土壓平衡盾構掘進土量平衡及參數相關性分析

2021-10-21 01:52:46竇正磊李大華張自光

安徽工程大學學報 2021年4期

關鍵詞：施工

竇正磊，李大華，張自光

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽合肥 230000)

隨著地下軌道交通的發展，盾構施工技術也得以快速發展?，F階段隧道施工廣泛使用土壓平衡盾構，土壓平衡盾構存在出土率高、適用地層的范圍較廣等優點，在掘進時能夠有效地維持土體的穩定從而降低對地表沉降的影響。因此，充分了解土壓平衡盾構掘進時存在的平衡關系以及各施工參數間的相關性是專家廣泛關注的問題。

針對土壓平衡盾構的平衡狀態及參數的相關性，國內外學者結合理論和實驗分析對此做出了大量的研究：胡國良等研究發現可通過實時調整推進速度或輸送機轉速，進而控制土倉壓力維持在設定的范圍內，從而達到土壓平衡狀態；王洪新等建立了土壓平衡盾構掘進的數學物理模型，進一步推導出盾構各施工參數間的相關性；周冠南分析螺旋輸送機排土及保壓作用時，總結出土倉內外壓力及進、出土量的平衡可通過對排土量的控制來實現；邢彤等通過模型試驗分析了刀盤扭矩與刀盤開口率、土倉壓力、推進力的關系；江華等以北京地鐵9號線為背景討論了輻條式與面板式在大粒徑卵礫石地層施工時參數的關鍵性特征。

上述研究提出了通過改變輸送機轉速或推進速度來控制排土量的思路，但對其土量平衡狀態分析則不夠全面，并且參數的相關性大多數是基于模型試驗進行驗證的，忽略了地層的復雜性，因此不能為實際盾構施工提供較高的參考價值。研究對盾構掘進時的土量平衡進行理論分析，提出了通過控制輸送機轉速與推進速度的比值來維持土量平衡，從而使盾構達到土壓平衡狀態。同時對合肥地鐵4號線盾構施工中的關鍵參數進行統計分析，得出相應的相關性，其結果可為將來合肥地區類似工程提供參考。

1 土量平衡

1.1 土量平衡理論分析

現階段土壓平衡盾構在施工時，主要以控制土壓力為目標，建立盾構的土壓平衡狀態。所謂土壓平衡狀態就是土倉內的土壓力等于前方土體對盾構的水土壓力。施工前首先設定好土倉內的壓力值，一般壓力值的取值范圍是：(水壓力+主動土壓力)<

<(水壓力+被動土壓力)。然后，結合掘進時監測的地表沉降、隆起等數據對土倉內的壓力值進行調整，通過改變土壓平衡盾構的推進速度或螺旋輸送機的轉速來調整土倉內的壓力值，從而確保開挖面的穩定。然而復雜的土層條件導致實際操作中很難確定開挖面的水土壓力且這種滯后操作需要施工人員具備豐富的施工經驗才能精準地調控盾構開挖，故很容易造成不平衡掘進的現象。因此可以考慮盾構存在的另一種平衡狀態--土量平衡，即刀盤開挖進土倉內的土量等于螺旋輸送機排出的土量。土壓平衡盾構的工作狀態如圖1所示。其中，盾構推進的距離是

；盾構刀盤切削進入土倉內的天然狀態土體積是

；螺旋輸送機排出去的天然狀態土體積是

；故盾構擠壓前方土體的體積變形量為

擠壓=

，用擠壓量除以盾構掘進面的截面積就得出不平衡掘進量

。王洪新引入接觸壓力作用下土體產生單位變形時的反力值

,即似剛度，則超推進(欠推進)狀態時盾構掌子面壓力與靜止側向土壓力之差和不平衡掘進量的物理關系式為

Kdl

。如果

，則掌子面的壓力大于側向土壓力，對前方土體形成擠壓，造成超推進現象。反之，如果

，盾構對前方土體形成卸載,造成欠推進現象。因此，維持盾構的土量平衡，使得開挖的土體能夠及時通過輸送機排出就能穩定土倉內的壓力值，從而達到土壓平衡狀態保證盾構施工的安全。

圖1 土壓平衡盾構掘進的原理圖

1.2 挖土量與排土量

針對土壓平衡盾構掘進時的土量平衡，主要需要研究單位時間內刀盤切削進土倉內的土量和螺旋輸送機排出的土量。假設盾構掘進速度為

,盾構開挖面的半徑為

，則單位時間

內的挖土量為

而盾構在掘進過程中，開挖的天然土體經過刀盤的切削以及在土倉內的攪拌擠壓，土的內部結構容易發生改變，因此螺旋輸送機排出去的土體與開挖的土體相比變得更加松散，故需要考慮土的松散系數

