李明陽(yáng)，楊海濤，鄒高明

(1．常州數(shù)爾精密機(jī)械有限公司，江蘇常州 213135;2．廣州市盾建地下工程有限公司，廣州 510030;3．中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，武漢 430074)

0 引言

隨著40臺(tái)次盾構(gòu)在廣州和深圳地區(qū)復(fù)合地層100 km的實(shí)踐，復(fù)合地層的概念逐步形成，復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)有了突破性的進(jìn)展［1-2］。文獻(xiàn)［3］針對(duì)廣州地鐵軟硬不均地層的盾構(gòu)施工，提出了復(fù)合盾構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，對(duì)復(fù)合盾構(gòu)的功能及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究，分析了刀盤(pán)、刀具與地質(zhì)的適應(yīng)性;文獻(xiàn)［4］對(duì)孤石復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了探索，總結(jié)出盾構(gòu)通過(guò)孤石存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，并提出了針對(duì)性的解決方法;文獻(xiàn)［5］對(duì)新加坡Kranji隧道不同風(fēng)化程度的花崗巖軟硬交互地層的盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中遇到的施工難點(diǎn)(如刀具與刀盤(pán)的過(guò)度磨損、開(kāi)挖面失穩(wěn)及地面塌陷、軸向推力控制困難等)進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其中的北線盾構(gòu)進(jìn)行了地質(zhì)適應(yīng)性調(diào)整。

相對(duì)于復(fù)合地層盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合地層特別是軟硬交互地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)模擬與預(yù)測(cè)理論及方法研究，目前還處于薄弱階段。但是，對(duì)用于全斷面巖石地層的TBM隧道掘進(jìn)的施工預(yù)測(cè)模型的研究，卻一直是一個(gè)比較熱門(mén)的研究課題［6］，其中最成功的預(yù)測(cè)模型是科羅拉多礦業(yè)學(xué)院提出的CSM模型和挪威科技大學(xué)提出的NTH模型［7］。

對(duì)于軟弱地層，其掘進(jìn)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型與方法，國(guó)內(nèi)外已有一些相關(guān)研究［8-13］。總結(jié)其思路，基本上是綜合采用理論或經(jīng)驗(yàn)公式、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、力學(xué)分析等方法，研究推力、扭矩、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土倉(cāng)(或切口)壓力等掘進(jìn)參數(shù)之間的相互關(guān)系，并取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

本文基于Terzaghi松動(dòng)土壓力模型與CSM模型，以廣州地鐵3號(hào)線大石—漢溪區(qū)間不同風(fēng)化程度混合巖地層的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)為例，對(duì)該段復(fù)合地層中典型的軟弱地層、硬巖地層及軟硬交互地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 工程概況

廣州地鐵3號(hào)線大石—漢溪盾構(gòu)區(qū)間，地處廣州市番禺區(qū)北7 km，距廣州市約15 km，里程為YDK15+855．5 ～YDK19+830。隧道覆土厚度為1．5 ～40 m，本區(qū)間大石至禮村為天河向斜的南翼，巖層傾北，為白鶴洞組猴崗段紅層;漢溪站附近為順德向斜的東北翼，傾向南西，為上元古界震旦系變質(zhì)巖。本標(biāo)段構(gòu)造主要有禮村斷裂帶，走向?yàn)镹E65～75°，主斷裂帶寬50～60 m，影響范圍約200 m(里程YCK16+340～+540)。斷裂帶北側(cè)為紅層地層，南側(cè)為震旦系變質(zhì)巖。

本標(biāo)段隧道范圍內(nèi)通過(guò)的主要地層有:紅層的中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;細(xì)砂巖和混合巖區(qū)的殘積土;強(qiáng)、中、微風(fēng)化混合巖;禮村斷裂帶硅化角礫巖。大石—雙溪盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 大石—漢溪站盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)剖面圖Fig．1 Geological profile of Dashi-Hanxi shield-bored tunnel

禮村斷裂帶由構(gòu)造角礫巖、硅化構(gòu)造角礫巖和斷層泥組成，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為98%，單軸抗壓強(qiáng)度(fc)為67．4～156．5 MPa，富水性強(qiáng)。禮村斷裂帶地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2，其中的混合巖地層巖性特征見(jiàn)表1。

