土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層地層掘進(jìn)主要參數(shù)的確定

蔡虹，耿坤，曹廣勇，張自光，亓培先

（1.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

1 引言

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的合理設(shè)置是很重要的工作，掘進(jìn)參數(shù)的選擇直接影響到工程能否順利進(jìn)行下去，所以要合理設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，不同工況來設(shè)置。梁偉[1]等通過數(shù)值模擬來研究不同土倉壓力對(duì)盾構(gòu)下穿高速公路地表沉降的影響，來確定土倉壓力的合理設(shè)定值；陳仁朋[2]等研究復(fù)雜地層土壓平衡盾構(gòu)推力和刀盤扭矩計(jì)算研究，提出了推力計(jì)算修正公式和刀盤扭矩修正公式，并進(jìn)行了驗(yàn)證；王洪新[3]采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，驗(yàn)證了盾構(gòu)施工參數(shù)之間的關(guān)系，其研究成果可用于刀盤扭矩設(shè)計(jì)和施工參數(shù)預(yù)測；李海全[4]確定了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合板巖地層掘進(jìn)參數(shù)；魏建華[5]等研究土壓平衡盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定機(jī)理與土倉壓力的關(guān)系。

本文根據(jù)淮安東站地層特性，確定土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)施工安全、快速、順利完成，為類似地層提供參考。

2 項(xiàng)目背景

2.1 工程概況

淮安東站盾構(gòu)工作井區(qū)間上行的右線長度563.664m，下行的左線長度561.901m，隧道是兩條單線單洞圓形隧道，區(qū)間左線和右線都設(shè)一個(gè)半徑是1000.4m的平曲線，隧道之間間距為13.4m～19.1m，縱斷面成上坡趨勢，坡度為4‰。盾構(gòu)主要穿越粉砂層。如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)地層

2.2 水文地質(zhì)條件

沿線地表水主要為盾構(gòu)工作井東北部水塘內(nèi)的水，勘察期間水深約0.8m，地表水和潛水水力的聯(lián)系較為密切。雨季時(shí)補(bǔ)給潛水，旱季時(shí)接收潛水補(bǔ)給。對(duì)本工程有影響的承壓水為第Ⅰ和第Ⅱ?qū)映袎核?。第Ⅰ層承壓水大部分埋藏于砂質(zhì)粉土和粉砂層中，水量較豐富，無色、無味、透明，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給。水位埋深1.36m～1.6m（平均值1.52m），水位標(biāo)高為6.22m～6.48m（平均值6.36m）。第Ⅱ?qū)映袎核蟛糠致癫赜谥猩昂头凵皩又?，主要接受?cè)向徑流補(bǔ)給。水位埋深20.00m左右，水位標(biāo)高為-12.50m。盾構(gòu)掘進(jìn)主要穿越地層是粉砂層，其土質(zhì)特征如表1所示。

3 土倉壓力的設(shè)定

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工的過程中，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使原來的土體的靜止彈性平衡狀態(tài)發(fā)生了改變，這樣就使靠近刀盤的土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力或者被動(dòng)土壓力。在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，如果把土倉壓力值設(shè)定低，就會(huì)使掌子面前方的土體向盾構(gòu)機(jī)刀盤的方向發(fā)生微小的偏移或者滑動(dòng)，使得土體有向下滑動(dòng)的趨勢，為了防止土體產(chǎn)生向下滑動(dòng)趨勢，這樣就會(huì)使土體的抗剪力變大。如果土體的側(cè)向應(yīng)力一直減小，這樣土體的抗剪強(qiáng)度就會(huì)充分發(fā)揮，當(dāng)土體的側(cè)向土壓力減小到極限值，這時(shí)候的土體就會(huì)處于極限平衡狀態(tài)，與此相對(duì)應(yīng)的土壓力就被叫做主動(dòng)土壓力。因此，如果土倉壓力設(shè)置值小的話，工作面前方的土體有可能會(huì)下陷，影響盾構(gòu)施工安全。如果把土倉壓力值設(shè)定高，盾構(gòu)刀盤對(duì)土體的側(cè)向應(yīng)力變大，就會(huì)掌子面前方的土體產(chǎn)生上滑動(dòng)的趨勢，為了阻止土體產(chǎn)生向上滑動(dòng)的趨勢，土體的抗剪力增大，土體這時(shí)候就是另外一種極限平衡狀態(tài)，就是被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，與此對(duì)應(yīng)的土壓力叫做被動(dòng)土壓力，因此如果土倉壓力設(shè)置值高，掌子面前方的土體有可能會(huì)隆起。由此發(fā)現(xiàn)土倉壓力的合理設(shè)置尤為重要，保證掘進(jìn)過程安全進(jìn)行。

