富水軟土地層土壓平衡盾構掘進參數分析

【摘 要】依托鄭州地鐵8號線盾構下穿鄭州北編組站工程，分析富水軟土地層中土壓平衡盾構掘進參數的波動情況，并探究掘進參數的相互關系，得出結論：（1）土壓平衡盾構在富水軟土地層中掘進時，盾構機總推力與土壓力、刀盤扭矩具有顯著的線性擬合關系；（2）土壓平衡盾構在富水軟土地層中掘進時，盾構機掘進速度與總推力、刀盤扭矩具有顯著的線性擬合關系；（3）土壓平衡盾構在富水軟土地層中掘進時，應結合地表沉降監測數據，動態調整掘進參數，以減小施工影響。

【關鍵詞】盾構隧道； 土壓平衡盾構； 富水軟土地層； 數理統計； 掘進參數

【中圖分類號】U455.43【文獻標志碼】A

0 引言

近年來，隨著我國城市建設的快速發展，城市地鐵隧道正如火如荼地建設著。盾構法因其對地面沉降控制好、施工速度快、自動化程度高等特點已成為首選修建工法［1］。如何結合工程地質條件，選擇合適的掘進參數，對提高掘進效率、控制地表沉降有著重要意義。

目前，國內外學者對盾構機掘進參數進行了一定程度的探索研究。張厚美等［2］通過正交實驗分析了土艙壓力、盾構機總推力、刀盤轉速等參數對掘進速度、刀盤扭矩的影響。江華等［3］在大粒徑卵礫石地層開展土壓平衡盾構現場原型掘進試驗，通過分析試驗數據，探明土壓平衡盾構主要掘進參數的相互關系。魏新江等［4］、宋克志等［5］、沈翔等［6］、林存剛等［7］結合現場原型試驗，對盾構機掘進參數的波動情況進行分析。龔興旺等［8］依托盾構下穿珠江工程，分析土倉壓力、注漿壓力、盾構機頂推力對地表沉降的影響程度。曹云飛［9］通過分析青島4號線盾構掘進參數，并與理論公式相結合，分析了試驗段掘進參數。王洪新［10-11］通過模型實驗結果，探明了土壓平衡盾構掘進參數間的相互關系。

本文依托鄭州市軌道交通8號線五龍口站—同樂站區間盾構下穿鄭州北編組站工程，統計施工過程中土壓平衡盾構掘進參數，研究富水軟土地層下土壓平衡盾構掘進參數的波動情況及其原因，并對掘進參數之間的相關關系進行研究，以期為土壓平衡盾構在同種地層條件下掘進參數的選取和優化提供參考。

1 工程概況和水文地質

1.1 工程概況

鄭州市軌道交通8號線五龍口站—同樂站區間（以下簡稱“五同區間”）隧道以82°交角下穿鄭州北編組站。鄭州北編組站共89條股道，其中上行編組場線路38條，交換場交換線10條和下行編組場線路41條。五同區間隧道與鄭州北編組站相對位置關系見圖1。

1.2 水文地質條件

五同區間隧道埋深16.7～25.6 m，隧道上方為雜填土和黏質粉土，隧道穿越地層為粉砂和黏質粉土，隧道底部為粉質黏土。鄭州北編組段地質情況如圖2所示。本區域地下水穩定水位埋深8.0～13.2 m，主要賦存于粉土、粉質黏土中。

1.3 盾構機選型

五同區間采用2臺鐵建重工DZ422/DZ423型土壓平衡盾構機，盾構機開挖6.44 m。盾構機刀盤為“圓柱輻條+小面板”結構形式，刀盤開口率50%，配備1把魚尾中心刀、28把弧形貝殼刀、56把切刀、16把保徑刀和1把超挖刀。盾構機額定扭矩7 560 kN·m，脫困扭矩8 300 kN·m，最大推力4 257.5 t。本區間采用混凝土強度等級C50，抗滲等級P12的鋼筋混凝土管片，管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，幅寬1.5 m，厚度0.35 m。

2 盾構下穿編組站掘進參數分析

盾構掘進參數主要包括掘進速度、刀盤扭矩、總推力和土艙壓力等，上述掘進參數既相互獨立，又相互影響。下面選擇盾構下穿鄭州北編組站期間左線275～697環，右線282～704環的掘進參數進行分析。

2.1 掘進速度

盾構下穿鄭州北編組站期間，合理設置盾構機掘進速度，可以保持盾構均勻穩定掘進，可以有效控制地表沉降和路基沉降，保障列車行車安全。根據五同區間盾構掘進現場實測數據，可以整理出盾構下穿鄭州北編組站期間掘進速度變化曲線圖，如圖3所示。

從圖3看出，左線盾構最大掘進速度為78 mm/min，平均掘進速度為60.8 mm/min，左線盾構掘進初始階段，掘進速度保持在70～75 mm/min范圍內，當掘進到430環附近時，掘進速度開始大幅度降低，這是因為盾構下穿鄭州北編組站段為下坡段，430環位置即為軸線變坡點，盾構需調整姿態以符合線路軸線要求，后續階段掘進速度在55 mm/min附近波動。右線盾構最大掘進速度為78 mm/min，平均掘進速度為68.8 mm/min，右線盾構掘進速度整體保持在62～78 mm/min范圍內。

