砂卵石地層盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化及控制措施研究

【摘 要】針對(duì)成都地鐵10號(hào)線紅牌樓站—太平園站盾構(gòu)區(qū)間砂卵石地層，分析在不同條件下掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，得出了各掘進(jìn)參數(shù)之間的相關(guān)性。后提出了掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化流程和措施。研究表明：（1）掘進(jìn)推力和刀盤(pán)扭矩呈增大趨勢(shì)，土倉(cāng)壓力和掘進(jìn)速度呈減小趨勢(shì)。（2）為獲得相同貫入深度，掘進(jìn)推力增大;隨著覆土厚度減少土倉(cāng)壓力隨之減小;刀盤(pán)扭矩受外界各種因素影響數(shù)據(jù)較為離散波動(dòng)較大;掘進(jìn)速度受到上坡路段和風(fēng)險(xiǎn)源雙重影響，所以在過(guò)處于上坡地段的風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，速度略有減小趨勢(shì)，但幅度較小。（3）通過(guò)改良劑泡沫，減弱了混凝土顆粒之間與結(jié)合水的接觸作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力的有效監(jiān)控和調(diào)整;渣土改良能有效降低盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的摩擦力，是降低盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)力矩的一種有效手段;推進(jìn)速率限制在30～50 mm/min，釘狀材料運(yùn)輸速度通過(guò)設(shè)定土壓和推進(jìn)速率相匹配;掘進(jìn)推力應(yīng)該設(shè)在1100～1200 kN，使盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)推進(jìn)以此實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)推力的優(yōu)化控制。

【關(guān)鍵詞】砂卵石地層; 盾構(gòu)施工; 掘進(jìn)參數(shù); 控制措施; 刀盤(pán)扭矩

【中圖分類(lèi)號(hào)】U455.43【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

雖然我國(guó)盾構(gòu)施工技術(shù)越來(lái)越嫻熟，但是大多是相對(duì)簡(jiǎn)單地層的盾構(gòu)施工，對(duì)于復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工還在處于研究階段，沒(méi)有很多的經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)于國(guó)外研究人員的成果來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的研究成果雖然少了很多，但是依舊有很多比較傲人的成果。球繼立通過(guò)改變一些比較重要的參數(shù)，并結(jié)合地鐵施工來(lái)研究這些參數(shù)對(duì)地表沉降的影響；張厚美等［1］應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)技術(shù)并結(jié)合隧道施工，對(duì)主要的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究；李大勇等［2］通過(guò)在地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)分析土體特性和盾構(gòu)施工參數(shù)的關(guān)系等等一系列的國(guó)內(nèi)學(xué)者成果。

