黃建丹，宮全美，孟慶明，張潤(rùn)來(lái)

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081）

漂石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度模型研究

黃建丹1，宮全美1，孟慶明2，張潤(rùn)來(lái)1

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081）

目前針對(duì)漂石地層土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)速度模型研究比較少。借助成都地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析、模型回歸等方法分析了參數(shù)間的相關(guān)性，并依據(jù)掘進(jìn)速度與其他參數(shù)間的關(guān)系建立了成都漂石地層中的掘進(jìn)速度模型。研究結(jié)果表明：在成都漂石地層中，影響掘進(jìn)速度最大的因素依次是貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速；掘進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，與總推力、土倉(cāng)壓力正反比；掘進(jìn)速度與扭矩不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，扭矩在一定范圍時(shí)，掘進(jìn)速度緩慢增加，當(dāng)扭矩大于一定值后，掘進(jìn)速度隨著扭矩的增大而減小。這些關(guān)系對(duì)漂石地層土壓平衡盾構(gòu)的參數(shù)選擇和匹配有重要的指導(dǎo)意義，所建立的模型可為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化、預(yù)測(cè)和控制提供依據(jù)。

漂石地層；土壓平衡盾構(gòu)；掘進(jìn)速度；模型研究

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各城市地鐵建設(shè)范圍也不斷擴(kuò)大。我國(guó)幅員遼闊，各地地質(zhì)情況差異大，因此在不同地層進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，如何選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)、如何根據(jù)盾構(gòu)機(jī)反饋回的施工數(shù)據(jù)對(duì)掘進(jìn)速度進(jìn)行預(yù)測(cè)、調(diào)整，是一個(gè)越來(lái)越值得關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)外有關(guān)硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）的性能預(yù)測(cè)模型開(kāi)展較早，比較有名TBM的性能預(yù)測(cè)模型有CSM模型［1］、NTH模型等［2］，NTH模型是一個(gè)主要基于大量現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，但是它僅局限于特定地層下的掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)，如果實(shí)際地層與以往條件不同，其預(yù)測(cè)結(jié)果不可靠［3］。在硬巖掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了一些針對(duì)不同地層下的研究。何於璉［4］根據(jù)西康線(xiàn)秦嶺I線(xiàn)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)TBM掘進(jìn)速度與地質(zhì)條件的關(guān)系作了初步研究，利用現(xiàn)已掌握的盾構(gòu)掘進(jìn)速度與圍巖組合分類(lèi)的關(guān)系，推斷其它圍巖類(lèi)別下盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度；劉明月［5］結(jié)合秦嶺隧道施工的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)掘進(jìn)速度、利用率、刀具磨損等表征掘進(jìn)效率的指標(biāo)與圍巖等級(jí)、圍巖類(lèi)型等地質(zhì)因素間的關(guān)系進(jìn)行了分析，得到了它們之間的影響關(guān)系；張厚美［6］通過(guò)正交試驗(yàn)術(shù)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行組合試驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析了總推力、土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等主要參數(shù)對(duì)掘進(jìn)速度的影響，得到了EPBS在軟土中的掘進(jìn)速度數(shù)學(xué)模型；江華等［7］以北京地鐵9號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)工程為背景，在大粒徑卵礫石地層開(kāi)展土壓平衡盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)，得出推進(jìn)速度與刀盤(pán)扭矩、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、總推力等施工參數(shù)間的關(guān)系。王洪新［8］在天津地鐵盾構(gòu)施工收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析土倉(cāng)壓力、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度之間關(guān)系。周斌［9］基于長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)工程為背景，根據(jù)現(xiàn)象采集的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)建立復(fù)合地層下的預(yù)測(cè)模型。以上國(guó)內(nèi)有關(guān)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度數(shù)學(xué)模型方面的研究，主要是集中在幾種地層（軟土地層、復(fù)合地層等），這是因?yàn)橥翂浩胶舛軜?gòu)掘進(jìn)是軟土地區(qū)地鐵隧道施工的主要方法之一，相關(guān)工程項(xiàng)目較多。在漂石地層采用盾構(gòu)工法修建地鐵隧道，國(guó)內(nèi)工程不多，因此相關(guān)的研究甚少。為了擴(kuò)展土壓平衡盾構(gòu)的應(yīng)用范圍，滿(mǎn)足日后工程建設(shè)需要，有必要開(kāi)展盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)針對(duì)漂石地層的適應(yīng)性研究。

