土压平衡盾构掘进土量平衡及参数相关性分析

窦正磊，李大华，张自光

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230000)

随着地下轨道交通的发展，盾构施工技术也得以快速发展。现阶段隧道施工广泛使用土压平衡盾构，土压平衡盾构存在出土率高、适用地层的范围较广等优点，在掘进时能够有效地维持土体的稳定从而降低对地表沉降的影响。因此，充分了解土压平衡盾构掘进时存在的平衡关系以及各施工参数间的相关性是专家广泛关注的问题。

针对土压平衡盾构的平衡状态及参数的相关性，国内外学者结合理论和实验分析对此做出了大量的研究：胡国良等研究发现可通过实时调整推进速度或输送机转速，进而控制土仓压力维持在设定的范围内，从而达到土压平衡状态；王洪新等建立了土压平衡盾构掘进的数学物理模型，进一步推导出盾构各施工参数间的相关性；周冠南分析螺旋输送机排土及保压作用时，总结出土仓内外压力及进、出土量的平衡可通过对排土量的控制来实现；邢彤等通过模型试验分析了刀盘扭矩与刀盘开口率、土仓压力、推进力的关系；江华等以北京地铁9号线为背景讨论了辐条式与面板式在大粒径卵砾石地层施工时参数的关键性特征。

上述研究提出了通过改变输送机转速或推进速度来控制排土量的思路，但对其土量平衡状态分析则不够全面，并且参数的相关性大多数是基于模型试验进行验证的，忽略了地层的复杂性，因此不能为实际盾构施工提供较高的参考价值。研究对盾构掘进时的土量平衡进行理论分析，提出了通过控制输送机转速与推进速度的比值来维持土量平衡，从而使盾构达到土压平衡状态。同时对合肥地铁4号线盾构施工中的关键参数进行统计分析，得出相应的相关性，其结果可为将来合肥地区类似工程提供参考。

1 土量平衡

1.1 土量平衡理论分析

现阶段土压平衡盾构在施工时，主要以控制土压力为目标，建立盾构的土压平衡状态。所谓土压平衡状态就是土仓内的土压力等于前方土体对盾构的水土压力。施工前首先设定好土仓内的压力值，一般压力值的取值范围是：(水压力+主动土压力)<

P

<(水压力+被动土压力)。然后，结合掘进时监测的地表沉降、隆起等数据对土仓内的压力值进行调整，通过改变土压平衡盾构的推进速度或螺旋输送机的转速来调整土仓内的压力值，从而确保开挖面的稳定。然而复杂的土层条件导致实际操作中很难确定开挖面的水土压力且这种滞后操作需要施工人员具备丰富的施工经验才能精准地调控盾构开挖，故很容易造成不平衡掘进的现象。因此可以考虑盾构存在的另一种平衡状态--土量平衡，即刀盘开挖进土仓内的土量等于螺旋输送机排出的土量。土压平衡盾构的工作状态如图1所示。其中，盾构推进的距离是

dS

；盾构刀盘切削进入土仓内的天然状态土体积是

Q

；螺旋输送机排出去的天然状态土体积是

Q

；故盾构挤压前方土体的体积变形量为

dV

挤压=

Q

-

Q

，用挤压量除以盾构掘进面的截面积就得出不平衡掘进量

dl

。王洪新引入接触压力作用下土体产生单位变形时的反力值

K

,即似刚度，则超推进(欠推进)状态时盾构掌子面压力与静止侧向土压力之差和不平衡掘进量的物理关系式为

dP

=

Kdl

。如果

Q

>

Q

，则掌子面的压力大于侧向土压力，对前方土体形成挤压，造成超推进现象。反之，如果

Q

<

Q

，盾构对前方土体形成卸载,造成欠推进现象。因此，维持盾构的土量平衡，使得开挖的土体能够及时通过输送机排出就能稳定土仓内的压力值，从而达到土压平衡状态保证盾构施工的安全。

图1 土压平衡盾构掘进的原理图

1.2 挖土量与排土量

针对土压平衡盾构掘进时的土量平衡，主要需要研究单位时间内刀盘切削进土仓内的土量和螺旋输送机排出的土量。假设盾构掘进速度为

V

,盾构开挖面的半径为

D

，则单位时间

T

内的挖土量为

而盾构在掘进过程中，开挖的天然土体经过刀盘的切削以及在土仓内的搅拌挤压，土的内部结构容易发生改变，因此螺旋输送机排出去的土体与开挖的土体相比变得更加松散，故需要考虑土的松散系数