對(duì)于挖掘技術(shù)參數(shù)的配合關(guān)系，目前也有許多研究者開(kāi)展了深入研究，并取得了若干有利的結(jié)果。徐前衛(wèi)等［3］根據(jù)直徑400 mm模型盾構(gòu)機(jī)在各種挖掘方法配合下的仿真實(shí)驗(yàn)，得到了盾構(gòu)在軟土壤層實(shí)施的若干有利結(jié)果;王洪新等［4］根據(jù)理論研究和實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)出了刃盤(pán)力矩、盾構(gòu)推動(dòng)力、土倉(cāng)壓強(qiáng)、貫入度、螺旋輸送機(jī)速度等重要技術(shù)參數(shù)間的數(shù)學(xué)相關(guān)性，并運(yùn)用實(shí)際資料得到了證明;張厚美等［1］對(duì)盾構(gòu)正交掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)成果開(kāi)展了多元數(shù)據(jù)分析，得到了軟土層中挖掘速率與盾構(gòu)機(jī)刃盤(pán)力矩的線性回歸模型，模型平均偏差大約為10%;根據(jù)北京地區(qū)典型沙卵石土層下的盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)重點(diǎn)掘進(jìn)參數(shù)變化和盾構(gòu)適應(yīng)性展開(kāi)了數(shù)據(jù)分析;王為樂(lè)［5］用湖南高速公路綜合地層盾構(gòu)施工資料，對(duì)重點(diǎn)掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)展開(kāi)了數(shù)據(jù)分析;劉明月［6］秦嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容，深入研究了各種掘進(jìn)條件下掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)間的配合問(wèn)題和切削比能;Innaurato等［7］根據(jù)分析盾構(gòu)施工中國(guó)土倉(cāng)氣壓的變動(dòng)狀況，對(duì)螺旋物料運(yùn)輸速度影響土倉(cāng)氣壓的機(jī)制展開(kāi)了深入研究。Yeh等［8］將使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控管理系統(tǒng)運(yùn)用到了盾構(gòu)建設(shè)中;Alvarez Grima等［9］等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)TBM特性作出了模糊估計(jì);諸東升［10］根據(jù)湖南軌道交通下穿湘江隧洞工程建設(shè)，使用BP和RBF兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式，使用地質(zhì)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)重要掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)做出了預(yù)報(bào);楊全亮［11］根據(jù)廣州地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)，分別使用BF和高斯核函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建出甚于掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)的盾構(gòu)推力和盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)力矩預(yù)報(bào)模式;胡珉等［12］構(gòu)建了多級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)解析盾構(gòu)挖掘技術(shù)參數(shù)與地表沉降區(qū)間的密切聯(lián)系，并使用遺傳算法對(duì)挖掘技術(shù)參數(shù)搭配作了進(jìn)一步優(yōu)化工作，并提供了控制建議;宋克志等［13］經(jīng)過(guò)對(duì)成都越江隧道盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)，使用模糊的數(shù)學(xué)技術(shù)，研究了挖掘技術(shù)參數(shù)和巖層狀況相互之間的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，并提供了對(duì)隧道圍巖的辨識(shí)方式。

根據(jù)對(duì)上述資料的歸納，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)外有關(guān)盾構(gòu)與挖掘技術(shù)參數(shù)的匹配問(wèn)題研究，主要聚焦于構(gòu)造基本參數(shù)計(jì)算結(jié)果的預(yù)測(cè)模式，以及通過(guò)在盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)踐中與施工實(shí)際的挖掘資料比較，統(tǒng)計(jì)與分析數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)等研究領(lǐng)域，而有關(guān)挖掘基本參數(shù)選擇問(wèn)題的研究資料相對(duì)較少。論文主要根據(jù)鐵路盾構(gòu)的數(shù)據(jù)，研究掘進(jìn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性與選擇問(wèn)題，對(duì)技術(shù)參數(shù)間的配合問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)概況

紅牌樓站—太平園站區(qū)間，在紅—太區(qū)間出紅牌樓車(chē)站后，下穿紅牌樓站（3號(hào)線）D出入口通道，然后側(cè)穿紅牌樓廣場(chǎng)，并長(zhǎng)距離與既有3號(hào)線、220 kV電力隧道平行敷設(shè)，下穿紅星美凱龍家具廣場(chǎng)后，左線接入10號(hào)線一期太平園站盾構(gòu)預(yù)留接口，右線接入盾構(gòu)接收井（10號(hào)線三期新建），10號(hào)線三期盾構(gòu)接收井與10號(hào)線一期泄壓井之間采用礦山法暗挖隧道連通。線路主要沿著既有道路下方敷設(shè)。左線長(zhǎng)971.138 m;右線路全長(zhǎng)746.576 m;線路間距為4.23～9.08 m，隧道平面最小曲線半徑R=380 m，最大坡度為±28‰，最小坡度為±2‰，隧頂最小浮土深度為12.13 m，最大浮土深為25.13 m。區(qū)間設(shè)置兩座聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)段正線采取盾構(gòu)法建設(shè)，而聯(lián)絡(luò)隧洞、暗挖區(qū)段采取礦山法建設(shè)。區(qū)間無(wú)地表河流、溝渠。主要的跨越巖層類(lèi)型為lt;2-5-3gt;的中密卵石土、lt;2-5-2gt;稍密卵石土。區(qū)間線路設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1所示。

1.2 區(qū)間盾構(gòu)及管片設(shè)計(jì)

管片內(nèi)徑為5.4 m，管片外徑為6 m，用土壓平衡盾構(gòu)法施工安裝。管片分為1.2 m和1.5 m兩種尺寸，厚300 mm，平面曲線400 m處時(shí)使用1.5 m管片，平面曲線不大于400 m時(shí)使用1.2 m管片，管片配筋如表 2所示。施工中如遇二種型配筋不在一環(huán)管片上完成時(shí)，可選用較強(qiáng)的配筋型。盾構(gòu)區(qū)間橫剖面如圖 1所示。

