(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

1 引言

盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)施工是由盾構(gòu)施工參數(shù)控制的，包括掘進(jìn)速度、千斤頂推力、刀盤(pán)扭矩、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、同步注漿壓力等。盾構(gòu)施工參數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，施工參數(shù)選取的合理與否直接影響到盾構(gòu)施工的效率高低、對(duì)地層變形控制好壞，甚至決定盾構(gòu)施工的安全。本文通過(guò)成都地鐵4號(hào)線(xiàn)二期工程土建6標(biāo)鳳溪站～南熏大道站區(qū)間左線(xiàn)盾構(gòu)施工過(guò)程中遇到的各種地質(zhì)條件以及工況等，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的選取等進(jìn)行總結(jié)，提出符合該地層條件下的掘進(jìn)參數(shù)，保質(zhì)保量地完成了區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)施工，確保了施工安全和工期要求，為類(lèi)似施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

成都地鐵4號(hào)線(xiàn)二期工程西延線(xiàn)位于成都市溫江區(qū)，共8站8區(qū)間。西延線(xiàn)全長(zhǎng)10.829km，均為地下線(xiàn)。西延線(xiàn)位于卵石最大含量可達(dá)85%、漂石粒徑20cm～70cm、卵石單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)170MPa的大粒徑、高強(qiáng)度、富水砂卵石地層中，與中心城區(qū)內(nèi)相比，本區(qū)段砂卵石地層具有漂石粒徑大(最大粒徑超過(guò)70cm)、漂石含量高(漂石含量超過(guò)5.5%)、部分地段卵石層密實(shí)度差(卵石間只充填松散中細(xì)砂)等特點(diǎn)，該地層對(duì)地鐵施工，尤其是盾構(gòu)法區(qū)間隧道施工影響較大，施工難度大。本文依托土建6標(biāo)鳳溪站～南熏大道站～光華公園站區(qū)間和鳳凰大街站～西部新城站區(qū)間進(jìn)行研究，選取了成都地鐵4號(hào)線(xiàn)西延線(xiàn)鳳～南區(qū)間左線(xiàn)572環(huán)的盾構(gòu)施工參數(shù)來(lái)分析。

3 掘進(jìn)參數(shù)的選取

3.1 掘進(jìn)速度

盾構(gòu)掘進(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)。盾構(gòu)掘進(jìn)速度是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)生產(chǎn)效率的最直觀(guān)體現(xiàn)，從施工生產(chǎn)角度來(lái)講，在條件允許情況下盾構(gòu)掘進(jìn)速度越快越好。但站在環(huán)境控制角度看，顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诰蜻M(jìn)過(guò)程中需要接受監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，并與其他輔助施工，如同步注漿、壁后二次注漿等相結(jié)合，以達(dá)到控制周邊地層變化，保護(hù)周邊環(huán)境的目的。

綜合卵漂石地層下盾構(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10mm/min～67mm/min之間，平均值為37mm/min，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30mm/min～60mm/min之間。1至450環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)速度變化從10mm/min～67mm/min不等，波動(dòng)范圍大，前120環(huán)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，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 掘進(jìn)速度圖

圖2 掘進(jìn)速度直方圖

針對(duì)土建6標(biāo)段砂卵石地層，平均掘進(jìn)速度保持在40mm/min以上，最低平均掘進(jìn)速度不能小于30mm/min，卵石含量高時(shí)掘進(jìn)速度會(huì)被迫降低，平均掘進(jìn)速度低于30mm/min將導(dǎo)致超方。

但綜觀(guān)整個(gè)區(qū)段的掘進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，掘進(jìn)速度的波動(dòng)較大，尤其是盾構(gòu)始發(fā)后的第一個(gè)區(qū)間，說(shuō)明人為操作因素對(duì)于掘進(jìn)速度的控制影響很大。掘進(jìn)速度的設(shè)定，還需同螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、土倉(cāng)壓力控制等相匹配。