2.2 刀盤扭矩

本區間選用盾構機額定扭矩7 560 kN·m，脫困扭矩8 300 kN·m。根據本區間地層條件，下穿鄭州北編組站期間刀盤扭矩控制在100～250 t·m左右。根據五同區間盾構掘進現場實測數據，可以整理出盾構下穿鄭州北編組站期間刀盤扭矩變化曲線圖（圖4）和刀盤扭矩分布直方圖（圖5）。

從圖4和圖5可以看出，左線盾構平均刀盤扭矩為170.6 t·m，刀盤扭矩總體在100～250 t·m，主要分布在140～220 t·m；右線盾構平均刀盤扭矩為153.6 t·m，刀盤扭矩總體在100～240 t·m，主要分布在100～200 t·m。左線盾構和右線盾構刀盤扭矩整體上均逐漸上升，產生這種現象的原因是粉砂和黏質粉土的內摩擦角較大，切削過程中受擠壓作用變得密實，這就需要增大扭矩來完成切削，且隨著盾構向前掘進，刀具磨損速度變快，所需刀盤扭矩亦逐漸增大。

觀察刀盤扭矩變化曲線圖，可以發現刀盤扭矩存在諸多突變點。為分析突變原因，通過整理左線盾構刀盤扭矩和掘進速度，可以得出刀盤扭矩與掘進速度關系曲線圖，如圖6所示。

從圖6可以發現，在刀盤扭矩增大時，盾構掘進速度增大、不變、減小的情況均存在。如果刀盤扭矩增大而掘進速度驟減，說明盾構機前方遇到障礙；如果刀盤扭矩增大而掘進速度基本不變，說明刀盤中心區形成“泥餅”或者是其他原因；如果刀盤扭矩增大且掘進速度增大，說明盾構司機提高掘進效率。

2.3 總推力

在盾構機掘進過程中，總推力大小將隨著地層變化而變化，不同的地層條件下總推力大小不同。根據五同區間盾構掘進現場實測數據，可以整理出盾構下穿鄭州北編組站期間總推力變化曲線圖（圖7）和總推力分布直方圖（圖8）。

從圖7和圖8可以看出，左線盾構平均總推力為1 175.6 t，總推力總體在900～1 600 t，主要分布在1 100～1 300 t；右線盾構平均總推力為1 187.9 t，總推力總體在900～1 700 t，主要分布在1 000～1 300 t。相比盾構機的最大推力為4 257.5 t，盾構機總推力尚有較大富余，可滿足本工程后續施工。

2.4 土艙壓力

鄭州北編組站區段為下坡段，盾構掘進土艙壓力主要取決于刀盤前水土壓力，一般取刀盤中心處的水土壓力為準，故隨著隧道埋深越大，刀盤前方水土壓力越大，土艙壓力也越大。盾構下穿鄭州北編組站段隧道中心埋深為19.2～28.8 m，土壓力變化范圍為1.6～2.4 bar。根據五同區間盾構掘進現場實測數據，可以整理出盾構下穿鄭州北編組站期間土艙壓力變化曲線（圖9）。

從圖9可以看出，隨著埋深增大，土艙壓力也逐漸增大。左線盾構土艙壓力總體分布在1.5～2.5 bar，右線盾構土艙壓力總體分布在1.6～2.6 bar，這與前面的計算結果相符合。

3 掘進參數相關關系分析

3.1 總推力與土壓力相互關系分析

土壓平衡盾構掘進過程中，盾構總推力是主要掘進參數之一。從朱合華等［12］的模型試驗可知，盾構總推力和土艙壓力存在著內在聯系。根據整理五同區間盾構掘進現場實測數據，可得到盾構機總推力與土壓力相關關系曲線，如圖10所示。

數理統計中，決定系數R2至關重要。R2取值0～1之間， R2=0～0.09為無相關性，R2=0.1～0.3為弱相關，R2=0.3～0.5為中等相關，R2=0.5～1.0為強相關。

從圖10可以看出，盾構機總推力F與土壓力P具有良好的線性擬合關系：左線P=0.00127F+0.6793，右線P=0.00132F+0.5107。決定系數R2分別為0.64、0.66，說明軟土地層盾構機總推力和土壓力強相關，土壓力越大，盾構機總推力越大。

3.2 總推力與刀盤扭矩相互關系分析

根據五同區間盾構掘進現場實測數據，通過數理統計回歸分析，可以得到盾構機總推力與刀盤扭矩相關關系曲線圖，如圖11所示。

從圖11可以看出，盾構機總推力F與刀盤扭矩T具有良好的線性擬合關系：左線T=0.1289F+10.5399，右線T=0.1134F+19.6789。決定系數R2分別為0.52、0.56，說明軟土地層盾構機總推力和刀盤扭矩強相關，盾構機總推力越大，刀盤扭矩越大。

