海域復雜地層超大直徑泥水盾構掘進參數分析研究*

王 凱，盛永清，王國安，曾垂剛，張 兵，韓偉鋒

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；3.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

盾構機作為隧道施工的掘進裝備，融合了機械、電子、液壓、控制等先進技術，具有施工安全性好、效率高、對環境影響小等優點，因而得到了廣泛應用[1]。盾構以工程場地水文、地質條件為基礎開展適應性設計，在盾構實際應用中因地質不同表現迥異[2]。北京砂卵石地層存在土倉壓力建立難、推力及扭矩過大、地表沉降嚴重的問題[3]。華南地區常見的上軟下硬地層除刀具磨損加劇外，相比均一地層盾構有向軟弱地層偏移的趨勢[4-5]。在淤泥、淤泥質土、粉土等軟土中施工時，盾構機易發生栽頭現象[6]。泥水盾構支護壓力參數設定極為關鍵，直接關系到掌子面的穩定。在工程實踐中，推力、扭矩、貫入度等關鍵參數既作為評估當前盾構掘進表現的指標，又是盾構進行必要調整的依據[7]。掘進參數明顯的高出、低于預期值，要對掘進參數異常的原因進行分析并采取應對措施[8]。對掘進參數異常的判斷主要基于盾構當前的參數與設計要求對比、操作人員主觀經驗，尤其參考已掘進段的推力、扭矩、貫入度等[9]。肖超、徐汪豪等用統計方法分析了大直徑泥水盾構不同地層的掘進參數，最后對盾構穿越不同地層掘進參數進行了控制[10-11]。趙博劍等[12]用數理統計方法分析了5個關鍵掘進參數與6種主要地層的相關性，為同類型盾構在復合地層條件下掘進參數的選取和優化提供指導。另外，包括粒子群算法(particle swarm optimization)，支持向量機(support vector machine)以及一些人工智能算法也應用到掘進參數的分析與預測中[13-15]。伴隨盾構直徑尺寸不斷突破，在深埋、高水壓、復雜地層應用場景不斷增多，要求對其掘進參數進行分析為當前工程進行指導，也為后續工程提供參考。汕頭蘇埃通道作為國內超大直徑盾構在海域環境應用的工程，地質條件比較復雜，通過對盾構掘進參數分析研究，可為盾構剩余里程的掘進提供技術支撐，也可為超大直徑選型設計提供一定的參考。

1 工程概況

蘇埃通道工程路線全長6.68km，共設置互通立交2處，地面收費站1座，風塔2座，通道穿越海域段采用盾構法施工，包括2條平行隧道(東線、西線)，長度為3 047.5m。盾構段平面如圖1所示，在南岸填海建造圍堰結構并筑始發井，盾構由南至北經始發井依次穿越始發端頭及回填區、軟土段、基巖段直至到達北岸接收井。

圖1 汕頭蘇埃通道工程盾構段平面

東線隧道采用1臺開挖直徑15.01m的海瑞克泥水盾構機施工(見圖2)，該盾構為常壓刀盤設計，刀盤被縱向可移動球面軸承支撐，通過液壓油缸操縱實現伸縮與擴挖功能，盾構裝備參數如表1所示，管片環寬2.0m。

圖2 汕頭蘇埃通道東線盾構(海瑞克S1046)

表1 盾構主要參數

盾構以-3%的坡度始發，隨后線路按-0.3%坡度至隧道最低點(平均潮水位下37.14m)，然后路線按0.3%，2.9%上坡至北岸接收井。盾構將穿越淤泥、淤泥質土、花崗巖、淤泥混砂、粉質黏土、基巖突起段、礫砂，其中始發段端頭及回填段為基巖孤石段，接著盾構進入約1 500m的軟土段，隨后盾構將進入累計長度182m的基巖突起段(主航道下方)。盾構從里程EK6+837.5掘進至里程EK4+917.5，到達基巖突起段附近尚未掘進，故不在研究之列。