成都地區(qū)的漂石地層，漂石粒徑大、含量高、廣泛不均勻分布、單體強(qiáng)度高，隧道沿線(xiàn)分布強(qiáng)透水富水地層，部分區(qū)域地層自穩(wěn)性差等，施工中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制困難。因此在漂石地層如何選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)，如何預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)速度，是盾構(gòu)施工過(guò)程中需要解決的一個(gè)問(wèn)題。本文擬通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模型回歸等方法對(duì)漂石地層的盾構(gòu)主要的施工參數(shù)進(jìn)行研究，分析參數(shù)間的相關(guān)性，建立成都地區(qū)漂石地層的推進(jìn)速度模型，以期為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化、預(yù)測(cè)和控制提供依據(jù)。

1　工程概況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道所穿越的地層以密實(shí)卵石土＜2-9-3＞和＜3-8-3＞為主。穿越區(qū)間地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖1，各地層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。地層中漂石含量為5～20%，粒徑一般為20～40 cm，地質(zhì)勘察所揭露漂石的最大長(zhǎng)度為57 cm，最大抗壓強(qiáng)度高達(dá)170 MPa，破碎困難［10］。漂石地層的內(nèi)摩擦角系數(shù)較大，渣土的流動(dòng)性比較差。在無(wú)水狀態(tài)下，顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，地層很易破壞原來(lái)的相對(duì)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(dòng)［11］。

根據(jù)成都區(qū)域水文地質(zhì)資料及本工程地下水的賦存條件，工程范圍內(nèi)地下水主要是第四系孔隙水。砂、卵石層含水豐富，含水層總厚度大于30 m，為孔隙潛水。根據(jù)成都地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，工點(diǎn)范圍內(nèi)卵石土層滲透系數(shù)k取18～35 m·d-1，為強(qiáng)透水層；砂層滲透系數(shù)k取值3.5～6 m·d-1，為中等透水層。

圖1　地質(zhì)縱斷面圖Fig.1　Geological profile

該區(qū)間采用海瑞克盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖直徑6.3 m，面板式刀盤(pán)。面板上布置小刮刀、邊緣、單刃滾刀或雙刃滾刀，刀盤(pán)開(kāi)口率約為36%，如圖3。刀盤(pán)額定扭矩6 228 kN·m，最大脫困扭矩7 447 kN·m，最大推力是3 991 T，最大掘進(jìn)速度是80 mm·min-1。出渣采用直徑850 mm的單級(jí)螺旋輸送機(jī)，能通過(guò)的漂石最大粒徑為310 mm。盾構(gòu)管片襯砌環(huán)寬1 500 mm和1 200 mm，外徑Φ6 000 mm、內(nèi)徑Φ5 400 mm、厚度300 mm，C50混凝土、6塊/環(huán)分塊形式，錯(cuò)縫拼裝。

圖2　地質(zhì)情況Fig.2　Geologic situation

圖3　刀盤(pán)示意圖Fig.3　Cutter head of shield machine

表1　土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1　Main physical-mechanical parameters of soil

3　各參數(shù)間關(guān)系及掘進(jìn)速度研究

3.1各施工參數(shù)間的相關(guān)性

為了分析參數(shù)之間的相關(guān)程度，借助參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)來(lái)評(píng)判。相關(guān)系數(shù)又稱(chēng)皮氏積矩相關(guān)系數(shù)，是說(shuō)明兩個(gè)現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)［12］。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

