王柳善，楊龍才，孟慶明

（1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中水電成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都601212）

富水卵漂石地層土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)研究

王柳善1，楊龍才1，孟慶明2

（1.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中水電成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都601212）

針對富水卵漂石地層土壓平衡盾構(gòu)（EPBS）施工出土控制困難、掘進效率低問題，依托成都地鐵某盾構(gòu)隧道區(qū)間的現(xiàn)場實驗段，對富水卵漂石地層中土壓平衡盾構(gòu)的實測關(guān)鍵施工參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，并探索了與地層相適應(yīng)的掘進參數(shù)以及提高掘進效率的途徑。研究參數(shù)包括：出土量、土艙壓力、貫入度、掘進速度等，研究結(jié)果表明：雖然富水卵漂石地層中的土壓平衡盾構(gòu)掘進易超出土，但通過適當(dāng)減少土艙壓力和增大貫入度能夠減少超出土量，盾構(gòu)法適用于該地層；改善地層可掘削性能和適當(dāng)降低土艙壓力是提高掘進速度有效方法，而增大總推力可能導(dǎo)致掘進速度下降。

盾構(gòu)隧道；卵漂石地層；施工參數(shù)；適應(yīng)性

近年來，我國地鐵建設(shè)大規(guī)模開展，據(jù)統(tǒng)計，截至2014年底，地鐵總運營里程達2 361 km[1]。在軟土地區(qū)，盾構(gòu)法施工作為一種對周邊環(huán)境影響較小的方法，被廣泛應(yīng)用于地鐵工程建設(shè)。而我國幅員遼闊，各城市地質(zhì)情況差異大，許多城市面臨著在黃土、砂卵石、卵漂石、復(fù)合地層等復(fù)雜地層中進行盾構(gòu)施工的問題，其施工參數(shù)的設(shè)定，甚至盾構(gòu)工法的適應(yīng)性都值得探討，對此許多學(xué)者已經(jīng)開展了不少有益的探索。對于盾構(gòu)施工這一極為復(fù)雜的動態(tài)過程，室內(nèi)模型實驗和現(xiàn)場掘進實驗都是較為有效的研究手段。何川[2]針對我國首例黃土地層中的城市地鐵盾構(gòu)隧道工程，采用自主研制的土壓平衡式模型盾構(gòu)機，開展了室內(nèi)掘進實驗研究黃土地層條件下盾構(gòu)掘進對地層的擾動情況以及盾構(gòu)施工關(guān)鍵參數(shù)的匹配問題，研究表明盾構(gòu)頂推力的變化直接影響隔艙土壓力的變化，而出土率有隨頂推力的增大而呈減小的趨勢，并與推進速度成反比。徐前衛(wèi)[3]根據(jù)相似理論建立了盾構(gòu)掘進試驗?zāi)Ｐ停M行了砂土地層不同盾構(gòu)工作參數(shù)組合的掘削試驗，研究了盾構(gòu)機工作參數(shù)對砂土地層的適應(yīng)性。然而，對于卵漂石地層，由于其土體顆粒粒徑大（可達幾十厘米）、粒徑分布極為不均，模型實驗難以模擬原狀土層的性質(zhì)，國內(nèi)外未見卵漂石地層盾構(gòu)模型實驗研究，因而現(xiàn)場掘進實驗成為研究卵漂石地層盾構(gòu)法適應(yīng)性的更為直接有效的方法。為了擴展盾構(gòu)工法的應(yīng)用范圍，以滿足我國大范圍地鐵建設(shè)的需求，在成都地鐵某區(qū)間進行了土壓平衡盾構(gòu)在富水卵漂石地層中掘進的首次嘗試，并設(shè)立了現(xiàn)場試驗段探索盾構(gòu)法的適應(yīng)性及與地層匹配的施工參數(shù)。

在富水卵漂石地層條件下進行盾構(gòu)施工是一個世界級難題[4]，富水卵漂石地層的主要特征呈現(xiàn)為巖體松散、弱膠結(jié)、自穩(wěn)能力差、流動性差，并且隨機分布有高強度大粒徑漂石。盾構(gòu)在卵漂石層中掘進主要問題表現(xiàn)為：①高強度大粒徑漂石難以破碎，易引起刀盤和螺旋輸送機卡死；②地層反應(yīng)非常靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，很易破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的地層損失和圍巖擾動，使開挖面失去穩(wěn)定；③地層富水，而卵漂石滲透性強，易發(fā)生螺旋輸送機噴涌；④渣土流動性差，排土相對困難，導(dǎo)致大顆粒卵石、漂石滯留土艙內(nèi)或向盾構(gòu)機四周動，使得盾構(gòu)機位置和姿態(tài)控制變得困難，嚴(yán)重時會發(fā)生堵塞，致使盾構(gòu)機無法推進。這些問題在盾構(gòu)施工過程中主要反映為出土控制困難、掘進效率低、刀具磨損嚴(yán)重等問題。本文以現(xiàn)場掘進試驗段實驗結(jié)果為依據(jù)，在盾構(gòu)機實際反饋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析盾構(gòu)掘進參數(shù)與出土控制的匹配性，并討論了能適應(yīng)高效掘進的施工參數(shù)，為土壓平衡盾構(gòu)穿越富水卵漂石地層施工參數(shù)的設(shè)定提供參考。