1.3 工程地質(zhì)、水文條件

根據(jù)區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)、實(shí)地勘察結(jié)果和巖土施工的勘查成果，成都地鐵10號(hào)線三期土建2工區(qū)工程沿線巖土種類(lèi)較多。巖性大致有三層構(gòu)成：第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）：雜填土層;第四系全新統(tǒng)沖洪積地層（Q4al+pl）：粉質(zhì)黏土層、黏質(zhì)粉壤土、黏質(zhì)粉壤土、細(xì)沙層、中砂層、石子層;白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）：強(qiáng)風(fēng)化泥地層、中風(fēng)化泥地層等。

紅牌樓站：自上而下，分別是雜填土層、粉狀泥土、黏質(zhì)粉壤土、疏松卵石層、稍密卵石層、中密卵石層，以及密實(shí)石子層。基底處于密實(shí)卵石層上。

紅牌樓站～太平園站區(qū)間主要穿越地層為lt;2-5-3gt;中密卵石土、lt;2-5-2gt;稍密卵石土。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的確定

因?yàn)楹投軜?gòu)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)有許多，而且每個(gè)技術(shù)參數(shù)有可能受到多個(gè)因素的影響，那么我們選擇時(shí)，就要選擇一個(gè)能夠反映各個(gè)因素影響，同時(shí)與當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)要求相結(jié)合。一般來(lái)說(shuō)：盾構(gòu)掘進(jìn)涉及到的工作參數(shù)要分為時(shí)間程序、油缸時(shí)間、推動(dòng)速率、土倉(cāng)氣壓、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度等。在盾構(gòu)機(jī)械挖掘過(guò)程中，與推動(dòng)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)是盾構(gòu)推進(jìn)，它由液壓氣缸供給，是向前推動(dòng)的力量;與盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削相關(guān)的技術(shù)參數(shù)是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度與力矩，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度是指盾構(gòu)在切割砼體時(shí)刀盤(pán)單位時(shí)內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)力矩由盾構(gòu)機(jī)械前置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)盾構(gòu)切削刀盤(pán)，推動(dòng)滾刃切割砼體;切削掉落渣子由螺旋物料輸送流出，用來(lái)保證挖掘面上的平衡，土倉(cāng)內(nèi)需形成相應(yīng)的渣土氣壓來(lái)平衡挖掘面上的水土氣壓;挖掘速度為盾構(gòu)在施工過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)盾體方向移動(dòng)的距離。

而針對(duì)成都軌道交通地鐵十號(hào)線紅牌樓站—太平園站盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間，我們選取四個(gè)和地層因素有關(guān)的挖掘技術(shù)參數(shù)：盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)、盾構(gòu)式機(jī)刀盤(pán)力矩、土倉(cāng)氣壓、挖掘速率。基于現(xiàn)有的理論公式以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際的施工情況，確定掘進(jìn)的土倉(cāng)壓力，刀盤(pán)扭矩，掘進(jìn)速度，掘進(jìn)推力。

3 紅牌樓站—太平園站盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)分析

根據(jù)本區(qū)間的設(shè)計(jì)資料可知，盾構(gòu)區(qū)間左、右線穿過(guò)地質(zhì)水文條件基本一致，且左右線縱斷面坡度走向基本一致，左線長(zhǎng)971.138 m；右線長(zhǎng)746.576 m，因此，本部分重點(diǎn)針對(duì)左線盾構(gòu)區(qū)間的全掘進(jìn)段進(jìn)行了重點(diǎn)分析。在本工程中，主要是通過(guò)分析地表、土體的沉降、盾構(gòu)隧道的位移變形、下方既有隧道的位移變形以及既有建筑物樁基礎(chǔ)的各方向偏移，通過(guò)位移數(shù)據(jù)值來(lái)判斷該工程是否符合安全、穩(wěn)定性要求，并且借此分析新建隧道對(duì)既有隧道、建筑物樁基礎(chǔ)的影響。

