復合地層盾構掘進參數相關性分析及掘進速度預測

文 佳李曉東梁 杰郝志強吳遙杰

(1.中國水利水電第七工程局有限公司 四川成都 610213；2.南京地鐵建設集團有限公司 江蘇南京 210000；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

1 引言

盾構掘進參數的合理設置是盾構安全高效掘進作業的基礎，掘進參數設置不當易引發地層超挖、地面嚴重沉降、掌子面失穩、盾構損傷等諸多問題。國內外學者對盾構掘進參數進行了相關研究，趙博劍等[1]基于施工現場數據，對盾構掘進參數和地質參數進行了關聯分析；李向紅、王洪新等[2－3]通過理論研究和試驗，得出了盾構掘進的數學模型、掘進參數之間的關系；陶冶、李錕等[4－5]通過數理統計方法，分析了盾構掘進速率與各掘進參數變化的敏感程度；李杰等[6－7]運用多元非線性回歸分析方法，建立了盾構掘進速度預測模型；于云龍、張志奇等[8－9]通過分析盾構掘進數據，修正了傳統盾構掘進速率模型；汪俊、李超[10－11]建立BP神經網絡模型在復合地層進行掘進速度預測。現有研究主要針對盾構穿越巖石、砂層、黏土層等單一地層，而對于復合地層盾構掘進參數分析及預測研究較少，而復合地層因其地層復雜多樣導致掘進參數控制較為困難，這可能增加盾構刀盤刀具的磨耗，威脅盾構施工安全。因此有必要對復合地層盾構掘進參數進行分析，研究掘進參數間的相關規律并建立盾構掘進速率預測模型，以期優化掘進過程。

本文依托南京至句容城際軌道交通工程麒麟鎮站－東郊小鎮站區間(下稱麒東區間)土壓平衡盾構現場掘進，通過統計分析了掘進參數間的相關性，在此基礎上建立適用于復合地層的掘進速率預測模型，為復合地層掘進提供指導。

2 工程概況

2.1 區間概況

南京至句容城際軌道交通麒東區間工程盾構隧道主要穿越的地層復雜多樣，強度不均，既包括中風化花崗巖等硬巖，也包括強風化花崗巖、全風化花崗巖等軟巖，還有中～強風化泥質灰巖與殘積土或粉質黏土等土層。區域穿越上軟下硬復合地層。麒東右線隧道長1 257 m，隧道直徑6.2 m，隧道最大埋深為19.97 m。通過鉆孔實測獲得的工程地質條件如圖1所示。

圖1 麒東區間右線地質條件及地層分區

為了更好地研究復合地層掘進參數變化規律，將復合地層復合比Fc定義為硬巖面積S硬巖占開挖面S開挖面的面積比，開挖面地層組成如圖2a所示，對應的計算公式:

圖2 開挖面地層組成和刀具分布

式中:θ為硬巖層對應的圓心角(°)；h1為硬巖層厚度(m)；R為開挖半徑(m)。

2.2 地質分區

在本工程中，復雜多變的地層導致盾構掘進參數選擇困難。隨著地層條件的變化，施工控制參數應隨之調整，但在實際施工中很難做到及時調整，為此根據大致的地層變化進行地層分類，采用單元鏈控制法[12]將盾構區間分成幾類掘進分區，分析各類掘進分區的掘進參數，建立掘進參數之間的變化規律。根據麒東區間右線盾構穿越地層的軟硬性質將區間分成6類掘進分區，如圖1所示。

A類:全斷面硬巖，斷面為中風化花崗巖地層(γ-3、γ-3-1)。

B類:中風化花崗巖(γ-3、γ-3-1)與強風化花崗巖(γ-2)復合地層。

C類:全斷面軟巖，斷面為強風化花崗巖(γ-2)，或含全風化花崗巖(γ-1)。

D類:全斷面軟巖，斷面為中風化泥質灰巖(T2Z-3-1)/強風化泥質灰巖(T2Z-2)，包含溶洞及強風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖(T2h-2)，可能含有溶洞，需對溶洞進行預處理。