k

，由此得出的挖土量

Q

=

kQ

才是螺旋输送机排出土量的体积。土压平衡盾构通常采用中心轴螺旋杆式输送机，输送机排出的土量主要受其转速的控制，因此，假设螺旋输送机的直径为

d

,螺旋输送机轴的直径为

d

，螺旋输送机的节距为

L

，则土体充满螺旋机内部情况下单转的排土量为

式中,

γ

为添加泡沫剂后将土体积换算为重量的参数；

N

为螺旋输送机转速；

γ

为土体的天然容重。

1.3 土压平衡比

根据挖土量与排土量的公式可进一步推导出出土率

e

为

出土率是衡量土压平衡盾构处于土量平衡状态的重要参数，因此准确把控出土率的大小才能使盾构保持稳定掘进的状态。但实际施工中，盾构的出土量非常大，很难准确对出土率进行定量的控制。通过公式可以发现出土率与推进速度、螺旋输送机转速存在明显的线性关系，并且这两个数据都是可以直接控制的，因此可以通过控制推进速度和输送机转速的比值使得盾构处于土量平衡状态。当出土率

e

=100%时，盾构的挖土量就等于排土量，盾构对土体的扰动最小，处于土压平衡状态，同时盾构掘进速度与螺旋输送机的比值也保持为定值，关系式为

2 工程概况

2.1 隧道施工方案

合肥地铁4号线二标区间隧道始于丰乐河路站东端，沿习友路路中下方穿行至玉兰大道站西端，为两条单洞单线圆形隧道，区间左线长1 473.560 m，右线长1 470.778 m,地理位置如图2所示。区间隧道采用两台土压平衡盾构进行施工，平面最小曲线半径为500 m，线间距为9.1～17.5 m,区间隧道覆土厚度约为8.85～16.85 m,最大坡度28%。土压平衡盾构开挖直径为6 280 mm,最大推进速度可达到80 mm/min，盾构刀盘的开口率为60%。用于运输渣土的螺旋输机最大转速可达25 rmp，输送机壳体内径为700 mm，螺杆的直径为220 mm，叶片的间距为560 mm。

图2 区间现状地理位置示意图

2.2 工程地质条件

土压平衡盾构施工穿越的土层地质条件如表1所示。记录监测数据的路段地层主要为⑨强风化砂质泥岩和⑨中风化砂质泥岩，土质较均匀。

3 隧道施工工程现场监测分析

表1 掘进区域内地层的物理力学特性

图3 264～363环区间螺旋输送机转速与推进速度比值

4 掘进参数相关性分析

为了更全面研究土压平衡盾构施工时的平衡状态，需要分析掘进参数之间的相互影响。不同的地质条件会导致盾构的施工参数存在较大差异，且盾构参数之间的相互关系较为复杂，很难通过函数关系进行表示。故可以依据现场监测数据讨论各掘进参数之间的相关性。选取合肥地铁4号线盾构施工的264～363环作为试验区间，记录每一环的土仓压力、推进速度、输送机转速、总推力及刀盘扭矩等数据，通过统计回归对相关性进行分析。

4.1 土仓压力和螺旋输送机转速、推进速度的关系

4.2 总推力和螺旋输送机转速、推进速度的关系

盾构的总推力主要受开挖过程中的总阻力与开挖面的水土压力的影响，而总推力的大小决定了盾构推进快慢，因此就需要讨论总推力和输送机转速、推进速度的关系。通过现场数据分析得出的关系曲线如图5所示。由图5可以看出,总推力与输送机转速

/

推进速度呈负相关，其中相关系数

R

=0

.

216 8。因为盾构在掘进时总阻力的影响因素较多，导致总推力的值不断发生变化，所以两者的相关性较弱。

图4 土仓压力与输送机转速/推进速度的关系 图5 总推力与输送机转速/推进速度的关系

4.3 土仓压力与刀盘扭矩的关系

刀盘扭矩是影响盾构正常掘进的关键性因素，刀盘扭矩的大小决定了刀盘切削土体的能力，若刀盘扭矩过小，会出现动力不足刀盘被困住的现象。依据现场数据分析得到土仓压力与刀盘扭矩的关系曲线如图6所示。由图6可以看出，土仓压力与刀盘扭矩呈负相关，其相关系数

R

=0

.

365 7，两个参数的相关性中等。因此，施工时要注意刀盘扭矩的变化对土仓压力的影响，才能保证盾构的顺利开挖。

4.4 总推力和刀盘扭矩的关系

土压平衡盾构主要通过控制土仓压力来防止地表土层的下沉，一般都是讨论参数与土仓压力的相关性，而忽视了对其他参数内在关联性的研究。依据现场监测数据讨论总推力与刀盘扭矩的相关性，关系曲线如图7所示。由图7可知，相关系数

R

=0

.

023 1，两个参数并不存在相关性。

图6 土仓压力与刀盘扭矩关系 图7 刀盘扭矩与总推力的关系

5 结论

研究总结了土压平衡盾构掘进中的土量平衡状态，若盾构能控制土量平衡就能使其处于土压平衡状态，对地层产生的损失值最小。

参数相关性主要是基于合肥地质条件收集的数据进行分析，得出土仓压力与螺旋机转速

/

推进速度、刀盘扭矩存在较强的相关性；土仓压力随着螺旋机转速

/

推进速度和刀盘扭矩的增加而降低；总推力与螺旋机转速

/

推进速度存在一定的相关性。故合肥类似工程施工时可结合上述参数的相关性结果对盾构的土压平衡进行控制，避免造成不平衡掘进。