3.1 區(qū)間分段選取

現(xiàn)選所在區(qū)間中紅星美凱龍家居廣場(chǎng)地下長(zhǎng)60 m的線路進(jìn)行模擬建模，新建10號(hào)線與既有的3號(hào)線在此段長(zhǎng)距離并行且上方有紅星美凱龍廣場(chǎng)的樁基礎(chǔ)，此處情況較為復(fù)雜，需要進(jìn)行模擬分析，出于邊界效應(yīng)的影響將其前后各延長(zhǎng)20 m，以提高模擬的準(zhǔn)確性。具體選取地點(diǎn)地形見(jiàn)圖 2。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)分析

首先針對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行分析，分別繪制出其各掘進(jìn)參數(shù)的散點(diǎn)，如圖3～圖6所示。

由上圖可發(fā)現(xiàn)：掘進(jìn)參數(shù)受多個(gè)因素的影響，并可能產(chǎn)生疊加效果。掘進(jìn)推力呈上升態(tài)勢(shì)，土倉(cāng)壓力呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)，刀盤(pán)扭矩呈增大趨勢(shì)，掘進(jìn)速度減小趨勢(shì)，可能的原因是在穿越風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，為獲得相同貫入深度，掘進(jìn)推力增大;隨著覆土厚度減少，土倉(cāng)壓力隨之減小;而刀盤(pán)扭矩為被動(dòng)值，受外界各種因素影響，數(shù)據(jù)較為分散，波動(dòng)較大;而掘進(jìn)速度可能是受到上坡路段和風(fēng)險(xiǎn)源雙重影響，所以在過(guò)處于上坡地段的風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，速度略有減小趨勢(shì)，但幅度較小。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)規(guī)律分析

針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的影響規(guī)律分析，不但必須進(jìn)一步掌握各種主要挖掘參數(shù)的規(guī)律和基本趨勢(shì)，還要明確盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與其他影響因素間的映射關(guān)系。

3.3.1 掘進(jìn)推力

該區(qū)段的掘進(jìn)推力沿區(qū)間縱向的變化規(guī)律和整體分布情況，如圖 7、表 3所示。

由圖7和表3可以得到結(jié)論：

（1）從上表可以看出，掘進(jìn)推力雖然波動(dòng)性極大，但能明顯看出具有上限值，絕大多數(shù)的掘進(jìn)推力數(shù)值在一定范圍之下，突變情況較多，掘進(jìn)推力分布較為集中，過(guò)大、過(guò)小的情況較少，沒(méi)有明顯走勢(shì)圖，近似符合正態(tài)分布，可以推斷掘進(jìn)推力設(shè)置值集中在中間值附近范圍內(nèi)。左線掘進(jìn)推力的均值為1 185.586 2 t，中位數(shù)為1200 t，方差為15 377.054 4 t，取值范圍介于800～1 600 t之間。

（2）掘進(jìn)推力變化規(guī)律：左線掘進(jìn)推力隨里程的增加均呈增加趨勢(shì)，且數(shù)值分布在趨勢(shì)線兩側(cè)，較為連貫。

（3）分析可能存在的原因：在一定范圍內(nèi)，巖體的總體性質(zhì)變化不大，偶爾遇到極少量較軟的巖體部分，在接合處掘進(jìn)推力發(fā)生突變，掘進(jìn)推力一直處于較高的水平，判斷巖層硬度較高且相對(duì)穩(wěn)定，隨著刀盤(pán)的磨損量增多，為了保持相同的貫入度，理論上掘進(jìn)推力應(yīng)逐漸變大，說(shuō)明此段時(shí)間內(nèi)磨損量變化不大，這種情況下掘進(jìn)推力總體接近額定值，很多異常值可以避免，以此來(lái)提高掘進(jìn)過(guò)程的連貫性。

