花崗巖地層中盾構掘進效率影響因素研究

張世豪，李 彤，李 璇，郝保安，石 春

(1. 中交隧道工程局有限公司，北京 100102； 2. 江蘇省地質礦產局第一地質大隊，江蘇 南京 210041；3. 南京坤拓土木工程科技有限公司，江蘇 南京 210041； 4. 江蘇省隧道與地下工程技術研究中心，江蘇，南京 210041；5. 南京工業大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210009)

0 引 言

近年來，地鐵建設進入快速發展階段，盾構施工技術得到廣泛應用。盾構施工具有機械化程度高、對周邊環境影響小、作業安全、質量高、進度快等優點[1]，已經成為地下隧道施工的主要施工方法。

國內外的理論研究和工程實踐表明，影響盾構掘進性能的因素包括：機械參數、地質因素和施工組織管理。盾構機的掘進參數因掘進地層的不同存在差異[2]，可通過將工程地質勘察和動態施工數據進行一體化整合[3]，總結掘進參數在不同地層間差異性的量化規律，提高掘進效率。

盾構掘進機械參數主要包括刀盤轉速、總推力、刀盤扭矩等，各機械參數之間存在相關性。地質因素有巖石強度，巖體完整性、結構面產狀和地下水情況等。黃建丹等[4]依托成都地鐵盾構隧道工程，總結分析掘進速率與其他參數間關系，建立了成都漂石地層中的掘進速率模型；羅華等[5]依托吉林引松供水隧道工程，分析在不同巖石飽和單軸抗壓強度、完整性系數的條件下，刀盤貫入度與總推力、刀盤扭矩之間關系的變化規律；劉明月等[6]基于秦嶺隧道施工相關數據，對表征掘進機掘進效率的指標與巖石單軸抗壓強度、圍巖等級、圍巖類型等地質因素之間的關系進行分析；杜立杰等[7]以東北某特長隧道工程為背景，研究了貫入度與主要地質因素間的關系；楊繼華等[8]采用可拓學理論，選取影響 TBM 掘進效率的若干地質因素建立物元模型，對影響因素指標進行綜合評價及掘進效率分級；宋克志等[9]結合重慶越江隧道盾構掘進工程，分析了泥巖砂巖交互地層條件下，各因素對每轉切深和掘進速率的影響規律；盧瑾等[10]根據南水北調西線工程中的圍巖地質條件，分析了巖石力學參數不同時掘進機掘進速率的變化規律；李厚峰[11]對比研究了嶺南、嶺北不同地質環境下圍巖的巖性對掘進速率的影響；江華等[12]以北京地鐵9號線盾構工程為背景，研究了盾構總推力、刀盤扭矩和螺旋輸送機轉速對推力速度的影響；R.RIBACCHI等[13]研究了高強度、低破碎性片麻巖地層隧道開挖中，巖體質量對雙護盾TBM施工性能的影響；J.HASSANPOUR等[14]研究了地質參數(巖石單軸抗壓強度、節理間距、RQD)對TBM性能的影響； LIU Quansheng等[15]建立了巖石飽和單軸抗壓強度、巖體完整性系數、結構面和隧道軸線夾角、隧道覆蓋層與貫入度之間的經驗公式；E.FARROKH 等[16]對各種預測掘進機貫入度的方法進行了對比研究。

既有研究成果中，盾構掘進性能常用貫入度(penetration rate)、掘進速率(advance rate)等指標表示。盾構機單位轉速內推進的長度為貫入度，單位時間內推進的長度為掘進速率。這些指標從工期的角度定義了掘進性能，但是沒有考慮到設備完好率對工期的影響和制約。因此，筆者依托深圳市城市軌道交通8號線一期工程，提出一種新的表征掘進效率的方法，分析了微風化花崗巖和中等風化花崗巖地層條件下機械參數、地質因素對掘進效率的影響，并根據影響性分析結果分別給出了高掘進效率和高掘進速率條件下的掘進參數控制方法。

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳市城市軌道交通8號線一期工程，深外站至鹽田站盾構區間左線起止里程為ZDK50+658～ZDK51+754.273，右線起止里程為YDK50+682～YDK51+ 647.239。采用平行雙洞雙線結構形式，線間距為10.8 m，隧道底板埋深高程范圍-5.20～22.50 m。以右線盾構區間(始發線)為研究對象。