x，y分別取兩個(gè)變量的平均值。

此外，還有學(xué)者對(duì)鄰里效應(yīng)與農(nóng)戶(hù)行為之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。史運(yùn)等[9]認(rèn)為，農(nóng)戶(hù)在選擇農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，其行為會(huì)受到鄰里行為的影響，主要體現(xiàn)在鄰里間農(nóng)戶(hù)的相互模仿和跟從等；姚瑞卿等[10]通過(guò)對(duì)農(nóng)戶(hù)行為大量實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶(hù)無(wú)論是種植農(nóng)作物的方式與耕作習(xí)慣，還是選用化肥與農(nóng)藥，其行為都存在較大程度的鄰里影響，體現(xiàn)了明顯的鄰里效應(yīng)；李柃燕等[11]指出，跟潮效應(yīng)可能也會(huì)影響農(nóng)戶(hù)購(gòu)買(mǎi)農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)。

r值在-1和+1之間變化。如果r＞0時(shí)，表示兩者為正相關(guān)；如果r＜0時(shí)，表示兩者為負(fù)相關(guān)；如果r＝0表示不相關(guān)；當(dāng)r值的絕對(duì)值越大時(shí)，兩者的相關(guān)程度就越高。

根據(jù)所采集的參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算盾構(gòu)機(jī)各施工參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)，如表2。

表2　各參數(shù)間相關(guān)系數(shù)Tab.2　Correlation coefficient of parameters

由表2可知：①刀盤(pán)扭矩和推力、掘進(jìn)速度和貫入度、掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)扭矩和螺旋輸送機(jī)工作面壓力的r值分別在0.7～1之間，兩者呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性正相關(guān)。②掘進(jìn)速度與推力、推力和貫入度、刀盤(pán)扭矩和土倉(cāng)壓力的r值分別在-0.6～-0.7，兩者呈良好的線(xiàn)性負(fù)相關(guān)。③ 刀盤(pán)扭矩隨著總推力的增大而增大。從兩者的物理關(guān)系角度出發(fā)，當(dāng)總推力增大時(shí)，必然使得刀盤(pán)面受到的摩擦力增大，則刀盤(pán)的扭矩也相應(yīng)增大。實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了這一關(guān)系。④掘進(jìn)速度=刀盤(pán)轉(zhuǎn)速×貫入度，故在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定的情況下，貫入度越大，掘進(jìn)速度越大。⑤土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)速度是一個(gè)多因素共同作用下、反映盾構(gòu)機(jī)在各地層下效能的指標(biāo)，它的大小不但受到盾構(gòu)設(shè)備的性能影響，而且與螺旋機(jī)的出土效率有很大關(guān)系，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看出，土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)速度與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速的相關(guān)性較好。⑥從物理關(guān)系來(lái)說(shuō)，當(dāng)土倉(cāng)壓力增大時(shí)，刀盤(pán)背面與土倉(cāng)內(nèi)的土體的摩擦力也增大，那么刀盤(pán)扭矩也相應(yīng)增大。但通過(guò)上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，但是圖中顯示兩者不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，兩者呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)樵诖笃貙佣軜?gòu)掘進(jìn)時(shí)，土倉(cāng)壓力升高時(shí)，掘進(jìn)速度就會(huì)降下來(lái)，很容易造成刀盤(pán)扭矩不足而產(chǎn)生卡死。因此在實(shí)際施工過(guò)程中，可通過(guò)保持適當(dāng)欠壓，做好渣土改良等控制推力和扭矩在合理范圍內(nèi)，避免扭矩過(guò)大造成刀盤(pán)卡死。

3.2掘進(jìn)速度與其他施工參數(shù)相關(guān)性

盾構(gòu)推進(jìn)速度的大小，是多個(gè)參數(shù)共同作用產(chǎn)生的，是被動(dòng)反饋的重要參數(shù)［13］。左線(xiàn)掘進(jìn)過(guò)程中450環(huán)實(shí)際掘進(jìn)速度如圖4所示。

圖4　掘進(jìn)速度直方圖Fig.4　Curve of advance speed

圖5　掘進(jìn)速度直方圖Fig.5　Histogram of advance speed

綜合漂石地層下盾構(gòu)掘進(jìn)的掘進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)情況發(fā)現(xiàn)，整個(gè)區(qū)段內(nèi)掘進(jìn)速度數(shù)值變化范圍在10 mm·min-1至68 mm·min-1之間，平均值為38.3 mm·min-1，掘進(jìn)速度的分布整體呈近似正態(tài)分布，統(tǒng)計(jì)得到的掘進(jìn)速度主要落于30～60 mm·min-1之間。1至450環(huán)盾構(gòu)的掘進(jìn)速度變化從10～67 mm·min-1不等，波動(dòng)范圍大，前120環(huán)屬于試掘進(jìn)過(guò)程，故掘進(jìn)速度波動(dòng)較大，120環(huán)以后掘進(jìn)速度波動(dòng)趨于平緩。