1 現(xiàn)場掘進實驗概況

1.1 地質(zhì)概況

區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖見圖1，由圖可知盾構(gòu)隧道所穿越的地層主要為密實卵石土地層＜2-9-3＞和＜3-8-3＞。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，該地層中漂石含量5%～20%，粒徑一般為20～40 cm，地質(zhì)勘察所揭露漂石的最大長度為57 cm，最大抗壓強度高達170 MPa，破碎困難。并且該地層顆粒級配極為不良，級配曲線如圖2所示；地質(zhì)探坑揭露的＜2-9-3＞地層實況如圖2、圖3所示。從圖中可以看出地層中細(xì)顆粒含量較少，而粒徑大于20 mm的顆粒占總質(zhì)量的70%～80%，這些大顆粒間的摩擦系數(shù)大，進入土艙后流動性差，易在土艙底部堆積造成出渣困難。并且由于土層內(nèi)細(xì)顆粒少，大顆粒間膠結(jié)性弱，在外部擾動作用下易松散掉落，引起較大的地層損失。

區(qū)間地下水主要為孔隙潛水，賦存于砂、卵石土中，地層滲透系數(shù)大，含水量豐富，含水層總厚度大于30 m，其補給源主要為大氣降水，區(qū)間水位埋深5.6～8 m。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Geological profile of shield zone

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Particle grading curve

圖3 探坑揭露<2-9-3>地層實況Fig.3 Geologic situation of layer<2-9-3>

1.2 現(xiàn)場掘進試驗方案

土壓平衡盾構(gòu)掘進過程中施工參數(shù)較多，主要為主動控制參數(shù)（推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、土艙壓力等）和被動控制參數(shù)（推力、刀盤扭矩等），掘進過程中大多通過調(diào)整主動控制參數(shù)達到控制被動參數(shù)的目的。為盡量真實地反映盾構(gòu)設(shè)備與地層的適應(yīng)性特征，現(xiàn)場掘進試驗應(yīng)以實際工程施工標(biāo)準(zhǔn)為參考，以控制地層變形為首要任務(wù)，通過調(diào)整、控制盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)來確保盾構(gòu)正常掘進（即推力、刀盤扭矩不超過額定值），然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化施工參數(shù)以達到高效掘進的目的。

卵漂石地層中盾構(gòu)超挖會引起盾構(gòu)機上部一定范圍內(nèi)土體塌落形成松散帶，盾構(gòu)通過后難以通過同步注漿對這部分超挖量進行填充，松散帶易向上發(fā)展引發(fā)地面沉降甚至塌陷[5-6]，因此，控制掘進過程中超挖量對于控制地層變形至關(guān)重要，現(xiàn)場掘進實驗中以超挖量作為地層變形評價指標(biāo)，而掘進效率主要通過掘進速度反映。

2 施工參數(shù)匹配研究

盾構(gòu)始發(fā)后，由于施工參數(shù)設(shè)定經(jīng)驗不足，引發(fā)了大量的超出土，掘進至第5環(huán)時隧道上方土體塌陷，盾構(gòu)長時間停機調(diào)整后才恢復(fù)掘進，因此，本文僅選取了試驗段內(nèi)第10環(huán)到第214環(huán)的施工參數(shù)進行分析。

2.1 出土量

福建福州海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)的主要任務(wù)是探索海產(chǎn)品跨境交易模式，開展涉海金融服務(wù)模式創(chuàng)新。廈門海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)主要是推動海洋新興產(chǎn)業(yè)鏈延伸和產(chǎn)業(yè)發(fā)展配套能力提升，創(chuàng)新海洋生態(tài)環(huán)境治理與保護管理模式。

出土量控制是控制盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境影響的重要手段，由于卵漂石地層松散系數(shù)取值可參照的工程經(jīng)驗較少，并且土方的計量方式也較為粗糙，本文采用每延米的出土凈重來反映每環(huán)實際出土量的控制水平。采用下式計算：

