王 凱，盛永清，王國(guó)安，曾垂剛，張 兵，韓偉鋒

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；3.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430040)

0 引言

盾構(gòu)機(jī)作為隧道施工的掘進(jìn)裝備，融合了機(jī)械、電子、液壓、控制等先進(jìn)技術(shù)，具有施工安全性好、效率高、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用[1]。盾構(gòu)以工程場(chǎng)地水文、地質(zhì)條件為基礎(chǔ)開(kāi)展適應(yīng)性設(shè)計(jì)，在盾構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中因地質(zhì)不同表現(xiàn)迥異[2]。北京砂卵石地層存在土倉(cāng)壓力建立難、推力及扭矩過(guò)大、地表沉降嚴(yán)重的問(wèn)題[3]。華南地區(qū)常見(jiàn)的上軟下硬地層除刀具磨損加劇外，相比均一地層盾構(gòu)有向軟弱地層偏移的趨勢(shì)[4-5]。在淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土等軟土中施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)易發(fā)生栽頭現(xiàn)象[6]。泥水盾構(gòu)支護(hù)壓力參數(shù)設(shè)定極為關(guān)鍵，直接關(guān)系到掌子面的穩(wěn)定。在工程實(shí)踐中，推力、扭矩、貫入度等關(guān)鍵參數(shù)既作為評(píng)估當(dāng)前盾構(gòu)掘進(jìn)表現(xiàn)的指標(biāo)，又是盾構(gòu)進(jìn)行必要調(diào)整的依據(jù)[7]。掘進(jìn)參數(shù)明顯的高出、低于預(yù)期值，要對(duì)掘進(jìn)參數(shù)異常的原因進(jìn)行分析并采取應(yīng)對(duì)措施[8]。對(duì)掘進(jìn)參數(shù)異常的判斷主要基于盾構(gòu)當(dāng)前的參數(shù)與設(shè)計(jì)要求對(duì)比、操作人員主觀經(jīng)驗(yàn)，尤其參考已掘進(jìn)段的推力、扭矩、貫入度等[9]。肖超、徐汪豪等用統(tǒng)計(jì)方法分析了大直徑泥水盾構(gòu)不同地層的掘進(jìn)參數(shù)，最后對(duì)盾構(gòu)穿越不同地層掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了控制[10-11]。趙博劍等[12]用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了5個(gè)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)與6種主要地層的相關(guān)性，為同類型盾構(gòu)在復(fù)合地層條件下掘進(jìn)參數(shù)的選取和優(yōu)化提供指導(dǎo)。另外，包括粒子群算法(particle swarm optimization)，支持向量機(jī)(support vector machine)以及一些人工智能算法也應(yīng)用到掘進(jìn)參數(shù)的分析與預(yù)測(cè)中[13-15]。伴隨盾構(gòu)直徑尺寸不斷突破，在深埋、高水壓、復(fù)雜地層應(yīng)用場(chǎng)景不斷增多，要求對(duì)其掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析為當(dāng)前工程進(jìn)行指導(dǎo)，也為后續(xù)工程提供參考。汕頭蘇埃通道作為國(guó)內(nèi)超大直徑盾構(gòu)在海域環(huán)境應(yīng)用的工程，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析研究，可為盾構(gòu)剩余里程的掘進(jìn)提供技術(shù)支撐，也可為超大直徑選型設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況

蘇埃通道工程路線全長(zhǎng)6.68km，共設(shè)置互通立交2處，地面收費(fèi)站1座，風(fēng)塔2座，通道穿越海域段采用盾構(gòu)法施工，包括2條平行隧道(東線、西線)，長(zhǎng)度為3 047.5m。盾構(gòu)段平面如圖1所示，在南岸填海建造圍堰結(jié)構(gòu)并筑始發(fā)井，盾構(gòu)由南至北經(jīng)始發(fā)井依次穿越始發(fā)端頭及回填區(qū)、軟土段、基巖段直至到達(dá)北岸接收井。