2 海域復雜地層掘進參數選取

用于掘進參數分析的數據從智慧盾構大數據平臺獲取，數據平臺從盾構主控室PLC中讀取大量的機器數據并傳輸至該平臺存儲，數據傳輸路徑如圖 3所示，用戶根據需要提取對應的參數，要分析的數據量為GB級，可通過篩選出掘進狀態數據或每環參數平均值等方法降低數據的分析規模。

圖3 數據采集傳輸路線

除刀盤轉速、貫入度、總推力、扭矩作為基本的分析參數外，結合盾構特點進行參數挖掘。盾構采用可移動球面軸承支撐，刀盤水平方向受力如圖4所示，水平方向刀盤受泥水壓力Fsl及刀具貫入阻力Fc，其中刀盤水平方向受力Fdsp為可采集參數，結合泥水壓力分布的規律，可等效為刀盤中心區域受泥水擠壓力。

圖4 刀盤水平方向受力

(1)

(2)

式中：Rb為主軸承半徑；盾構總推力Ft可表達為盾構主機正面阻力Fslc，Fc、摩阻力Fμ(包括土體與盾構、盾尾與管片及后配套牽拉阻力等)；R為盾構開挖半徑。

Fslc=πR2·Psl

(3)

Fμ=Ft-Fslc-Fc

(4)

選取盾構刀盤轉速、貫入度、總推力、扭矩、刀盤伸縮總擠壓力(刀盤水平方向受力)Fdsp、泥水壓力、Fc，Fsl，Fμ作為基本的分析參數。

3 掘進參數分析

將刀盤轉速和貫入度的平均值作為統計量，1～959環的變化規律如圖5所示，從圖中可知基巖、孤石段轉速控制在0.6r/min，貫入度則在6mm/r附近；在全斷面軟土地層盾構的轉速控制在1.0～1.2r/min，貫入度一般可達到25mm/r，差異性較大。

圖5 盾構轉速和貫入度變化曲線

總推力中各主要成分的變化曲線如圖6所示，按占比權重排序依次為泥水阻力、摩擦阻力、刀具貫入阻力。泥水阻力由支護壓力決定，而支護壓力的設定與盾構埋深、地層力學參數相關，因此泥水阻力與盾構中心埋深h關聯性很高，其線性關系為：

圖6 總推力中主要成分變化

Fslc=ah+b(R2=0.820 7)

(4)

式中：回歸結果顯示系數a范圍為2 053～2 179；系數b范圍-6 781～-3 266；R2均值0.820 7，隨著盾構埋深的增加泥水阻力部分線性增加。盾構摩擦阻力最重要的是盾體與地層之間的摩阻力，受埋深、側壓力系數、摩擦系數等諸多因素影響，通過摩擦阻力與埋深線性擬合，R2=0.452 6相關性不顯著。200～959環盾構的埋深按0.3%的坡度變化，埋深差異3.0m以內,摩擦阻力變化可達1.2×104kN，500～550環摩擦阻力顯著增高，因地質由混砂向淤泥質土變化；750～850環摩擦阻力升后降，因混砂增多，粉細砂減少，摩擦阻力上升；隨后混砂減少，中粗砂、粉細砂增多，摩擦阻力上升。同等埋深下，地層由側壓力系數大的土層向側壓力系數小的砂層變化時，摩擦阻力呈降低趨勢。Fc在總推力中占比低，基巖段平均比例為8.58%，軟土段平均比例為3.50%，而泥水壓力與埋深h相關性高，總推力基本隨摩擦阻力變化波動，線性擬合關系如式(5)所示：

Ft=1.372Fμ+4.948×104(R2=0.89)

(5)

為進一步比較扭矩T和Fc(刀具貫入阻力)的變化規律，選取典型的基巖段(3～34環)和全斷面軟土段(450～600環)作為對比如圖7所示，比較扭矩和切削力的平均值，發現基巖段的扭矩和推力變化明顯超過軟土段，在基巖段3～34環平均扭矩為1 593～3 484kN·m，平均刀具貫入阻力為1 754～5 965kN；對比全斷面軟土地層450～600環平均扭矩為1 714～3 084kN·m，平均刀具貫入阻力為2 772～3 429kN，顯然基巖段比軟土段荷載波動劇烈。

