上软下硬复合地层土压盾构掘进参数演化规律分析

李经纬

（南京龙钰建筑工程有限公司，江苏 南京 211299）

1 前言

随着地下工程的快速发展，国内诸多城市开始兴建地铁，盾构法作为地铁隧道施工方法的一种，因其受气候条件的影响小、对地面及地下环境影响小、掘进效率高、自动化程度高等特点而被广泛运用。但在盾构掘进施工过程中采用不恰当的掘进参数极易导致盾构掌子面失稳破坏、地层沉陷、盾构偏差过大、姿态控制难度大等问题。因此，为保证土压盾构施工期间的安全，探究掘进参数之间的相关性对掘进参数控制显得尤为重要。

近年来，已经有许多的学者对盾构在复合地层施工时掘进参数的演化规律及参数关联性展开了研究，其中赵博剑等依托深圳地铁11号线（公庙站～红树湾站）工程，分析了在复合地层掘进时5种主要盾构掘进参数与不同地层间的相关性；沈翔等采用数理统计的方法分析了复杂地层条件时的盾构掘进参数控制技术及其变化规律；徐汪豪等依托北京清华园隧道，分析了盾构在不同地层掘进时主要掘进参数的变化规律及波动情况；李琨等采用多元线性回归和随机森林的方法对6个主要掘进参数的相关性进行了定量分析并建立预测模型。

通过盾构施工现场数据分析上软下硬复合地层中主要掘进参数的变化规律，接着采用曲线拟合方法，得出各项掘进参数的变化规律及其之间相互关联性，对提升盾构掘进效率和保障施工安全具有重要作用，能够为类似工程施工过程中掘进参数调整与控制提供参考。

2 工程背景

该区间隧道正线采用盾构法施工，区间左线长804.395m，右线长815.196m，线间距14～17m，隧道顶埋深9.9～17.5m。盾构掘进过程区间隧道穿越土层主要为砾砂、中砂、粗砂等，部分区域穿越中风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩层，同一开挖断面存在上下软硬不均的现象，因此盾构进入和离开中风化泥质粉砂岩区段均存在上软下硬的现象，穿越此种地层时盾构姿态的控制是难点，且掘进参数设置不当不利于有效控制盾构姿态。

3 掘进参数分析

对区间隧道内左线0～210环的盾构隧道掘进参数进行分析，盾构在区段内掘进时地层为上软下硬复合地层，其中1～50号环管片区间内为冲击砂砾-中风化泥质粉砂岩（用Ⅰ区表征），50～90号管片区间内为冲击砂砾-强风化-中风化泥质粉砂岩（用Ⅱ区表征），90～150号管片区间内为冲击砂砾-强风化泥质粉砂岩（Ⅲ区），150～210号管片区间内为全断面冲击砂砾地层（Ⅳ区）。

3.1 盾构总推力

对所研究地层内各环盾构总推力进行统计分析，得到不同地层下总推力变化规律如图1所示。

图1 盾构总推力变化曲线图

由图1可知，盾构在冲击砂砾-中风化泥质粉砂岩区段掘进时，此区段内盾构总推力在7100～13700kN之间波动，经计算此区段的平均总推力为11011.4kN；当盾构在冲击砂砾-强风化、中风化泥质粉砂岩区段掘进时，盾构总推力在11300～13500kN之间波动，经计算得此区段的平均推力为12226.5kN；盾构在冲击砂砾-强风化泥质粉砂岩区段掘进时，盾构总推力在11200～12900kN之间波动，经计算得此区段的平均推力为11852.2kN；盾构在冲击砂砾-强风化泥质粉砂岩区段掘进时盾构总推力在10100～12700kN之间波动，经计算得此区段的平均推力为11805.4kN。

根据上述分析可知，盾构在不同地层中掘进时总推力平均值差异不大，均处于为10000～13000kN之间；但是在冲击砂砾-中风化泥质粉砂岩中总推力的波动性最大，最小值为7100kN，最大值为仅为其他地层条件下总推力最小值的左右，最大值达到13700kN，最小值仅为最大值的52%。可见盾构在复合地层掘进时，两种岩层的强度差异越大，盾构总推力越不易控制。

