上軟下硬復合地層土壓盾構掘進參數演化規律分析

李經緯

（南京龍鈺建筑工程有限公司，江蘇 南京 211299）

1 前言

隨著地下工程的快速發展，國內諸多城市開始興建地鐵，盾構法作為地鐵隧道施工方法的一種，因其受氣候條件的影響小、對地面及地下環境影響小、掘進效率高、自動化程度高等特點而被廣泛運用。但在盾構掘進施工過程中采用不恰當的掘進參數極易導致盾構掌子面失穩破壞、地層沉陷、盾構偏差過大、姿態控制難度大等問題。因此，為保證土壓盾構施工期間的安全，探究掘進參數之間的相關性對掘進參數控制顯得尤為重要。

近年來，已經有許多的學者對盾構在復合地層施工時掘進參數的演化規律及參數關聯性展開了研究，其中趙博劍等依托深圳地鐵11號線（公廟站～紅樹灣站）工程，分析了在復合地層掘進時5種主要盾構掘進參數與不同地層間的相關性；沈翔等采用數理統計的方法分析了復雜地層條件時的盾構掘進參數控制技術及其變化規律；徐汪豪等依托北京清華園隧道，分析了盾構在不同地層掘進時主要掘進參數的變化規律及波動情況；李琨等采用多元線性回歸和隨機森林的方法對6個主要掘進參數的相關性進行了定量分析并建立預測模型。

通過盾構施工現場數據分析上軟下硬復合地層中主要掘進參數的變化規律，接著采用曲線擬合方法，得出各項掘進參數的變化規律及其之間相互關聯性，對提升盾構掘進效率和保障施工安全具有重要作用，能夠為類似工程施工過程中掘進參數調整與控制提供參考。

2 工程背景

該區間隧道正線采用盾構法施工，區間左線長804.395m，右線長815.196m，線間距14～17m，隧道頂埋深9.9～17.5m。盾構掘進過程區間隧道穿越土層主要為礫砂、中砂、粗砂等，部分區域穿越中風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖層，同一開挖斷面存在上下軟硬不均的現象，因此盾構進入和離開中風化泥質粉砂巖區段均存在上軟下硬的現象，穿越此種地層時盾構姿態的控制是難點，且掘進參數設置不當不利于有效控制盾構姿態。

3 掘進參數分析

對區間隧道內左線0～210環的盾構隧道掘進參數進行分析，盾構在區段內掘進時地層為上軟下硬復合地層，其中1～50號環管片區間內為沖擊砂礫-中風化泥質粉砂巖（用Ⅰ區表征），50～90號管片區間內為沖擊砂礫-強風化-中風化泥質粉砂巖（用Ⅱ區表征），90～150號管片區間內為沖擊砂礫-強風化泥質粉砂巖（Ⅲ區），150～210號管片區間內為全斷面沖擊砂礫地層（Ⅳ區）。

3.1 盾構總推力

對所研究地層內各環盾構總推力進行統計分析，得到不同地層下總推力變化規律如圖1所示。

圖1 盾構總推力變化曲線圖

由圖1可知，盾構在沖擊砂礫-中風化泥質粉砂巖區段掘進時，此區段內盾構總推力在7100～13700kN之間波動，經計算此區段的平均總推力為11011.4kN；當盾構在沖擊砂礫-強風化、中風化泥質粉砂巖區段掘進時，盾構總推力在11300～13500kN之間波動，經計算得此區段的平均推力為12226.5kN；盾構在沖擊砂礫-強風化泥質粉砂巖區段掘進時，盾構總推力在11200～12900kN之間波動，經計算得此區段的平均推力為11852.2kN；盾構在沖擊砂礫-強風化泥質粉砂巖區段掘進時盾構總推力在10100～12700kN之間波動，經計算得此區段的平均推力為11805.4kN。

根據上述分析可知，盾構在不同地層中掘進時總推力平均值差異不大，均處于為10000～13000kN之間；但是在沖擊砂礫-中風化泥質粉砂巖中總推力的波動性最大，最小值為7100kN，最大值為僅為其他地層條件下總推力最小值的左右，最大值達到13700kN，最小值僅為最大值的52%。可見盾構在復合地層掘進時，兩種巖層的強度差異越大，盾構總推力越不易控制。

