楊果林，張沛然，陳亞軍，沈臻鑫

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中建五局土木工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410004)

近年來，土壓平衡(EPB)盾構(gòu)在我國(guó)地下空間開發(fā)和建設(shè)中受到廣泛重視和應(yīng)用，同時(shí)也出現(xiàn)了大量相關(guān)研究和應(yīng)用技術(shù)問題亟待解決。由于EPB 盾構(gòu)施工參數(shù)及掘進(jìn)表現(xiàn)的研究水平對(duì)盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)、施工掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)等具有重要意義，一直以來受到許多學(xué)者[1-7]的廣泛關(guān)注。朱合華等[1]建立了土體-盾構(gòu)機(jī)相似系統(tǒng)，對(duì)軟土地層進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)研究，提出了包含盾構(gòu)施工參數(shù)及地層物理力學(xué)參量的地層適應(yīng)性理論。邢彤等[2]指出在盾構(gòu)裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要預(yù)測(cè)盾構(gòu)在不同土層掘進(jìn)時(shí)的刀盤功率，發(fā)現(xiàn)刀盤剪切力矩和攪動(dòng)力矩共占總刀盤扭矩的99%。施虎等[4]進(jìn)一步建立了盾構(gòu)推進(jìn)分項(xiàng)阻力計(jì)算模型，利用盾構(gòu)模擬系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)土壓力在推進(jìn)力計(jì)算中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，并確定了由土壓力與切深率組成的推進(jìn)力計(jì)算模型。趙博劍等[6]以深圳地鐵復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)施工為背景，對(duì)區(qū)間典型地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同地層中的施工參數(shù)存在一定波動(dòng)差異性。陳仁朋等[7]對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)中盾構(gòu)與圍巖的相互作用規(guī)律、土壓平衡盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩的影響因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可用于盾構(gòu)刀盤裝備扭矩設(shè)計(jì)等。在盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)地層位移影響方面，鄭剛等[8-9]分析了盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)與掘進(jìn)速度的關(guān)系，并研究了對(duì)周圍地層沉降的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掘進(jìn)速度不同時(shí)各掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)的取值范圍不同，但各掘進(jìn)參數(shù)之間具有一定的相關(guān)性。魏新江等[10]通過盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了盾構(gòu)參數(shù)關(guān)系及其對(duì)地層位移的影響，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)總推力、土艙壓力和刀盤扭矩基本同步變化，施工沉降與土艙內(nèi)外壓力差值成反比。綜上可知盾構(gòu)在不同土層中的施工參數(shù)具有一定差異性，而這種差異性在盾構(gòu)的選型設(shè)計(jì)、施工控制及擾動(dòng)影響研究中均不能忽視；同時(shí)，在掘進(jìn)參數(shù)分析方面主要以單一指標(biāo)變化為主，基于土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)的多參量評(píng)價(jià)指標(biāo)和預(yù)測(cè)方法還較少。另外，對(duì)EPB 盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)的研究可以從理論、試驗(yàn)和數(shù)值分析等方面進(jìn)行，但就實(shí)際應(yīng)用而言，現(xiàn)階段以盾構(gòu)施工自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)為資源，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)-地層空間關(guān)系進(jìn)行辨識(shí)不失為一種有效方法，并且隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，將為海量盾構(gòu)施工參數(shù)分析、盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)預(yù)測(cè)及智能優(yōu)化控制提供技術(shù)支撐。目前，長(zhǎng)沙地下軌道交通和市政管廊建設(shè)數(shù)量快速增長(zhǎng)，帶動(dòng)了大量EPB 盾構(gòu)工程出現(xiàn)，現(xiàn)有研究[11-12]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)沙地層條件較復(fù)雜，具有一定的代表性，因而，本文作者對(duì)其典型地層的EPB 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，分析探討盾構(gòu)施工地層的可掘性，提出具有一定適用性的掘進(jìn)表現(xiàn)預(yù)測(cè)模型，以便為本地乃至全國(guó)范圍內(nèi)類似地層的EPB盾構(gòu)施工和研究提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

