 mm。同時半艙氣壓法下地表沉降歷時曲線規(guī)律性較強，開挖艙氣壓值的設定及盾尾注漿的質量會對地表變形產生較大影響。

致謝：

感謝中鐵十六局豫機城際項目一標段二工區(qū)工程部人員，本文第一作者在項目現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)期間，他們給予了大力支持并提供了便利條件，也正是在中鐵十六局技術人員使用半艙氣壓法施工的基礎上，本文才得以對該工法作出分析和總結。

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Study on tunneling parameters and surface subsidence of large-diameter slurry shield based on half-chamber air pressure method

TIAN Yongjian1, DU Shouji1, SUN Weiliang2, CHENG Kaishu2

(1. School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. HenanRailwayInvestmentLimitedLiabilityCompany, Zhengzhou 450010, China)

Considering the issue of mud cake formation on cutter head of slurry shield in clay stratum, in the construction site of the intercity railway from Xinzheng Airport to Zhengzhou South Railway Station, the method of half-chamber air pressure was taking into consideration as an effective solution. For this purpose, the setting of liquid level and air pressure value in the excavation chamber under the method of half-chamber air pressure were discussed. Different variables for shield tunnelling such as tunnelling speed, thrust, torque, and rotation speed, under the half-chamber air pressure method, were analyzed. And the relationship between tunnelling speed and other shield tunnelling parameters were fitted out. In addition, the ground settlement which was caused by tunnelling was also monitored and assessed. The results show that the tunneling speed of the shield increase from 4.9 mm/min to 25.4 mm/min; furthermore, the ground settlement caused by tunnelling is stable，and the final settlement value is ?4 mm. The half-chamber air pressure method is one of the applicable ways in the tunnelling construction in clay stratum.

shield tunnel; half-chamber air pressure method; clay stratum; shield tunnelling parameters; the ground settlement

U25

A

1672 ? 7029(2019)10? 2530 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.020

2018?12?26

河南鄭州機場城際鐵路有限公司科技項目(2017-1)

杜守繼(1963?)，男，山西孝義人，研究員，博士，從事隧道與地下工程研究；E?mail：dusj@sjtu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)