圖1 汕頭蘇埃通道工程盾構(gòu)段平面

東線隧道采用1臺(tái)開(kāi)挖直徑15.01m的海瑞克泥水盾構(gòu)機(jī)施工(見(jiàn)圖2)，該盾構(gòu)為常壓刀盤(pán)設(shè)計(jì)，刀盤(pán)被縱向可移動(dòng)球面軸承支撐，通過(guò)液壓油缸操縱實(shí)現(xiàn)伸縮與擴(kuò)挖功能，盾構(gòu)裝備參數(shù)如表1所示，管片環(huán)寬2.0m。

圖2 汕頭蘇埃通道東線盾構(gòu)(海瑞克S1046)

表1 盾構(gòu)主要參數(shù)

盾構(gòu)以-3%的坡度始發(fā)，隨后線路按-0.3%坡度至隧道最低點(diǎn)(平均潮水位下37.14m)，然后路線按0.3%，2.9%上坡至北岸接收井。盾構(gòu)將穿越淤泥、淤泥質(zhì)土、花崗巖、淤泥混砂、粉質(zhì)黏土、基巖突起段、礫砂，其中始發(fā)段端頭及回填段為基巖孤石段，接著盾構(gòu)進(jìn)入約1 500m的軟土段，隨后盾構(gòu)將進(jìn)入累計(jì)長(zhǎng)度182m的基巖突起段(主航道下方)。盾構(gòu)從里程EK6+837.5掘進(jìn)至里程EK4+917.5，到達(dá)基巖突起段附近尚未掘進(jìn)，故不在研究之列。

2 海域復(fù)雜地層掘進(jìn)參數(shù)選取

用于掘進(jìn)參數(shù)分析的數(shù)據(jù)從智慧盾構(gòu)大數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取，數(shù)據(jù)平臺(tái)從盾構(gòu)主控室PLC中讀取大量的機(jī)器數(shù)據(jù)并傳輸至該平臺(tái)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖 3所示，用戶根據(jù)需要提取對(duì)應(yīng)的參數(shù)，要分析的數(shù)據(jù)量為GB級(jí)，可通過(guò)篩選出掘進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)或每環(huán)參數(shù)平均值等方法降低數(shù)據(jù)的分析規(guī)模。

圖3 數(shù)據(jù)采集傳輸路線

除刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、總推力、扭矩作為基本的分析參數(shù)外，結(jié)合盾構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)挖掘。盾構(gòu)采用可移動(dòng)球面軸承支撐，刀盤(pán)水平方向受力如圖4所示，水平方向刀盤(pán)受泥水壓力Fsl及刀具貫入阻力Fc，其中刀盤(pán)水平方向受力Fdsp為可采集參數(shù)，結(jié)合泥水壓力分布的規(guī)律，可等效為刀盤(pán)中心區(qū)域受泥水?dāng)D壓力。

圖4 刀盤(pán)水平方向受力

(1)

(2)

式中：Rb為主軸承半徑；盾構(gòu)總推力Ft可表達(dá)為盾構(gòu)主機(jī)正面阻力Fslc，F(xiàn)c、摩阻力Fμ(包括土體與盾構(gòu)、盾尾與管片及后配套牽拉阻力等)；R為盾構(gòu)開(kāi)挖半徑。

Fslc=πR2·Psl

(3)

Fμ=Ft-Fslc-Fc

(4)

選取盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、總推力、扭矩、刀盤(pán)伸縮總擠壓力(刀盤(pán)水平方向受力)Fdsp、泥水壓力、Fc，F(xiàn)sl，F(xiàn)μ作為基本的分析參數(shù)。

3 掘進(jìn)參數(shù)分析

將刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和貫入度的平均值作為統(tǒng)計(jì)量，1～959環(huán)的變化規(guī)律如圖5所示，從圖中可知基巖、孤石段轉(zhuǎn)速控制在0.6r/min，貫入度則在6mm/r附近；在全斷面軟土地層盾構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.2r/min，貫入度一般可達(dá)到25mm/r，差異性較大。