長(zhǎng)沙市某盾構(gòu)工程為湖南省首條采用土壓平衡盾構(gòu)施工的電力管廊隧道，盾構(gòu)全長(zhǎng)約6.0 km。隧道內(nèi)徑為3.6 m，襯砌管片寬度分別為1.2 m 和1.0 m。本電力盾構(gòu)隧道工程采用2 臺(tái)中鐵山河土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，盾構(gòu)機(jī)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況，該盾構(gòu)隧道工程場(chǎng)地地層由第四系地層與基巖組成。地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道從南向北盾構(gòu)掘進(jìn)面先后經(jīng)過礫巖、砂卵石、泥巖、圓礫、板巖、粉質(zhì)黏土等地層，其中主要為礫巖、砂卵石和泥巖地層。本標(biāo)段第四系覆蓋層有全新統(tǒng)填土、粉質(zhì)黏土、粉土等；上更新統(tǒng)白水江組沖積粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、圓礫、卵石等；中更新統(tǒng)馬王堆組沖積粉質(zhì)黏土、圓礫、卵石以及殘積粉質(zhì)黏土等；基巖有白堊系泥巖、礫巖、以及板巖。場(chǎng)地地下水位穩(wěn)定水位埋深在0.4～17.4 m之間變化，水位標(biāo)高在22.57～59.49 m之間變化。

2 EPB盾構(gòu)施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)及分析

為對(duì)長(zhǎng)沙典型地層EPB 盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)地勘報(bào)告在工程現(xiàn)場(chǎng)分別調(diào)取、讀存礫巖、砂卵石和泥巖(泥質(zhì)粉砂巖)3 類地層，合計(jì)147環(huán)盾構(gòu)機(jī)施工在線自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。其中，盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存頻率為1 次/s，而本次以1次/(3 s)調(diào)取數(shù)據(jù)，并用于分析。盾構(gòu)隧道典型地層工程地質(zhì)圖見圖1。

2.1 典型地層EPB盾構(gòu)主要施工參數(shù)變化特征

2.1.1 貫入度

對(duì)土壓平衡盾構(gòu)而言，評(píng)價(jià)刀盤工作表現(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)為貫入度Prev，其物理意義為刀盤每轉(zhuǎn)下的刀盤切入深度，定義式如下：

式中：Prev為貫入度，mm/r；v為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度，mm/min；N為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min。

貫入度在一定意義上表征了盾構(gòu)施工地層的可掘性和機(jī)械作業(yè)水平。本文分別統(tǒng)計(jì)分析3類地層的貫入度，結(jié)果如圖2所示。從圖2可見：貫入度在3類典型地層中具有鮮明的分布特征，其均值分別為33.96，40.97 和20.48 mm/r，在砂卵石地層中最大，泥巖地層中最小，即在泥巖地層中盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)水平較低，這可能與地層的細(xì)顆粒含量或液性、塑性相關(guān)。砂卵石地層的貫入度變化幅度較大，說明盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)的表現(xiàn)水平穩(wěn)定性較差。需說明的是，由式(1)定義的貫入度主要用于評(píng)價(jià)刀盤與土的接觸狀態(tài)，不能片面理解為降低刀盤轉(zhuǎn)速可以提高貫入度。從極限角度考慮，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速很低時(shí)，刀盤處于非轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，則作用于土體的切向力作用同步降低，此時(shí)，單純依靠增大推進(jìn)力難以提高貫入度。貫入度在土體中的表現(xiàn)主要應(yīng)受地層條件如地層的含泥量的影響。在室內(nèi)對(duì)3類典型地層含泥量進(jìn)行抽樣分析，發(fā)現(xiàn)礫巖、砂卵石和泥巖地層的含泥量分別為27.2%，7.80～10.01%和25.10～33.05%。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際掘進(jìn)速度v而言，這3種地層的推進(jìn)速度和貫入度關(guān)系均可表達(dá)為線性函數(shù)，說明通過提高貫入度可以加快盾構(gòu)掘進(jìn)速度。由貫入度的定義可知，推進(jìn)速度和貫入度的比值其實(shí)質(zhì)為刀盤轉(zhuǎn)速，且經(jīng)圖2擬合分析后，也可以看出線性函數(shù)的斜率基本接近各地層刀盤轉(zhuǎn)速的均值，說明盾構(gòu)機(jī)在3類典型地層掘進(jìn)過程中其刀盤轉(zhuǎn)速基本恒定。本工程中礫巖、砂卵石和泥巖地層中的刀盤轉(zhuǎn)速均值分別為1.83，1.22 和1.66 r/min，砂卵石地層的低轉(zhuǎn)速設(shè)定與現(xiàn)場(chǎng)施工為保證刀盤扭矩具有一定的富余量有關(guān)；另外，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)敏感的砂卵石地層而言，不同刀盤轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的振動(dòng)擾動(dòng)效應(yīng)控制也是需要注意的關(guān)鍵問題。