3.3.2 刀盤(pán)扭矩

該區(qū)段的刀盤(pán)扭矩沿區(qū)間縱向的變化規(guī)律和整體分布情況，分別如圖8、表4所示。

根據(jù)圖8和表4可以得到以下結(jié)論：

（1）在表4中可發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩始終處在變動(dòng)狀態(tài)，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩完全具有被動(dòng)變化的性質(zhì)，與實(shí)測(cè)一致，受其他參數(shù)的變動(dòng)干擾很大，總體變化趨勢(shì)不明確，數(shù)據(jù)呈有尖峰的波動(dòng)性。刀盤(pán)扭矩基本遵循正態(tài)分布，左線均值為380.3086 t·m，中位數(shù)為380 t·m，方差為4 048.820 9 t·m，取值范圍約在200～540 t·m之間。

（2）刀盤(pán)扭矩變化規(guī)律：左線刀盤(pán)扭矩隨里程增加呈上升趨勢(shì)，但左線刀盤(pán)扭矩?cái)?shù)值均較為分散，規(guī)律不明顯。

（3）分析所產(chǎn)生問(wèn)題：由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩為被動(dòng)的，受到盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度和當(dāng)前掘進(jìn)圍巖的雙重作用，隨著盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度的不同以及巖石地質(zhì)的復(fù)雜化，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性較大，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩的區(qū)間選擇為300～450 t·m較好，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩的貫入點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度的均有關(guān)聯(lián)，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩與切削刀盤(pán)速度的乘積為扭轉(zhuǎn)電機(jī)的總功率，總功率不會(huì)像刀盤(pán)扭矩一樣波動(dòng)幅度太大，在刀盤(pán)扭矩波動(dòng)頻率、幅度較大的區(qū)間刀盤(pán)轉(zhuǎn)速理論上也會(huì)出現(xiàn)小范圍失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.3.3 土倉(cāng)壓力

該區(qū)段的土倉(cāng)壓力沿區(qū)間縱向的變化規(guī)律和整體分布情況，如圖 9、表 5所示。

根據(jù)圖9和表5可以得到結(jié)論：

（1）從表5可以看出，土倉(cāng)壓力在整體走向上存在小范圍波動(dòng)和局部不間斷細(xì)微變化，土倉(cāng)壓力基本符合正態(tài)分布。土倉(cāng)壓力的均值為1.316 2 bar，中位數(shù)為1.31 bar，方差為0.017 1 bar，取值范圍介于0.85～1.72 bar之間。

（2）土倉(cāng)壓力變化規(guī)律：左線土倉(cāng)壓力隨埋深由深到淺呈下降趨勢(shì)。

分析所產(chǎn)生的問(wèn)題：土倉(cāng)壓力，主要與浮土厚度、外界水壓和預(yù)壓力有關(guān)，但隨著施工的開(kāi)展，土方厚度逐步增加，受地質(zhì)條件影響也很大。

3.3.4 掘進(jìn)速度

該區(qū)段的掘進(jìn)速度沿區(qū)間縱向的變化規(guī)律和整體分布情況，如圖10、表6所示。

根據(jù)圖10和表6可以得到結(jié)論：

（1）由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，如果掘進(jìn)長(zhǎng)度在總體趨勢(shì)上出現(xiàn)了大范圍變動(dòng)和局部不間斷細(xì)微變動(dòng)，則表明此時(shí)段的地質(zhì)條件和掘進(jìn)參數(shù)選擇并不符合，如果掘進(jìn)長(zhǎng)度在總體趨勢(shì)上出現(xiàn)了明顯趨勢(shì)，則依照總體趨勢(shì)中平緩過(guò)渡、無(wú)明顯奇異點(diǎn)的尖峰數(shù)據(jù)為最理想的趨勢(shì)，如果掘進(jìn)速率總體較快則表示巖性發(fā)軟，趨勢(shì)也比較平緩才能表明掘進(jìn)參數(shù)選擇合適。如果掘進(jìn)速率總體緩慢，則表示附近出現(xiàn)了稍堅(jiān)硬的巖石，需增加推力來(lái)進(jìn)行破巖。掘進(jìn)速率基本遵循正態(tài)分布，左線掘進(jìn)速率的平均數(shù)為55.040 1 mm/min，線中位數(shù)為55 mm/min，線平均值為65.165 6 mm/min，取平均值區(qū)間一般位于40～75 mm/min之間;60～75 mm/min的掘進(jìn)速率占據(jù)大多數(shù)，表明了在該區(qū)域中50～60 mm/min的掘進(jìn)速率設(shè)計(jì)為最優(yōu)，從而能夠降低或者防止極端值的發(fā)生。