3.2 刀盤扭矩

對所研究地層內各環盾構刀盤扭矩進行統計分析，得到不同地層下刀盤扭矩變化規律如圖2所示。

圖2 各地層刀盤扭矩變化曲線圖

從各地層刀盤扭矩變化曲線圖可以看出，刀盤扭矩大小整體呈現逐步下降的趨勢，盾構掘進到沖擊沙礫-中風化泥質粉砂巖刀盤扭矩發生劇烈的波動，波動范圍為2100～3200kN·m。在全斷面沖擊沙礫掘進時刀盤扭矩的值最小，其均值為2371.6kN·m。在不同的復合地層掘進時刀盤扭矩值相差不大，其均值為2637.1kN·m。這是因為盾構在軟硬不均地層掘進時，如沖擊沙礫-強風化泥質粉砂巖，從圖中可以清晰的看到盾構在沖擊沙礫-強風化泥質粉砂巖掘進時，刀盤扭矩的大小呈現一個逐漸下降的趨勢，這表明隨著硬巖（強風化泥質粉砂巖）范圍的減小，刀盤受到的阻力越來越小，刀盤扭矩也相應的減小。

3.3 盾構掘進速度

對所研究地層內各環盾構掘進速度數據進行統計分析，得到不同地層下掘進速度變化規律如圖3所示。

圖3 各地層掘進速度變化曲線圖

從各地層掘進速度變化曲線圖可以看出，盾構機在全斷面沖擊砂礫地層掘進速度最快，其平均速度達到了39.76mm/min，且盾構機在各個地層中的掘進速度變化呈現出先下降后上升的趨勢，由復合地層向沖擊砂礫地層過渡后，掘進速度開始顯著上升，分析其原因為：在上軟下硬復合地層中刀具和軟硬不均巖面作周期性碰撞，造成刀盤振動、刀具磕損，為了保護刀盤和刀具，掘進速度應該要有所降低。盾構掘進到沖擊砂礫地層時，沖擊砂礫的巖石強度要低于強中風化泥質粉砂巖，相同推力的情況下，沖擊砂礫的貫入速率大于復合地層的貫入速率且刀盤受到的阻力較小，從而導致了掘進速度的提高。

4 掘進參數分布情況分析

4.1 盾構總推力與扭矩

將各地層的盾構總推力、扭矩的數據點進行整理，不同地層下分布情況得到如圖4所示的散點圖。

圖4 各地層盾構總推力-扭矩的分布散點圖

以推力和扭矩在不同地層下波動范圍的中心值為坐標原點，建立直角坐標系，坐標系的第一象限為低推力高扭矩組合，第二象限為高推力高扭矩組合，第三象限為低推力低扭矩組合，第四象限為高推力低扭矩組合。從圖4中可以清晰的看到，復合地層（Ⅰ區，Ⅱ區，III區）推力與扭矩的散點主要集中在右上角，全斷面沖擊砂礫地層（Ⅳ區）推力與扭矩的散點主要集中在右下角。右上角代表的時高扭矩高推力組合，右下角代表的是低扭矩高推力組合。這表明盾構在復合地層掘進時掘進參數的選取應為高推力高扭矩組合，在全斷面沖擊沙礫地層中應選用高推力低扭矩組合。

4.2 盾構總推力與掘進速度

將各地層的盾構總推力、掘進速度的數據點進行整理，不同地層下分布情況得到如圖5所示的散點圖。

圖5 各地層盾構總推力-掘進速度的分布散點圖

從圖5中可以清晰的看到，盾構在沖擊沙礫-中風化泥質粉砂巖掘進時的推力和掘進速度散點圖較為分散，在Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區掘進時推力和掘進速度散點圖較為集中，主要分布在第二第四象限。

5 結語

以南昌軌道交通4號線某區間隧道為工程依托，對盾構掘進過程中機器參數的發展及其之間的相關性進行研究，得到結論如下。

（1）掘進參數的穩定性受巖體均勻性和巖體強度均勻性的影響，巖體強度越均勻，盾構的總推力、扭矩和掘進速度越穩定。而盾構總推力、扭矩以及掘進速度在沖擊沙礫-中風化泥質粉砂巖中最不穩定。

（2）復合地層中掘進時刀盤扭矩會隨著掌子面上硬巖范圍的增大而增大，且掘進地層中硬巖強度越大，刀盤扭矩也隨之增大。

（3）盾構在上軟下硬復合地層中掘進時，掘進參數有以下特點：沖擊沙礫地層土層松軟、強度較低，掘進時所需盾構總推力和刀盤扭矩較小，盾構掘進速度大。在上軟下硬復合地層中斷面上下地層強度變化大，總推力及刀盤扭矩需求大，掘進速度偏慢。