2 盾構(gòu)機(jī)情況

本區(qū)間采用2臺(tái)海瑞克EPB盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)自質(zhì)量為370 t。刀盤(pán)經(jīng)重新設(shè)計(jì)制造，可以雙向旋轉(zhuǎn)，直徑為6 280 mm，總質(zhì)量為57 t，裝硬巖刀具時(shí)開(kāi)口率為29%，裝軟巖齒刀時(shí)開(kāi)口率為31%(見(jiàn)圖3)。

圖2 禮村斷裂帶地質(zhì)剖面圖Fig．2 Geological profile of Licun fracture zone

表1 禮村斷裂帶以南的混合巖地層巖性特征Table 1 Characteristics of mixed ground to south of Licun fracture zone

圖3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)圖及安裝滾刀刀盤(pán)照片F(xiàn)ig．3 Structure of cutter head and picture of cutter head with disc cutters

刀具配置情況為:按地層情況選擇使用17″單(雙)刃滾刀、正面刮刀、邊緣刮刀和正面齒刀。滾刀刀刃距刀盤(pán)面板的高度為175 mm，齒刀和刮刀的刀刃距刀盤(pán)面板的高度為140 mm，滾刀刀刃高出齒刀和刮刀35 mm。在軟弱地層，中心滾刀及部分正面滾刀更換為齒刀。滾刀數(shù)量與刀間距為:中心刀8把，間距為90 mm;正面滾刀20把，間距為100 mm;邊緣滾刀11把，間距為26～52 mm。刀具見(jiàn)圖4—7。

圖4 中心滾刀Fig．4 Center disc cutters

3 軟弱地層的盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)與分析——土壓平衡模式

3．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在軟弱地層，中心滾刀及部分正面滾刀更換為齒刀。

本區(qū)間的軟弱地層大部分為全-強(qiáng)風(fēng)化混合巖〈6Z-2〉和〈7Z-2〉地層。該地層的主要物理指標(biāo)見(jiàn)表2。部分軟弱地層實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 軟弱地層物理指標(biāo)Table 2 Physical parameters of soft ground

表3 軟弱地層掘進(jìn)參數(shù)Table 3 Shield boring parameters in soft ground

3．2 數(shù)據(jù)分析

3．2．1 計(jì)算有效推力

將土壓反力剝離，計(jì)算出包含盾體摩擦阻力、盾尾拉力及刀具切削阻力的有效推力。軟弱地層的有效推力與刀盤(pán)扭矩見(jiàn)圖8。

圖8 軟弱地層的有效推力與刀盤(pán)扭矩Fig．8 Effective thrust force and cutter head torque in soft ground

圖10 軟弱地層刀盤(pán)扭矩與貫入度的關(guān)系Fig．10 Correlation between cutter head torque and penetration rate when boring in soft ground

3．2．2 分析貫入度與有效推力和刀盤(pán)扭矩的關(guān)系

根據(jù)每環(huán)推進(jìn)速度及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速計(jì)算貫入度。經(jīng)一階線性擬合，得到貫入度與有效推力和刀盤(pán)扭矩的一階線性關(guān)系(見(jiàn)圖9和圖10)。

圖9 軟弱地層有效推力與貫入度的關(guān)系Fig．9 Correlation between effective thrust force and penetration rate when boring in soft ground

由圖9和圖10可初步得出以下結(jié)論:

1)在軟弱地層，貫入度與有效推力的相關(guān)系數(shù)為-0．13，呈低度負(fù)相關(guān);貫入度與刀盤(pán)扭矩的相關(guān)系數(shù)為0．28，接近中度正相關(guān)。貫入度對(duì)推力及刀盤(pán)扭矩有一定的正負(fù)影響。

2)貫入度與有效推力的線性關(guān)系為F=a1-15．61P(a1為克服盾體摩擦阻力和盾尾拉力的初始啟動(dòng)推力，取值8 945 kN;P為刀具貫入度，mm/r)。

3)貫入度與刀盤(pán)扭矩的線性關(guān)系為T(mén)=a2+8．09P(a2為在土倉(cāng)充滿渣土但刀盤(pán)沒(méi)有切削的情況下克服刀盤(pán)內(nèi)外各種阻力矩的初始啟動(dòng)扭矩(即非破巖(土)阻力矩)，取值2 426 kN·m;P為刀具貫入度，mm/r)。