（2）掘進(jìn)速度在整體走勢(shì)上存在明顯趨勢(shì)，左線隨里程增加呈微增趨勢(shì)。

（3）分析可能產(chǎn)生的問(wèn)題：對(duì)挖掘速率的干擾因子較高，在直方圖的中低速執(zhí)行異常值較小，在此時(shí)并沒(méi)有顯示出盾構(gòu)機(jī)的正常效能，與參數(shù)設(shè)置調(diào)整較少相關(guān)，在中高速度情況下分布均衡且高速的比例也較小，可能是因?yàn)榈貙硬黄胶猓蛘哂捎诘貙拥膹?qiáng)韌度較高夾雜部分發(fā)軟導(dǎo)致參數(shù)設(shè)置不能進(jìn)行調(diào)整，由于貫入力大導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)提高，挖掘速率在短時(shí)間變化較大，而在這樣不正常狀況的中高速度執(zhí)行將減少盾構(gòu)機(jī)的壽命，并沒(méi)有長(zhǎng)期穩(wěn)定執(zhí)行好。

4 參數(shù)優(yōu)化流程及控制措施

通過(guò)強(qiáng)化施工監(jiān)督，進(jìn)一步的優(yōu)化施工工藝，減少地面沉降。掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整方法見(jiàn)圖 11。

各掘進(jìn)參數(shù)的具體優(yōu)化措施如下。

4.1 土倉(cāng)壓力

（1）土倉(cāng)壓力平衡通過(guò)采用確定挖掘速度、調(diào)節(jié)排土量，或設(shè)定最大排土量、調(diào)節(jié)挖掘速率的二種方式建立，并應(yīng)保證切削土量和排土量的均衡，并使土倉(cāng)內(nèi)的氣壓穩(wěn)定與平衡。

（2）土壓平衡盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)的改性砂土是一類(lèi)由砂土粒子、水和改變物構(gòu)成的多相物料，其改善物含有泡沫和膨潤(rùn)土漿液。氣泡是一個(gè)均質(zhì)氣泡，是起泡劑原液和水分按規(guī)定配比攪拌，然后在高壓氣體沖擊下所產(chǎn)生。起泡劑原液由表面活性物質(zhì)建筑材料和水溶性元素高分子材料多聚物構(gòu)成，表面活性物質(zhì)建筑材料可以減少土壤粒子的表面接觸張力，降低土壤粒間結(jié)合水的連接效應(yīng)，從而潤(rùn)滑土體。為調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)密封艙的氣壓和保證挖掘作業(yè)面的安全性，螺旋輸送機(jī)渣子的排出流量應(yīng)該和盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的入土流量相符，使盾構(gòu)機(jī)達(dá)到最良好的施工環(huán)境條件。在盾構(gòu)機(jī)挖掘過(guò)程中，被盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切割的渣土通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口直接流入到盾構(gòu)機(jī)上的土倉(cāng)，在土倉(cāng)中再經(jīng)改性后通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出。因?yàn)椋诙軜?gòu)機(jī)的前進(jìn)速度不變后，螺旋輸送機(jī)的速度的改變也將導(dǎo)致土倉(cāng)的渣子量變化;所以，通過(guò)改變盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)速度與螺旋輸送機(jī)的速度，就可以達(dá)到對(duì)盾構(gòu)機(jī)上土倉(cāng)壓力的監(jiān)控和調(diào)整。

（3）土壓平衡盾構(gòu)機(jī)使得刀具所切下的渣子經(jīng)過(guò)加入改性材料成塑性流體狀，并填滿到盾構(gòu)機(jī)密封艙，之后，再利用螺桿運(yùn)輸機(jī)將密封艙內(nèi)的渣子全部去除，同樣保證了盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的進(jìn)土量和利用螺桿物料輸送的排土量均衡，并且需要對(duì)密封艙內(nèi)渣子產(chǎn)生相應(yīng)的壓強(qiáng)以控制挖掘作業(yè)面的穩(wěn)定性，從而調(diào)節(jié)土壤與地表的溫度變化。密封艙壓與隧道的埋深度、地層的物理力學(xué)特性和刀盤(pán)的開(kāi)口度，和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度相關(guān)。