圖1 盾構(gòu)隧道典型地層工程地質(zhì)圖Fig.1 Engineering geological map of typical strata of shield tunnel

2.1.2 刀盤扭矩、螺機(jī)扭矩和土倉(cāng)壓力

典型地層刀盤扭矩、螺機(jī)扭矩及土倉(cāng)壓力變化曲線如圖3所示。從圖3可見：在3 類典型地層中，刀盤扭矩不盡相同，在礫巖地層中刀盤扭矩較穩(wěn)定，而在砂卵石和泥巖地層中具有顯著的震蕩性，這可能與砂卵石和泥巖地層的顆粒級(jí)配、風(fēng)化程度等有關(guān)，這類特征在螺機(jī)扭矩的變化中依然存在，而兩者共同對(duì)土倉(cāng)壓力產(chǎn)生影響。3種地層土倉(cāng)壓力均值表明典型地層依然具有鮮明的地層屬性。其中，砂卵石地層的土倉(cāng)壓力最大，均值達(dá)到1.48×105Pa，礫巖地層最小為0.39×105Pa，說明盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)施工時(shí)，受砂卵石地層土水壓力平衡和失穩(wěn)控制需要，其土倉(cāng)壓力通常較大。盾構(gòu)機(jī)的刀盤扭矩分布曲線因地層不同而有所差異，刀盤扭矩在泥巖地層中分布范圍最廣，均值達(dá)1 005.14 kN·m；砂卵石地層的扭矩分布較廣，且在300～1 200 kN·m 之間分布較均勻；而礫巖地層中刀盤扭矩以均值950.37 kN·m 為中心，分布較集中，其標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明刀盤在礫巖地層的工作狀態(tài)較穩(wěn)定。

2.1.3 總推進(jìn)力及與刀盤扭矩關(guān)系

典型地層土壓平衡盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖如圖4所示。從圖4可以看出盾構(gòu)機(jī)的總推進(jìn)力因地層不同，在分布曲線上存在一些特點(diǎn)：總推進(jìn)力在3類地層中的分布普遍較集中，泥巖和礫巖地層的分布特征及數(shù)值較接近，且均低于砂卵石地層的總推進(jìn)力，這與砂卵石地層的土倉(cāng)保壓有關(guān)；對(duì)于寬級(jí)配的砂卵石地層，維持掌子面的穩(wěn)定性是施工中的一個(gè)關(guān)鍵問題，因而，需要保證一定的推進(jìn)壓力，這從圖3所示的土倉(cāng)壓力均值可以看出，均遠(yuǎn)大于其他2類地層的土倉(cāng)壓力。

圖2 典型地層EPB盾構(gòu)貫入度及相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.2 Change curves of penetration and related parameters of EPB shield in typical stratum

圖3 典型地層刀盤扭矩、螺機(jī)扭矩及土倉(cāng)壓力變化曲線Fig.3 Variation curves of torque of cutterhead,torque of screw conveyor and earth bin pressure in typical stratum

圖4 典型地層土壓平衡盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.4 Statistical histograms of related parameters of EPB shield in typical stratum

EPB 盾構(gòu)總推進(jìn)力與刀盤扭矩的關(guān)系見圖5。從圖5可見：刀盤扭矩整體上隨總推進(jìn)力提高而增大，但在3 種地層中，兩者的線性擬合相關(guān)性不同，泥巖地層的擬合度最高為0.64。在泥巖地層中施工時(shí)應(yīng)合理把握盾構(gòu)總推進(jìn)力，防止過荷擠壓刀盤，造成其超荷工作。

2.2 典型地層EPB盾構(gòu)裝備系數(shù)取值

圖5 典型地層盾構(gòu)刀盤扭矩和總推進(jìn)力變化曲線Fig.5 Change curves of cutterhead torque and total total thrust of shield in typical stratum