4)在低貫入度情況下(P＜25 mm/r)，隨著貫入度的增大，有效推力變化不明顯，扭矩有明顯變小的趨勢(shì);但隨著貫入度的增大(28 mm/r＜P＜44 mm/r)，正面刮刀逐漸參與切削，有效推力有變小趨勢(shì)，扭矩有明顯增大的趨勢(shì)。

3．2．3 初始啟動(dòng)推力及初始啟動(dòng)扭矩的模擬計(jì)算

軟弱地層物理指標(biāo)及土層厚度值見(jiàn)表4?？紤]隧道埋深及盾構(gòu)經(jīng)過(guò)的巖土特征情況，按Terzaghi松動(dòng)土壓力模型計(jì)算盾構(gòu)的垂直土壓力是合理的［14］。水平土壓力根據(jù)垂直土壓力與靜止側(cè)壓力系數(shù)來(lái)計(jì)算。

表4 計(jì)算用軟弱地層物理指標(biāo)及土層厚度值Table 4 Physical parameters and thickness of soft soil used for calculation

模擬計(jì)算得到盾體摩擦阻力(包括前盾和中盾)為5 483kN，加上刀盤(pán)平均土壓阻力2 790 kN(見(jiàn)表3，取平均土壓值0．09 MPa，刀盤(pán)面積按31 m2計(jì)算)及盾尾平均拉力1285kN(見(jiàn)表5盾尾拉力，取平均值)，得到初始啟動(dòng)推力的模擬值(9 558 kN)。與一階線性擬合值a1比較，其差值為613kN，誤差為6．9%。

模擬計(jì)算得到的刀盤(pán)扭矩值(不含切削土體的阻力矩)為2 683 kN·m(包括刀盤(pán)前后盤(pán)面所受的摩擦阻力矩1 220 kN·m，刀盤(pán)開(kāi)口處切削渣土所需的阻力矩843 kN·m，刀盤(pán)其他部分(土倉(cāng)內(nèi)攪拌棒、刀盤(pán)上轉(zhuǎn)臂、刀盤(pán)周向外側(cè))所受的阻力矩之和620 kN·m，分別占45%、31%、24%)。與一階線性擬合值a2比較，其差值為257 kN·m，誤差為10．6%。

由上述分析可以得出:1)基于Terzaghi松動(dòng)土壓力模型計(jì)算的初始啟動(dòng)推力和啟動(dòng)扭矩模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值的一階線性擬合計(jì)算值相比，其誤差均小于11%，滿足工程需要;2)模擬計(jì)算值或一階線性擬合計(jì)算值(a1及a2)可以作為該刀盤(pán)在類似軟弱地層中初始啟動(dòng)推力和啟動(dòng)扭矩的參考值，也可用于復(fù)合地層軟土部分的推力和扭矩的模擬計(jì)算分析。

4 硬巖地層的盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)與分析——半敞開(kāi)或敞開(kāi)掘進(jìn)模式

4．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本區(qū)間盾構(gòu)隧道除禮村斷裂帶局部有高強(qiáng)度硅化角礫巖外，有6段穿越單軸抗壓強(qiáng)度≥80 MPa的中風(fēng)化-微風(fēng)化的混合巖巖層，圍巖分別為Ⅴ～Ⅵ級(jí)，穩(wěn)定性好，巖土質(zhì)量指標(biāo)為27% ～85%，最大單軸抗壓強(qiáng)度為113 MPa，總長(zhǎng)185 m。盾構(gòu)在此地段基本上采用半敞開(kāi)或敞開(kāi)模式掘進(jìn)。

取左線ZDK16+614～+660為例，其實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 硬巖地層掘進(jìn)參數(shù)Table 5 Boring parameters in hard rock strata

4．2 CSM模型模擬計(jì)算與分析

4．2．1 輸入?yún)?shù)

運(yùn)用CSM模型計(jì)算刀盤(pán)破巖阻力及阻力矩，需要輸入刀具參數(shù)、刀具在刀盤(pán)上的位置參數(shù)(半徑及與隧道軸線的夾角)和巖石參數(shù)。

1)刀具參數(shù)。滾刀半徑為216mm，刀尖寬度為20 mm，刀尖壓力分布系數(shù)為0．1。

2)巖石參數(shù)。低強(qiáng)度條件，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為80 MPa;高強(qiáng)度條件，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為110 MPa;巖石抗拉強(qiáng)度分別取單軸抗壓強(qiáng)度值的1/10計(jì)算。