3.2 刀盘扭矩

对所研究地层内各环盾构刀盘扭矩进行统计分析，得到不同地层下刀盘扭矩变化规律如图2所示。

图2 各地层刀盘扭矩变化曲线图

从各地层刀盘扭矩变化曲线图可以看出，刀盘扭矩大小整体呈现逐步下降的趋势，盾构掘进到冲击沙砾-中风化泥质粉砂岩刀盘扭矩发生剧烈的波动，波动范围为2100～3200kN·m。在全断面冲击沙砾掘进时刀盘扭矩的值最小，其均值为2371.6kN·m。在不同的复合地层掘进时刀盘扭矩值相差不大，其均值为2637.1kN·m。这是因为盾构在软硬不均地层掘进时，如冲击沙砾-强风化泥质粉砂岩，从图中可以清晰的看到盾构在冲击沙砾-强风化泥质粉砂岩掘进时，刀盘扭矩的大小呈现一个逐渐下降的趋势，这表明随着硬岩（强风化泥质粉砂岩）范围的减小，刀盘受到的阻力越来越小，刀盘扭矩也相应的减小。

3.3 盾构掘进速度

对所研究地层内各环盾构掘进速度数据进行统计分析，得到不同地层下掘进速度变化规律如图3所示。

图3 各地层掘进速度变化曲线图

从各地层掘进速度变化曲线图可以看出，盾构机在全断面冲击砂砾地层掘进速度最快，其平均速度达到了39.76mm/min，且盾构机在各个地层中的掘进速度变化呈现出先下降后上升的趋势，由复合地层向冲击砂砾地层过渡后，掘进速度开始显著上升，分析其原因为：在上软下硬复合地层中刀具和软硬不均岩面作周期性碰撞，造成刀盘振动、刀具磕损，为了保护刀盘和刀具，掘进速度应该要有所降低。盾构掘进到冲击砂砾地层时，冲击砂砾的岩石强度要低于强中风化泥质粉砂岩，相同推力的情况下，冲击砂砾的贯入速率大于复合地层的贯入速率且刀盘受到的阻力较小，从而导致了掘进速度的提高。

4 掘进参数分布情况分析

4.1 盾构总推力与扭矩

将各地层的盾构总推力、扭矩的数据点进行整理，不同地层下分布情况得到如图4所示的散点图。

图4 各地层盾构总推力-扭矩的分布散点图

以推力和扭矩在不同地层下波动范围的中心值为坐标原点，建立直角坐标系，坐标系的第一象限为低推力高扭矩组合，第二象限为高推力高扭矩组合，第三象限为低推力低扭矩组合，第四象限为高推力低扭矩组合。从图4中可以清晰的看到，复合地层（Ⅰ区，Ⅱ区，III区）推力与扭矩的散点主要集中在右上角，全断面冲击砂砾地层（Ⅳ区）推力与扭矩的散点主要集中在右下角。右上角代表的时高扭矩高推力组合，右下角代表的是低扭矩高推力组合。这表明盾构在复合地层掘进时掘进参数的选取应为高推力高扭矩组合，在全断面冲击沙砾地层中应选用高推力低扭矩组合。

4.2 盾构总推力与掘进速度

将各地层的盾构总推力、掘进速度的数据点进行整理，不同地层下分布情况得到如图5所示的散点图。

图5 各地层盾构总推力-掘进速度的分布散点图

从图5中可以清晰的看到，盾构在冲击沙砾-中风化泥质粉砂岩掘进时的推力和掘进速度散点图较为分散，在Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区掘进时推力和掘进速度散点图较为集中，主要分布在第二第四象限。

5 结语

以南昌轨道交通4号线某区间隧道为工程依托，对盾构掘进过程中机器参数的发展及其之间的相关性进行研究，得到结论如下。

（1）掘进参数的稳定性受岩体均匀性和岩体强度均匀性的影响，岩体强度越均匀，盾构的总推力、扭矩和掘进速度越稳定。而盾构总推力、扭矩以及掘进速度在冲击沙砾-中风化泥质粉砂岩中最不稳定。

（2）复合地层中掘进时刀盘扭矩会随着掌子面上硬岩范围的增大而增大，且掘进地层中硬岩强度越大，刀盘扭矩也随之增大。

（3）盾构在上软下硬复合地层中掘进时，掘进参数有以下特点：冲击沙砾地层土层松软、强度较低，掘进时所需盾构总推力和刀盘扭矩较小，盾构掘进速度大。在上软下硬复合地层中断面上下地层强度变化大，总推力及刀盘扭矩需求大，掘进速度偏慢。