在EPB 盾構(gòu)的選型設(shè)計(jì)中涉及1 個(gè)關(guān)鍵問題：如何合理確定盾構(gòu)機(jī)的裝備總推進(jìn)力和刀盤扭矩[2,4,7]。相關(guān)模型(見式(2)和(3))可用于解決這個(gè)問題，同時(shí)，結(jié)合本工程盾構(gòu)刀盤直徑為4.35 m，根據(jù)實(shí)際推力和刀盤扭矩反算3類地層的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

式中：F為盾構(gòu)機(jī)裝備油缸千斤頂推力，kN；T為刀盤裝備扭矩，kN·m；D為盾構(gòu)機(jī)刀盤(開挖)直徑，m；α和β分別為盾構(gòu)機(jī)裝備系數(shù)，其中α取14～23，β取500～1 200。

從表2可以看出：3 類地層中盾構(gòu)刀盤扭矩系數(shù)α的最大值(17)出現(xiàn)在泥巖地層中，且位于經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)；而總推進(jìn)力系數(shù)β在砂卵石地層中達(dá)到最大值514，其余地層均遠(yuǎn)低于經(jīng)驗(yàn)值。這說明在土壓平衡盾構(gòu)中，當(dāng)(礫巖、泥巖)地層的自穩(wěn)性增強(qiáng)時(shí)，總推進(jìn)力將低于同直徑TBM機(jī)械參數(shù)取值。β的差異現(xiàn)象與TBM 和EPB 盾構(gòu)的機(jī)械作業(yè)特點(diǎn)相關(guān)，在TBM 施工中推進(jìn)力施加于刀盤的壓力對(duì)破碎、切削巖石具有一定作用[13-14]；而對(duì)EPB盾構(gòu)主要面對(duì)的軟巖和土類地質(zhì)而言，只有在如同砂卵石可能含有大量大顆粒巖石或風(fēng)化程度較低的地層中需要推進(jìn)力的擠壓作用之外，軟巖和土類地層主要靠刀盤的作功實(shí)現(xiàn)開挖掘進(jìn)，總推進(jìn)力的作用功能下降。因而，針對(duì)長(zhǎng)沙典型地層而言，建議EPB 盾構(gòu)總推進(jìn)力的裝備系數(shù)可按相同刀盤直徑TBM 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行一定折減，而對(duì)于不同直徑的EPB盾構(gòu)有待進(jìn)一步研究確定。

3 EPB盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)及預(yù)測(cè)

3.1 EPB盾構(gòu)掘進(jìn)典型地層可掘性分析

從上述分析結(jié)果可以看出，盾構(gòu)機(jī)總推進(jìn)力、刀盤扭矩與貫入度存在關(guān)聯(lián)，但從各參數(shù)的單一變化很難充分說明EPB 盾構(gòu)施工參數(shù)在各地層中的統(tǒng)一變化規(guī)律。據(jù)式(4)定義的歸一化的總推進(jìn)力-場(chǎng)切入指數(shù)IFP為

式中：IFP為場(chǎng)切入指數(shù)，kN/(mm·r-1)；F為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力，kN；Prev為貫入度，mm/r。

從圖6可以看出：無論是單個(gè)地層(圖6(b)所示為泥巖地層施工參數(shù)，礫巖和砂卵石地層變化特征與其相似)，或是3 類地層各環(huán)施工參數(shù)的均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，場(chǎng)切入指數(shù)與貫入度具有高度的關(guān)聯(lián)性，可以用下列冪函數(shù)表示二者之間的關(guān)系：