3)刀具位置參數(shù)。本文不作闡述。4．2．2 模擬值與有效值對(duì)比分析

在相同的掘進(jìn)環(huán)數(shù)上，取相同的貫入度，先分別計(jì)算低強(qiáng)度和高強(qiáng)度條件下的阻力和阻力矩，再與有效推力和有效扭矩進(jìn)行比較(有效推力為扣除盾尾拉力后的實(shí)際推力，包括克服滾刀破巖阻力和盾體摩擦阻力的作用推力;有效扭矩為實(shí)際扭矩)，結(jié)果如圖11和圖12所示。

按不同的掘進(jìn)貫入度排序，分別對(duì)推力和扭矩的模擬值與有效值進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合分析，結(jié)果如圖13和14所示。

綜合分析模擬計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論:

1)在低貫入度范圍(P＜15 mm/r)，考慮盾體摩擦阻力的影響，有效推力和扭矩與高強(qiáng)度巖石條件模擬值基本吻合;在高貫入度范圍(P＞20 mm/r)，相比而言，有效推力和扭矩與低強(qiáng)度巖石模擬條件更吻合。這與實(shí)際盾構(gòu)操作模式是相吻合的。

2)在低貫入度范圍(P＜15 mm/r)，有效推力和扭矩與CSM模型高強(qiáng)度條件下的模擬值的差值見(jiàn)表6。

考慮地質(zhì)條件的突變性，剔除表6第1項(xiàng)數(shù)據(jù)，計(jì)算其余5項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值，推力差平均值為1 123 kN，扭矩差呈正負(fù)波動(dòng)，其平均值為-181kN·m。推力差與測(cè)算硬巖掘進(jìn)盾體摩擦阻力(1 062 kN)比較接近。

3)在高貫入度范圍(P＞20 mm/r)，有效推力和扭矩與CSM模型低強(qiáng)度條件下的模擬值的差值見(jiàn)表7。

表7 高貫入度情況下的推力差與扭矩差Table 7 Thrust differences and torque differences under high penetration rates

由表6和表7可以看出:①在高貫入度情況下，推力差與測(cè)算硬巖掘進(jìn)盾體摩擦阻力(1 062 kN)相差較大，兩者的差值為2 271-1 062=1 209 kN。分析其原因?yàn)?在敞開(kāi)模式下，可能是由于開(kāi)挖速度的增大而導(dǎo)致土倉(cāng)渣土堆積壓力增加形成的;在半敞開(kāi)模式下，暫時(shí)性的螺旋機(jī)出土停止，使土倉(cāng)下部充土，以及向開(kāi)挖面和土倉(cāng)內(nèi)注入渣土改良材料和加壓縮空氣，都可導(dǎo)致推力的增加(由于缺乏實(shí)際掘進(jìn)的模式選擇數(shù)據(jù)和半敞開(kāi)模式下的土倉(cāng)壓力數(shù)據(jù)，故不能進(jìn)行定量分析);在高貫入度情況下，邊緣滾刀磨損量加大，開(kāi)挖面徑向超挖量縮小，盾體摩擦阻力增大導(dǎo)致推力增加。②在高貫入度情況下，刀盤(pán)扭矩差值均呈現(xiàn)負(fù)值，對(duì)其合理的解釋是在此掘進(jìn)環(huán)數(shù)上，實(shí)際的巖石強(qiáng)度要低于低強(qiáng)度條件下的單軸抗壓強(qiáng)度(80 MPa)。如果這個(gè)推論成立的話，則按CSM模型計(jì)算的推力差將更大。按上述分析可知，土倉(cāng)中渣土沉積狀況或改良效果對(duì)中低強(qiáng)度硬巖地層的高貫入度掘進(jìn)效果會(huì)產(chǎn)生重要影響。

表6 低貫入度情況下的推力差與扭矩差Table 6 Thrust differences and torque differences under low penetration rates