3.3 掘進速度與總推力相互關系分析

根據五同區間盾構掘進現場實測數據，通過數理統計回歸分析，可以得到盾構機掘進速度與總推力相關關系曲線，如圖12所示。

從圖12可以看出，盾構機掘進速度v與總推力F具有良好的線性擬合關系：左線F=5.7380v+903.7660，右線F=8.7143v+576.1429。決定系數R2分別為0.42、0.46，說明軟土地層盾構機掘進速度與總推力中等相關程度。

3.4 掘進速度與刀盤扭矩相互關系分析

根據五同區間盾構掘進現場實測數據，通過數理統計回歸分析，可以得到盾構機掘進速度與刀盤扭矩相關關系曲線，如圖13所示。

圖13 掘進速度-刀盤扭矩相互關系曲線從圖13可以看出，盾構機掘進速度v與刀盤扭矩T具有良好的線性擬合關系：左線T=2.0461v+51.2730，右線T=3.6248v-96.0250。決定系數R2分別為0.53、0.51，說明軟土地層盾構機掘進速度與總推力強相關。

4 結論

本文依托鄭州市軌道交通8號線五龍口站—同樂站區間盾構下穿鄭州北編組站工程，通過數理統計的方法對掘進參數進行分析，研究富水軟土地層下土壓平衡盾構掘進參數的波動情況及其原因，并對掘進參數之間的相關關系進行研

究，得出結論：

（1）土壓平衡盾構在富水軟土地層中掘進時，盾構機總推力F與土壓力P、刀盤扭矩T均具有顯著的線性擬合關系。盾構機總推力F與土壓力P的關系：左線P=0.00127F+0.6793，右線P=0.00132F+0.5107，決定系數R2分別為0.64、0.66；盾構機總推力F與刀盤扭矩T的關系：左線T=0.1289F+10.5399，右線T=0.1134F+19.6789，決定系數R2分別為0.52、0.56。

（2）土壓平衡盾構在富水軟土地層中掘進時，盾構機掘進速度v與總推力F、刀盤扭矩T均具有顯著的線性擬合關系。盾構機掘進速度v與總推力F的關系：左線F=5.7380v+903.7660，右線F=8.7143v+576.1429，決定系數R2分別為0.42、0.46；盾構機掘進速度v與刀盤扭矩T的關系：左線T=2.0461v+51.2730，右線T=3.6248v-96.0250。決定系數R2分別為0.53、0.51。

（3）土壓平衡盾構在富水軟土地層中掘進時，應實時根據地表沉降監測數據，動態調整盾構機掘進參數，以減小隧道開挖對地層沉降的影響，保證地表上建筑物的安全。

參考文獻

［1］ 周中，張俊杰，丁昊暉，等.基于GA-Bi-LSTM的盾構隧道下穿既有隧道沉降預測模型［J］.巖石力學與工程學報， 2023， 42（1）： 224-234.

［2］ 張厚美，吳秀國，曾偉華.土壓平衡式盾構掘進試驗及掘進數學模型研究［J］.巖石力學與工程學報， 2005（S2）： 5762-5766.

［3］ 江華，江玉生，張晉勛，等.大粒徑卵礫石地層盾構刀盤選型及適應性評價［J］.土木建筑與環境工程，2014，36（5）：119-124.

［4］ 魏新江，周洋，魏綱.土壓平衡盾構掘進參數關系及其對地層位移影響的試驗研究［J］.巖土力學， 2013， 34（1）： 73-79.

［5］ 宋克志，袁大軍，王夢恕.基于盾構掘進參數分析的隧道圍巖模糊判別［J］.土木工程學報， 2009， 42（1）： 107-113.

［6］ 沈翔，袁大軍，吳俊，等.復雜地層條件下盾構掘進參數分析及預測［J］.現代隧道技術， 2020， 57（5）： 160-166.

［7］ 林存剛，張忠苗，吳世明，等.泥水盾構掘進參數對地面沉降影響實例研究［J］.土木工程學報， 2012， 45（4）： 116-126.

［8］ 龔興旺，龔倫，鐘建，等.泥質砂巖地層盾構掘進參數對地表沉降的顯著性影響分析［J］.山東農業大學學報（自然科學版），2023，54（3）：430-439.

［9］ 曹云飛. 青島地鐵某區間穿河隧道盾構掘進參數及沉降控制研究［D］.青島：青島理工大學， 2022.

［10］ 王洪新.土壓平衡盾構刀盤扭矩計算及其與盾構施工參數關系研究［J］.土木工程學報， 2009， 42（9）： 109-113.

［11］ 王洪新，傅德明.土壓平衡盾構掘進的數學物理模型及各參數間關系研究［J］.土木工程學報， 2006（9）： 86-90.

［12］ 朱合華，徐前衛，廖少明，等.土壓平衡盾構法施工參數的模型試驗研究［J］.巖土工程學報， 2006（5）： 553-557.

［作者簡介］向華（1989—），男， 本科， 工程師，從事地鐵項目施工工作。