盾構施工地層可掘性及對機-巖狀態識別案例分析

張沛然 楊果林 呂濤 陳亞軍 邱明明

摘要：基于可鉆性原理，對現有盾構施工地層的可掘性概念、意義及關鍵問題進行了梳理，總結提出了表示可掘性的位移法、強度法和能量法，并初步優選了其代表性指標-貫入度，場切入指數和掘進比能.結合某盾構隧道工程，對掘進過程中盾構的施工參數及可掘性指標變化規律進行了時程分析，提出了盾構掘進工作的4個主要階段.分別從單環掘進的不同工作階段、三類地層條件的施工統計數據和相關文獻研究結果三個方面分析了可掘性指標間的相關性，發現貫入度、場切入指數和掘進比能間具有較好的統一性，可作為表示盾構施工地層可掘性的代表性指標.輔以工程中出現的特殊地層，對可掘性指標響應反饋機-巖狀態的可行性進行了案例剖析.最后，對可掘性問題研究進行了思考，認為盾構施工地層的分類研究應側重巖土主要物理力學參數與可掘性指標間的統計工作，加快推進傳統地勘向基于可掘性的鉆探方法技術發展.

關鍵詞：盾構；地層；可掘性；表示方法；指標；統一性；機-巖狀態

中圖分類號：U455.43文獻標志碼：A

基金項目：國家十三五重點專項項目（SQ2019YFC150093），National Key R&D Program during the 13th Five-year Plan Period of China（SQ2019YFC150093）；國家自然科學基金資助項目（51478484，51778641），National Natural Science Foundation of China（51478484，51778641）；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目（2019JQ-834），Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2019JQ-834）；延安大學博士科研計劃資助項目（YDBK2017-32），Scientific Research Staring Foundation of Yan’an Universities（YDBK2017-32）

Boreability of Strata by Shield Construction and Case Analysis of Its Application in Machine-geotechnical State Recognition

ZHANG Peiran1，YANG Guolin1，LTao2，CHEN Yajun2，QIU Mingming3

（1. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China；2. CCFEB Civil Engineering Co Ltd，Changsha 410004，China；3. School of Architectural Engineering，Yan’an University，Yan’an 716000，China）

Abstract：Based on the principle of drillability，the concept，significance and key issues of boreability of strata by shield construction are combed. The displacement method，the strength method and the energy method are put for-ward to express the boreability，and the representative indexes of three methods are preliminarily selected as： penetra-tion，field penetration index and specific energy. Combined with a shield tunnel project，the time history analysis on the change rule of construction parameters and boreability index of shield tunneling is carried out，and four main working stages of tunneling are put forward. Based on the different working stages of single ring driving，statistical data of three kinds of stratum and the results of relevant literature，the correlation between the boreability indexes is ana-lyzed. There is a good unity among penetration，field penetration index and specific energy，which can be used to ex-press the boreability of the stratum. Supplemented by the special stratum in the project，the feasibility of the response feedback between boreability and shield machine-geotechnical state is analyzed. At last，the study on the problem of boreability is considered. It is suggested that the study on the classification of strata should focus on the statistical work between the main physical mechanical parameters and the boreability index of the geotechnical，and accelerate the development of traditional geological exploration to drilling methods based boreability.

Key words：shield machine；layer；boreability；representation methods；index；unity；machine-geotechnical state

近年來，隨著城市化的快速推進，以地鐵為代表的地下工程建設規模迅速擴大，預計到2020年我國城市地鐵建設里程將達到近6 000 km，所需要的施工掘進裝備總計500臺以上[1-2].但是，目前盾構施工中存在的問題依然突出，核心原因是對機-巖工作狀態關系認識的不足.首先，現有盾構隧道的分類標準仍主要以穩定性為前提，而已有學者[3]明確指出：盾構隧道的圍巖分類分級應以可掘性為基礎，因為可掘性決定了盾構的施工速度[4]，直接影響工程建設投資成本，根據現有隧道圍巖分類方法難以形成適用于盾構施工的指導和操作標準.另外，現有基于地質勘探的隧道圍巖調查分類受鉆孔取樣的隨機性[5]和鉆探試驗誤差影響，其全面性以及反映隧道沿線地層地質條件的可靠度均值得商榷，關鍵的是根據現有技術方法的巖土分類分級結果在盾構施工環節的應用中存在一定的局限性.盾構施工中產生了大量自動記錄數據，基于可鉆性的研究成果[6-7]有理由相信其中蘊含著值得挖掘、分析和利用的寶貴資源.針對這些問題，已有學者嘗試通過分析盾構機的單一施工參數（如推力、刀盤扭矩和推進速度等）變化識別地層條件，但是研究結果受隧道地質或盾構設備的不同其差異性比較明顯，難以形成可靠的普遍性共識.因而，轉向通過多參數擬合分析[8-9]、神經模型[10-11]和模糊理論[12]等的引入分析研究相關問題.在不同研究中，相關指標的形式和計算方法或許存在區別，其實質是將盾構施工中同步產生的大量自動記錄數據組成的維數較高的測量空間變換為維數較低的可用于機-巖狀態識別的特征空間[13].研究表明盾構施工參數的一些復合指標與巖土條件確實具有一定的映射關系，復合參數基本可以與地層的巖土物理力學參數指標相關聯[14-16]，初步可以對圍巖進行模糊判別或分類[9，17].同時，其在復雜地層中的響應變化、對特殊地層的辨識[18]、渣土改良和刀具磨損預測[13，19]等研究中的作用充分說明了相關盾構施工參數復合指標對機-巖狀態識別的實時性、靈敏性和適用性，顯示出巨大的應用價值.綜上所述，以建立基于可掘性的盾構施工地層分類分級和盾構機工作狀態判定及其性能預測為目標，深入挖掘盾構施工數據，已經逐漸引起業內關注和重視.但是，鮮有研究對目前所采用的各復合參數的合理性及各參數的統一性進行分析總結，共識的缺失一定程度上制約了國內盾構施工數據的挖掘、分析和應用.