圖7 不同地層刀具貫入阻力、扭矩變化曲線

選取基巖段和軟土段扭矩和貫入阻力進行概率分布統計，穩定的掘進過程下扭矩和貫入阻力指標符合尺度參數和位置參數的t分布(tlocation-scale distribution)，基巖段相比軟土段概率密度曲線整體向右邊移動，形態上接近窄條形變為扁平狀，反映軟土段推力、扭矩數值分布較為集中，而基巖段的兩項指標集中度劣于軟土段，如圖8所示。

圖8 不同地層扭矩、貫入阻力概率密度曲線

基巖段和軟土段由于貫入度差異較大，為了進一步探索兩類地層下載荷的變化規律，引入T/P(TPI)、Fc/P(FPI)表示單位切深下的扭矩、切削力，圖9為FPI，TPI變化曲線，在FPI，TPI指標上基巖段相比軟土段呈現數值大、波動大的特點(FPI，TPI統計如表2所示)，主要由于基巖面起伏導致且滾刀破巖過程中能量的積聚和釋放是一個不平穩的過程，而軟土段地層差異性小，切削軟土過程相比破巖過程更加平穩。

圖9 不同地層FPI，TPI變化曲線

表2 FPI，TPI統計

利用FPI，TPI兩個參數對地層進行判斷，TPI>235，FPI>312可劃為基巖段；TPI<167，FPI<233劃為軟土段；中間位置為過渡區。1～969環掘進數據基于FPI和TPI的分類如圖10所示，能較好實現對不同地層的分類并指導施工的開展。

圖10 基于FPI，TPI的地層分類

4 結語

本文從S1046盾構在蘇埃通道前959環的掘進數據作為基礎，結合盾構主機設計特點，分析了盾構總推力主要成分占比及規律，得到泥水阻力與埋深，總推力與摩擦阻力的關系，分析了陸域基巖段和軟土段掘進參數的差異，提出了基于TPI和FPI的地層分類方法。

1)基于可移動球面軸承支撐的設計優勢，通過采集的總推力、伸縮總擠壓力、泥水壓力分離出Fc，Fsl，Fμ，參數分析表明泥水阻力Fsl在總推力中占比最大，與盾構埋深正相關；摩擦阻力Fμ在總推力中占比次之，總推力的波動基本隨摩擦阻力變化波動；刀具貫入阻力Fc占比較小。

2)相比軟土段，基巖段在掘進參數控制上采用低轉速、低貫入度的策略，但基巖段的刀具貫入阻力和扭矩的波動明顯較軟土段強烈。基巖段和軟土段貫入阻力和扭矩的概率密度能較好地通過尺度參數和位置參數的t分布描述，基巖段概率密度曲線扁平，軟土段對應曲線呈窄條形。

3)引入TPI和FPI指數，通過對比發現基巖段和軟土段數據，已掘進軟土段TPI為71～167，FPI范圍為110～233與基巖段的TPI，FPI值差異性明顯，可通過TPI和FPI來對基巖段和軟土段進行劃分，進而指導現場的施工。

4)在實際施工中Fc較總推力、伸縮總擠壓力在表征垂直掌子面的作用力上更加準確，應該作為主要的分析參數，除轉速、貫入度、扭矩參數數值波動要關注外，通過TPI和FPI指數對基巖段和軟土段判斷是一種有效的方法。

5)針對海域基巖段掘進，施工方案建議以0.8～1r/min，貫入度3 ～5mm/r的參數掘進，在接近海域基巖段10環左右的軟土段可采用上述參數進行掘進，通過采集試驗段參數，分析TPI和FPI有助于更加準確判斷盾構是否進入基巖，借助TPI與FPI線性擬合系數定性比較巖石侵入高度，對施工具有很好的指導意義。