4.2 刀盤(pán)扭矩

（1）氣泡的作用，首先是分散并中和黏性土中的陰陽(yáng)分子，使其吸附特性，進(jìn)而具有提高渣子的穩(wěn)定性、潤(rùn)滑工件、降低盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)溫度的功能，因此適當(dāng)?shù)臍馀菁尤敕浅ｊP(guān)鍵。泡沫的注入量與地層是相匹配的，可以通過(guò)泡沫的注入量調(diào)整優(yōu)化扭矩變化幅度。

（2）按照施工實(shí)際確定土倉(cāng)壓力、轉(zhuǎn)速、推動(dòng)力方向等，調(diào)節(jié)好盾構(gòu)機(jī)姿勢(shì)，盾構(gòu)挖掘工作過(guò)程中各技術(shù)參數(shù)須協(xié)調(diào)一致，掌握各種技術(shù)參數(shù)的控制與聯(lián)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)扭矩的最適區(qū)間。

（3）渣子改良是為了有效提高土層塑性及效率，以保持挖掘面穩(wěn)定，并調(diào)節(jié)土倉(cāng)氣壓，而按照卵漂石巖層的特點(diǎn)，由于土壤對(duì)于切割刀盤(pán)、盾體之間的摩擦系數(shù)很大，所以在卵漂石巖層條件下盾構(gòu)的切割刀盤(pán)力矩也很大。采用渣子改良辦法對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方土體和土倉(cāng)內(nèi)渣子的性質(zhì)加以改良，使其與盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的摩擦力降低，是減少盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩的一種有效辦法。

4.3 掘進(jìn)速度

（1）盾構(gòu)鉆機(jī)的挖掘速度主要通過(guò)調(diào)節(jié)盾構(gòu)推力、速度來(lái)調(diào)節(jié)，排土量則主要通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋物料運(yùn)輸?shù)乃俣葋?lái)調(diào)節(jié)。在實(shí)際挖掘施工中，應(yīng)當(dāng)按照地質(zhì)要求、排放的渣土狀況，及盾構(gòu)鉆機(jī)的各種工況運(yùn)行狀態(tài)技術(shù)參數(shù)等動(dòng)態(tài)情況地調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（2）掘進(jìn)時(shí)應(yīng)采用渣土改良措施提高渣子的流動(dòng)性和止水性涂料，密切觀測(cè)螺線材料輸送出土狀況以調(diào)節(jié)化學(xué)添加劑的摻量。

（3）推進(jìn)速率限制為50～60 mm/min，應(yīng)依據(jù)檢測(cè)成果和出土狀況進(jìn)行。螺旋輸送機(jī)速度可以通過(guò)設(shè)定土壓力和提升的速率匹配。

（4）盾構(gòu)挖掘速率的高低，是多種參數(shù)聯(lián)合影響形成的，是被動(dòng)傳遞的關(guān)鍵參數(shù)。盾構(gòu)掘進(jìn)速度是盾構(gòu)隧道挖掘生產(chǎn)效果的最直接反映，從施工生產(chǎn)觀點(diǎn)出發(fā)，在條件許可狀況下盾構(gòu)掘進(jìn)速度越快越好。但站從環(huán)境管理角度看，明顯沒(méi)法做到，因此在挖掘工序中必須進(jìn)行檢測(cè)信息的傳遞，并與其他配套措施，如同步注漿材料、壁后二次注漿材料等結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)抑制周?chē)鷰r層結(jié)構(gòu)變形，維護(hù)周?chē)h(huán)境的目的。

（5）如果掘進(jìn)速度的波動(dòng)很大，則說(shuō)明人力控制因素對(duì)掘進(jìn)速度的調(diào)節(jié)影響較大。掘進(jìn)速度的選擇，還需同螺線物料運(yùn)輸速度、土倉(cāng)內(nèi)壓力控制方式等因素相匹配，以此來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

