土壓平衡盾構機在復合板巖地層掘進參數的確定

李海全

（中鐵建海南投資有限公司，海南 陵水572400）

1 引言

確定盾構掘進參數是一項重要的工作，通常情況下，掘進參數的選擇直接控制著掘進區的地表沉降。所以，盾構掘進參數的控制和優化對盾構掘進的順利完成起著重要的作用。本文根據土壓平衡盾構機的參數進行理論計算，并與現場實測參數值進行對比，結合掘進參數的效果分析，對復合板巖地層的盾構掘進參數提供更好的理論依據。

2 工程概況

全風化、強風化及中風化復合板巖的物理特性主要是：變余泥質、砂質結構，板巖內部存在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，風化程度越高，崩解越強烈，遇水易軟化、崩解。其主要參數見表1。

表1 盾構區間土體參數

以ZTE6250 土壓平衡盾構機為例（主要技術參數見表2），該盾構機可以自動采集各施工參數。

表2 盾構機主要技術參數

3 掘進土壓的設定

盾構隧道施工過程中，刀盤擾動改變了原天然土的靜止彈性平衡狀態，使刀盤附近的土產生主動或被動土壓力。由于刀盤對土壤的推力不同，土倉產生的土壓力也不同，土中的側向土壓力也在不斷變化。側向土壓力的最大和最小極限值就是被動土壓力和主動土壓力。靜止土壓力在兩者之間，即Ep＞Eo＞Ea。盾構機刀盤前土壓力＞Ep時，土向盾構機方向移動，地面抬高[1]。盾構機刀盤前土壓力＜Ea時，土會向下滑動，造成地層和地面沉降（見圖1）。

圖1 土壓力范圍示意圖

根據盾構的特點及盾構施工原理，結合我國鐵路隧道設計、施工的具體經驗，采用朗金理論計算：

式中，σw為地下水壓力；σp為被動土壓力；σa即為主動土壓力；q為土的滲透系數；γ為水的容重；σh為深度為h處的地層自重應力；c為土的黏聚力；φ為地層內部摩擦角；h為地下水位距離刀盤頂部的高度[2]。

采用上述計算公式，根據地層的埋深不同，復合板巖地層選取的計算參數為q=0.12cm/s，c=90kPa，φ=32°，h=12m，計算出復合板巖地層中盾構土壓的理論值：Pmax≈0.12MPa，Pmin≈0.08MPa，因此，適合復合板巖地層的掘進土壓值設定為0.08～0.12MPa。

4 總推力計算

在盾構掘進過程中，盾構機總推力主要由盾殼與地層的摩擦阻力F1、正面阻力F2、管片與盾尾的摩擦阻力F3、變相阻力F4、牽引力F5組成。而影響盾構機總推力的主要是摩擦阻力F1、F3和盾構機行進時的阻力F2，對此，計算公式如下：

式中，L為盾構殼體的長度，取12.5m；m為盾構主機的質量，取340t；D為盾體直徑；K為土體的側壓力系數，取0.4；f為土與鋼的摩擦系數，取0.45；H為盾構軸線埋深；γ為土體重力密度，取2.51；g為重力加速度；μC為盾殼與管片之間的摩擦因數，取0.3；mc為每環管片的質量；k為土體的側壓力系數。盾構機計算推力為：

式中，F′為盾構機總推力修正值；F為盾構機推力理論值；λ為修正系數。

通過盾構機總推力實際值與理論值對比分析：盾構機總推力實際值比理論值約大40%，提出了適合該地層的影響系數γ的具體數值，取1.3～1.5。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地指導盾構機掘進時總推力的確定[3]。