3.2 總推力

盾構(gòu)總推力是盾構(gòu)技術(shù)參數(shù)中主要參數(shù)之一，沒(méi)有推力就沒(méi)有掘進(jìn)速度，理論上應(yīng)該等于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中所遇到的各種阻力的總和，包括盾構(gòu)側(cè)面與周邊地層的摩阻力、刀具貫入抵抗、刀盤(pán)正面阻力、盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整或曲線(xiàn)施工附加阻力、管片和盾殼之間的摩擦力、盾尾脫出阻力和后配套的牽引力等。盾構(gòu)施工中總推力的大小，對(duì)盾構(gòu)機(jī)本身機(jī)械狀態(tài)及對(duì)周邊環(huán)境均有重要的影響。1至450環(huán)的總推力如下圖3、圖4所示。70環(huán)之前、320環(huán)之后推力波動(dòng)大，70環(huán)～320環(huán)之間波動(dòng)程度小。

圖3 總推力圖

圖4 總推力直方圖

綜合卵漂石地層下盾構(gòu)掘進(jìn)的總推力統(tǒng)計(jì)情況發(fā)現(xiàn)，整個(gè)區(qū)段內(nèi)總推力數(shù)值變化范圍在8000kN～20000kN之間，平均值為12984kN，主要落于10000kN～20000kN之間。海瑞克盾構(gòu)機(jī)的最大總推力為34210kN，可見(jiàn)盾構(gòu)總推力尚有較大的富余，總體上來(lái)看該設(shè)備滿(mǎn)足盾構(gòu)推進(jìn)的需求。

在進(jìn)入小半徑曲線(xiàn)之前，總推力的變化趨勢(shì)是先減小然后趨于穩(wěn)定，進(jìn)入小半徑曲線(xiàn)之后總推力增大，對(duì)比100環(huán)～500環(huán)的掘進(jìn)速度，掘進(jìn)速度并沒(méi)有明顯地減小，說(shuō)明100環(huán)之后的地層比較容易開(kāi)挖，即不需要很大的推力也可以達(dá)到較大的掘進(jìn)速度。

綜上分析，土建6標(biāo)段最大推力控制在20000kN以?xún)?nèi)(其中包含對(duì)鉸接的克服)，就能夠保證掘進(jìn)速度，在這樣的推力下不會(huì)對(duì)管片造成破壞。

3.3 螺旋機(jī)閘門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速與出土量的關(guān)系

土壓平衡盾構(gòu)靠調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和閘門(mén)開(kāi)度來(lái)維持土壓平衡，如果掘進(jìn)速度不變，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速加快時(shí)出土量增加，土艙壓力變??；螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速減慢時(shí)出土量減小，土艙壓力變大。如果掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)推進(jìn)切削的土體體積等于被螺旋機(jī)排出的土體體積，則盾構(gòu)前方的接觸壓力等于土體的靜止側(cè)向土壓力，盾構(gòu)將既不會(huì)擠壓前方土體，也不會(huì)對(duì)前方土體卸載。此時(shí)即達(dá)到所謂的土壓平衡狀態(tài)。實(shí)際上完全做到土壓平衡非常困難，推進(jìn)時(shí)螺旋機(jī)排出的土體體積或者大于盾構(gòu)切削的土體體積形成欠推進(jìn)狀態(tài)，或者小于盾構(gòu)切削的土體體積形成超推進(jìn)狀態(tài)。

螺旋機(jī)出土是維持土壓平衡盾構(gòu)土壓平衡的關(guān)鍵，螺旋機(jī)出土量與轉(zhuǎn)速一般用下式計(jì)算：

Q=ηANP

(1)

式中：Q為排土量；η為排土效率；A為螺旋輸送機(jī)有效斷面積，按式(2)計(jì)算；N為轉(zhuǎn)速；P為螺旋翼片的間距。

A=π/4(D12-D22)

(2)

式中：D1為螺旋機(jī)直徑；D2為螺旋機(jī)軸直徑。

通過(guò)上述公式，可以定量的計(jì)算螺旋機(jī)出土量。盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中，有出渣要求時(shí)，螺旋機(jī)閘門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速將影響掘進(jìn)速度?？梢钥偨Y(jié)為沒(méi)有螺旋機(jī)閘門(mén)開(kāi)度和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，就沒(méi)有掘進(jìn)速度。

3.4 刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)

刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)包括刀盤(pán)扭矩和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，刀盤(pán)扭矩參數(shù)為自然形成。刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)在砂卵石地層中的主要作用：(1)擾動(dòng)掌子面；(2)與推力聯(lián)合破石；(3)與泡沫劑聯(lián)合攪均土倉(cāng)渣土；(4)與泡沫劑聯(lián)合改良掌子面渣土；(5)加快掌子面渣土入倉(cāng)。

3.4.1 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

綜合該卵漂石地層下盾構(gòu)掘進(jìn)的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)情況發(fā)現(xiàn)，整個(gè)區(qū)段內(nèi)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速數(shù)值變化范圍在1.0RPM～1.7RPM之間，數(shù)值主要落于1.3RPM～1.4RPM區(qū)段，平均值為1.35RPM，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速分布整體呈近似正態(tài)分布。

在100環(huán)之后，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。在350環(huán)之后，盾構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入小半徑曲線(xiàn)地段，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速根據(jù)線(xiàn)路情況進(jìn)行調(diào)整，故參數(shù)波動(dòng)較大，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速圖

圖6 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速直方圖

為分析不同地質(zhì)條件對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的影響，通過(guò)資料調(diào)研，選取上海軟土地區(qū)、南京砂性土層及廣州巖層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比。本文依托工程盾構(gòu)穿越地層主要為卵漂石，局部砂夾層，卵石含量占60%～80%(重量比)，充填物為細(xì)砂及圓礫，稍密～密實(shí)，盾構(gòu)的刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度平均值為1.21RPM。南京某地鐵隧道主要穿越粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)砂層，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化范圍在0.9RPM～1.2RPM。廣州某地鐵隧道主要穿越微風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖，巖質(zhì)較硬，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速平均值為1.45RPM。而在類(lèi)似上海地區(qū)的粘性軟土地區(qū)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速不超過(guò)1.0RPM。由此可見(jiàn)，當(dāng)?shù)貙拥膹?qiáng)度越高，則刀盤(pán)轉(zhuǎn)速越快，相反地，當(dāng)?shù)貙訌?qiáng)度越低時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速越慢。從刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與土層強(qiáng)度的相互關(guān)系來(lái)看，當(dāng)?shù)貙訌?qiáng)度高時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀具切入土層的深度較小，則刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力較小，在額定的功率下刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速相應(yīng)越快。

3.4.2 刀盤(pán)扭矩

綜合該卵漂石地層下盾構(gòu)掘進(jìn)的刀盤(pán)扭矩統(tǒng)計(jì)情況發(fā)現(xiàn)，整個(gè)區(qū)段內(nèi)刀盤(pán)扭矩?cái)?shù)值變化范圍在1.2MN·m～4.67MN·m，平均值為3.1MN·m。統(tǒng)計(jì)得到的刀盤(pán)扭矩值主要落于2.5MN·m～4.5MN·m。

從刀盤(pán)扭矩圖圖7、圖8看出，扭矩隨著盾構(gòu)的向前掘進(jìn)，扭矩呈減小的趨勢(shì)，原因是進(jìn)入地層條件相對(duì)改善地段，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)逐步與漂卵石地層匹配，這樣掘進(jìn)速度可以逐步增大。到了350環(huán)之后，盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始進(jìn)入小半徑曲線(xiàn)，刀盤(pán)扭矩逐漸增大，掘進(jìn)速度降低。

圖7 刀盤(pán)扭矩圖

圖8 刀盤(pán)扭矩直方圖

為對(duì)比軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)扭矩情況，選取上海某盾構(gòu)隧道工程，掘進(jìn)土層為④層(灰色淤泥質(zhì)粘土)、⑤1-1層(灰色粘土)及⑤1-2層(灰色粉質(zhì)粘土)粉土，隧道中心埋深為13.42m～20.79m，數(shù)據(jù)樣本約800個(gè)。根據(jù)采集的刀盤(pán)扭矩值發(fā)現(xiàn)，主要落于1MN·m～2MN·m，平均值為1.7MN·m。通過(guò)兩者比較，可見(jiàn)卵漂石地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的刀盤(pán)扭矩要比軟土地區(qū)大得多，這使得盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)、刀具磨損較嚴(yán)重，減短盾構(gòu)機(jī)的壽命。