1.2 地質概況

盾構施工段隧頂覆土情況，自上而下地層包括素填土、填碎石、填塊石、可塑狀粉質黏土、硬塑狀粉質黏土、全風化中細粒花崗巖、砂土狀強風化中細粒花崗巖、塊狀強風化中細粒花崗巖、中等風化中細粒花崗巖和微風化中細粒花崗巖。盾構穿越軟質巖地層為全～強風化中細粒花崗巖，其中穿越硬質巖地層包括中等風化中細粒花崗巖和微風化中細粒花崗巖。工程勘察揭示：中等風化中細粒花崗巖巖石飽和單軸抗壓強度平均值43.6 MPa，巖石質量等級為Ⅳ級。微風化中細粒花崗巖巖石飽和單軸抗壓強度平均值86.5 MPa，巖體基本質量等級可劃為Ⅲ～Ⅱ級。勘察階段的巖土體的主要物理力學性質指標如表1。

表1 地層主要物理力學性質指標

1.3 盾構機概況

工程右線采用土壓平衡式盾構機，使用了復合式(輻條+面板)的結構形式，刀盤開口率36%，開口幅寬520 mm，刀具配有4具17寸中心雙聯滾刀，31具18寸單刃滾刀、8具130 mm邊刮刀和36具130 mm切刀，正面滾刀的軌跡間距為100 mm，邊緣滾刀的軌跡最小間距為9.59 mm；滾刀的承載力為25 T，其他主要技術參數如表2。

表2 盾構主要技術參數

2 現場掘進與采樣試驗

2.1 掘進數據采集

采用的土壓式盾構機主要由機械和電氣兩大系統組成。其中機械系統主要負責執行盾構機各部分運轉動作，電氣系統包括PLC調節和控制主機及其他系統，操作人員可以訪問得到電腦里記錄的各項參數，如：掘進速率、刀盤扭矩、刀盤轉速、千斤頂推力、土倉壓力、注漿參數、各種溫度、盾構姿態等。

采集右線兩段均質地層的掘進參數進行研究，分別是264～280環全斷面微風化中細粒花崗巖地層和285～310環全斷面中等風化中細粒花崗巖地層，取每環掘進參數的平均值作為該環的掘進參數，掘進參數統計如表3。

表3 盾構掘進參數統計

2.2 巖石參數獲取

勘察資料中的巖石強度參數取自相鄰數十米的勘查取樣孔，取樣密度難以滿足逐環分析的要求。根據勘察資料，劃為同層的花崗巖其強度變異性較大，若干環內掘進同種地層，實際掌子面的圍巖強度可能差異極大。通過從皮帶輸送機末端取較大巖渣顆粒進行點荷載試驗，并結合鉆探取芯樣進行室內巖石單軸抗壓強度試驗，獲得掘進均質地層時每一環的實際地層強度。將點荷載強度換算為飽和單軸抗壓強度[17]，如式(1)：

(1)

式中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；Is(50)為等價巖心直徑50 mm等效點荷載強度指數，MPa。

對鉆孔取芯(圖1)進行巖芯采取率(RQD)現場量測，根據文獻[18]中的RQD指標與巖體體積節理數之間的經驗關系，近似得到掘進地層巖體體積節理數Jv，如式(2)。式(2)對立方體或條狀的塊體的適用性較強[19]，可以較好反映現場實際情況。

RQD=110-2.5Jv

(2)

圖1 掘進施工時鉆孔取芯

根據GB/T 50218—2014 《工程巖體分級標準》，Jv與巖體完整性系數Kv的對應關系如表4。對表4中各分段區間作線性插值，結合式(2)，實現了RQD與Kv的單值對應，間接實現了完整性系數的現場簡易量測。

表4 Jv與Kv的對應關系

3 掘進效率影響因素分析

3.1 掘進效率定義

影響掘進機掘進的機械因素主要包括：推力、轉速、扭矩、刀具的數目及間距、刀具的直徑、刀具邊緣厚度、刀具的材料以及刀具磨損程度、刀盤直徑、刀盤形狀、刀盤剛度、后配套系統參數等。對于掘進機工作性能影響的主要可控因素為推進力和轉速，當盾構掘進不同類型地層時，圍巖類型發生改變，盾構掘進速率和扭矩也會隨之改變。