地層物理力學(xué)指標(biāo) 表1

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)采用郎金理論計(jì)算土倉壓力理論值：

式中，σw代表地下水壓力；σp代表被動(dòng)土壓力；σa代表主動(dòng)土壓力；q代表土的滲透系數(shù)；γ代表土的容重；σh代表深度為h處的地層自重應(yīng)力；c代表土的粘聚力；γ代表地層內(nèi)部摩擦角；h代表地下水為距離刀盤頂部的高度。

4 總推力設(shè)定

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)總推力主要由正面阻力、盾殼與地層的摩擦力、變相阻力、管片與盾尾的摩擦阻力、牽引力組成。而影響盾構(gòu)總推力值的主要由摩擦阻力和盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)時(shí)的阻力，因此，計(jì)算公式如下：

f為盾體與周圍土體間的摩擦系數(shù)；H為盾構(gòu)軸線埋深；K為土體側(cè)壓力系數(shù)；γ為土體重力密度；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；L為盾構(gòu)機(jī)殼體長度；G為盾構(gòu)主機(jī)重量。

這些參數(shù)由土體參數(shù)、隧道覆土厚度等決定的。所以總推力與盾構(gòu)施工區(qū)域的地形、地質(zhì)條件密切相關(guān)。盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際裝備推力往往是在公式計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮2～3倍的安全系數(shù)。

5 刀盤扭矩計(jì)算

在盾構(gòu)刀盤切削土體的過程中，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(chǎn)生的影響，是盾構(gòu)刀盤扭矩形成的主要原因。因此，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)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；

②刀盤背面與壓力艙內(nèi)的土體摩擦阻力扭矩；

③刀盤側(cè)面與土體之間的摩擦阻力扭矩；

④刀具切削土體時(shí)的地層抗力產(chǎn)生的扭矩。

在實(shí)際傳動(dòng)中，這4項(xiàng)刀盤扭矩在刀盤總扭矩的占比是95%以上。因此刀盤總扭矩計(jì)算由前四項(xiàng)刀盤扭矩組成。因此計(jì)算公式如下：

η為刀盤開口率；K1為刀盤背面摩擦阻力扭矩計(jì)算調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取0.6～0.8；W為刀盤圓周側(cè)面的寬度；vmax為盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度；ne為刀盤額定轉(zhuǎn)速；qu為土體單軸抗壓強(qiáng)度。

刀盤扭矩與總推力一樣，也受盾構(gòu)施工區(qū)的地形、地質(zhì)條件影響。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，刀盤扭矩通常在公式計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮1.1～1.4倍的安全系數(shù)。

6 工程效果分析

6.1 理論計(jì)算結(jié)果分析

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 表2

通過上述計(jì)算公式和地層計(jì)算勘探報(bào)告，計(jì)算得出各個(gè)主要參數(shù)理論數(shù)值，如表3所示。通過現(xiàn)場前100環(huán)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示，可以看出理論計(jì)算值符合現(xiàn)場實(shí)際施工要求。

理論參數(shù)值 表3

前100環(huán)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù) 表4

地表沉降控制指標(biāo)（單位：mm） 表5

地表沉降（單位：mm） 表6

6.2 沉降分析

當(dāng)盾構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)置會(huì)引起地層擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致地面產(chǎn)生不同程度沉降回彈，這些變化超過一定范圍時(shí)，對(duì)周圍地面建筑物造成破壞。為此，必須加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時(shí)了解土體結(jié)構(gòu)的變化，以此來調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。監(jiān)測控制值根據(jù)不同建筑物特點(diǎn)及鑒定情況適當(dāng)提高監(jiān)測變形控制值，在盾構(gòu)施工過程中，使地表不出現(xiàn)沉降是很難做到的，其要點(diǎn)是如何將沉降值控制在安全范圍內(nèi)，可以根據(jù)盾構(gòu)施工下穿構(gòu)筑物的實(shí)際情況來確定地表變形控制指標(biāo)。依據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)及現(xiàn)有的設(shè)備儀器的檢測精度，地表沉降控制指標(biāo)如表5所示，并將控制值的70%作為報(bào)警值。

總共15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位于高鐵路基穿越區(qū)，結(jié)果如表6所示，隆起值最大為1.5mm左右，下沉值最大為2mm左右，可以得出參數(shù)合理的設(shè)置，有效地控制了地表沉降。

7 結(jié)論

本文通過理論分析和實(shí)際施工情況，確定了盾構(gòu)施工的主要掘進(jìn)參數(shù)的范圍，保證了盾構(gòu)施工安全、快速、順利地完成，為類似地層提供了一定的參考價(jià)值。