龔學(xué)棟 胡宇琛 蔣亞龍 郭小龍 耿大新 章云生

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，江西 南昌 330209； 2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 概述

隨著我國城市交通業(yè)的逐步發(fā)展，大量地鐵建設(shè)項目應(yīng)運而生，盾構(gòu)法因其受地面干擾小、施工效率高、環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，在地鐵隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用。在泥水平衡盾構(gòu)掘進過程中，依據(jù)外部條件的變化而調(diào)整主要的掘進參數(shù)，從而保證隧道的安全高效掘進，不恰當?shù)木蜻M參數(shù)易導(dǎo)致盾構(gòu)掌子面失穩(wěn)破壞、地層沉陷、盾構(gòu)偏差過大、姿態(tài)控制難度大等問題[1]。為了確保泥水盾構(gòu)施工質(zhì)量，探明地層參數(shù)和主要掘進參數(shù)之間的相關(guān)性，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型顯得尤為重要[2，3]。

近年來許多學(xué)者就不同地層條件下掘進參數(shù)的選取做了大量研究。路平等[4]結(jié)合天津地鐵建國道站至天津站區(qū)間盾構(gòu)施工參數(shù)記錄，針對盾構(gòu)掘進過程中的掘進速度和力學(xué)掘進參數(shù)進行了分析與模糊統(tǒng)計試驗，并提出了針對力學(xué)掘進參數(shù)優(yōu)化控制措施。肖超等[5]以長沙地鐵2號線為工程依托，對盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩計算值與實測值進行對比分析，提出了典型板巖地層中土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)的控制值。趙博劍等[6]以深圳地鐵11號線為工程背景，針對區(qū)間典型地段的不同地層，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了5種關(guān)鍵掘進參數(shù)與不同地層的相關(guān)性。

南昌相比于其他城市地質(zhì)條件特殊，地層復(fù)雜，主要存在以下工程難點：1)江底段的隧頂最大埋深為25.8 m，隧道埋深大、水壓力大；2)泥水盾構(gòu)區(qū)間總長3.05 km，盾構(gòu)施工時需空推過2座風井，該區(qū)間與國內(nèi)其他城市地鐵的穿江工程相比，掘進距離更長、施工風險更高、施工組織難度更大；3)贛江工程地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)南昌地鐵1號、2號線施工經(jīng)驗，分布有斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件，盾構(gòu)過破碎帶時易引起刀盤泥漿逃逸、江水回灌等安全風險。地層中多為富水砂層，當盾構(gòu)穿越砂層段圍巖時自穩(wěn)性較差、透水性較強、水壓較高，所以在南昌地區(qū)上軟下硬地層最具特色，即指的是上部是砂層，下部是中風化泥質(zhì)粉砂巖，下文統(tǒng)稱為上軟下硬地層。

2 工程背景

工程標段為南昌軌道交通4號線02工區(qū)二工區(qū)(東新站—安豐站)，安豐站—東新站盾構(gòu)區(qū)間在西岸下穿淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫層及強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖，過江段為中風化泥質(zhì)粉砂巖，東岸下穿中砂、粗砂、砂礫層、中風化泥質(zhì)粉砂巖。各地層主要地層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

3 掘進參數(shù)演化規(guī)律分析

本節(jié)就泥水平衡盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速及盾構(gòu)掘進速率4個主要掘進參數(shù)在3種典型地層中掘進時的演化規(guī)律展開研究。所選典型地層依次為：砂礫層(4環(huán)～81環(huán))；上軟下硬地層(82環(huán)～194環(huán))，其中上部地層為砂礫層，下部地層為泥質(zhì)粉砂巖，當82環(huán)～138環(huán)時，巖層厚度小于2 m，當139環(huán)～145環(huán)時，巖層厚度小于3 m，當146環(huán)～159環(huán)時，巖層厚度小于4 m，當160環(huán)～173環(huán)時，巖層厚度小于5 m，當174環(huán)～194環(huán)時，巖層厚度小于5.36 m；中風化泥質(zhì)粉砂巖(878環(huán)～897環(huán))。

3.1 刀盤總推力

對所研究地層進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，不同地層總推力如圖1所示。

由圖1可知，盾構(gòu)在砂礫層中掘進時，從盾構(gòu)管片第4環(huán)(XK13+172.816)至第81環(huán)(XK13+57.158)，泥水盾構(gòu)總推力在812 t～1 446 t之間浮動，經(jīng)計算平均總推力為1 143.87 t。當在上軟下硬地層中掘進時，泥水盾構(gòu)總推力在890 t～1 925 t之間浮動，經(jīng)計算得到平均總推力為1 145.20 t。當在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，泥水盾構(gòu)總推力在980 t～1 150 t之間變化，經(jīng)計算平均總推力為1 068.50 t。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析易得：泥水盾構(gòu)在上軟下硬復(fù)合地層(5 m<巖層厚度<5.36 m)掘進時所需的總推力最大，而在砂礫地層與上軟下硬復(fù)合地層(巖層厚度<5 m)中掘進時所需總推力相近?？傮w而言泥水盾構(gòu)在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時總推力相比于其他三種地層更加穩(wěn)定，即地層土體均質(zhì)性越強，盾構(gòu)總推力變化幅度越??；在上軟下硬地層掘進時，盾構(gòu)總推力與地層的巖層厚度有關(guān)，當盾構(gòu)掘進至標號為174環(huán)管片時(巖層厚度>5 m)，盾構(gòu)總推力隨著掘進縱深方向呈現(xiàn)一個顯著增加趨勢。