盾構掘進過程中，掘進速率決定工期。刀盤扭矩可以推測主軸工作狀態與刀具磨損情況，為滿足工期要求和設備完好率要求，需要在掘進速率和刀盤扭矩間求得平衡，以在保證設備完好的條件下最大限度發揮設備潛能，提高掘進速率。定義掘進效率α如式(3)：

α=v/T

(3)

式中：v為掘進速率，mm/min；T為刀盤扭矩，MNm。

根據現場采樣得到的巖石抗壓強度和完整性系數，以及現場記錄的掘進參數，以掘進效率α為縱坐標，并分別以巖石抗壓強度、完整性系數、刀盤轉速和刀盤總推力為橫坐標作散點圖和回歸分析，得到機械參數和地質條件對掘進效率影響的經驗規律。

3.2 掘進效率與巖石堅硬關系

巖石堅硬程度是影響盾構掘進的重要因素之一，飽和單軸抗壓強度是反映巖石堅硬程度的最主要指標。掘進效率與巖石飽和單軸抗壓強度之間關系如圖2。由圖2可知，掘進效率與巖石飽和單軸抗壓強度負相關，巖石越堅硬，滾刀壓碎、剪切圍巖需要的力越大。盾構刀盤功率一定，導致掘進速率和掘進效率非線性降低。巖石飽和單軸抗壓強度為30～60 MPa時掘進效率>4.0，當飽和單軸抗壓強度>90 MPa時掘進效率平均值已低于2.0，但飽和單軸抗壓強度>120 MPa時掘進效率逐漸趨于穩定值1.3。掘進效率與巖石飽和單軸抗壓強度之間的經驗關系如式(4)，可以用冪函數近似，且兩者相關性較好(R2=0.817)。

(4)

圖2 巖石單軸抗壓強度和掘進效率的關系

3.3 掘進效率與巖體完整性關系

巖體完整性和結構面的發育程度是影響盾構掘進效率的另一個重要因素，它會影響巖石裂紋的產生密度和剝落巖片的大小。巖體完整性系數和掘進效率的關系如圖3。

圖3 巖體完整性系數和掘進效率的關系

由圖3可知，隨著巖體完整性系數的增大，巖體風化程度降低，掘進效率降低，破碎單位體積圍巖需要制造更多的裂紋，滾刀對圍巖進行破壞時需要消耗更多的能量。當巖體完整性系數<0.35時掘進效率在3.5以上，巖體完整性系數>0.55時掘進效率降均<2.5。隨著巖體完整性系數的進一步增加，當巖體完整性系數>0.7時，掘進效率趨近于1.3。而現場掘進微風化地層時若掘進效率>1.3扭矩逼近限值，但若扭矩進一步降低，則導致掘進速率降低，參數分析結論與現場施工參數控制經驗相符。可以將微風化地層的初始掘進效率定為1.3，通過觀察設備負載和掘進速率對參數作進一步調節。巖體完整性系數和掘進效率的關系可用冪函數近似，如式(5)。以工程中樣本算得經驗方程的相關系數R2=0.882。

(5)

3.4 掘進效率與總推力關系

總推力為各刀具總推力、盾殼與圍巖之間的摩擦力、鉸接阻力等之和，是產生掘進速率和刀盤扭矩的重要因素之一。在微風化地層和中等風化地層中，掘進效率和刀盤總推力關系的散點圖和回歸曲線如圖4。在不同地層中掘進時，嚴格禁止長時間超載工作，所以總推力越大，表明地層堅硬程度和完整性越強，滾刀破巖阻力增大，且盾殼與圍巖的摩擦、鉸接阻力等也相應增強，進一步降低了掘進效率。

圖4 總推力和掘進效率的關系

在微風化花崗巖中，總推力F在14 000～18 000 kN之間時，掘進效率為1.4～3.2，掘進效率平均值約2.3；總推力在22 000～26 000 kN之間時，掘進效率為1.4～1.8，掘進效率平均值約1.6。在中等風化花崗巖中，總推力<14 000 kN時掘進效率總體大于3.0；總推力>15 000 kN時掘進效率趨近于2.2。總推力增大時，相對于微風化花崗巖，盾構掘進中等風化花崗巖的掘進效率降低速度較快，中等風化地層中總推力對掘進效率的影響程度較大，而微風化地層中總推力對掘進效率的影響程度較低。掘進效率與總推力之間近似呈反比例函數關系，微風化地層、中等風化地層中掘進效率與總推力之間的經驗公式如式(6)、式(7)：

(6)

(7)