E類:下部為軟巖，強風化花崗巖(γ-2)與全風化花崗巖(γ-1)軟巖，上部為土層，為黏土、粉質黏土(③-1ab-2)的復合地層。

F類:全斷面土層，斷面為黏土或粉質黏土(③-1ab-2)、(②-2b3)、殘積土(γ-0)。

3 掘進控制參數分析

3.1 施工參數統計與預處理

借助盾構機的數據采集系統得到盾構隧道每環掘進過程中的各項施工參數包括:刀盤參數(刀盤轉速、刀盤扭矩)、土倉壓力、推進參數(掘進速度、貫入度、總推力)。根據設計資料，麒東右線選用鐵建重工DZ423盾構機，刀盤刀具分布如圖2b，其設備性能見表1。

表1 麒東區間右線盾構設備及性能參數

3.2 主要掘進參數

表2統計了麒東區間右線不同掘進分區內刀盤轉速、刀盤扭矩、推力、土倉壓力的平均值。

表2 麒東區間右線不同掘進分區掘進參數平均值

(1)刀盤轉速

六類地層的刀盤轉速平均值最大相差0.06 RPM，A類全斷面硬巖地層的刀盤轉速最大；B類復合地層則由于地層的復雜性，刀盤轉速明顯偏大，與A類接近；C、D類全斷面軟巖地層的刀盤轉速相對前兩種地層較小；E、F類地層由于地層較軟弱而表現出明顯更小的刀盤轉速，其中E類上土下軟巖復合地層的刀盤轉速略微偏大。綜上，刀盤轉速隨地層變軟而降低。

(2)刀盤扭矩

總體而言，越軟弱地層的平均刀盤扭矩就越低。B類復合地層的平均扭矩(3.66 MN·m)明顯偏大，甚至大于A類全斷面硬巖地層(3.33 MN·m)，這是由于B類是包含中風化花崗巖和強風化花崗巖的復合地層，地質條件較全斷面硬巖地層更為復雜，因此盾構掘進過程中的參數更難控制，使刀盤扭矩異常增大，且扭矩的波動也明顯較大。

(3)推力

麒東右線盾構推力主要在10 000～15 000 kN之間，平均推力為11 681 kN，相比鐵建重工DZ423盾構機的最大推力為42 575 kN，盾構總推力尚有較大的富余，可滿足本工程盾構推進需求，且地層越軟弱，掘進推力越低。

(4)土倉壓力

土倉壓力為盾構機參數系統采集刀盤上各傳感器位置的平均值。表2顯示，地層越軟弱，土倉壓力越大，這是由于土壓平衡盾構機依靠土倉內的土倉壓力平衡前方開挖面的水土壓力，當地層較軟弱時，需要更大的土倉壓力進行平衡。

3.3 掘進參數相關性分析

復合地層掘進參數之間存在相關性，參數間會相互影響。結合麒東右線988環掘進數據，對各參數與掘進速度之間的相關性進行說明，為后續預測模型建立提供依據。

(1)掘進速度、刀盤轉速與貫入度的關系

理論上:掘進速度＝刀盤轉速×貫入度。由圖3可知掘進速度和貫入度呈線性關系，與二者的理論關系式吻合。刀盤轉速隨貫入度增大有減小的趨勢，但變化不大，大致處在1.2 RPM附近，說明在復合地層和全斷面硬巖等低貫入度區間，轉速沒有降低，這可能會導致刀盤扭矩劇烈波動，增加刀具磨損。

圖3 各掘進分區掘進速度及刀盤轉速與貫入度關系

(2)掘進速度與螺旋輸送機轉速之間的關系

將麒東區間右線掘進速度、螺旋輸送機轉速數據進行整理，如圖4所示。

圖4 麒東右線掘進速度－螺旋輸送機轉速關系

通過分析發現，掘進速度和螺旋輸送機轉速呈較高的線性正相關，根據該關系可以設定掘進速度和螺旋輸送機之間參數的匹配。

(3)掘進速度與推力之間的關系

圖5為麒東右線掘進速度和推力的關系。由圖5a可知，隨著推力增大，掘進速度先增大后減小，掘進穿越復合地層且地層條件不斷變化，掘進速度隨推力的變化規律性較弱，通常的“推進速度越大，推力越大”規律對復雜地層不一定適用。