場(chǎng)切入指數(shù)隨貫入度的增大而減小，當(dāng)貫入度小于20 mm/r時(shí)，場(chǎng)切入指數(shù)變化范圍較大；而當(dāng)貫入度大于一定值時(shí)，場(chǎng)切入指數(shù)的變化范圍減小。需要指出的是，圖6(a)所示的第615環(huán)開挖全過程中，在盾構(gòu)開挖伊始和中途停頓復(fù)開之時(shí)，貫入度極小，而IFP成倍增加，遠(yuǎn)高于其正常掘進(jìn)階段的均值，因而，目前在描述各地層EPB 盾構(gòu)施工參數(shù)時(shí)以其均值進(jìn)行分析較合適(結(jié)果如圖6(c)所示)，但合理的取值標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該通過更科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法予以解決。進(jìn)一步，IFP和貫入度變化曲線顯示出鮮明的地層聚類特征，泥巖地層IFP變化范圍最大，且其貫入度主要分布于40 mm/r以內(nèi)，這與本項(xiàng)目泥巖地層的盾構(gòu)實(shí)際施工情況基本相符，泥巖地層的整體開挖進(jìn)度比其他2類地層的慢。理論上，EPB 盾構(gòu)施工中貫入度越大，開挖速度越快，貫入度在一定程度上表征了地層可掘進(jìn)的難易程度。IFP與貫入度保持了高度關(guān)聯(lián)的變化關(guān)系，又聯(lián)系了地層與EPB 盾構(gòu)的工作狀態(tài)，因而，建議將IFP作為表示EPB 盾構(gòu)施工地層可掘性的另一個(gè)指標(biāo)。

表2 典型地層EPB盾構(gòu)機(jī)裝備系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of EPB shield machine equipment coefficient in typical stratum

3.2 典型地層EPB盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)及地層可掘性

3.2.1 典型地層掘進(jìn)比能

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)TBM 掘進(jìn)表現(xiàn)預(yù)測(cè)提出了一些方法，其核心是聯(lián)合計(jì)算確定巖層的掘進(jìn)比能，即TBM 掘進(jìn)單位體積巖土體所消耗的能量。掘進(jìn)比能(忽略推進(jìn)力做功)的定義式如下：

代入式(1)，并化簡(jiǎn)整理，得

式中：ES為掘進(jìn)比能，kW·h/m3；N為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；T為盾構(gòu)刀盤扭矩，kN·m；D為盾構(gòu)機(jī)刀盤(開挖)直徑，m；v為盾構(gòu)推進(jìn)速度，mm/min。Prev為盾構(gòu)刀盤貫入度，mm/r。

掘進(jìn)比能在實(shí)際計(jì)算或測(cè)試中可以通過室內(nèi)全尺寸試樣切削試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)TBM 掘進(jìn)參數(shù)按照式(6)計(jì)算得到，且二者之間滿足一定關(guān)系。例如，按照室內(nèi)全尺寸巖石切削試驗(yàn)獲得的比能在EPB盾構(gòu)掘進(jìn)土質(zhì)地層時(shí)應(yīng)乘以1 個(gè)提高系數(shù)，文獻(xiàn)[15]在考慮土倉(cāng)壓力的存在和影響條件下建議取值1.8。通常將掘進(jìn)比能與貫入度聯(lián)合進(jìn)行分析，以確定最優(yōu)貫入度，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出掘進(jìn)比能隨貫入度增大而降低，可以由下列冪函數(shù)表示兩者關(guān)系：

圖6 EPB盾構(gòu)場(chǎng)切入指數(shù)與貫入度變化曲線Fig.6 Change curves of field penetration index and penetration of EPB shield

式(8)表明EPB 盾構(gòu)刀盤每轉(zhuǎn)情況下切入土體的深度增加，則切削開挖單位體積土體所消耗的能量越少，掘進(jìn)速度將得到同步提高；同時(shí)，對(duì)于本工程而言，礫巖和砂卵石的掘進(jìn)比能大多數(shù)低于5 kW·h/m3，而泥巖地層的掘進(jìn)比能為1.03～24.04 kW·h/m3，其均值為7.25 kW·h/m3；礫巖和砂卵石地層掘進(jìn)比能均值分別為3.35 kW·h/m3和2.30 kW·h/m3。因而，從EPB盾構(gòu)掘進(jìn)能量角度看，泥巖地層依然為EPB盾構(gòu)施工的低效能地層，需要注意渣土改良。

圖7 典型地層掘進(jìn)比能-貫入度變化曲線Fig.7 Change curves of specific energy and penetration in typical strata