4)運(yùn)用CSM模型計(jì)算滾刀平均推力模擬值，結(jié)果如表8所示。

表8 滾刀平均推力模擬值Table 8 Simulated average thrust forces of disc cutters

由表8可以得出:①在高、低強(qiáng)度條件下，滾刀平均推力模擬值基本上都小于滾刀的額定承載力(250 kN)，這與該標(biāo)段滾刀消耗分析的主要磨損方式(即正常磨損)相吻合;②由于該值非常接近滾刀的承載力，導(dǎo)致滾刀的刀圈磨損加大，軸承壽命降低，刀具的消耗加大;③建議按滾刀承載力(250 kN)的75%取值。此時(shí)，高強(qiáng)度巖石的合適貫入度為6 mm/r，低強(qiáng)度巖石的合適貫入度為18 mm/r。

4．2．3 有關(guān)CSM模型計(jì)算的其他影響因素

1)在以上硬巖掘進(jìn)貫入度與推力和扭矩關(guān)系的分析過(guò)程中，基本假定巖石強(qiáng)度參數(shù)沒(méi)有變化。實(shí)際影響因素有:本案例中的巖石單軸抗壓強(qiáng)度為80～113 MPa;缺乏巖石抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在計(jì)算時(shí)做了技術(shù)簡(jiǎn)化;除了強(qiáng)度對(duì)巖石開(kāi)挖有重大影響外，巖石質(zhì)量指標(biāo)也對(duì)滾刀貫入度有較大影響(本案例中的巖石質(zhì)量指標(biāo)為27%～85%)。針對(duì)巖石質(zhì)量指標(biāo)對(duì)刀具貫入度的影響，CSM模型中推薦采用修正系數(shù)對(duì)貫入度進(jìn)行修正:

式中:f為貫入度修正系數(shù);RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo);fc為單軸抗壓強(qiáng)度。

2)刀圈磨損導(dǎo)致的刀刃寬度和刀圈半徑的變化，直接影響滾刀破巖的推力模擬計(jì)算。

5 軟硬交互地層掘進(jìn)——土壓平衡模式

5．1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

禮村斷裂帶之后(里程YDK16+640～+710)，隧道洞身下部為中風(fēng)化混合巖，上部為全-強(qiáng)風(fēng)化混合巖，巖層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎，地下富水性強(qiáng)。實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)為:推力13 720～17 642 kN，推進(jìn)速度10～20 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速1．7 ～1．8r/min，刀盤(pán)扭矩1 330 ～2 280 kN·m;土倉(cāng)上部土壓 0．1 ～0．14 MPa。

文獻(xiàn)［15］給出了在該段的具體掘進(jìn)參數(shù)折線圖。依據(jù)該圖取近似值，軟硬交互地層掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表9，總推力與貫入度的變化情況見(jiàn)圖15。

表9 軟硬交互地層掘進(jìn)參數(shù)Table 9 Boring parameters in complex ground with soft and hard rock

圖15 軟硬交互地層的總推力與貫入度(按環(huán)數(shù))Fig．15 Correlation between total thrust force and penetration rate when boring in complex ground with soft and hard rock(according to ring number)

由圖15可以看出:該段軟硬交互地層493至496環(huán)的貫入度最小(4．57mm/r)，總推力從491環(huán)開(kāi)始由19 600 kN急劇下降到13 720 kN，并保持到498環(huán)。這在很大程度上降低了刀具所受的沖擊荷載，避免了滾刀刀圈的非正常損害，為順利掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。

5．2 模擬計(jì)算與分析

為模擬分析計(jì)算軟硬交互地層，假設(shè)硬巖區(qū)占隧道全斷面面積比為50%。

5．2．1 推力分析

在上軟下硬復(fù)合地層，盾構(gòu)總推力包括破巖(土)阻力、土壓反力、盾體摩擦阻力和盾尾(平均)拉力。

由于貫入度較小，盾構(gòu)實(shí)際作用刀具為滾刀。滾刀刀刃切削土體的阻力較小，而滾壓破巖的阻力大，實(shí)際計(jì)算可以忽略滾刀切削土體阻力，按硬巖破巖阻力計(jì)算。根據(jù)假設(shè)，取全斷面總破巖阻力的1/2計(jì)算。

由于土壓的存在以及掘進(jìn)速度較慢等原因，盾體外圍的空隙被軟土充實(shí)，盾體所受摩擦阻力與全斷面硬巖區(qū)的情況完全不一樣，其值應(yīng)小于全斷面軟土條件的摩擦阻力。計(jì)算時(shí)可以按全斷面軟弱地層條件，取上述的模擬計(jì)算值(初始啟動(dòng)推力值a1)使用。需要說(shuō)明的是，該初始啟動(dòng)推力已包含克服盾體摩擦阻力、盾尾平均拉力的所有推力。土壓反力的計(jì)算相同于全斷面軟土條件。