將掘進(jìn)速度、總推力的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行整理，如圖6所示。

圖6　掘進(jìn)速度與總推力的散點(diǎn)圖Fig.6　Scatter diagram of advance speed and thrust force

通過(guò)上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同的總推力區(qū)段，與掘進(jìn)速度均值存在很好的線(xiàn)性關(guān)系，且兩者線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.886。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中所受到的前方壓力、摩擦力等阻力增大時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)所需要的推力也相應(yīng)增大，而盾構(gòu)推進(jìn)的速度則因阻力的增大而減小。因此，掘進(jìn)速度不可簡(jiǎn)單認(rèn)為會(huì)隨推力增大而增長(zhǎng)，在實(shí)際操作過(guò)程中受較多的隨機(jī)因素影響。

掘進(jìn)參數(shù)與其他施工參數(shù)相關(guān)性的處理，按照?qǐng)D7掘進(jìn)速度與總推力類(lèi)似進(jìn)行處理：各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行分段整理，將各區(qū)段中的掘進(jìn)速度取平均值［14］，以表征該區(qū)段中掘進(jìn)速度的大小。兩者之間的關(guān)系如圖8～圖13所示。

圖7　分區(qū)段整理后的總推力與掘進(jìn)速度Fig.7　Reduced advance speed and thrust force

圖8　掘進(jìn)速度與總推力Fig.8　Advance speed and thrust force

圖9　掘進(jìn)速度與刀盤(pán)扭矩Fig.9　Advance speed and torque of cutter head

圖10　掘進(jìn)速度與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速Fig.10　Advance speed and cutting wheel rotation

圖11　掘進(jìn)速度與貫入度Fig.11　Advance speed and penetration

圖12　掘進(jìn)速度與土倉(cāng)壓力Fig.12　Advance speed and chamber earth pressure

圖13　掘進(jìn)速度與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.13　Advance speed and rotation speed of screw conveyor

從圖8～圖13可以看出，掘進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速有良好的正相關(guān)性，與總推力、土倉(cāng)壓力有較好的負(fù)相關(guān)性。①當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中所受到的前方壓力、摩擦力等阻力增大時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)所需要的推力也相應(yīng)增大，而盾構(gòu)推進(jìn)的速度則因阻力的增大而減小。因此，推進(jìn)速度不可簡(jiǎn)單認(rèn)為會(huì)隨推力增大而增長(zhǎng)，在實(shí)際操作過(guò)程中受較多的隨機(jī)因素影響。在軟土地層中常通過(guò)增大總推力的方法來(lái)增加掘進(jìn)速度，但在漂石地層中不宜采取此類(lèi)似措施。②掘進(jìn)速度與扭矩不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，扭矩在一定范圍時(shí)，掘進(jìn)速度緩慢增加，當(dāng)扭矩大于一定值后，掘進(jìn)速度隨著扭矩的增大而減小。③理論上存在這樣的關(guān)系：推進(jìn)速度=刀盤(pán)轉(zhuǎn)速×貫入度。實(shí)測(cè)出的掘進(jìn)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度的正相關(guān)關(guān)系也驗(yàn)證這一關(guān)系。④在維持開(kāi)挖面穩(wěn)定的情況下，土倉(cāng)壓力越小，掘進(jìn)速度越大。⑤螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速越大，掘進(jìn)速度就越大。螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速與出土量有直接關(guān)系，故土倉(cāng)壓力與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其他條件不變的情況下轉(zhuǎn)速大土倉(cāng)壓力小，轉(zhuǎn)速小土倉(cāng)壓力大。土倉(cāng)壓力的變化又會(huì)引起掘進(jìn)速度的變化，故在漂石地層要做好渣土改良，保證螺旋輸送機(jī)出渣順利。