本文基于可鉆性原理，通過對現有各復合參數的分析，結合相關文獻成果，對盾構施工地層的可掘性問題進行梳理和總結.鋪以工程案例，探討基于可掘性的參數指標對機-巖狀態識別的意義.最后，討論了可掘性的相關問題，以期為可掘性和盾構機-巖狀態識別的研究和應用提供參考.

1盾構施工地層可掘性及表示方法

1.1盾構施工地層可掘性

可鉆性作為反映巖石抵抗鉆頭鉆進的阻力[20]或抵抗鉆具鉆鑿能力的定量指標[21]，已在石油、礦山等行業被用于鉆鑿鉆頭選擇、生產定額編制及地層判別等[22].在可鉆性的研究中分為三種鉆進方式考慮：旋轉式、沖擊式和旋轉-沖擊式，而盾構的掘進開挖主要靠推進力和刀盤的轉動帶動刀具切割、破碎巖土體，其行為可以被認為是水平方向上的旋轉式鉆孔行為.因此，根據可鉆性的含義可以初步定義盾構施工地層的可掘性：地層抵抗盾構（刀盤）鉆進的阻力或抵抗盾構掘進的能力.可掘性反映了地層巖性、盾構以及環境間的關系[22]，不僅表示巖土體抵抗盾構掘進的能力，而且可以表征所掘進地層的巖土體與盾構的接觸作用特征.不同地層的物質組成、顆粒級配、液塑限、強度、硬度和溫度等物理力學性狀或指標不同，其抵抗機械作用破壞的能力也不盡相同[22-23].盾構在不同巖土性狀地層的掘進施工表現理論上呈現出一定的差異性，其具體反映在掘進速率、開挖單位體積或進尺所消耗的能量等方面，巖土性狀相同或差異性較小的同類或同級地層的可掘性應該接近或相同.同時，考慮到地層條件的復雜性和盾構機械工作條件的變化，可掘性應該由幾個具有代表性的指標組成的低維特征空間表示[13]，用于對掘進地層類別和盾構機工作狀態的辨識、評價和反饋.一定意義上組成低維特征空間的幾個指標之間根據物理力學機制應形成一定的標準關系，這個標準關系目前可以借助大量的實測數據建立經驗模型，因而這項工作具有試驗統計性質.

盾構施工地層可掘性研究的重點是提出具有以下兩點特征的表示可掘性的合理方法及指標：①從不同角度表示可掘性，如相關專業提出的表示巖石可鉆性的三大指標體系-位移指標、強度指標和能量指標[22]，并且理論上這些指標應該具有統一性；②所有指標的計算均應由盾構施工參數直接換算而得，不宜也不應摻加入傳統巖土物理力學參數指標.其原因在于，盾構隧道前期工程地質勘察結果難以反映實際沿線地層的巖土條件.同時，保留一定的巖土力學參數數據可以對由盾構施工參數表示的可掘性指標合理性作定性判斷.

1.2盾構施工地層可掘性表示方法及指標

目前，盾構施工地層可掘性研究主要基于盾構施工參數的統計分析，同時考慮到影響可掘性的諸多因素，從嚴格的物理意義上定義相關指標不具備理論可能性.因此，本文主要探討從概念性層面表示可掘性的方法，并依托實際盾構工程和國內外相關研究進展歸納性提出各類表示方法的代表性指標.這些指標具備一定的物理機制合理性，是機-巖工作狀態的參數反映.