5．2．2 扭矩分析

5．2．2．1 上軟下硬復(fù)合地層扭矩分析

在上軟下硬復(fù)合地層，盾構(gòu)刀盤(pán)扭矩包括破巖(土)阻力矩及非破巖(土)阻力矩。

由于貫入度較小，盾構(gòu)實(shí)際作用刀具為滾刀，滾刀所受的破巖阻力矩應(yīng)計(jì)入刀盤(pán)扭矩中。對(duì)于軟土刀具，其破巖(土)阻力矩相對(duì)為零。根據(jù)假設(shè)，滾刀所受的破巖阻力矩取全斷面總破巖阻力矩的1/2計(jì)算。

非破巖(土)阻力矩主要包括刀盤(pán)前后盤(pán)面所受的摩擦阻力矩、刀盤(pán)開(kāi)口處切削渣土所需的阻力矩及其他刀盤(pán)部位的阻力矩(土倉(cāng)內(nèi)攪拌棒、刀盤(pán)上轉(zhuǎn)臂和刀盤(pán)周向外側(cè))。根據(jù)上述軟弱地層的模擬計(jì)算分析，三者在全斷面軟弱地層中所占非破巖(土)阻力矩的比例為45%、31%、24%。

5．2．2．2 軟硬斷面面積比對(duì)阻力矩的影響分析

在軟硬交互地層中，刀盤(pán)前后盤(pán)面所受的摩擦阻力矩直接受軟硬斷面面積比的影響。在開(kāi)挖速度慢、平穩(wěn)掘進(jìn)和渣土流動(dòng)性良好的狀態(tài)下，土倉(cāng)中的土壓反力更多地作用在上部軟弱土層，導(dǎo)致刀盤(pán)上部的前后面承受主要的摩擦阻力矩，其值可以按上述的全斷面軟弱地層條件下的非破巖(土)阻力矩模擬計(jì)算值(即初始啟動(dòng)扭矩值a2)的45%的1/2來(lái)計(jì)算。刀盤(pán)開(kāi)口處切削渣土所需的阻力矩及其他刀盤(pán)部位的阻力矩受軟硬斷面面積比影響不大，可以直接按上述所占比例計(jì)算。

5．2．3 推力及扭矩模擬計(jì)算

1)軟土。全-強(qiáng)風(fēng)化混合巖〈6Z-2〉和〈7Z-2〉地層，物理參數(shù)同軟土地層。

2)硬巖。中風(fēng)化混合巖，單軸抗壓強(qiáng)度為50 MPa，巖石抗拉強(qiáng)度取單軸抗壓強(qiáng)度值的1/10計(jì)算。

3)貫入度。4．57 mm，取最小值。

4)全斷面硬巖。按CSM模型計(jì)算出全斷面硬巖破巖阻力為3 091 kN，破巖阻力矩為477 kN·m。

5)全斷面軟弱地層。初始啟動(dòng)推力a1為8 945 kN，初始啟動(dòng)阻力矩a2為2 426 kN·m。

6)軟硬交互地層。總推力及刀盤(pán)扭矩的模擬計(jì)算見(jiàn)表10和表11。

表10 軟硬交互地層總推力模擬計(jì)算Table 10 Simulated total thrust when boring in complex ground with soft and hard rocks

表11 軟硬交互地層總扭矩模擬計(jì)算Table 11 Simulated total torque when boring in complex ground with soft and hard

由表10和表11可知，總推力和總扭矩的模擬值均在實(shí)際值范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文采用的綜合考慮軟土和硬巖模擬分析結(jié)果的復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)模擬分析方法的有效性。

6 結(jié)論與討論

1)在軟弱地層，依據(jù)實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)，擬合得出該盾構(gòu)在類似軟弱地層中初始啟動(dòng)推力和初始啟動(dòng)扭矩參考值，其值可以用于復(fù)合地層軟土部分的推力與扭矩的模擬計(jì)算。與按Terzaghi松動(dòng)土壓力模型計(jì)算的模擬值比較，其誤差分別為6．9%和10．6%，滿足工程實(shí)際需要。