3.3推進(jìn)速度模型研究

在軟土地區(qū)施工中，張厚美［6］建立了推進(jìn)速度的計(jì)算模型，得到對(duì)掘進(jìn)速度影響最大的3個(gè)操作參數(shù)依次為：千斤頂推力、土艙壓力和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。類(lèi)似的，本節(jié)借鑒張厚美建立掘進(jìn)速度模型的方法來(lái)研究成都漂石地層中盾構(gòu)推進(jìn)速度的計(jì)算模型。

盾構(gòu)機(jī)主要靠主千斤頂對(duì)盾體施加向前的推力而向前推進(jìn)的，因此千斤頂推力對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)起主要影響作用；由于掘進(jìn)速度=刀盤(pán)轉(zhuǎn)速×刀盤(pán)貫入度，所以刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及貫入度也直接影響了掘進(jìn)速度；螺旋輸送機(jī)參數(shù)決定了渣土輸出的速度、出土量，間接影響了盾構(gòu)的推進(jìn)速度；本計(jì)算模型中取所測(cè)各土倉(cāng)壓力的平均值作為分析對(duì)象。

由第3.2節(jié)分析可知，推進(jìn)速度與各變量之間存在一定的相關(guān)性。其中盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)扭矩、螺旋輸送機(jī)工作面壓力和推進(jìn)速度的相關(guān)系數(shù)較小，說(shuō)明螺旋輸送機(jī)扭矩和螺旋輸送機(jī)工作面壓力對(duì)推進(jìn)速度的影響不大，因此舍去這兩個(gè)變量。故本計(jì)算模型中參數(shù)變量的選取為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)力、貫入度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、平均土倉(cāng)壓力。如表3所示。

表3　掘進(jìn)速度模型參數(shù)選取Tab.3　Choice of model regression parameters

利用上述模型參數(shù)進(jìn)行模型建立：

模型回歸參數(shù)結(jié)果如表4所示。

表4　模型回歸參數(shù)結(jié)果Tab.4　Result of model regression parameters

根據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知回歸相關(guān)系數(shù)R= 0.99，說(shuō)明 自變量與回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果有很高的相關(guān)性。根據(jù)方差分析結(jié)果，可知F值=5 000.495 9，SignificanceF=0＜0.01，表明所建立的回歸方程非常顯著。根據(jù)模型回歸參數(shù)結(jié)果表，根據(jù)t值的大小可知因素的主次順序是:貫入度＞刀盤(pán)轉(zhuǎn)速＞螺旋轉(zhuǎn)速＞推力＞土倉(cāng)壓力＞刀盤(pán)扭矩；根據(jù)“P-value”可知上述變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響高度顯著。

圖14　模型計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.14　Comparison between model calculation and measured data

由上述分析可得到推進(jìn)速度的計(jì)算模型為：

采用上述的掘進(jìn)速度模型，利用右線(xiàn)的200環(huán)的施工參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)比計(jì)算結(jié)果表明：上述推進(jìn)速度計(jì)算模型得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.86，該模型能較好地?cái)M合大薸石地層條件下的盾構(gòu)推進(jìn)速度，所建立的模型可應(yīng)用為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化、預(yù)測(cè)和控制提供依據(jù)。模型中貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)推進(jìn)速度的影響相對(duì)較大。

4　總結(jié)

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)漂石地層的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行研究，分析各施工參數(shù)間的相關(guān)性，建立了漂石地層中的掘進(jìn)速度模型，模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，可為盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制提供參考。得到以下結(jié)論：

1）掘進(jìn)速度與貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、螺旋機(jī)輸送機(jī)轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，與總推力、土倉(cāng)壓力呈負(fù)相關(guān)；

2）掘進(jìn)速度與扭矩不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，扭矩在一定范圍時(shí)，掘進(jìn)速度緩慢增加，當(dāng)扭矩大于一定值后，掘進(jìn)速度隨著扭矩的增大而減小；