1）位移法及指標：對于具體的盾構隧道工程而言，盾構機掘進所處的地層條件對盾構掘進效率有直接影響，因此盾構的掘進效率一定意義上反映了地層的可掘性.盾構施工現場用于監測、評價掘進效率的指標可以為推進速度或貫入度，其在時間上的累積則為對應時間段內的盾構掘進行程，反之可將推進速度或貫入度視為盾構的瞬時推進行程.為了和可鉆性的表示方法一致，本文視盾構推進行程為掘進前進的位移，將以盾構掘進速率表示地層可掘性的方法稱為位移方法，簡稱位移法.盾構的推進速度和貫入度具有如式（1）所示的關系，即在刀盤轉速一定情況下推進速度和貫入度成正比.貫入度常被作為現場評價刀盤工作狀態的指標，并且在已有的研究中基本上以貫入度作為巖土可鉆性或可掘性的試驗或現場指標.因此，本文建議在表示盾構施工地層可掘性的位移法中可取貫入度作為其代表性指標.貫入度越大表示盾構掘進時刀盤切入土體的平均切深越大，所受到的地層阻力較小，即可掘性較小.

需要指出的是：

1）掘進比能一般分為兩種，其一是通過室內巖土切削試驗得到的試驗SE值，其二是根據式（4）通過現場實際掘進數據采集計算的現場SEf值.二者在TBM施工巖層中一般根據巖石的節理、完整性等進行適當折減換算.對于EPB盾構施工而言，考慮到土倉壓力的影響，現場掘進比能SEf值一般高于室內SE值，文獻[25]建議為1.8倍.

2）現場掘進比能值計算中，認為總推進力和刀盤驅動做功都完全用于掘進面巖土體的開挖中，而實際總推進力包括巖土體抵抗刀盤頂進的阻力、盾殼摩擦力以及盾構前進的機械推進力等.同時，刀盤扭矩也包括刀具在掘進面巖土體中的滾動阻力、正面摩擦、刀盤側面摩擦、刀盤后部摩擦等[26].根據嚴格的理論計算各部分具體值，并確定實際切削掘進面巖土體所消耗的有效功，從現有理論研究結果來看，不同工程的理論計算和實測結果均有一定的出入[26-27].重要的是其必須已知掌子面及其附近巖土體的物理力學參數以及巖土體與盾體、刀盤和刀具等的接觸力學參數，而這恰是本文基于可掘性所希望解決的巖土參數取值不確定問題，因而在現場掘進比能計算中暫不討論總推進力和刀盤扭矩的組成及分量問題.

不難看出，對于同一工程而言掘進比能SEf與上述單位貫入度的刀盤扭矩指標TPI值之間為一種線性函數關系，即TPI實質可視為表示盾構施工地層可掘性的一個能量法指標.

綜上所述，本文從不同物理層面總結提出了表示盾構施工地層可掘性的三類方法：位移法、強度法和能量法，并優選了相應代表性指標.三類表示方法中，能量法相較其它兩類的物理意義更為嚴謹，重要的是能量法可以從能量守恒的角度聯系室內外試驗和施工數據的分析結果，進而為可掘性從研究到工程應用提供有效途徑.但是，位移法或強度法對可掘性的研究和應用而言依然具有重要的價值，比如受限于室內試驗設備平臺的局限性，二者相較能量法更易獲取相關指標.理論上三類方法及其指標應該具有統一性.而這種統一性不僅說明了采用盾構施工參數復合指標表示巖土界面特性-可掘性的科學性，為機-巖工作狀態識別研究提供有力支撐，而且為三類方法及指標的相互轉化提供研究和工程應用上的依據.

2某EPB盾構隧道施工實例分析

2.1工程概況

長沙市某電力市政管廊盾構隧道工程，總長近6 km，隧道內徑3.6 m，開挖直徑4.35 m，采用兩臺土壓平衡盾構南北相對施工.據勘測報告，盾構掘進地層地質條件復雜，從南向北盾構掘進經歷礫巖、砂卵石、泥巖（泥質粉砂巖）、圓礫、板巖和粉質黏土等地層，其中前三者為主要地層，各地層風化程度不同.

2.2盾構施工參數及可掘性指標時程變化分析

為對盾構施工參數及本文選取的巖土可掘性代表性指標進行分析，在項目現場依據勘查報告調取保存了包括泥巖、砂卵石和礫巖地層的近150環盾構掘進數據.其中，各地層風化程度涉及全風化、強風化、中風化以及復合地層等.通過對采集數據的分析，發現每環掘進的施工參數時程變化存在共同的特征，限于篇幅，本文以盾構機在砂卵石地層中某環的主要掘進數據分析為例.如圖1所示，本掘進曲線具有盾構施工參數數據分布變化的代表性特征，結合表1可以分為以下幾個階段.

