京張高速鐵路清華園隧道大直徑泥水盾構掘進參數統計分析

劉磊

中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京210003

盾構法因施工安全可靠、快捷高效，對周圍地層擾動弱而得到廣泛應用，尤其是在城市建（構）物密集區［1］。盾構施工過程中，為了維持盾構機性能穩定，提高掘進效率，并最大程度地降低盾構掘進對周圍地層的擾動，必須合理控制盾構掘進參數，如盾構機泥水壓力、掘進速度、刀盤扭矩與轉速、注漿壓力與體積等［2］。李錕等［3］對深圳地鐵天健花園站—龍城中路站區間左線土壓平衡盾構掘進參數進行相關性分析。其中，區間隧道開挖直徑為6.46 m。汪輝武等［4］對寧波地鐵1號線海晏北路站—福慶北路站區間盾構施工過程進行模擬，分析盾構掘進過程中管片注漿時間和壓力、頂進力、上下頂進力差等掘進參數對管片上浮與地表沉降的影響規律。其中，盾構掘進直徑為6.2 m。史金洪等［5］對昆明市地鐵4 號線昆明東站—牛街莊站區間土壓平衡盾構掘進參數進行統計分析，建立了土壓力、推力、刀盤扭矩等因素與盾構掘進速度之間的擬合公式。沈翔等［6］依托大連地鐵港灣廣場站—中山廣場站區間隧道工程，分析現場實測土壓盾構掘進參數變化規律。其中，盾構區間外徑為6.0 m。張世豪等［7］依托深圳地鐵8 號線一期工程分析了盾構總推力及刀盤轉速對盾構掘進效率的影響規律。其中，盾構開挖直徑為6.28 m。

在對既有工程進行總結分析的同時，為了能夠指導后續類似工程施工，眾多學者提出了各種預測盾構掘進參數的模型或方法。加武榮［8］結合室內試驗與現場實測結果分析泡沫注入率對復合地層下盾構掘進參數的影響規律。羅維平等［9］基于Python 語言提出一種能夠預測盾構泥水壓力的隨機森林預測模型。黃靚鈺等［10］以長沙地鐵3號線盾構穿越水下巖溶段為工程依托，提出了一種以地層特征參數和隧道特征參數為輸入數據、以盾構掘進參數為輸出數據的BP 神經網絡水下巖溶盾構掘進參數預測模型。其中，盾構掘進參數包括掘進速度、推力、刀盤扭矩、開挖面土倉壓力、同步注漿量等，盾構管片外徑為6.2 m。牟松等［11］提出一種將正反向神經網絡相結合的盾構掘進參數預測方法，并通過某盾構掘進實測參數值對預測結果進行驗證。其中，實測盾構隧道開挖直徑為6.28 m。

現有研究中盾構開挖直徑多集中在6.0 m 左右，有關大直徑（大于10.0 m）泥水盾構隧道掘進過程中盾構掘進參數變化規律及其參數之間相關性強弱的研究較少。本文以京張高速鐵路清華園大直徑（開挖直徑12.64 m）泥水盾構隧道工程（3#—2#盾構區間）為依托，對盾構掘進過程中盾構機泥水壓力、推力、刀盤扭矩、掘進速度及注漿參數進行統計分析。

1 工程概況

京張高速鐵路是連接北京和張家口的城際鐵路，是2022 年北京冬奧會的重要交通設施。清華園隧道位于北京市海淀區，是京張高速鐵路的控制性工程之一。清華園隧道始于學院南路南側，終于清華大學東門，全長6.02 km，共設計3 座豎井［12］。清華園隧道3#—2#盾構區間（DK18+200—DK16+459）全長1.74 km，平均覆土厚度14.0 m。盾構區間采用直徑12.64 m、全長124.0 m 的海瑞克泥水平衡盾構機，區間管片采用全預制拼裝法，內外徑分別為11.1 m 和12.2 m，管片寬度與厚度分別為2.0 m和0.55 m［13］。盾構區間上部地層主要為雜填土、粉質黏土①、粉土、粉質砂土與中砂夾層，中部地層為砂卵石①、粉質黏土②及粉質砂土，下部地層為砂卵石②。地下水類型主要為上層滯水、潛水及承壓水。地下水對混凝土及其內部鋼筋具有微腐蝕性。在干濕交替環境下，地下水對混凝土內部鋼筋及鋼結構具有弱腐蝕性［14］。