3）對(duì)于掘進(jìn)速度影響最大的因素依次是貫入度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、螺旋轉(zhuǎn)速、推力、土倉(cāng)壓力、刀盤(pán)扭矩；

4）盾構(gòu)在漂石地層施工過(guò)程中，可通過(guò)保持適當(dāng)欠壓，做好渣土改良等控制推力和扭矩在合理范圍內(nèi)，避免扭矩過(guò)大造成刀盤(pán)卡死。

［1］ROSTAMI R，OZDEMIR L，NILSONB．Comparisonbetween CSM and NTH Hard Rock TBM Performance PredictionModels［M］．LasVegas，NV：Isdt，1996．

［2］BORLAND A，DAHLO T S，NILSEN，B.Tunneling Perforniance Estimation Based on Drillability Testing［C］//Proceedings 8th International Congress on Rock Mechanics，2013：25-30.

［3］TARKOY P J，HENDRON A J.Rock Hardness Index Properties and Geotechnical Parameters for Predicting Tunnel Boring Machine Performance［J］.Tetrahedron Letters，1957，16（3）：211－212.

［4］何於璉．TBM施工進(jìn)度的科學(xué)預(yù)測(cè)方法［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，1999，（2）：94-98．

［5］劉明月，杜彥良，麻士琦．地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，15（4）：40-43．

［6］張厚美，吳秀國(guó)，曾偉華.土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)及掘進(jìn)數(shù)學(xué)模型研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（S2）：5762-5766.

［7］江華，張晉勛，江玉生.大粒徑卵礫石地層土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)性特征［J］.都市快軌交通，2013（2）：94-99+107.

［8］王洪新，傅德明，李向紅.土壓平衡盾構(gòu)各主要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析［C］//.2005上海國(guó)際隧道工程研討會(huì)論文集，上海，2005：248-255.

［9］周斌，張懷亮，程永亮.復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度SVM預(yù)測(cè)模型研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2014（10）：48-51.

［10］王柳善，楊龍才，孟慶明.富水卵漂石地層土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)，2015（6）：14-19.

［11］段浩，鄭麗，李博.富水砂卵石地層盾構(gòu)刀具配置探討［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新.2009（1）：32-33.

［12］朱宏偉.泥水盾構(gòu)掘進(jìn)速度影響參數(shù)分析及數(shù)學(xué)解析［D］.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2008：40-43.

［13］施虎，盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)電液控制技術(shù)及其模擬試驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012：56-59.

［14］褚東升.長(zhǎng)沙地鐵下穿湘江土壓平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)研究［D］.湖南：中南大學(xué)，2012：34-36.

（責(zé)任編輯王建華）

Research on Mathematical Model of Advance Speed for EPBS in Boulder Stratum

Huang Jiandan，Gong Quanmei，Meng Qingming，Zhang Runlai
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804；2.Sinohydro Engineering Bureau No.7 CO.，LTD.，Chengdu 610081）

At present，there are seldom researches on mathematical model of advance speed for earth pressure balanced shield（EPBS）in boulder stratum.In one shield tunnel section of Chengdu Metro，according to field construction data，correlation between parameters was discussed by statistical analysis and model regression，and mathematical models of advanced speed of EPBS in boulder stratum were obtained in this study．The results show that，in the boulder stratum of Chengdu，the construction parameters which affect advance speed most are penetration and cutting wheel rotation；advance speed is in proportion to cutter speed，penetration and screw machine speed；advance speed is in proportion to total thrust force and earth pressure inversely；advance speed and torque of cutter head is no simple linearity（within a range of torque，advance speed will slowly increase，while torque keeps increasing and beyond the range，advance speed will decrease）.These correlations have important guiding significance in choosing and matching EPBS’parameters in boulder stratum，and the mathematical models can be references for optimization，prediction and control of parameters of advance speed of EPBS.

boulder stratum；EPBS；advance speed；model research

TU443

A

1005-0523（2016）04-0037-08

2015－04－08

黃建丹（1991—），女，碩士研究生，主要從事城市軌道交通研究。

宮全美（1967—），女，教授，博導(dǎo)，主要從事軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究與施工、線(xiàn)路動(dòng)力學(xué)。