Ⅰ）啟動階段：總推進力和刀盤轉速快速增加，約在60 s時達到極值A點，推進速度和貫入度隨之分別增加至約60 mm·min-1和40 mm·r-1，在這個過程中場切入指數FPI和掘進比能SEf降低了一個數量級.但很快推進速度和貫入度隨之又發生了急劇降低，在第147 s時降至B點，跌至2.0 mm·min-1和1.86 mm·r-1附近，在此期間刀盤扭矩較低，而總推進力并沒有發生明顯的降低，導致FPI和SEf在推進速度和貫入度觸底時出現了明顯的反向震蕩，增大一個數量級多.掘進約200 s時，刀盤扭矩快速增加至1 000 kN·m附近，推進速度和貫入度則急劇攀升至70 mm·min-1和50 mm·r-1左右，高于A點附近的對應值，FPI和SEf快速回落至200 kN/（mm·r-1）和3 kWh·m-3以內.通過以上變化特征可以看出，當刀盤扭矩較低時，由式（2）和式（4）定義計算的FPI值和SEf值可以快速識別出機-巖狀態，即刀盤接觸頂進地層的啟動階段.

Ⅱ）頂進掘進階段：盾構約從150 s開始，刀盤扭矩快速上升，在222 s左右時達到972 kN·m，推進速度和貫入度攀升至81 mm·min-1和62 mm·r-1，認為刀盤從對地層的接觸進入切入狀態. 222 s以后盾構進入正常掘進階段，此階段總推進力相對較為穩定（7 289～8 027 kN），刀盤扭矩約在426～1 003 kN·m間變化，具有一定的震蕩性，此階段的貫入度均值約為55 mm·r-1，為盾構不同工作階段的最大值.推進速度和貫入度的震蕩趨勢基本同步于刀盤扭矩的變化，說明盾構在正常掘進階段的刀盤工作狀態是影響貫入度和推進速度的主要因素[28].正常掘進階段，FPI和SEf分別在108～716 kN/（mm·r-1）和1.07～ 6.43 kWh·m-3間變化，變化幅度相對較小，曲線平穩，說明當前地層的巖土條件較為均質.注意到，在正常階段貫入度和推進速度發生了一次明顯跌落（圖中D點），FPI和SEf值發生了偏離.但此刻刀盤扭矩并未發生顯著性變化，說明D點是施工中的一個異常狀態，在正常分析中應該予以剔除.

Ⅲ）停機階段：在盾構掘進至約936 s時，總推進力、刀盤扭矩和螺機扭矩等均發生了顯著回落降低，此階段的貫入度均值落至0.87 mm·r-1左右，為盾構不同工作階段的最小值，FPI、TPI和SEf值均發生了劇烈震蕩.結合現場施工情況，此時盾構渣土車進行換車，盾構處于（臨時）停機狀態.在盾構臨時停機結束后，各項參數回歸正常掘進階段狀態，直至掘進完成.

從以上盾構掘進階段的全過程分析可以看出，刀盤扭矩和總推進力發生顯著性變化時對貫入度、推進速度產生了明顯影響，同步影響可掘性代表性指標的變化趨勢，相關變化特征與文獻[14，24]研究結果基本一致.

3可掘性表示指標的統一性

3.1盾構不同工作階段和典型地層的統一性分析

如圖2所示，本文分別對2.2節所述盾構不同工作階段，以及三大地層近150環未經篩選包含各掘進階段的可掘性指標進行了統計分析.可以看出，無論單環盾構掘進的不同階段或是三類地層的可掘性代表性指標間關系而言均具有顯著的相關性.場切入指數和掘進比能隨貫入度增大而降低；掘進比能隨場切入指數的增大而同步增加，表明抵抗刀盤切入的阻力越小，其刀盤貫入度越大，同時掘進時所需要消耗的能量越少.各可掘性代表性指標變化曲線上呈現出鮮明的聚類特征，掘進階段較大的貫入度對應的場切入指數相對較低且穩定，而當貫入度不斷降低，其對應的場切入指數以數量級式連續增加，特別是在停機階段貫入度頻近于0時，場切入指數達到萬位數.而啟動階段和頂進階段貫入度主要分布于5～40 mm·r-1，低于掘進階段的均值55 mm·r-1.同時，啟動階段的數據不同程度地偏離各指標關系擬合線，說明啟動伊始盾構機的施工參數受機-巖接觸狀態的影響呈現較大的離散型.因此，對于一個均質連續的地層而言，由三類可掘性表示方法及其指標表征的地層可掘性及其范圍應該是確定的.當各指標遠離這個正常范圍，往往是機-巖狀態異常的征兆或表現[13，18].

從圖3（a）可以看出，每個地層的掘進速度具有一定的聚類特點，推進速度與貫入度成正比，而采用貫入度表示位移指標可以消除不同地層中刀盤轉速對推進位移計算的影響，說明選取貫入度作為位移法的代表性指標是合適的.如圖3（b），采用式（6）計算的掘進比能SEf-T與基于式（4）求得的掘進比能SEf-（T+F）結果相近，經計算SEf-T值約為SEf-（T+ F）的96%，說明盾構掘進中破碎開挖土體的主要能量來源于刀盤系統.如圖3（c）所示，掘進比能SEf與式（3）定義的TPI值成線性關系.