3.2.2 EPB盾構(gòu)地層可掘性討論

典型地層掘進(jìn)比能-場(chǎng)切入指數(shù)變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出：掘進(jìn)比能ES與場(chǎng)切入指數(shù)IFP高度相關(guān)，即ES隨IFP增大呈線性增大，其中，礫巖和砂卵石地層的ES和IFP變化范圍較小，而泥巖分布較廣，再次說明EPB盾構(gòu)在3類典型地層中掘進(jìn)施工的難易性；貫入度、場(chǎng)切入指數(shù)和掘進(jìn)比能這3個(gè)指標(biāo)相關(guān)性較好，完全滿足實(shí)際工程應(yīng)用的計(jì)算精度要求。這里研究這3個(gè)指標(biāo)內(nèi)在的物理力學(xué)機(jī)制。譚卓英[16]根據(jù)巖石可鉆性的定義，認(rèn)為表征巖石可鉆性的指標(biāo)大體上可歸納為位移指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和能量指標(biāo)，其中，位移指標(biāo)用穿孔速率、鉆頭進(jìn)尺和貫入度等表示，強(qiáng)度指標(biāo)用抗壓強(qiáng)度、點(diǎn)荷載強(qiáng)度等表示，能量指標(biāo)用鑿碎比功(破碎鑿進(jìn)單位體積或進(jìn)尺所消耗的能量)表示。本文采納的TBM 中廣泛應(yīng)用的的掘進(jìn)比能ES其實(shí)質(zhì)就是能量指標(biāo)，因此，本文在EPB 盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)計(jì)算中采納的貫入度、場(chǎng)切入指數(shù)及掘進(jìn)比能三者均可作為表征土體可掘性的指標(biāo)，它們之間具有高度的相關(guān)性。同時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)IFP和能量指標(biāo)ES分別由土壓平衡盾構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)和刀盤系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算而得，其結(jié)果的相關(guān)性充分說明采用盾構(gòu)施工參數(shù)表示土層界面特性的科學(xué)性，這將為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)-巖土的工作空間狀態(tài)映射識(shí)別研究提供有力支撐。而需要注意的是，在巖石可掘性或TBM 施工參數(shù)指標(biāo)(如掘進(jìn)比能ES)研究中，巖石的節(jié)理、完整性等通常對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。對(duì)于EPB 盾構(gòu)而言，其掘進(jìn)地層的類別、風(fēng)化程度、顆粒級(jí)配和液塑限[17]等都可能對(duì)其指標(biāo)計(jì)算產(chǎn)生影響，如本文中泥巖地層的施工參數(shù)受風(fēng)化程度等影響，其數(shù)值范圍較大(1.11～24.15 kW·h/m3)，而上述問題的解決都將為EPB 盾構(gòu)的施工表現(xiàn)預(yù)測(cè)和性能優(yōu)化進(jìn)一步提供依據(jù)。

圖8 典型地層掘進(jìn)比能和場(chǎng)切入指數(shù)變化曲線Fig.8 Change curves of specific energy and field penetration index in typical strata

3.3 典型地層EPB盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)預(yù)測(cè)

在確定計(jì)算掘進(jìn)比能后，可以通過下式計(jì)算凈掘進(jìn)速率：

式中：RNP為凈掘進(jìn)速率，m3/h；k為能量轉(zhuǎn)化率，在TBM中建議取值0.80～0.90；N為盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；T為盾構(gòu)刀盤扭矩，kN·m。

根據(jù)式(9)計(jì)算RNP時(shí)，需要先確定能量轉(zhuǎn)化率k，但目前未見EPB盾構(gòu)施工的建議值，而EPB盾構(gòu)中土倉(cāng)壓力的存在和變化都可能對(duì)能量的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，為此，本文根據(jù)式(10)由每環(huán)開挖平均速度估算3類地層的RNP，結(jié)果如圖9所示。

圖9 典型地層凈掘進(jìn)速率-掘進(jìn)比能變化曲線Fig.9 Change curves of net penetration rate and specific energy in typical strata

需要說明的是，根據(jù)式(10)計(jì)算的RNP在數(shù)學(xué)表達(dá)上等同于式(9)中的RNP(k=1)，其原因是：式(6)和(9)中的2πNT實(shí)質(zhì)上是將全部刀盤驅(qū)動(dòng)能量視為掘進(jìn)土體的凈能量，即“考慮”了能量轉(zhuǎn)化后的掘進(jìn)土體能量。但事實(shí)上，刀盤的一部分能量用于克服自身機(jī)械結(jié)構(gòu)摩擦、土倉(cāng)渣土攪拌和側(cè)面摩擦等而被消耗，如式(11)計(jì)算掘進(jìn)土體的凈刀盤扭矩Tnet應(yīng)該為總刀盤扭矩T乘以能量轉(zhuǎn)化率k，因而，嚴(yán)格的掘進(jìn)比能ES-net定義和RNP計(jì)算公式分別為式(12)和式(13)。所以，需要指出本文根據(jù)式(6)計(jì)算的掘進(jìn)比能ES要比真實(shí)值ES-net大。