2)在軟弱地層，在低貫入度情況下(P＜25 mm/r)，隨著貫入度的增大，有效推力變化不明顯，扭矩有明顯變小的趨勢(shì);但隨著貫入度的增大(28 mm/r＜P＜44 mm/r)，正面刮刀逐漸參與切削，有效推力有變小的趨勢(shì)，扭矩有明顯增大的趨勢(shì)。刀具的高差設(shè)計(jì)直接影響推力與扭矩值。

3)在硬巖地層低貫入度、高強(qiáng)度巖石條件下，CSM分析模型模擬結(jié)果與實(shí)際表現(xiàn)比較吻合。

4)在硬巖地層高貫入度、低強(qiáng)度巖石條件下，CSM模型計(jì)算的模擬值與實(shí)際值的差值較大。分析推力差值可能的原因有:在敞開(kāi)模式下，由于開(kāi)挖速度增大，土倉(cāng)渣土堆積，造成推力增大;在半敞開(kāi)模式下，暫時(shí)性的螺旋機(jī)出土停止，使土倉(cāng)下部充土，以及向開(kāi)挖面和土倉(cāng)內(nèi)注入土壤改良材料和加壓縮空氣，都可導(dǎo)致推力的增加。刀盤(pán)扭矩差值均呈現(xiàn)負(fù)值，表明模擬分析結(jié)果大于實(shí)際值，其合理解釋是該掘進(jìn)環(huán)數(shù)的實(shí)際巖石強(qiáng)度低于低強(qiáng)度條件下的實(shí)際強(qiáng)度(80 MPa)，這在一定程度上反映了巖石質(zhì)量指標(biāo)對(duì)掘進(jìn)速度的影響，也表明了土倉(cāng)中渣土沉積狀況或改良效果對(duì)破碎中低強(qiáng)度硬巖地層的高貫入度掘進(jìn)效果有重要影響。

5)依據(jù)CSM模型計(jì)算滾刀平均推力的模擬值分析，為降低滾刀的消耗量，建議高強(qiáng)度巖石的合適貫入度為6 mm/r，低強(qiáng)度巖石的合適貫入度為18 mm/r。

6)通過(guò)對(duì)軟硬交互復(fù)合地層的盾構(gòu)力學(xué)分析，模擬計(jì)算了在軟硬地層各占50%的情況下的推力與扭矩。結(jié)果表明，總推力和扭矩的模擬值均在實(shí)際值范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文中采用的綜合考慮軟土和硬巖模擬分析結(jié)果的復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)模擬分析方法的有效性。

由于地質(zhì)條件本身的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)和盾構(gòu)實(shí)際操作數(shù)據(jù)的不完整性，本文采用的分析方法不可避免地采取了某種程度的簡(jiǎn)化。但從分析結(jié)果來(lái)看，本文的研究方法與相關(guān)結(jié)論，對(duì)于復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)模擬分析的理論研究與盾構(gòu)實(shí)踐，都具有一定的參考價(jià)值;同時(shí)對(duì)復(fù)合型盾構(gòu)的刀盤(pán)設(shè)計(jì)、刀具選型、推力及扭矩等參數(shù)的設(shè)計(jì)，也有一定的指導(dǎo)意義?！暗刭|(zhì)是基礎(chǔ)，盾構(gòu)是關(guān)鍵，人是根本”，如能將地質(zhì)條件與盾構(gòu)相互作用的一些關(guān)鍵因素，如巖土特性與盾構(gòu)刀具的作用機(jī)制，圍巖環(huán)境與盾構(gòu)本身的作用機(jī)制，渣土改良系統(tǒng)、刀盤(pán)及土倉(cāng)結(jié)構(gòu)、螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)與操作模式對(duì)掘進(jìn)參數(shù)與效果的影響等，逐步納入到盾構(gòu)與巖(土)層相互作用的大系統(tǒng)中綜合考慮，將會(huì)極大地提升復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)模擬與預(yù)測(cè)的有效性，對(duì)盾構(gòu)工程實(shí)踐中的“人是根本”的指導(dǎo)意義則更為顯著，這也是筆者進(jìn)一步研究的方向。此外，鑒于盾構(gòu)地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性，在研究中增加地質(zhì)變動(dòng)動(dòng)態(tài)分析，也許更能滿足盾構(gòu)工程實(shí)踐者的實(shí)際需要。

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