3.2不同盾構工程可掘性表示指標統一性分析

如表2所示，從國內外學者[9，13，28-34]的研究結果可以看出，本文所歸納提出的可掘性代表性指標間相關性較好.其中，位移法和強度法指標分別與能量法指標間為典型的冪函數.但是，有關研究主要針對TBM施工，較少涉及EPB盾構施工方面.為此本文根據文獻[29]對近150環施工數據進行了掘進階段的可掘性指標計算（說明：本盾構共16把滾刀），結果如圖4所示.可以看出，各地層的可掘性指標具有鮮明的聚類特征，泥巖地層的場切入指數和掘進比能相較礫巖和砂卵石地層而言分布較為廣泛，或與地層的液塑限[30]和風化程度有關.但是，受砂卵石地層土水壓力和卵石強度等影響，相同貫入度下砂卵石地層的FPI值高于其他兩類地層.

綜合而言，本EPB盾構工程施工地層的可掘性指標相關性同各文獻研究結果基本一致，說明三類可掘性指標可用于TBM或EPB盾構施工地層的可掘性表示.值得注意的是，當貫入度小于20 mm·r-1時，本文計算的場切入指數較大于文獻中的研究結果，說明采用EPB盾構施工時刀盤每轉切入深度所對應的推進力更大，刀盤需要更大的頂進破碎壓力.但是，隨著貫入度的增大，采用文獻公式的推算值將趨近落于本文的95%預測區間內，此時可以用統一的函數表達場切入指數和貫入度的關系，如式（7）.

FPI = 388.46×（Prev）-0.98（7）

如圖4（b）所示，對于掘進比能SEf和貫入度Prev之間的關系而言，本文統計結果與文獻值基本相趨近.說明對于不同工程而言，雖然采用的TBM或EPB盾構設備可能不同，所面對的地層條件也可能千變萬化，但是從能量守恒角度而言，掘進開挖一定巖土體所消耗的能量多少不因設備、作業方式等發生改變[22]，這為我們制定盾構施工地層可掘性分類分級標準或體系提供了科學依據.另外，如圖2（c）、2（f）和4（c）所示，掘進比能和場切入指數的擬合結果也取得了較好的相關性.同時，結合圖3（b）對于盾構掘進土體能量來源貢獻的分析結果，可以為掘進比能與場切入指數之間的高度相關性提供有力解釋.雖然采用式（3）定義計算的掘進比能中包括了推力做功一項（Fv），但是其對掘進比能貢獻非常低，數學意義上掘進比能與場切入指數之間不存在耦合影響，二者的高度相關性為本文選擇的三類可掘性表示方法及其指標合理性提供了有力解釋.

4機-巖狀態識別案例分析

如圖5（a）所示，本盾構在掘進至里程DK1+880附近時，盾構在進入正常掘進階段后，其貫入度卻難以提升.期間，貫入度均值為5.45 mm·r-1，且小于1.0 mm·r-1的貫入度占統計數的50%以上，遠低于圖2和圖4中砂卵石貫入度20～60 mm·r-1的掘進水平.但是，掘進階段的刀盤扭矩和總推進力卻遠高于砂卵石地層的正常水平，特別是總推進力大于8 000 kN的占統計數80%以上，高于1 000 kN·m的扭矩值占比超過40%.如圖5（b）所示，掘進階段的掘進比能和場切入指數均值異常高于前文砂卵石地層的正常范圍.經統計，掘進比能大于10 kWh·m-3的占70%以上，場切入指數小于500 kN/（mm·r-1）的不足10%，而圖4中47環砂卵石地層的最大場切入指數值均遠低于500 kN/（m·r-1），掘進比能也均低于10 kWh·m-3.從圖5（c）可以看出，特殊地層的場切入指數和掘進比能均較后續砂卵石地層出現一個數量級以上的變化.因此，無論從施工參數的單獨變化或是對可掘性代表性指標的分析表明本區段內盾構施工表現異常.結合現場出渣情況來看，其地層條件已不符合地質勘查中連續砂卵石地層的結論，盾構掘進實質進入了特殊地層.

事實上，在進入DK1+880以前盾構機施工參數的異常已經出現，但未引起工作人員的重視，使盾構機進入了難以前進的狀態.當晚第1次掘進24 min實質推進16 mm；第2次試掘進7 min失敗，停機36 h；第3次掘進11 min前進14 mm后被迫停工.與本文的可掘性表示方法相似，文獻[18]結合掘進參數提出了修正比能，利用BP神經網絡技術對盾構掘進過程中的孤石地層進行了準確識別.綜上所述，根據傳統地勘采取抽樣鉆孔勘探對盾構隧道沿線掘進地層進行調查評價，所得結果的全面性和真實性值得商榷.而可掘性指標在特殊地層中具有較好的響應機制，可以對機-巖狀態做出及時反饋，未來通過基于可掘性表示方法和指標的超前地質預報技術將為盾構施工提供有效指導.