2 盾構機掘進參數統計分析

2.1 盾構機泥水壓力統計分析

盾構機掘進過程中泥水壓力變化曲線及其頻數直方圖見圖1。掘進800 環過程中泥水壓力的統計特征見表1。

圖1 盾構機泥水壓力及其頻數直方圖

表1 盾構機泥水壓力的統計特征

由圖1（a）可知，泥水壓力在盾構機掘進過程中大致經歷了四個階段：①急速增長階段（0 ～80環），泥水壓力從0.023 MPa 急速增加到0.013 MPa，增長速率達0.00134 MPa/環。由于此時的盾構機淺層始發，故初始泥水壓力較小。隨著盾構機所處埋深增加，泥水壓力急速增大。②平穩變化階段（81 ～155 環），此時的泥水壓力最小值和最大值分別為0.122 MPa 和0.162 MPa，平均值為0.137 MPa。由于此時盾構機已到達隧道埋深，且此階段為粉質黏土地層，故泥水壓力平穩變化。③近似線性增長階段（156 ～440環），泥水壓力從0.106 MPa 近似線性增加到0.20 MPa。由于此階段盾構機從粉質黏性地層逐漸進入上軟下硬地層，需要更大的泥水壓力來切削土體，故泥水壓力近似線性增加。④基本穩定階段（441 ～800環），此時的泥水壓力基本維持在0.186 ～0.199 MPa，平均值為0.192 MPa。由于此階段盾構機已進入砂卵石地層，故泥水壓力基本穩定。

由圖1（b）可知，泥水壓力頻數基本呈雙峰正態分布（決定系數R2=0.98），第一個峰值對應粉質黏土地層，泥水壓力主要在0.115 ～0.155 MPa；第二個峰值對應砂卵石地層，泥水壓力主要在0.185 ～0.215 MPa。

2.2 盾構機推力統計分析

盾構機掘進過程中推力變化曲線及其頻數直方圖見圖2。掘進800環過程推力的統計特征見表2。

圖2 盾構機推力及其頻數直方圖

表2 盾構機推力的統計特征

由圖2（a）可知，盾構推力在盾構機掘進過程中大致經歷了兩個階段：①第一階段（0 ～155 環），盾構推力平均為3.37×104kN。此時盾構機位于淺層始發段及粉質黏土地層中，盾構推力平均值較小。②第二階段（156 ～ 800 環），盾構推力平均為4.98 × 104kN，增幅47.77%（相比第一階段）。此時盾構機已經進入上軟下硬地層及砂卵石地層，盾構外殼與土體或砂卵石之間的摩擦阻力增大，盾構推力平均值較大。

由圖2（b）可知，盾構推力頻數基本呈單峰正態分布（決定系數R2= 0.90），盾構推力峰值主要維持在4 × 104～ 6 × 104kN。由于盾構機在第一階段經歷了155 環，故3 × 104～ 4 × 104kN 區間的盾構推力頻數顯著大于6×104～7×104kN區間的。

2.3 盾構機刀盤扭矩統計分析

盾構機掘進過程中刀盤扭矩變化曲線及其頻數直方圖見圖3。掘進800 環過程中刀盤扭矩的統計特征見表3。可知，刀盤扭矩在盾構機掘進過程中大致經歷了三個階段：①第一階段（0 ～330環）包含盾構機淺層始發、粉質黏土地層及上軟下硬地層，刀盤扭矩平均為6.20 × 103kN·m。②第二階段（331 ～ 630 環）包含上軟下硬地層及砂卵石地層，此階段的刀盤扭矩平均為9.07 × 103kN·m，增幅46.29%（相比第一階段）。③第三階段（631 ～880 環）包含砂卵石地層，刀盤扭矩平均7.62×103kN·m，降幅19.03%（相比第二階段）。這三個階段與盾構機所穿越地層情況之間無顯著的對應關系。導致這種現象的原因可能是刀盤扭矩與地層之間相關性較弱或者受盾構司機操作水平影響所致。