圖5 盾構(gòu)轉(zhuǎn)速和貫入度變化曲線

總推力中各主要成分的變化曲線如圖6所示，按占比權(quán)重排序依次為泥水阻力、摩擦阻力、刀具貫入阻力。泥水阻力由支護(hù)壓力決定，而支護(hù)壓力的設(shè)定與盾構(gòu)埋深、地層力學(xué)參數(shù)相關(guān)，因此泥水阻力與盾構(gòu)中心埋深h關(guān)聯(lián)性很高，其線性關(guān)系為：

圖6 總推力中主要成分變化

Fslc=ah+b(R2=0.820 7)

(4)

式中：回歸結(jié)果顯示系數(shù)a范圍為2 053～2 179；系數(shù)b范圍-6 781～-3 266；R2均值0.820 7，隨著盾構(gòu)埋深的增加泥水阻力部分線性增加。盾構(gòu)摩擦阻力最重要的是盾體與地層之間的摩阻力，受埋深、側(cè)壓力系數(shù)、摩擦系數(shù)等諸多因素影響，通過(guò)摩擦阻力與埋深線性擬合，R2=0.452 6相關(guān)性不顯著。200～959環(huán)盾構(gòu)的埋深按0.3%的坡度變化，埋深差異3.0m以內(nèi),摩擦阻力變化可達(dá)1.2×104kN，500～550環(huán)摩擦阻力顯著增高，因地質(zhì)由混砂向淤泥質(zhì)土變化；750～850環(huán)摩擦阻力升后降，因混砂增多，粉細(xì)砂減少，摩擦阻力上升；隨后混砂減少，中粗砂、粉細(xì)砂增多，摩擦阻力上升。同等埋深下，地層由側(cè)壓力系數(shù)大的土層向側(cè)壓力系數(shù)小的砂層變化時(shí)，摩擦阻力呈降低趨勢(shì)。Fc在總推力中占比低，基巖段平均比例為8.58%，軟土段平均比例為3.50%，而泥水壓力與埋深h相關(guān)性高，總推力基本隨摩擦阻力變化波動(dòng)，線性擬合關(guān)系如式(5)所示：

Ft=1.372Fμ+4.948×104(R2=0.89)

(5)

為進(jìn)一步比較扭矩T和Fc(刀具貫入阻力)的變化規(guī)律，選取典型的基巖段(3～34環(huán))和全斷面軟土段(450～600環(huán))作為對(duì)比如圖7所示，比較扭矩和切削力的平均值，發(fā)現(xiàn)基巖段的扭矩和推力變化明顯超過(guò)軟土段，在基巖段3～34環(huán)平均扭矩為1 593～3 484kN·m，平均刀具貫入阻力為1 754～5 965kN；對(duì)比全斷面軟土地層450～600環(huán)平均扭矩為1 714～3 084kN·m，平均刀具貫入阻力為2 772～3 429kN，顯然基巖段比軟土段荷載波動(dòng)劇烈。

圖7 不同地層刀具貫入阻力、扭矩變化曲線

選取基巖段和軟土段扭矩和貫入阻力進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)，穩(wěn)定的掘進(jìn)過(guò)程下扭矩和貫入阻力指標(biāo)符合尺度參數(shù)和位置參數(shù)的t分布(tlocation-scale distribution)，基巖段相比軟土段概率密度曲線整體向右邊移動(dòng)，形態(tài)上接近窄條形變?yōu)楸馄綘睿从耻浲炼瓮屏?、扭矩?cái)?shù)值分布較為集中，而基巖段的兩項(xiàng)指標(biāo)集中度劣于軟土段，如圖8所示。