5問題及思考

上述研究表明，基于盾構施工參數建立的表示可掘性的方法和指標可用于對地層以及機-巖狀態的識別、評價，具有較好的合理性及應用性.問題的關鍵是在明確和選擇了可掘性的三類表示方法及指標后如何解決以下幾點關鍵性問題[21]：

1）進一步對可掘性的含義及表示方法進行深入研究，建立基于可掘性的盾構施工地層分類分級方法、標準和體系.

2）開展傳統地勘及巖土測試試驗結果和盾構施工參數的統計分析工作，逐步由地勘調查方法向基于可鉆性、可掘性的隨鉆勘測技術過渡，形成盾構施工地層地勘工作新的方法、技術及標準.

3）利用大數據技術、模糊聚類和神經模型等理論方法技術等對盾構施工的時變參數進行認知、處理、分類分級和可視化.

4）提出盾構施工地層識別、預警和機-巖狀態反饋調節的方法與技術.

表3為國內外針對可掘性與巖土物理力學參數相關性研究的部分結果.可以看出，以單軸壓縮強度[9，15，24，34，36，39]為主要參數，輔以完整性系數[9，24，34]、節理[37]和液塑限[30]等指標形成了相關研究的特色.其中，相關系數從0.22到0.968 3均有所分布，因而，要形成評價可掘性的完善物理力學指標計算方法還需要進一步的深入研究.同時，受地勘調查的樣本隨機性和數量影響，很難對盾構隧道的施工提供全面的科學依據和有效指導.因此，對于問題（2）的認識和解決可以將目光轉換至近年來出現的隨鉆技術及其相關研究[6，7，22].

6結論與建議

1）通過對盾構掘進過程的物理機制分析，認為可掘性表示地層抵抗刀盤鉆進的阻力或盾構掘進的能力.總結提出了表示可掘性的三類方法：位移法、強度法和能量法，并優選了代表性指標.

2）基于實際工程數據的分布特征提出了盾構掘進工作的4個階段.發現正常掘進階段盾構刀盤的工作狀態是影響貫入度和推進速度的主要因素，即刀盤驅動是盾構掘進破碎巖土體的主要做功系統.

3）不同方面的研究均表明表示可掘性的三類方法及指標間具有顯著的相關性，且在同類地層中表現出一定的聚類特征.

4）在特殊地層中可掘性指標依然具有一定的相關性，說明可掘性指標對機-巖的非正常工作狀態具有靈敏的響應特征.

5）盾構施工地層的可掘性研究應在統計分析巖土體主要物理力學參數和可掘性指標關系的同時，加快推進傳統地勘向以可掘性為導向的鉆探方法技術轉變發展.

參考文獻

[1]何川，封坤，方勇.盾構法修建地鐵隧道的技術現狀與展望[J].西南交通大學學報，2015，50（1）：97—109. HE C，FENG K，FANG Y. Review and prospects on constructing technologies of metro tunnels using shield tunneling method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2015，50（1）：97—109.（In Chinese）

[2]楊華勇，周星海，龔國芳.對全斷面隧道掘進裝備智能化的一些思考[J].隧道建設（中英文），2018，38（12）：1919—1926. YANG H Y，ZHOU X H，GONG G F. Perspectives in intelligentiza-tion of tunnel boring machine（TBM）[J]. Tunnel Construction，2018，38（12）：1919—1926.（In Chinese）

[3]何發亮，谷明成，王石春. TBM施工隧道圍巖分級方法研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21（9）：1350—1354. HE F L，GU M C，WANG S C. Study on surrounding rockmass clas-sification of tunnel cut by TBM[J]. Chinese Journal of Rock Me-chanics and Engineering，2002，21（9）：1350—1354.（In Chinese）

[4]王旭，李曉，李守定.關于用巖體分類預測TBM掘進速率AR的討論[J].工程地質學報，2008，16（4）：470—475. WANG X，LI X，LI S D. Problems in the prediction of the tbm ad-vance rate with rock mass classification and their possible solutions[J]. Journal of Engineering Geology，2008，16（4）：470—475.（In Chinese）

[5]徐衛亞，蔣中明.巖土樣本力學參數的模糊統計特征研究[J].巖土力學，2004，25（3）：342—346. XU W Y，JIANG Z M. Research on fuzzy eigenvalues of samples of rock and soil[J]. Rock and Soil Mechanics，2004，25（3）：342—346.（In Chinese）

[6]譚卓英，蔡美峰，岳中琦，等.基于巖石可鉆性指標的地層界面識別理論與方法[J].北京科技大學學報，2006，28（9）：803—807. TAN Z Y，CAI M F，YUE Z Q，et al. Theory and approach of identi-fication of ground interfaces based on rock drillability index[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2006，28（9）：803—807.（In Chinese）

[7]譚卓英，王思敬，蔡美峰.巖土工程界面識別中的地層判別分類方法研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（2）：316—322. TAN Z Y，WANG S J，CAI M F. Study on discriminant classification method for ground formation in identification of geotechnical engi-neering interfaces[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and En-gineering，2008，27（2）：316—322.（In Chinese）