從圖9可以看出：3類地層的RNP基本都隨掘進(jìn)比能增大而降低，但總擬合線相關(guān)系數(shù)低于砂卵石地層和泥巖地層各自的擬合相關(guān)系數(shù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離擬合線的范圍較廣，特別是當(dāng)掘進(jìn)比能低于5 kW·h/m3時(shí)，砂卵石的RNP遠(yuǎn)在總擬合線之下，這或與EPB盾構(gòu)在3種地層中的實(shí)際能量轉(zhuǎn)化率有關(guān)。因而，在計(jì)算確定不同地層的EPB 盾構(gòu)凈掘進(jìn)速率時(shí)，應(yīng)該通過進(jìn)一步研究解決(考慮土倉(cāng)壓力、地層條件)EPB 盾構(gòu)能量轉(zhuǎn)化率的取值以及EPB 盾構(gòu)施工地層掘進(jìn)比能確定計(jì)算問題，文獻(xiàn)[15]給出了1個(gè)參考方法。

凈掘進(jìn)速率RNP和貫入度變化關(guān)系如圖10所示。從圖10可以看出：RNP隨著貫入度增大而增大。但仍然存在如下問題：3種地層中砂卵石與其他2類地層的數(shù)據(jù)點(diǎn)趨近性較差，較離散，致使總擬合線的相關(guān)系數(shù)比3個(gè)地層的相關(guān)系數(shù)低。若將礫巖和泥巖地層的數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)一擬合，則其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97(見圖10中y′擬合方程)，而砂卵石地層的相關(guān)系數(shù)為0.83。因此，建議在實(shí)際分析和應(yīng)用中，將礫巖和泥巖地層歸為一類，采用共同擬合公式；而砂卵石使用其本身的擬合公式。

圖10 典型地層凈掘進(jìn)速率-貫入度變化曲線Fig.10 Change curves of net penetration rate and penetration in typical strata

同時(shí)，場(chǎng)切入指數(shù)與凈掘進(jìn)速率之間的關(guān)系如圖11所示。從圖11可見：場(chǎng)切入指數(shù)與凈掘進(jìn)速率之間保持了較好的一致性和相關(guān)性(關(guān)系式見式(15)，R2=0.88)，說明用場(chǎng)切入指數(shù)預(yù)測(cè)EPB 盾構(gòu)在地層中的凈掘進(jìn)速率具有顯著的確定性。

在確定凈掘進(jìn)速率后，最終的預(yù)測(cè)目標(biāo)是估計(jì)EPB 盾構(gòu)的日掘進(jìn)速率RDP。在實(shí)際施工中，除了機(jī)械開挖土體的環(huán)節(jié)外，還包括管片拼裝、渣土運(yùn)輸、鋪設(shè)軌道、機(jī)械維修保養(yǎng)等環(huán)節(jié)，因而，通過RNP計(jì)算RDP的前提是預(yù)估每天用于掘進(jìn)開挖環(huán)節(jié)的利用率。文獻(xiàn)[18]通過不同工程的施工記錄和經(jīng)驗(yàn)，提出了機(jī)械利用時(shí)間率TMU，從而RDP的預(yù)測(cè)值最終可以根據(jù)下式計(jì)算求得：

式中：RDP為日掘進(jìn)速率，m/d；TMU為機(jī)械利用時(shí)間率，取25%～45%；m3/h；h為每日工作時(shí)間，h/d；D為盾構(gòu)直徑，m。

圖11 典型地層凈掘進(jìn)速率和場(chǎng)切入指數(shù)變化曲線Fig.11 Change curves of net penetration rate and field penetration index in typical strata

