龔學(xué)棟 胡宇琛 蔣亞龍 郭小龍 章云生 陳 強(qiáng)

(1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，江西 南昌 330209； 2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 概述

隨著我國(guó)城市交通業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)大量城市開(kāi)始興建地鐵，而盾構(gòu)法因其施工效率高、對(duì)地面交通擾動(dòng)小而廣泛應(yīng)用于地鐵施工中。在泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，合理調(diào)整主要的掘進(jìn)參數(shù)對(duì)保證隧道的安全高效掘進(jìn)是十分重要的，不恰當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)參數(shù)易導(dǎo)致姿態(tài)難控制、泥餅、掘進(jìn)困難等問(wèn)題[1-3]。為了確保泥水盾構(gòu)施工質(zhì)量，探究盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中主要掘進(jìn)參數(shù)之間的相關(guān)性，并構(gòu)建相應(yīng)的擬合模型顯得非常重要[4]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)大量學(xué)者就盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中機(jī)器參數(shù)之間的相關(guān)性做了大量研究。楊旸等[5]以南寧軌道交通2號(hào)線(xiàn)為工程依托，對(duì)富水圓礫地層段和圓礫泥巖復(fù)合地層段土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析并提出圓礫地層土倉(cāng)壓力取值范圍的計(jì)算方法；田勇堅(jiān)等[6]以新鄭機(jī)場(chǎng)至鄭州南站城際鐵路盾構(gòu)段隧道施工為背景，針對(duì)泥水盾構(gòu)在黏土地層中刀盤(pán)結(jié)泥餅問(wèn)題提出了半艙氣壓工法，研究了半艙氣壓法下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化特征；于云龍等[7]依托石家莊地鐵1號(hào)線(xiàn)白留區(qū)間隧道工程，基于現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)原始掘進(jìn)參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，建立標(biāo)準(zhǔn)推力—標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩特征空間，并對(duì)傳統(tǒng)盾構(gòu)掘進(jìn)速率模型進(jìn)行修正；范文超等[8]以汕頭海灣隧道為依托，對(duì)區(qū)間內(nèi)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)優(yōu)選函數(shù)類(lèi)別和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合地層超大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)預(yù)測(cè)模型,通過(guò)機(jī)器參數(shù)相關(guān)性分析定量預(yù)測(cè)刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、泥水壓力等數(shù)據(jù)。

依托南昌軌道交通4號(hào)線(xiàn)安豐站—東新站盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)間隧道，由于泥水盾構(gòu)隧道在復(fù)合地層中的施工較為復(fù)雜，本文旨在探究泥水平衡盾構(gòu)主要掘進(jìn)參數(shù)與不同地層參數(shù)之間的關(guān)系，確定不同地層條件下合理的掘進(jìn)參數(shù)取值范圍，能夠?yàn)楹罄m(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)工作或者其他相似工況提供數(shù)據(jù)參考。

2 工程背景

安豐站—東新站盾構(gòu)區(qū)間在西岸下穿淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫及強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，過(guò)江段為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，東岸下穿中砂、粗砂、砂礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，區(qū)段工程各地層主要土層參數(shù)如表1所示。其中全斷面砂層自穩(wěn)性較差、透水性較強(qiáng)、水壓較高，而中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為典型不透水地層，圍巖強(qiáng)度較高、自穩(wěn)性好。

表1 土層參數(shù)

3 掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)性分析

用于分析的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)均來(lái)自施工現(xiàn)場(chǎng)控制室監(jiān)測(cè)與施工單位臺(tái)賬記錄，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體系龐大，在參數(shù)分析時(shí)無(wú)法充分地考慮到所有掘進(jìn)參數(shù)，故選取其中起主要影響作用的掘進(jìn)參數(shù)，本節(jié)就盾構(gòu)總推力和掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩和掘進(jìn)速度以及刀盤(pán)扭矩與盾構(gòu)總推力之間的相關(guān)性展開(kāi)分析。