圖5 麒東右線掘進速度－推力關系

進一步分析各掘進分區推力與掘進速度關系，由圖5b可知，地層越硬，推力越大，掘進效率也越低。掘進分區地層硬度大小:A類>B類>C類>D類>E類>F類，和掘進速度－總推力數據點的分布規律基本符合。此外，B類復合地層掘進分區中盾構推力和掘進速度較C類均小，說明在B類復合地層分區中掘進時，盾構機功率富余較多，掘進速度還可以適當提高。

(4)掘進速度與刀盤扭矩之間的關系

圖6為麒東區間右線不同掘進分區內掘進速度和刀盤扭矩的關系。由圖6可知，與推力相似，隨著刀盤扭矩的增大，掘進速度先增大、后減小，掘進過程中由于地層條件變化掘進速度隨推力的變化情況規律性較弱，說明通常的“推進速度越大，扭矩越大”規律在復雜地層也不適用。

圖6 麒東右線掘進速度－刀盤扭矩關系

4 復合地層掘進速度預測模型

4.1 模型參數選取

工程實踐表明，盾構掘進過程中掘進速度受多個變量共同作用，是多個相關參數綜合影響的結果。盾構機主要靠千斤頂對盾體施加向前的推力而向前推進，并依靠刀盤扭矩掘進，因此推力和扭矩對盾構推進起主要影響作用；而掘進速度v＝刀盤轉速(ω1)×刀盤貫入度(r)，所以刀盤轉速及貫入度也直接影響了掘進速度，且由上文分析可知掘進速度與貫入度存在較好的線性關系，因此選擇刀盤轉速作為預測參數。前文分析可知，土倉壓力分布不均勻，因此選取土倉壓力平均值作為預測參數之一。螺旋輸送機轉速控制著掘進過程中的出渣速度，并通過排土量進行土倉壓力管理。此外本模型考慮復合地層的性質，引入復合地層的復合比作為回歸參數。綜上，選取的回歸變量如表3所示。

表3 掘進速度模型參數選取

4.2 模型建立

利用上述模型參數進行模型構建，令:

模型回歸結果如表4所示，回歸統計結果顯示回歸相關系數R2＝0.89，說明自變量與回歸統計結果具有很高的相關性。方差分析表明F＝142，SignificanceF<0.01，表明所建立的回歸方程較為顯著。對于多元線性回歸，可直接根據t值的大小來判斷因素的主次，各因素的主次順序為:螺旋輸送機轉速>刀盤轉速>土倉壓力。“P-value”表示t檢驗偏回歸系數不顯著的概率，如果P-value<0.01，可認為該系數對應的變量對試驗結果影響非常顯著；如果0.01

表4 模型回歸結果

4.3 模型驗證與結果分析

采用上述掘進速度模型對麒東右線1～970環的施工參數進行驗證，如圖7所示。

圖7 模型計算與實測數據對比

結果表明:上述推進速度計算模型得到的數據與實測得到的數據之間的相關系數為0.89，說明該模型能較好地擬合復合地層條件下的盾構推進速度。模型中螺旋輸送機轉速、刀盤轉速、土倉壓力對推進速度的影響相對較大。

5 結論

(1)針對復雜多變的地層環境，基于單元鏈控制法，將盾構掘進區段分成不同的掘進分區，并對掘進參數進行統計和相關性分析，獲得不同地層掘進參數之間的變化規律。

(2)基于復合地層掘進參數的相關性分析，建立了復合地層掘進速度預測模型，引入了硬巖復合比作為回歸參數，相較傳統的掘進速度預測模型，考慮了復合地層的地質差異因素。

(3)將復合地層掘進速度預測模型運用于麒東區間工程掘進速度預測，該模型的預測相關系數R2＝0.89，驗證了模型的準確性和可信度，可為同類地質條件下的復合地層盾構掘進速度預測提供指導。