由前面的分析可知，影響刀盤(pán)扭矩大小的主要因素是刀盤(pán)正面、側(cè)面與土體之間的摩阻力扭矩、刀盤(pán)背面與壓力艙內(nèi)土體的摩阻力扭矩、壓力艙內(nèi)刀盤(pán)和攪拌葉片的攪拌扭矩。根據(jù)卵漂石地層的特性，土層與刀盤(pán)、盾體的摩擦較大，因此卵漂石地層條件下盾構(gòu)的刀盤(pán)扭矩較大。通過(guò)渣土改良方法對(duì)刀盤(pán)前方土體和土倉(cāng)內(nèi)渣土的性狀進(jìn)行改變，使之與刀盤(pán)的摩擦系數(shù)減小，是減小刀盤(pán)扭矩的一個(gè)有效途徑。

通過(guò)上述分析得知，在該地層條件下，扭矩大小和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速不能限定，只要求能滿(mǎn)足推進(jìn)速度。扭矩和轉(zhuǎn)速不作為掘進(jìn)控制參數(shù)的主要依據(jù)，作為參考指標(biāo)，不主動(dòng)調(diào)整。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速符合設(shè)備要求，和扭矩成反比關(guān)系。

3.5 土倉(cāng)壓力

土壓平衡盾構(gòu)的平衡應(yīng)該是出土量的平衡。由于刀盤(pán)面板的作用，在出土平衡時(shí)，開(kāi)挖面處存在明顯的擠壓。其它條件相同且出土量平衡時(shí)，不同開(kāi)口率盾構(gòu)的土艙壓力并不相等。

實(shí)際的施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的PLC參數(shù)系統(tǒng)采集各傳感器位置的土倉(cāng)壓力值，在100環(huán)～310環(huán)之間，5#土壓力傳感器失靈，300環(huán)之后，1#、3#、4#土壓力傳感器測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)異常，故剔除這些異常數(shù)據(jù)，現(xiàn)選取1環(huán)～310環(huán)的1#、2#、3#、4#土壓力來(lái)分析。采集得到的各點(diǎn)土倉(cāng)壓力如下圖9、圖10。

圖9 前300環(huán)土倉(cāng)壓力

圖10 土倉(cāng)壓力規(guī)則系數(shù)

從上述隔板上傳感器測(cè)得的土倉(cāng)壓力分布情況可以發(fā)現(xiàn)，土倉(cāng)壓力規(guī)則系數(shù)平均值是0.32，漂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)壓力自上而下的分布極不均勻，局部位置的土倉(cāng)壓力突然增大，說(shuō)明土倉(cāng)內(nèi)的渣土流塑性狀態(tài)差。

然而，我們通過(guò)分析認(rèn)為，此參數(shù)為自然形成，在某些流動(dòng)性較好的土層，通過(guò)螺旋機(jī)開(kāi)口和轉(zhuǎn)速就能建立土壓平衡。在砂卵石地層具有骨架結(jié)構(gòu)效應(yīng)和滯后沉降現(xiàn)象來(lái)看，只要推進(jìn)速度快，土倉(cāng)壓力不做為掘進(jìn)控制參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合成都地鐵4號(hào)線(xiàn)二期西延線(xiàn)區(qū)間鳳～南區(qū)間左線(xiàn)隧道盾構(gòu)施工，通過(guò)實(shí)際施工過(guò)程中遇到的各種工況及采取的處理措施得到的相關(guān)參數(shù)，得出在土建6標(biāo)段施工的地層中，掘進(jìn)速度是盾構(gòu)施工的核心，所有參數(shù)均應(yīng)保證掘進(jìn)速度，在砂卵石地層可通過(guò)推力和螺旋輸送機(jī)開(kāi)度的配合來(lái)控制掘進(jìn)速度，而刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)和土倉(cāng)壓力在不影響渣土改良的情況下，只能做為判斷掘進(jìn)速度的參考指標(biāo)，不參與控制掘進(jìn)速度。這一套參數(shù)的總結(jié)和理念是成功的，為類(lèi)似地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。