，由此得出的挖土量

才是螺旋輸送機排出土量的體積。土壓平衡盾構通常采用中心軸螺旋桿式輸送機，輸送機排出的土量主要受其轉速的控制，因此，假設螺旋輸送機的直徑為

,螺旋輸送機軸的直徑為

，螺旋輸送機的節距為

，則土體充滿螺旋機內部情況下單轉的排土量為

式中,

為添加泡沫劑后將土體積換算為重量的參數；

為螺旋輸送機轉速；

為土體的天然容重。

1.3 土壓平衡比

根據挖土量與排土量的公式可進一步推導出出土率

為

出土率是衡量土壓平衡盾構處于土量平衡狀態的重要參數，因此準確把控出土率的大小才能使盾構保持穩定掘進的狀態。但實際施工中，盾構的出土量非常大，很難準確對出土率進行定量的控制。通過公式可以發現出土率與推進速度、螺旋輸送機轉速存在明顯的線性關系，并且這兩個數據都是可以直接控制的，因此可以通過控制推進速度和輸送機轉速的比值使得盾構處于土量平衡狀態。當出土率

=100%時，盾構的挖土量就等于排土量，盾構對土體的擾動最小，處于土壓平衡狀態，同時盾構掘進速度與螺旋輸送機的比值也保持為定值，關系式為

2 工程概況

2.1 隧道施工方案

合肥地鐵4號線二標區間隧道始于豐樂河路站東端，沿習友路路中下方穿行至玉蘭大道站西端，為兩條單洞單線圓形隧道，區間左線長1 473.560 m，右線長1 470.778 m,地理位置如圖2所示。區間隧道采用兩臺土壓平衡盾構進行施工，平面最小曲線半徑為500 m，線間距為9.1～17.5 m,區間隧道覆土厚度約為8.85～16.85 m,最大坡度28%。土壓平衡盾構開挖直徑為6 280 mm,最大推進速度可達到80 mm/min，盾構刀盤的開口率為60%。用于運輸渣土的螺旋輸機最大轉速可達25 rmp，輸送機殼體內徑為700 mm，螺桿的直徑為220 mm，葉片的間距為560 mm。

圖2 區間現狀地理位置示意圖

2.2 工程地質條件

土壓平衡盾構施工穿越的土層地質條件如表1所示。記錄監測數據的路段地層主要為⑨強風化砂質泥巖和⑨中風化砂質泥巖，土質較均勻。

3 隧道施工工程現場監測分析

表1 掘進區域內地層的物理力學特性

圖3 264～363環區間螺旋輸送機轉速與推進速度比值

4 掘進參數相關性分析

為了更全面研究土壓平衡盾構施工時的平衡狀態，需要分析掘進參數之間的相互影響。不同的地質條件會導致盾構的施工參數存在較大差異，且盾構參數之間的相互關系較為復雜，很難通過函數關系進行表示。故可以依據現場監測數據討論各掘進參數之間的相關性。選取合肥地鐵4號線盾構施工的264～363環作為試驗區間，記錄每一環的土倉壓力、推進速度、輸送機轉速、總推力及刀盤扭矩等數據，通過統計回歸對相關性進行分析。

4.1 土倉壓力和螺旋輸送機轉速、推進速度的關系

4.2 總推力和螺旋輸送機轉速、推進速度的關系

盾構的總推力主要受開挖過程中的總阻力與開挖面的水土壓力的影響，而總推力的大小決定了盾構推進快慢，因此就需要討論總推力和輸送機轉速、推進速度的關系。通過現場數據分析得出的關系曲線如圖5所示。由圖5可以看出,總推力與輸送機轉速

推進速度呈負相關，其中相關系數

216 8。因為盾構在掘進時總阻力的影響因素較多，導致總推力的值不斷發生變化，所以兩者的相關性較弱。

圖4 土倉壓力與輸送機轉速/推進速度的關系圖5 總推力與輸送機轉速/推進速度的關系

4.3 土倉壓力與刀盤扭矩的關系

刀盤扭矩是影響盾構正常掘進的關鍵性因素，刀盤扭矩的大小決定了刀盤切削土體的能力，若刀盤扭矩過小，會出現動力不足刀盤被困住的現象。依據現場數據分析得到土倉壓力與刀盤扭矩的關系曲線如圖6所示。由圖6可以看出，土倉壓力與刀盤扭矩呈負相關，其相關系數

365 7，兩個參數的相關性中等。因此，施工時要注意刀盤扭矩的變化對土倉壓力的影響，才能保證盾構的順利開挖。

4.4 總推力和刀盤扭矩的關系

土壓平衡盾構主要通過控制土倉壓力來防止地表土層的下沉，一般都是討論參數與土倉壓力的相關性，而忽視了對其他參數內在關聯性的研究。依據現場監測數據討論總推力與刀盤扭矩的相關性，關系曲線如圖7所示。由圖7可知，相關系數

023 1，兩個參數并不存在相關性。

圖6 土倉壓力與刀盤扭矩關系圖7 刀盤扭矩與總推力的關系

5 結論

研究總結了土壓平衡盾構掘進中的土量平衡狀態，若盾構能控制土量平衡就能使其處于土壓平衡狀態，對地層產生的損失值最小。

參數相關性主要是基于合肥地質條件收集的數據進行分析，得出土倉壓力與螺旋機轉速

推進速度、刀盤扭矩存在較強的相關性；土倉壓力隨著螺旋機轉速

推進速度和刀盤扭矩的增加而降低；總推力與螺旋機轉速

推進速度存在一定的相關性。故合肥類似工程施工時可結合上述參數的相關性結果對盾構的土壓平衡進行控制，避免造成不平衡掘進。