對(duì)EPB 盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)預(yù)測(cè)流程如下：首先通過式(5)計(jì)算特定地層的場(chǎng)切入指數(shù)IFP，然后根據(jù)式(15)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的凈掘進(jìn)速率RNP，并最終換算成日掘進(jìn)速率RDP。當(dāng)然，上面提到的根據(jù)式(14)以貫入度分類計(jì)算RNP也是一種有效方法。需要指出的是，最終所有的問題都聚焦于本文研究的施工參量，即貫入度Prev。應(yīng)該結(jié)合TBM掘進(jìn)巖石所采用的室內(nèi)全尺寸巖石樣切削試驗(yàn)確定最優(yōu)貫入度的方法，或者通過巖土體單軸壓縮強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)計(jì)算室內(nèi)掘進(jìn)比能，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)EPB 盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)確定每類地層的對(duì)應(yīng)換算系數(shù)，上述問題都將是進(jìn)一步研究重點(diǎn)。

3.4 預(yù)測(cè)模型實(shí)例驗(yàn)證

圖12 各經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線Fig.12 Comparison of predicted values and measured results of each empirical model parameters

為對(duì)上述預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證，在工程現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)勘查報(bào)告又分別調(diào)取礫巖、泥巖、砂卵石以及泥巖和礫巖組成的復(fù)合地層4類地層作為模型適用性檢驗(yàn)案例。調(diào)取的4種地層條件盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)為盾構(gòu)開挖每環(huán)寬進(jìn)尺的全過程數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)對(duì)比分析結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出：1)根據(jù)式(5)由貫入度預(yù)測(cè)的場(chǎng)切入指數(shù)與實(shí)測(cè)值一致性最高，除盾構(gòu)啟動(dòng)瞬間的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)離散外，基本上所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于y=x這條線上；2)根據(jù)貫入度預(yù)測(cè)掘進(jìn)比能，砂卵石和礫巖地層的吻合度最高，而泥巖預(yù)測(cè)值小于實(shí)測(cè)值，這可能與本環(huán)地層的風(fēng)化程度有關(guān)；3)根據(jù)式(15)計(jì)算的凈掘進(jìn)速率與實(shí)測(cè)值對(duì)比，除泥巖地層預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致之外，其余3 個(gè)地層的預(yù)測(cè)值高于實(shí)測(cè)值，這或與實(shí)測(cè)的3 種地層的能量轉(zhuǎn)化率較低有關(guān)。從圖11可知擬合線趨勢(shì)和擬合公式(15)受泥巖地層施工數(shù)據(jù)的影響嚴(yán)重，因而泥巖地層的預(yù)測(cè)效果最好?？傮w而言，本文所統(tǒng)計(jì)分析提出的預(yù)測(cè)EPB 盾構(gòu)施工掘進(jìn)表現(xiàn)各經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢ㄟm用性，可為長(zhǎng)沙及國(guó)內(nèi)相似地質(zhì)EPB 盾構(gòu)施工和研究提供參考。

4 結(jié)論

1)貫入度等參數(shù)的分布具有一定的地層聚類特征。刀盤扭矩和螺機(jī)扭矩在砂卵石和泥巖地層中呈現(xiàn)一定的震蕩性，在礫巖地層中較穩(wěn)定。因地層失穩(wěn)控制需要，砂卵石地層的EPB 盾構(gòu)土倉(cāng)壓力顯著比其他2類地層的高，并導(dǎo)致其總推進(jìn)力同步增大，而總推進(jìn)力的增大又不同程度地引起刀盤扭矩增加。

2)場(chǎng)切入指數(shù)和掘進(jìn)比能均隨貫入度增大而減小，同時(shí)，掘進(jìn)比能隨掘進(jìn)比能增加而呈線性提高，這3者間相關(guān)性較好，可以表征地層的可掘性。這3個(gè)指標(biāo)在泥巖地層的分布范圍較大，而在礫巖和砂卵石地層中分布較集中。EPB 盾構(gòu)在泥巖地層掘進(jìn)時(shí)需注意渣土改良。

3)凈掘進(jìn)速率隨掘進(jìn)比能和場(chǎng)切入指數(shù)增大而降低，隨貫入度增大而提高。對(duì)不同地層刀盤作功能量轉(zhuǎn)化率的分析計(jì)算對(duì)凈掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用至關(guān)重要。4類地層的EPB盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)預(yù)測(cè)驗(yàn)證了所提出的代表性模型的適用性。