富水砂卵石地層V形坡隧道土壓平衡盾構施工掘進參數分析

羅錫波 張祖迪 何鎖宋 郭琪琪 張雪松 胡紹斌 陽超 王玉鎖

【摘 要】?文章以成都軌道交通9號線某V形坡盾構區間隧道為例，考慮V形坡的影響，對盾構施工掘進參數進行統計分析，得出掘進推力、土倉壓力、刀盤扭矩和掘進速度在V形坡影響下的變化趨勢。并進一步進行掘進參數間相關性分析，得出掘進速度受地質情況、刀盤扭矩、土倉壓力和掘進推力等因素影響的結論，提出符合該地層條件下的掘進參數優化建議，為類似工程建設的盾構選型及掘進參數的選擇提供參考。

【關鍵詞】盾構隧道; 掘進參數; V形坡; 富水砂卵石地層; 相關性分析

隨著城市地下空間的發展，越來越多的城市開始修建地鐵，施工面臨的地質情況也越來越復雜多樣。盾構法因其具有對周圍環境影響小、施工速度快、對地層沉降控制好、工程質量容易保證、地層適應性強等優點，在城市地鐵建設中已經成為主要施工手段[1]。文獻[2-3]通過現場實測數據，分析了各掘進參數間的關聯性。文獻[4]提出軟硬不均地層復合盾構掘進參數的控制范圍，并對適應性進行分析。文獻[5-6]通過數值模擬，重點分析掘進參數與圍巖級別的適應性，并提出了針對不同圍巖級別的掘進參數的選擇建議。

目前，針對富水砂卵石地層，已有大量文獻對盾構掘進參數進行了分析研究，但研究V形坡對盾構掘進參數的影響較少，然而目前修建的城市地鐵、水下隧道采用V形坡的工程案例越來越多，同一區間隧道、同一地層，盾構的掘進參數都可能不同，使得在規劃階段對盾構掘進速度的預測偏差較大。為此，本文以成都軌道交通9號線某V形坡盾構區間隧道為例，考慮V形坡的影響，對掘進參數進行分析，以期為類似工程工期預測、掘進參數的選擇提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

成都軌道交通9號線某盾構區間工程地理位置如圖1所示。

1.2 地質條件

該區段地質縱斷如圖2所示。

從圖2中可以看出，此工程段為V字形坡段，左側下坡段坡度值為25 ‰，右側上坡段坡度值為23.628 ‰，為典型的富水砂卵石地層。盾構隧道主要穿越密實卵石土地層，卵石含量占65 %～80 %，粒徑6～10 cm，卵石成分以巖漿巖、變質巖類巖石為主，分選性差，磨圓度較好，呈次圓形至圓形，局部卵石具有風化痕跡，夾雜少量粉細砂，磨圓度較差，呈次棱角狀，砂質較純，砂質成分主要為石英、長石等，分選性較好，級配較差。另外，此工程段地下水埋深一般為5.0～7.20 m，地下水平均埋深6.22 m，地下水標高為502.79～505.99 m。地下水主要存在于砂、卵石土中，水量較豐富，為孔隙潛水。

2 掘進參數分析

由于與盾構相關的參數有很多，并且每種參數有可能受多種因素的影響，所以應該選取那些可以體現不同因素作用，并且和當地的施工條件相結合。而對于成都軌道交通9號線某V形坡盾構區間，選取與地層因素關系較為密切的盾構機掘進推力、刀盤扭矩、土倉壓力和掘進速度4個主要掘進參數進行統計分析，統計結果如表1所示。

對共計600 m的工程實際監測數據，進行分析，可以得到各掘進參數的整體分布情況及隨掘進距離的變化規律。

2.1 掘進推力

上坡段與下坡段盾構掘進推力統計直方圖如圖3所示。

由表1、圖3可知，下坡段掘進推力平均值為1 202.60 t，數值多集中在1 000～1 500 t之間，過大值出現次數較多;而上坡段掘進推力平均值為1 116.19 t，數值多集中在1 000～1 250之間，過大、過小值較少出現。通過單樣本K-S檢驗，下坡段掘進推力的顯著性系數為0.006，小于顯著性水平0.05，不符合正態分布[7];上坡段掘進推力的顯著性為0.08，大于顯著性水平0.05，符合正態分布。可能的原因是掘進推力更容易受到下坡段的影響，在下坡段平均掘進推力偏大，變化幅度較大，易出現異常值，所以不符合正態分布。

由表1、圖4可知，隨著掘進的深入，上、下坡段的掘進推力均逐漸減小，但下坡段標準差為167.15 t，變化較大;上坡段標準差為76.13 t，與下坡段相比變化較小。可能的原因是盾構在下坡地段所受摩擦阻力小于上坡地段，為保持同的貫入度，下坡地段掘進推力減少的幅度要大于上坡地段，所以趨勢較陡。

2.2 土倉壓力

上坡段與下坡段盾構土倉壓力統計直方圖如圖5所示。

由表1、圖5可知，下坡段土倉壓力平均值為77 kPa，數值多集中在60～110 kPa之間，過小值較多;上坡段土倉壓力平均值為91 kPa，數值多集中在70～125 kPa之間，過大、過小的情況較少。通過單樣本K-S檢驗，上、下坡段土倉壓力的顯著性均為0.000，小于顯著性水平0.05，不符合正態分布。可能是由于受V形坡影響，土倉壓力波動較大，一直處于變化中。