[8]李杰，張斌，付柯，等.基于現場掘進數據的復合地層盾構掘進性能預測方法研究[J].現代隧道技術，2019，56（4）：97—104. LI J，ZHANG B，FU K，et al. Site data based prediction of shield driving performance in compound strata[J]. Modern Tunneling Technology，2019，56（4）：97—104.（In Chinese）

[9]薛亞東，李興，刁振興，等.基于掘進性能的TBM施工圍巖綜合分級方法[J].巖石力學與工程學報，2018，37（S1）：3382—3391. XUE Y D，LI X，DIAO Z X，et al. A novel classification method of rock mass for TBM tunnel based on penetration performance[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2018，37（S1）：3382—3391.（In Chinese）

[10]朱北斗，龔國芳，周如林，等.基于盾構掘進參數的BP神經網絡地層識別[J].浙江大學學報（工學版），2011，45（5）：851—857. ZHU B D，GONG G F，ZHOU R L，et al. Identification of strata with BP neural network based on parameters of shield driving[J]. Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2011，45（5）：851—857.（In Chinese）

[11]邵成猛.基于盾構掘進參數的LVQ神經網絡地層識別[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2016，29（1）：93—96. SHAO C M. Identification of strata with LVQ neural network based on shield tunneling parameters[J]. Journal of Shijiazhuang Tiedao University（Natural Science Edition），2016，29（1）：93—96.（In Chinese）

[12]王攀，郭偉，朱殿華.基于模糊聚類理論的TBM施工圍巖可掘進性分級預測模型[J].現代隧道技術，2014，51（6）：58—65. WANG P，GUO W，ZHU D H. Fuzzy clustering theory based rock mass cuttability classification prediction model for TBM tunneling[J]. Modern Tunneling Technology，2014，51（6）：58—65.（In Chi-nese）

[13]劉明月.秦嶺隧道全斷面掘進機掘進狀況識別分析研究[D].成都：西南交通大學，2002：16—17. LIU M Y. Study on pattern recognization of TBM boring performance of Qingling Tunnel[D]. Chengdou：Southwest Jiaotong University，2002：16—17.（In Chinese）

[14]張瑩，蔡宗熙，冷永剛，等.盾構機掘進參數的關聯分析與地質特征識別[J].哈爾濱工程大學學報，2011，32（4）：476—480. ZHANG Y，CAI Z X，LENG Y G，et al. Correlative analysis of shield tunneling data and recognition of geologic features[J]. Journal of Harbin Engineering University，2011，32（4）：476—480.（In Chi-nese）

[15]陳恩瑜，鄧思文，陳方明，等.一種基于TBM掘進參數的現場巖石強度快速估算模型[J].山東大學學報（工學版），2017，47（2）：7—13. CHEN E Y，DENG S W，CHEN F M，et al. Development of a novel rock strength estimation model based on TBM boring performance[J]. Journal of Shandong University（Engineering Science），2017，47（2）：7—13.（In Chinese）

[16]宋克志，孫謀.復雜巖石地層盾構掘進效能影響因素分析[J].巖石力學與工程學報，2007，26（10）：2092—2096. SONG K Z，SUN M. Analysis of influencing factors of shield tunnel-ing performance in complex rock strata[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（10）：2092—2096.（In Chi-nese）

[17]宋克志，袁大軍，王夢恕.基于盾構掘進參數分析的隧道圍巖模糊判別[J].土木工程學報，2009，42（1）：113—119. SONG K Z，YUAN D J，WANG M S. Fuzzy identification of sur-rounding rock conditions based on analysis of shield tunneling data[J]. China Civil Engineering Journal，2009，42（1）：113—119.（In Chinese）

[18]劉建東，郭京波，王旭東.基于盾構掘進參數的孤石地層識別方法研究[J].隧道建設（中英文），2019，39（7）：1132—1140. LIU J D，GUO J B，WANG X D. Recognition methods for boulder geology based on shield tunneling parameters[J]. Tunnel Construc-tion，2019，39（7）：1132—1140.（In Chinese）

[19]WANG L H，KANG Y L，CAI Z X，et al. The energy method to pre-dict disc cutter wear extent for hard rock TBMs[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2012，28：183—191.