5 刀盤扭矩計算

刀盤在正常工作時的扭矩曲線如圖2 所示。

圖2 刀盤驅動轉速-扭矩曲線

在盾構刀盤切削巖石（土壤）的過程中，刀盤受刀頭與土體之間的摩擦、地層阻力、混合土體阻力和刀具摩擦阻力產生的影響，是盾構刀盤扭矩形成的主要原因。因此，土壓平衡盾構機刀盤扭矩由以下部分組成：（1）刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩T1；（2）刀盤背面與壓力艙內的土體摩擦阻力扭矩T2；（3）刀盤側面與土體之間的摩擦阻力扭矩T3；（4）刀具切削土體時的地層抗力產生的扭矩T4；（5）刀盤攪拌阻力扭矩T5；（6）刀盤主密封摩擦阻力扭矩T6；（7）主軸承摩擦阻力扭矩T7。在實際傳動中，前4 項刀盤扭矩在刀盤總扭矩的占比是95%以上。

刀盤扭矩計算過程如下：

式中，k為側向土壓力系數；f為刀盤與土體之間的摩擦因數；γ為土體的重力密度；H為地表到盾構機軸線的垂直距離；η為刀盤開口率；m為刀盤的質量；μ為刀盤系數；D為盾體外徑；ω為刀盤轉速；qu為巖土體單軸抗壓強度；K1為與刀盤正面相比刀盤背面摩擦阻力扭矩計算的調節系數，一般取K1=0.6～0.8。

采用上述計算公式，計算出復合板巖地層中盾構刀盤扭矩理論值，計算參數的選取見表3。并對在復合板巖中掘進時刀盤扭矩進行修正。

表3 刀盤扭矩計算參數

盾構機掘進扭矩計算為：

式中，λ為修正系數。

對比分析刀盤扭矩實際值和理論值可知：刀盤扭矩的實際值與理論計算值有一定的差異。板巖地層中刀盤扭矩的理論值大于實際值。通過對典型盾構機刀盤扭矩理論計算值與實際值的比較，提出了適用于地層的影響系數γ的具體值，取0.6～0.7。理論值修正后，實測的刀盤扭矩值與修正值接近，說明修正后的刀盤扭矩值能更好地指導盾構掘進的刀盤扭矩。

6 注漿量及注漿壓力的控制

6.1 每環注漿數量的設定

在盾構掘進過程中，要進行同步注漿，及時填補空隙，減少地面沉降，以此提高襯砌止水的效果。每環同步注漿量通常按照下式進行計算：

式中，L為管片寬度；D為盾構機刀盤直徑；d為管片外徑；λ為充填系數。針對復合板巖地層，滲透系數比較大（見表1），因此填充系數可取值范圍為1.3～1.5。

然而，在實際施工中，若盾構超挖1cm，注漿量將增加10%左右。超挖區注漿量計算方法如下：

式中，ξ為計算系數；V為盾構超挖附加量；R為盾構曲線半徑；C為刀盤到盾尾的長度；D為盾體直徑[4]。

故實際注漿量Q=λ（Q+V）。經計算，每環注漿量大約為6m3。

6.2 注漿壓力

在實際施工過程中要合理設置注漿壓力，避免出現管片發生變形或錯臺、盾尾刷損壞等質量事故。復合板巖地層注漿壓力一般取0.15～0.3MPa。

7 泡沫劑注入量的確定

根據強風化及中風化板巖地層的土層顆粒級配，通過室內試驗確定泡沫添加率為45%，（即切削1m3渣土需注入泡沫450L），在60r/min 的低轉速下，泡沫與土體（15kg）在3min 內可完全拌和均勻。按照發泡倍率10，土倉內土壓力取0.09MPa，可以求得一環所需的起泡液的體積為45L。

按水、起泡劑的比例分別為97%和3%，配制45L 起泡液需起泡劑的體積為：0.03×45=1.35L。因此，掘進一環所需泡沫劑用量為1.35×46.44=62.7L。其中，46.44 為每環切削的渣土量。

8 結語

通過合理制訂盾構施工參數理論值，為今后相似地層地鐵隧道施工提供了一定理論依據。