式中：W為每延米出土凈重；Wa為每環(huán)渣土實際稱重；ρg為實際注入改良劑的密度；Vg為實際注入改良劑體積；L為每環(huán)實際掘進距離。

每延米的理論出渣重量為Wt=πR2ρ，式中R為刀盤開挖半徑；ρ為掘進土層的土體密度。定義超出土系數(shù)e=(W-Wt)∕Wt來反映每環(huán)的超出土情況，掘進過程中各環(huán)的超出土系數(shù)如圖4所示（數(shù)據(jù)中剔除了因卡刀盤處理而超出土等特殊情況），從圖中可以看出多數(shù)環(huán)超出土系數(shù)大于0，說明卵漂石地層盾構(gòu)掘進過程中出土量控制較為困難，多數(shù)環(huán)存在超出土現(xiàn)象。除了前述地層弱膠結(jié)、自穩(wěn)定性差的特性易引發(fā)超出土外，在掘進過程中發(fā)現(xiàn)較多高強度的大粒徑漂石未經(jīng)破碎而直接被排出，而這些漂石可能只有部分在掘進斷面內(nèi)，整塊漂石被刀具帶入土艙不僅導(dǎo)致掘進斷面外部分漂石的超挖量，而且引起上部小顆粒松動失穩(wěn)，跟隨漂石落入土艙內(nèi)帶來更多的超挖量。而且這些未破碎的大粒徑漂石容易引起刀盤卡死，在實驗段內(nèi)發(fā)生過9次卡刀盤事故，均由此引起，卡刀盤處理易引發(fā)大量超挖。

2.2 土艙壓力

盾構(gòu)機土艙壓力是土壓平衡式盾構(gòu)機掘進過程中的重要參數(shù)，是盾構(gòu)推進過程中保持開挖面穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[7-8]。土艙壓力通過布置在盾構(gòu)土艙隔板上的土壓力傳感器監(jiān)測，土艙隔板上共布置5個傳感器，其中1#傳感器位置最高，距離盾構(gòu)橫截面軸線高度為2.4 m，本文以1#傳感器的壓力值為例來分析土艙壓力的變化。實際掘進過程中實測的1#土艙壓力值p1如圖5所示（注：1 bar=0.1 MPa）。

圖4 各環(huán)的超出土系數(shù)Fig.4 Over excavation coefficient of each ring

圖5 各環(huán)的1#土壓力值Fig.5 1#earth pressure value of each ring

理論土艙壓力采用靜止土壓力計算，由于土層滲透性強，采用水土分算，計算公式為

式中：k0為靜止土壓力系數(shù)；γw和hw分別為水的重度和水頭高度；σv為掘進面上方垂直土壓力，對于可以形成拱效應(yīng)的砂性土，應(yīng)采用松弛土壓力計算，松弛土壓力的計算一般采用太沙基公式，同時需考慮地下水作用，詳細(xì)計算方法參見文獻[9]，這里不再贅述。

圖6為土艙內(nèi)外壓力差△p=p1-pt與每環(huán)超出土系數(shù)e關(guān)系圖，從圖中可以看出并不是土艙內(nèi)壓力越大，出土量就越小，相反，適當(dāng)?shù)那穳焊诔鐾量刂?。因此，匹配卵漂石地層的盾?gòu)掘進模式為滿艙欠壓掘進，土艙內(nèi)外壓力差可設(shè)置為-0.3 bar左右。

2.3 貫入度

貫入度Prev是表征設(shè)備掘進性能的一個重要指標(biāo)，其定義為掘進速度v與刀盤轉(zhuǎn)速n的比值，即Prev=v/ n，其物理意義就是刀盤每旋轉(zhuǎn)一圈后所推進的距離。圖7為貫入度與超出土系數(shù)關(guān)系曲線，從圖中可以看出，超出土系數(shù)與貫入度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，較大的貫入度時出土控制較好。因此，在地層條件允許的情況下，掘進宜采用低轉(zhuǎn)速、高掘進速度的模式掘進。一方面，降低刀盤轉(zhuǎn)速可以減少刀盤對地層的沖擊擾動；另一方面，保持較高的掘進速度，地層被刀盤攪動松散后，盾體可迅速起到支撐作用，減少松散顆粒落入土艙的時間，從而減少超挖量。

圖6 土艙內(nèi)外壓力差與超出土系數(shù)曲線Fig.6 Curves of pressure difference between inside and outside of chamber and over excavation coefficient

圖7 貫入度與超出土系數(shù)曲線Fig.7 Curves of penetration and over excavation coefficient

3 高效掘進參數(shù)分析

3.1 掘進速度與地層特性

掘進速度直接受設(shè)備性能的影響，在設(shè)備既定的情況下，地層特性是主要影響因素。許多學(xué)者都采用地層識別參數(shù)場切深指數(shù)(FPI)來反映地層的可掘削性能[10-11]，其定義為：