上坡段與下坡段盾構土倉壓力散點如圖6所示。

由表1、圖6可知，隨著掘進的深入，下坡段的土倉壓力逐漸增大，且標準差為14 kPa;上坡段的土倉壓力逐漸減小，標準差為15 kPa，上、下坡段土倉壓力變化幅度相差不大。可能是由于土倉壓力主要跟覆土厚度、外界水壓和預壓有關，且此地路段為富水砂卵石層地段，受地形因素影響較大。從上圖中可以看出上下坡段對土倉壓力的影響規律比較明顯，下坡地段，隨著掘進的深入，覆土厚度逐漸加大，且更容易受地下水的影響，所以土倉壓力逐漸增大;而上坡地段，隨著掘進的深入，覆土厚度逐漸減小，所以土倉壓力也隨之逐漸減小。

2.3 刀盤扭矩

上坡段與下坡段盾構刀盤扭矩統計直方圖如圖7所示。

由表1及圖7可知，下坡段刀盤扭矩平均值為263.94 t·m，數值多集中在150～350 t·m之間，過小值出現次數略多，上坡段刀盤扭矩平均值為228.42 t·m，數值多集中在125～360 t·m之間，過大、過小的情況較少。通過單樣本K-S檢驗，下坡段刀盤扭矩的顯著性為0.002，上坡段刀盤扭矩的顯著性為0.04，均小于顯著性水平0.05，不符合正態分布。可能是由于刀盤扭矩是被動值，受其他參數的變化及地層的影響極大，由于其他參數的變化和巖層地質的復雜性，造成刀盤扭矩波動性極大，數值也較為分散。

上坡段與下坡段盾構刀盤扭矩散點如圖8所示。

由表1、圖8可知，隨著掘進的深入，下坡段的刀盤扭矩逐漸減小，且標準差為67.09 t·m，變化較大;上坡段的掘進推力逐漸減小，標準差為58.90 t·m，與下坡段相比變化稍小，但變化幅度差別不大。所以刀盤扭矩受上、下坡段變化的總體趨勢規律不明顯，數值呈現多尖峰的波動性。

2.4 掘進速度

上坡段與下坡段盾構掘進速度統計直方圖如圖9所示。

由表1、圖9可知，下坡段掘進速度平均值為58.87 mm/min，數值多集中在45～75 mm/min之間，數值變化范圍比較大，上坡段掘進速度平均值為69.15 mm/min，數值多集中在65～75 mm/min之間，通過單樣本K-S檢驗，上、下坡段掘進速度的顯著性均為0.000，小于顯著性水平0.05，不符合正態分布。對比分析可以看出V形坡對掘進速度影響較大，下坡段數據較為分散，處于不斷變化中，而上坡段數據較為集中，比較平穩。

上坡段與下坡段盾構掘進速度散點如圖10所示。

由表1、圖10可知，隨著掘進的深入，下坡段的掘進速度逐漸增大，且標準差為12.23 mm/min，變化較大;上坡段的掘進速度變化趨勢較為平緩，標準差為3.83 mm/min，可以看出掘進速度受上下坡段影響比較明顯。但掘進過程中，地層穩定性不斷發生變化，加上富水卵石地層本身的特點，掘進速度與掘進推力、刀盤扭矩的變化情況并非一致，說明我們通常認為的“掘進速度越大，掘進推力、刀盤扭矩越大”的規律對較為復雜的富水砂卵石地層不一定適用。

3 關鍵掘進參數間相關性分析

掘進速度是盾構施工的核心，所有參數均應保證掘進速度在合理范圍內，下面將結合富水砂卵石地層V形坡段，進行掘進速度與各掘進參數之間的相關性分析。

根據成都軌道交通9號線某V形坡盾構區間施工資料，根據上、下坡段實測數據進行相關關系分析，其中顯著性系數取值為0～1，當顯著性系數小于0.05時，存在相關關系，反之則不存在[7]。采用SPSS軟件得出相關關系分析結果如表2所示。

從表2中可以看出，在下坡段掘進速度與各掘進參數均是相關的，其中與土倉壓力呈正相關，皮爾遜相關系數為0.314;與掘進推力和刀盤扭矩均呈負相關，皮爾遜相關系數分別為-0.068，-0.036。而在上坡段掘進速度與各掘進參數均不相關，可能的原因是上坡段地形更為復雜，掘進速度與

4 掘進參數優化建議

結合本工程富水砂卵石地層的地質情況，考慮V形坡的影響，應將各個掘進參數控制在合理范圍內，使得盾構設備可以安全穩定的運行，同時保證掘進狀態的穩定性。另外不同的刀具配置，不同的渣土改良，不同的出土量也會影響盾構掘進參數的變化，選擇最適合本工程范圍地層的掘進參數范圍，保證盾構機的良好工作狀態。

5 結論

通過對掘進參數的分析研究，得到如下結論：

（1）掘進參數受多種因素的影響，且可能存在疊加效應。在富水砂卵石地層，土倉壓力和掘進速度受V形坡度影響變化趨勢較為明顯，土倉壓力的大小在下坡段呈增加趨勢，上坡段反之;掘進速度的大小在下坡段的增加幅度比上坡段要大得多。而V形坡對掘進推力、刀盤扭矩的影響不明顯。

（2）掘進速度是盾構施工的核心，所有參數均應保證掘進速度處于合理范圍。在本工程中，通過相關性分析，在下坡段掘進速度與各掘進參數均是相關的，而在上坡段掘進速度與各掘進參數均不相關。說明V形坡的存在會對掘進速度與各掘進參數間的相關性產生影響，掘進速度會受到地質情況、刀盤扭矩和掘進推力等因素的影響。

參考文獻

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