圖3 盾構機刀盤扭矩及其頻數直方圖

表3 盾構機刀盤扭矩的統計特征

2.4 盾構機掘進速度統計分析

盾構機掘進過程中掘進速度變化曲線及其頻數直方圖見圖4。掘進800 環過程中掘進速度的統計特征見表4。

圖4 盾構機掘進速度及其頻數直方圖

表4 盾構機掘進速度的統計特征

由圖4（a）可知，盾構掘進速度在整個過程中大致經歷了兩個階段：①急速增長階段（0 ～95 環），盾構掘進速度從8.0 mm/min急速增加到26.0 mm/min，增長速率達每環0.225 mm/min。由于此時的盾構機從淺層始發段開始，故盾構掘進速度急速增長。此外，盾構掘進初始階段須逐步適應周圍地層，故盾構掘進速度波動變化較大。當盾構機到達隧道埋深時，掘進速度達到最大值。②平穩變化階段（96 ～800 環），盾構掘進速度平均為20.5 mm/min。隨著盾構機所處深度增加，地層條件更加復雜，故盾構掘進速度逐漸放緩并趨于平穩波動。此外，盾構機已逐步適應周圍地層，故盾構掘進速度波動變化較平穩。

由圖4（b）可知，盾構掘進速度的頻數基本呈單峰正態分布（決定系數R2=0.98），掘進速度的峰值主要在14 ～ 24 mm/min。

2.5 盾構機注漿參數統計分析

盾構機掘進過程中注漿參數變化曲線見圖5，頻數直方圖見圖6。掘進800 環過程中注漿參數的統計特征見表5。可知，同步注漿壓力變化曲線無明顯規律可循，整個掘進過程中盾構機同步注漿壓力在區間0.35 ～0.56 MPa 波動變化。二次注漿壓力和體積在盾構機淺層始發階段較小，平均值分別為0.05 MPa和8.5 m3。當盾構機到達隧道埋深后，由于盾構機與周圍地層之間有一個相互適應過程，故早期掘進階段的二次注漿壓力和體積波動變化較大。隨著盾構機與周圍地層逐步適應，二次注漿壓力和體積的變化逐漸趨于穩定，平均值分別為0.07 MPa 和9.5 m3，頻數變化峰值分別集中在 0.65 ～0.75 MPa 和 9.0 ～ 10.0 m3。同步注漿體積在盾構機淺層始發及早期適應階段的波動變化范圍均較大。在盾構機與周圍地層適應后，同步注漿體積變化也逐漸趨于穩定，平均值為25 m3，相對應的頻數變化峰值集中在25.0～31.0 m3。

圖5 盾構機注漿參數變化曲線

圖6 盾構機注漿參數頻數直方圖

表5 注漿參數的統計特征

3 盾構機掘進參數相關性分析

相關性指兩個變量或者滿足條件的多個變量之間的關聯程度，可以通過相關系數r來定量描述，r的取值為［-1，1］。根據相關系數可以將變量之間的關聯程度分為正相關（0＜r≤ 1）、負相關（-1≤r ＜0）以及不相關（r=0）。變量之間關聯程度隨著相關系數絕對值的增大而加強，正負號僅表示變量之間關聯程度的相關方向，相關系數絕對值表示變量之間關聯程度的強弱［15］。變量之間相關性強弱可根據表6判斷。

表6 相關性強弱劃分

兩個變量之間的相關系數r計算式［16］為

式中：n表示數據組數；（xi，yi）表示第i組數據值；（xˉ，yˉ）表示所有數據組的均值。

利用式（1）計算盾構機泥水壓力、推力、刀盤扭矩、掘進速度及注漿參數（同步、二次注漿的壓力和體積）兩兩之間的相關系數，結果見表7。可知，泥水壓力與刀盤扭矩之間的相關性系數為0.63，二次注漿壓力與體積之間的相關性系數為0.79，盾構機掘進參數之間表現出強相關性。泥水壓力與推力、二次注漿壓力、二次注漿體積之間的相關性系數分別為0.52、0.41、0.45，推力與刀盤扭矩之間的相關性系數為0.56，盾構機掘進參數之間相關性中等。盾構機的其他掘進參數兩兩之間的相關性均為弱或極弱。

表7 盾構機掘進參數相關系數

4 結論

1）盾構機從淺層始發到隧道設計埋深的掘進過程中，盾構機泥水壓力、推力及掘進速度均急速增加。盾構機在隧道埋深位置正常掘進過程中，盾構機推力、掘進速度及注漿參數均保持一定范圍內的平穩波動變化。

2）盾構機泥水壓力的頻數呈雙峰正態分布，決定系數R2= 0.98；盾構機推力的頻數呈單峰正態分布，決定系數R2=0.90；盾構機掘進速度的頻數呈單峰正態分布，決定系數R2=0.98。

3）泥水壓力與刀盤扭矩之間、二次注漿壓力與體積之間均表現出強相關性，泥水壓力與推力、二次注漿壓力、二次注漿體積之間均表現出中等強度的相關性，其他掘進參數兩兩之間的相關性均為弱或極弱。