式中：F為盾構(gòu)推力；Prev為貫入度。場切深指數(shù)表征單位貫入度所需的盾構(gòu)推力，反映了地層抵抗刀具貫入地層的能力，具有非常明確的物理意義。FPI越大，則刀盤前方的地層密實度或者硬度越大，地層可掘削性能越差。試驗段內(nèi)掘進速度與場切深指數(shù)關(guān)系曲線如圖8所示，由圖可知，掘進速度與場切深指數(shù)的冪函數(shù)有較好的負(fù)相關(guān)性。對于卵漂石地層，影響其可掘削性能的主要是地層的密實程度和顆粒間的摩擦性能，因此，可以通過向刀盤前方注入泡沫等減摩劑來改善地層的掘削性能，從而提高掘進速度?，F(xiàn)場掘進時，在刀盤前方注入了發(fā)泡倍數(shù)10～11倍的泡沫，注入率為40%～50%，取得了良好的效果。

3.2 掘進速度與土艙壓力

以土艙內(nèi)1#土壓力為例分析，掘進速度與1#土壓力的關(guān)系曲線如圖9所示，從圖中可以看出掘進速度與土艙壓力有較好的負(fù)相關(guān)性，在能夠維持開挖面穩(wěn)定的情況下，降低土艙壓力有利于掘進速度的提升。對于卵漂石地層，很難建立真正的土壓平衡，當(dāng)土壓力升高時，掘進速度立刻下降，甚至造成刀盤扭矩不足而卡死，因此，無論從提高施工效率來說，還是出于減少對周圍環(huán)境影響的考慮，適當(dāng)欠壓掘進都更為合適。

圖8 掘進速度與場切深指數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Curves of advance speed and FPI

圖9 掘進速度與1#土壓力曲線Fig.9 Curves of advance speed and 1#earth pressure

3.3 掘進速度與總推力

圖10為掘進速度與總推力的關(guān)系曲線，從圖中可以看出掘進速度與總推力有一定的負(fù)相關(guān)性，這與文獻[12]統(tǒng)計得出的軟土地層中盾構(gòu)掘進速度與總推力成正比不同，在卵漂石地層中，過大的推力會擠密刀盤前方土體，造成卵漂石顆粒難以在被滾刀松動后由刮刀帶入土艙內(nèi)，而是需要破碎較多顆粒后才能被刮入土艙，從而刀具切深變淺，掘進速度下降。因此，在卵漂石地層中不宜采取軟土地層中通過增大推力的方法來增加掘進速度。

圖10 掘進速度與總推力關(guān)系曲線Fig.10 Curves of advance speed and total thrust force

4 結(jié)論

在富水卵漂石地層中土壓平衡盾構(gòu)現(xiàn)場掘進實驗的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了現(xiàn)場實測掘進參數(shù)（包括土艙壓力、貫入度等）與出土控制的匹配性，并探討了提高盾構(gòu)掘進速度的方法。研究表明：

1）由于地層弱膠結(jié)、自穩(wěn)定性差，加上盾殼周圍難以破碎的大粒徑漂石影響，卵漂石地層盾構(gòu)掘進過程中出土控制困難。

2）匹配富水卵漂石地層出土控制的盾構(gòu)掘進模式為滿艙欠壓、低轉(zhuǎn)速、高掘進速度模式。

3）改良刀盤前方土體，增加其可掘削性能和適當(dāng)降低土艙壓力都是提高掘進效率的有效手段，而增大推力可能擠密刀盤前方土體，導(dǎo)致掘進速度下降。

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Research on the Key Construction Parameters for EPBS in Saturated Cobble and Boulder Stratum

Wang Liushan1,Yang Longcai1,Meng Qinming2
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 201804,China；2.Sinohydro Chengdu Construction Investment Co.,Ltd.,Chengdu 601212,China)

Aiming at the problems of earth pressure balanced shield (EPBS)tunneling in saturated cobble and boulder stratum,the difficulty of over excavation controlling and low tunneling efficiency,this paper,based on one field experiment segment of shield tunnel interval in Chengdu metro,studied the measured key construction parameters by statistical analysis,then discussed the tunneling parameters corresponding to the stratum and the way of improving tunneling efficiency.Research parameters included volume of excavated soil,chamber earth pressure,penetration and advance speed.Results show that by properly reducing chamber earth pressure and increasing penetration,the volume of over excavated soil would decrease although over excavation occurs easily in EPBS tunneling in saturated cobble and boulder stratum.It finds that shield driving method is suitable for the stratum;improving the tunneling performance of stratum and reducing the chamber earth pressure properly are effective method to improve advance speed,but the increase of total thrust may reduce it.

shield tunnel;cobble and boulder stratum;construction parameter;adaptability

U25

A

1005-0523（2015）06-0014-06

(責(zé)任編輯 王建華)

2015－08-20

王柳善（1991—），男，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通研究。

楊龍才（1971—），男，副研究員，博士，研究方向為軌道交通土工結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。