圖8 不同地層扭矩、貫入阻力概率密度曲線

基巖段和軟土段由于貫入度差異較大，為了進(jìn)一步探索兩類地層下載荷的變化規(guī)律，引入T/P(TPI)、Fc/P(FPI)表示單位切深下的扭矩、切削力，圖9為FPI，TPI變化曲線，在FPI，TPI指標(biāo)上基巖段相比軟土段呈現(xiàn)數(shù)值大、波動(dòng)大的特點(diǎn)(FPI，TPI統(tǒng)計(jì)如表2所示)，主要由于基巖面起伏導(dǎo)致且滾刀破巖過(guò)程中能量的積聚和釋放是一個(gè)不平穩(wěn)的過(guò)程，而軟土段地層差異性小，切削軟土過(guò)程相比破巖過(guò)程更加平穩(wěn)。

圖9 不同地層FPI，TPI變化曲線

表2 FPI，TPI統(tǒng)計(jì)

利用FPI，TPI兩個(gè)參數(shù)對(duì)地層進(jìn)行判斷，TPI>235，F(xiàn)PI>312可劃為基巖段；TPI<167，F(xiàn)PI<233劃為軟土段；中間位置為過(guò)渡區(qū)。1～969環(huán)掘進(jìn)數(shù)據(jù)基于FPI和TPI的分類如圖10所示，能較好實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地層的分類并指導(dǎo)施工的開(kāi)展。

圖10 基于FPI，TPI的地層分類

4 結(jié)語(yǔ)

本文從S1046盾構(gòu)在蘇埃通道前959環(huán)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合盾構(gòu)主機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析了盾構(gòu)總推力主要成分占比及規(guī)律，得到泥水阻力與埋深，總推力與摩擦阻力的關(guān)系，分析了陸域基巖段和軟土段掘進(jìn)參數(shù)的差異，提出了基于TPI和FPI的地層分類方法。

1)基于可移動(dòng)球面軸承支撐的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)采集的總推力、伸縮總擠壓力、泥水壓力分離出Fc，F(xiàn)sl，F(xiàn)μ，參數(shù)分析表明泥水阻力Fsl在總推力中占比最大，與盾構(gòu)埋深正相關(guān)；摩擦阻力Fμ在總推力中占比次之，總推力的波動(dòng)基本隨摩擦阻力變化波動(dòng)；刀具貫入阻力Fc占比較小。

2)相比軟土段，基巖段在掘進(jìn)參數(shù)控制上采用低轉(zhuǎn)速、低貫入度的策略，但基巖段的刀具貫入阻力和扭矩的波動(dòng)明顯較軟土段強(qiáng)烈。基巖段和軟土段貫入阻力和扭矩的概率密度能較好地通過(guò)尺度參數(shù)和位置參數(shù)的t分布描述，基巖段概率密度曲線扁平，軟土段對(duì)應(yīng)曲線呈窄條形。

3)引入TPI和FPI指數(shù)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)基巖段和軟土段數(shù)據(jù)，已掘進(jìn)軟土段TPI為71～167，F(xiàn)PI范圍為110～233與基巖段的TPI，F(xiàn)PI值差異性明顯，可通過(guò)TPI和FPI來(lái)對(duì)基巖段和軟土段進(jìn)行劃分，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工。

4)在實(shí)際施工中Fc較總推力、伸縮總擠壓力在表征垂直掌子面的作用力上更加準(zhǔn)確，應(yīng)該作為主要的分析參數(shù)，除轉(zhuǎn)速、貫入度、扭矩參數(shù)數(shù)值波動(dòng)要關(guān)注外，通過(guò)TPI和FPI指數(shù)對(duì)基巖段和軟土段判斷是一種有效的方法。

5)針對(duì)海域基巖段掘進(jìn)，施工方案建議以0.8～1r/min，貫入度3 ～5mm/r的參數(shù)掘進(jìn)，在接近海域基巖段10環(huán)左右的軟土段可采用上述參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，通過(guò)采集試驗(yàn)段參數(shù)，分析TPI和FPI有助于更加準(zhǔn)確判斷盾構(gòu)是否進(jìn)入基巖，借助TPI與FPI線性擬合系數(shù)定性比較巖石侵入高度，對(duì)施工具有很好的指導(dǎo)意義。