3.1 盾構(gòu)總推力與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系

盾構(gòu)在南昌地區(qū)掘進(jìn)時(shí)上軟下硬地層最具特色，即指的是上部是砂層，下部是中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，下文統(tǒng)稱(chēng)為上軟下硬地層。選取三種典型地層中的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分別為砂礫層、上軟下硬地層和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層，以在這三種地層盾構(gòu)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，得出了總推力與掘進(jìn)速度的關(guān)系表達(dá)式，如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)：總推力N與掘進(jìn)速度u關(guān)系可以近似擬合為u=-0.023 78N+64.172 08，R2=0.443 59，即盾構(gòu)總推力增大時(shí)，伴隨著掘進(jìn)速度下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槎軜?gòu)過(guò)程中遇到復(fù)雜的地層條件，巖層厚度的變化及巖體強(qiáng)度變化導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)速度隨著盾構(gòu)總推力的增大而減小[9]。

3.2 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系

以在這三種地層盾構(gòu)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，繪制出刀盤(pán)扭矩與掘進(jìn)速度關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。

對(duì)圖2進(jìn)行分析可知：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定在1.0 r/min～1.2 r/min之間，說(shuō)明施工過(guò)程中，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速線(xiàn)性相關(guān)性差，這是因?yàn)橐话愕侗P(pán)轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍很小，掘進(jìn)速度受到盾構(gòu)設(shè)備、出土設(shè)備、注漿設(shè)備和盾構(gòu)機(jī)操作員水平等因素影響，因此掘進(jìn)速度更多受客觀條件影響。

3.3 刀盤(pán)扭矩與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系

以在這三種地層盾構(gòu)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，繪制出刀盤(pán)扭矩與掘進(jìn)速度關(guān)系曲線(xiàn)并進(jìn)行擬合，如圖3所示。

由圖3可知：掘進(jìn)速度u與刀盤(pán)扭矩T的關(guān)系可擬合為u=-0.007 9T+53.252 92，R2=0.464 38，即刀盤(pán)扭矩增大時(shí)，伴隨著有掘進(jìn)速度下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谠搮^(qū)間隧道斷面存在細(xì)砂等摩擦角較大的土層，當(dāng)?shù)侗P(pán)切削隧道周?chē)馏w時(shí)，刀盤(pán)與周?chē)馏w摩擦系數(shù)增大，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)需要克服更大的切削土阻力轉(zhuǎn)矩、刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)阻力矩和其他附加轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致掘進(jìn)速度降低。

3.4 刀盤(pán)扭矩與盾構(gòu)總推力

以在這三種地層盾構(gòu)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，繪制出刀盤(pán)扭矩與盾構(gòu)總推力關(guān)系曲線(xiàn)并進(jìn)行擬合，如圖4所示。

由圖4可知：盾構(gòu)總推力N與刀盤(pán)扭矩T的關(guān)系可擬合為N=0.215 82T+696.560 76，R2=0.442 2，即刀盤(pán)扭矩逐漸增大時(shí)，伴隨著有總推力增大的趨勢(shì)，出現(xiàn)刀盤(pán)扭矩偏大最重要的原因是刀盤(pán)結(jié)泥餅形成，盾構(gòu)區(qū)段巖體不均勻、巖層強(qiáng)度不均勻，尤其在上軟下硬地層中易使刀盤(pán)結(jié)泥餅形成，進(jìn)而增加了盾構(gòu)總推力。

4 結(jié)語(yǔ)

以南昌軌道交通4號(hào)線(xiàn)過(guò)江隧道為工程依托，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中機(jī)器參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

1)在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，采用線(xiàn)性擬合的分析方法，建立各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)之間線(xiàn)性關(guān)系數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)不同掘進(jìn)參數(shù)之間存在一定的相關(guān)聯(lián)性，其中掘進(jìn)速度受盾構(gòu)總推力和刀盤(pán)扭矩的影響，盾構(gòu)總推力和刀盤(pán)扭矩增大時(shí)，伴隨著有掘進(jìn)速度下降的趨勢(shì)，受刀盤(pán)結(jié)泥餅影響，會(huì)出現(xiàn)刀盤(pán)扭矩和總推力驟增，盾構(gòu)推進(jìn)速度出現(xiàn)較大幅度降低，對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)工作來(lái)說(shuō)為不利的工作狀態(tài)。

2)縱使盾構(gòu)總推力、刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)之間存在一定的相互關(guān)系，但由于盾構(gòu)施工的地層不同，其相關(guān)性的顯著性也不同，但整體可以反映盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)之間的相關(guān)性。

3)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速度之間不存在顯著的線(xiàn)性相關(guān)性。