[20]WHITE C G.巖石可鉆性指數[M].邊蔚奇，譯.北京：煤炭工業出版社，1980：4—15. WHITE C G. A rock drillability index[M]. BIAN Weiqi translation. Beijing：China Coal Industry Publishing House，1980：4—15.（In Chinese）

[21]坦加耶夫（ТангаевИА）.巖石的可鉆性和可爆性[M].王維德，周叔良，譯.北京：冶金工業出版社，1987：1—15.ТAHTAEBИА.Буримостьивзрываемостьгорныхпород[M]. WANG Weide，ZHOU Shuliang translation. Beijing：Metallurgical Industry Press，1987：1—15.（In Chinese）

[22]譚卓英.巖土工程界面識別理論與方法[M].北京：科學出版社，2008：50—52. TAN Z Y. Theory and method of interface identification in geotech-nical engineering[M]. Beijing：Science Press，2008：50—52.（In Chinese）

[23]張桂菊，譚青，夏毅敏，等.巖石溫度對盤形滾刀掘進參數破巖特性的影響[J].湖南大學學報（自然科學版），2015，42（4）：40—47. ZHANG G J，TAN Q，XIA Y M，et al. Influence of different rock temperatures on rock breaking characteristics of disc cutter tunnel-ing parameters[J]. Journal of Hunan University（Natural Sci-ences），2015，42（4）：40—47.（In Chinese）

[24]羅華，陳祖煜，龔國芳，等.基于現場數據的TBM掘進速率研究[J].浙江大學學報（工學版），2018，52（8）：1566—1574. LUO H，CHEN Z Y，GONG G F，et al. Advance rate of TBM based on field boring data[J]. Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2018，52（8）：1566—1574.（In Chinese）

[25]NAMLI M，BILGIN N. A model to predict daily advance rates of EPB-TBMs in a complex geology in Istanbul[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2017，62：43—52.

[26]徐前衛，朱合華，丁文其，等.均質地層中土壓平衡盾構施工刀盤切削扭矩分析[J].巖土工程學報，2010，32（1）：47—54. XU Q W，ZHU H H，DING W Q，et al. Cutting torque during tunnel-ing process of earth pressure balance shield machine in homoge-neous ground[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32（1）：47—54.（In Chinese）

[27]李潮，周宏偉，左建平，等.土壓平衡盾構刀盤扭矩計算方法與多因素量化分析[J].巖石力學與工程學報，2013，32（4）：760—766. LI C，ZHOU H W，ZUO J P，et al. Torque calculation method of cut-terhead in earth pressure balance shield and quantitative analysis of several influencing factors[J]. Chinese Journal of Rock Mechanicsand Engineering，2013，32（4）：760—766.（In Chinese）

[28]譚青，楊秧，夏毅敏，等.滾刀滾動切削巖石的數值及試驗研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2018，45（8）：69—78. TAN Q，YANG Y，XIA Y M，et al. Numerical and experimental study on rock breaking by cutter in rolling mode[J]. Journal of Hu-nan University（Natural Sciences），2018，45（8）：69—78.（In Chi-nese）

[29]張茜.盾構裝備掘進中的力學特征分析與載荷建模[D].天津：天津大學，2012：71—72. ZHANG Q. Mechanics characteristic analysis and modeling for load of shield machine during tunneling[D]. Tianjin：Tianjin University，2012：71—72.（In Chinese）

[30]AVUNDUK E，COPUR H. Empirical modeling for predicting exca-vation performance of EPB TBM based on soil properties[J]. Tun-neling and Underground Space Technology，2018，71：340—353.

[31]GONG Q M，ZHAO J，JIANG Y S. In situ TBM penetration tests and rock mass boreability analysis in hard rock tunnels[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2007，22（3）：303—316.

[32]BALCI C.Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation：a case study in Kozy-atagi -Kadikoy metro tunnel，Turkey[J].Tunneling and Under-ground Space Technology，2009，24（4）：423—435.

[33]BALCI C，TUMAC D.Investigation into the effects of different rocks on rock cuttability by a V-type disc cutter[J].Tunneling and Un-derground Space Technology，2012，30：183—193.

[34]杜立杰，齊志沖，韓小亮，等.基于現場數據的TBM可掘性和掘進性能預測方法[J].煤炭學報，2015，40（6）：1284—1289. DU L J，QI Z C，HAN X L，et al. Prediction method for the boreabili-ty and performance of hard rock TBM based on boring data on site[J]. Journal of China Coal Society，2015，40（6）：1284—1289.（In Chinese）

[35]GERTSCH R，GERTSCH L，ROSTAMI J. Disc cutting tests in Col-orado Red Granite：Implications for TBM performance prediction[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44（2）：238—246.

[36]ARMETTI G，MIGLIAZZA M R，FERRARI F，et al. Geological and mechanical rock mass conditions for TBM performance prediction. The case of "La Maddalena" exploratory tunnel，Chiomonte（Italy）[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2018，77：115—126.

[37]HASSANPOUR J，ROSTAMI J，KHAMEHCHIYAN M，et al. TBM performance analysis in pyroclastic rocks：a case history of Karaj water conveyance tunnel[J]. Rock Mechanics and Rock Engineer-ing，2010，43（4）：427—445.

[38]相浩.復合地層下TBM掘進的可掘性評價[D].重慶：重慶大學，2016：38—39. XIANG H. The boreability evaluation of TBM tunneling under com-posite strata[D]. Chongqing：Chongqing University，2016：38—39.（In Chinese）

[39]BILGIN N，COPUR H，BALCI C. Mechanical excavation in mining and civil industries[M]. Florida：CRC Press，2014.