4.4 掘進(jìn)推力

（1）推力的大小主要體現(xiàn)著盾構(gòu)機(jī)對(duì)正面以及四星期內(nèi)混凝土體的擾動(dòng)程度，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)觀測(cè)斷之前，地表的輕度隆起正是由于盾構(gòu)機(jī)對(duì)混凝土體的推力過(guò)大造成的，所以推力的大小也會(huì)對(duì)最終地表沉降值有很大的影響。本工程數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，掘進(jìn)推力應(yīng)該設(shè)在1 100～1 200 kN。

（2）土倉(cāng)氣壓過(guò)大會(huì)產(chǎn)生刀盤(pán)扭矩或推動(dòng)力加大導(dǎo)致掌子眼前方地板出現(xiàn)凸起，土倉(cāng)氣壓過(guò)小掌子面則易出現(xiàn)塌陷，所以要合理控制土倉(cāng)壓力，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)推力的優(yōu)化。

（3）盾構(gòu)機(jī)在堅(jiān)硬巖段掘進(jìn)時(shí)，必須要調(diào)節(jié)好盾構(gòu)姿勢(shì)，如果盾構(gòu)姿勢(shì)發(fā)生了偏差，就要貫徹\"長(zhǎng)距離、緩糾偏\"的思路，避免糾偏過(guò)猛，在軟硬不均巖段時(shí)，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)\"抬頭\"或\"低頭\"，因此應(yīng)適當(dāng)增加對(duì)上部千斤頂?shù)钠痦斖苿?dòng)力，以均衡在盾構(gòu)機(jī)上因前方混凝土體上軟下硬，而作用于下部螺旋千斤頂不均衡的壓力差，使盾構(gòu)機(jī)順利前進(jìn)，反之則調(diào)節(jié)好下部螺旋千斤頂，以此實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)推力的優(yōu)化控。

4.5 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)速度維持恒定，可以顯著降低混凝土體對(duì)刀盤(pán)的損壞，但硬巖地段，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)壓力增大，推進(jìn)不利，挖掘速度減慢，對(duì)工具的影響很大;軟巖段，由于不會(huì)對(duì)周?chē)炷馏w造成干擾，盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)速度也相應(yīng)減小，但因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)刀盤(pán)溫度較大，易結(jié)泥餅，從而，轉(zhuǎn)矩明顯提高，即實(shí)現(xiàn)\"低轉(zhuǎn)速高扭矩\"的掘進(jìn)。

5 結(jié)論

紅牌樓站—太平園站盾構(gòu)區(qū)間，針對(duì)盾構(gòu)在各種條件下掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)的變化開(kāi)展了深入研究，并分析了各種掘進(jìn)參數(shù)間的相互關(guān)聯(lián)。然后提出了掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化流程和措施。主要研究結(jié)論：

（1）掘進(jìn)參數(shù)受多個(gè)因子的影響，并可產(chǎn)生重疊影響。

（2）為獲得相同貫入深度，掘進(jìn)推力增大;隨著覆土厚度減少土倉(cāng)壓力隨之減小;刀盤(pán)扭矩受外界各種因素影響數(shù)據(jù)較為離散波動(dòng)較大;掘進(jìn)速度受到上坡路段和風(fēng)險(xiǎn)源雙重影響，所以在過(guò)處于上坡地段的風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，速度略有減小趨勢(shì)，但幅度較小。

（3）改良劑泡沫減弱土顆粒之間結(jié)合水的連接作用實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力的調(diào)節(jié)和優(yōu)化;渣土改良能有效降低盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的摩擦力，是降低盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)力矩的一種有效方式;推進(jìn)速率限制在50～60 mm/min，螺線物料運(yùn)輸速度通過(guò)設(shè)定土壓和推進(jìn)速率相匹配;掘進(jìn)推力應(yīng)該設(shè)在1 100～1 200 kN，使盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)推進(jìn)以此實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)推力的優(yōu)化控制。

（4）盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速維持恒定，能有效降低混凝土體對(duì)刀盤(pán)的損壞，在硬巖階段，由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)壓力增大掘進(jìn)速率變慢，對(duì)刀具的損壞極大;軟巖階段，為了不對(duì)周?chē)馏w形成干擾，刀盤(pán)速度也相應(yīng)減小，并保持\"低轉(zhuǎn)速高扭矩\"的掘進(jìn)。

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［作者簡(jiǎn)介］許燕（1991—），男，本科，工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。