3.2 刀盤扭矩

對所研究地層進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，不同地層刀盤扭矩圖如圖2所示。

由圖2結(jié)果進行分析可知，盾構(gòu)在砂礫層中掘進過程時，刀盤扭矩在1 363 kN·m～3 131 kN·m之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤扭矩為2 244.23 kN·m。當在上軟下硬地層中掘進時，刀盤扭矩在1 090 kN·m～3 870 kN·m之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤扭矩為1 871.61 kN·m。當在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，刀盤扭矩在2 000 kN·m～2 400 kN·m之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤扭矩為2 225 kN·m。

施工過程中的具體表現(xiàn)是：盾構(gòu)機在上軟下硬復(fù)合地層(5 m<巖層厚度<5.36 m)中掘進時的刀盤扭矩最大，在中風化泥質(zhì)粉砂巖中刀盤扭矩的變化波動范圍要稍微平緩一些，這是因為中風化泥質(zhì)粉砂巖區(qū)間的巖體較為均勻、巖體強度較為均勻，而在上軟下硬地層中，巖層厚度始終在變化，此時更易使得刀盤結(jié)泥餅形成，進而刀盤扭矩增大，刀盤扭矩總體變化趨勢與泥水盾構(gòu)總推力基本一致。

3.3 刀盤轉(zhuǎn)速

經(jīng)對實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到不同地層刀盤轉(zhuǎn)速如圖3所示。

由圖3進行數(shù)據(jù)分析可知，盾構(gòu)在砂礫層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速在1.0 r/min～1.1 r/min之間浮動，經(jīng)計算平均刀盤轉(zhuǎn)速為1.0 r/min。在上軟下硬地層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速介于1.0 r/min～1.2 r/min之間，此時經(jīng)計算得到平均刀盤轉(zhuǎn)速為1.1 r/min。在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1.7 r/min，經(jīng)計算平均刀盤轉(zhuǎn)速為1.7 r/min。經(jīng)過對比分析可知：盾構(gòu)在砂礫層掘進時刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值大約在1.0 r/min；盾構(gòu)在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1.7 r/min；盾構(gòu)在上軟下硬復(fù)合地層中掘進時,刀盤轉(zhuǎn)速與巖層厚度有關(guān),其中當巖層厚度小于2 m時，刀盤轉(zhuǎn)速基本設(shè)定為1.1 r/min，當巖層厚度介于5 m和5.36 m之間時，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值大約為1.0 r/min?？梢姷侗P轉(zhuǎn)速設(shè)定值與所處地層有關(guān)且數(shù)值在一定范圍內(nèi)。這是因為盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)性是決定刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因素之一，對于特定的盾構(gòu)設(shè)備，其最大刀盤轉(zhuǎn)動頻率以及對應(yīng)的齒輪箱頻率是個定值，進而確定了刀盤轉(zhuǎn)速的取值范圍。當盾構(gòu)進入復(fù)合地層掘進時工況復(fù)雜，在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，巖層穩(wěn)定，但黏性土細顆粒含量高，不易分離，刀盤易結(jié)泥餅。因此在不同的地層中掘進時，需要通過調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)動頻率來調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速，所以在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定值比另外兩種更大。

3.4 盾構(gòu)掘進速度

經(jīng)數(shù)據(jù)對比得到不同地層掘進速度圖如圖4所示。

對圖4中的數(shù)據(jù)進行分析可知，在砂礫層中掘進時，盾構(gòu)掘進速度在24 mm/min～42 mm/min之間浮動，經(jīng)計算平均掘進速度為36.5 mm/min。在上軟下硬地層中掘進時，盾構(gòu)掘進速度在15 mm/min～18 mm/min之間變化，經(jīng)計算平均掘進速度為38.4 mm/min。在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時，掘進速度大小在30 mm/min～34 mm/min之間，經(jīng)計算平均掘進速度為32.2 mm/min，從現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)點線圖可以看出在中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進時掘進速度是比較平穩(wěn)的，在砂礫層和上軟下硬地層時掘進速度隨著盾構(gòu)掘進推進有明顯的變化規(guī)律，對于砂礫層來說，掘進速度隨盾構(gòu)掘進而逐漸減小，盾構(gòu)在上軟下硬地層(5 m<巖層厚度<5.36 m)中掘進時相比于巖層厚度小于5 m的情況下掘進速度有明顯的下降趨勢，從地層角度分析，泥水盾構(gòu)在上軟下硬地層掘進，由于巖層厚度是變化的，刀盤切削產(chǎn)生的碎屑易使得刀盤結(jié)泥餅形成。

4 結(jié)論

以南昌軌道交通4號線過江隧道為研究背景，對掘進參數(shù)與不同地層間關(guān)系進行研究，得到結(jié)論如下：

1)掘進參數(shù)取值與所處地層有關(guān)，刀盤轉(zhuǎn)速在中風化泥質(zhì)粉砂巖中時設(shè)定值最大，數(shù)值穩(wěn)定在1.7 r/min，在砂礫層中時設(shè)定值最小，數(shù)值大約為1.0 r/min。

2)盾構(gòu)掘進過程中，盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩及泥水倉壓力在上軟下硬(5 m<巖層<5.36 m)地層中設(shè)定值最大，最大值分別可達到1 925 t，3 870 kN·m以及1.9 bar，而該地層對應(yīng)的掘進速度最小，最小值僅為17 mm/min。掘進參數(shù)的穩(wěn)定性受巖體均勻性和巖體強度均勻性的影響，當巖體和巖體強度越均勻時，掘進參數(shù)越穩(wěn)定。