3.5 掘進效率與刀盤轉速關系

刀盤轉速也是影響掘進速率和刀盤扭矩的因素之一。總推力一定時，刀盤轉速與刀盤扭矩正相關，是控制設備完好率的關鍵參數。當刀盤轉速和總推力共同增大時，刀盤扭矩與主軸負載相應增大，應關注并控制刀盤扭矩使之不超過限值。刀盤轉速和掘進效率的關系如圖5

由圖5(a)可知，微風化地層中，掘進效率平均值約為2.03，刀盤轉速平均值約為1.45 rpm。結合圖4(a)可知，低推力大轉速施工時的掘進效率最高，大推力低轉速掘進效率均低于低推力大轉速施工時的掘進效率，大推力大轉速施工時由于扭矩最大導致掘進效率更低。

由圖5(b)可知，中等風化地層中，掘進效率平均值約為3.18，刀盤轉速平均值約為1.56 rpm。結合圖4(b)可知，低推力且中等刀盤轉速(n=1.56～1.6 rpm)時掘進效率最高，而低推力大轉速時的掘進效率和大推力低轉速時的掘進效率相似，原因在于中風化地層完整性較差(低于微風化地層)，刀具和掌子面之間存在脫空，過高的轉速會導致刀具空轉，存在能量利用率降低的情況。

圖5 刀盤轉速和掘進效率的關系

3.6 掘進效率工程控制措施

總結機械參數和地質條件對掘進效率影響的經驗規律，可以發現兩項關鍵地質參數均與掘進效率負相關，總推力與掘進效率的負相關。

進度快和高效率都是施工管理的目標，但實際作業中更多的是根據現場情況進行偏向化控制。當工期緊張時需要適當降低效費比，通過讓設備在一定時間內過載來提高掘進速率。當對設備完好性要求較高，如盾構機較老舊或需要重復使用時，則需要在滿足最低掘進速率的基礎上以掘進效率高的掘進參數組合來施工。

所以，在微風化地層中，可以通過低推力高轉速的掘進參數組合提高掘進效率，將總推力設置為18 000±2 000 kN、刀盤轉速設置為1.7±0.3 rpm，實現較高掘進效率的掘進。若要通過降低掘進效率來提高掘進速率，可將推力設定為20 000±2 000 kN，此時為了保證刀盤扭矩不超限值(2.3～2.7 MNm)，刀盤轉速可設置為1.4±0.2 rpm，此時掘進效率降低，設備負載提高，可短時間提高掘進速率但不宜長期保持。

在中等風化地層中，以高掘進效率掘進時，可將總推力設為14 000±1 000 kN、刀盤轉速設為1.6±0.1 rpm。若要進一步提高掘進速率，可將總推力設為16 000±1 500 kN、刀盤轉速設為1.4～1.5 rpm，此時犧牲了一部分掘進效率。

4 結 論

筆者提出以掘進速率與刀盤扭矩的比值表征掘進效率，并根據深圳市城市軌道交通8號線一期工程現場施工數據及實測地層參數，對中等風化花崗巖地層和微風化花崗巖地層的盾構掘進效率進行研究，得出以下結論：

1)巖石的單軸抗壓強度和巖體的完整性系數是影響掘進效率的重要因素，且均與掘進效率負相關。掘進效率與巖石飽和單軸抗壓強度、巖體完整性系數之間的經驗關系均可近似為冪函數，隨單軸抗壓強度和巖體完整性系數的增加掘進效率逐漸趨于1.3。

2)掘進效率與總推力負相關，經驗關系可近似為反比例函數。微風化地層中總推力小于20 000 kN時掘進效率較高，中等風化地層中總推力小于15 000 kN時掘進效率較高。中等風化地層中總推力對掘進效率的影響程度較大，而微風化地層中總推力對掘進效率的影響程度較低。

3)在微風化地層中，可以通過低推力高轉速的掘進參數組合提高掘進效率。可通過降低掘進效率來提高掘進速率，可將總推力和刀盤轉速分別設為20 000±2 000 kN、1.4±0.2 rpm，但不宜長期保持。

4)在中等風化地層中，以高掘進效率掘進時，總推力和刀盤轉速可設為14 000±1 000 kN、1.6±0.1 rpm。可通過犧牲掘進效率提高掘進速率，此時總推力、刀盤轉速可分別設為16 000±1 500 kN、1.4～1.5 rpm。