成都地铁富水漂卵石地层土压平衡盾构隧道掘进参数研究

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610081)

1 引言

盾构隧道的掘进施工是由盾构施工参数控制的，包括掘进速度、千斤顶推力、刀盘扭矩、螺旋输送机转速、同步注浆压力等。盾构施工参数是一个复杂的系统，施工参数选取的合理与否直接影响到盾构施工的效率高低、对地层变形控制好坏，甚至决定盾构施工的安全。本文通过成都地铁4号线二期工程土建6标凤溪站～南熏大道站区间左线盾构施工过程中遇到的各种地质条件以及工况等，对掘进参数的选取等进行总结，提出符合该地层条件下的掘进参数，保质保量地完成了区间盾构掘进施工，确保了施工安全和工期要求，为类似施工提供借鉴经验。

2 工程概况

成都地铁4号线二期工程西延线位于成都市温江区，共8站8区间。西延线全长10.829km，均为地下线。西延线位于卵石最大含量可达85%、漂石粒径20cm～70cm、卵石单轴抗压强度超过170MPa的大粒径、高强度、富水砂卵石地层中，与中心城区内相比，本区段砂卵石地层具有漂石粒径大(最大粒径超过70cm)、漂石含量高(漂石含量超过5.5%)、部分地段卵石层密实度差(卵石间只充填松散中细砂)等特点，该地层对地铁施工，尤其是盾构法区间隧道施工影响较大，施工难度大。本文依托土建6标凤溪站～南熏大道站～光华公园站区间和凤凰大街站～西部新城站区间进行研究，选取了成都地铁4号线西延线凤～南区间左线572环的盾构施工参数来分析。

3 掘进参数的选取

3.1 掘进速度

盾构掘进速度的大小，是多个参数共同作用产生的，是被动反馈的重要参数。盾构掘进速度是盾构隧道掘进生产效率的最直观体现，从施工生产角度来讲，在条件允许情况下盾构掘进速度越快越好。但站在环境控制角度看，显然无法实现，因为在掘进过程中需要接受监测数据的反馈，并与其他辅助施工，如同步注浆、壁后二次注浆等相结合，以达到控制周边地层变化，保护周边环境的目的。

综合卵漂石地层下盾构掘进的掘进速度统计情况发现，整个区段内掘进速度数值变化范围在10mm/min～67mm/min之间，平均值为37mm/min，掘进速度的分布整体呈近似正态分布，统计得到的掘进速度主要落于30mm/min～60mm/min之间。1至450环盾构掘进速度变化从10mm/min～67mm/min不等，波动范围大，前120环掘进速度波动较大，120环以后掘进速度波动趋于平缓，见图1、图2。

图1 掘进速度图

图2 掘进速度直方图

针对土建6标段砂卵石地层，平均掘进速度保持在40mm/min以上，最低平均掘进速度不能小于30mm/min，卵石含量高时掘进速度会被迫降低，平均掘进速度低于30mm/min将导致超方。

但综观整个区段的掘进速度统计数据，掘进速度的波动较大，尤其是盾构始发后的第一个区间，说明人为操作因素对于掘进速度的控制影响很大。掘进速度的设定，还需同螺旋输送机转速、土仓压力控制等相匹配。

3.2 总推力

盾构总推力是盾构技术参数中主要参数之一，没有推力就没有掘进速度，理论上应该等于盾构推进过程中所遇到的各种阻力的总和，包括盾构侧面与周边地层的摩阻力、刀具贯入抵抗、刀盘正面阻力、盾构姿态调整或曲线施工附加阻力、管片和盾壳之间的摩擦力、盾尾脱出阻力和后配套的牵引力等。盾构施工中总推力的大小，对盾构机本身机械状态及对周边环境均有重要的影响。1至450环的总推力如下图3、图4所示。70环之前、320环之后推力波动大，70环～320环之间波动程度小。

图3 总推力图

图4 总推力直方图

综合卵漂石地层下盾构掘进的总推力统计情况发现，整个区段内总推力数值变化范围在8000kN～20000kN之间，平均值为12984kN，主要落于10000kN～20000kN之间。海瑞克盾构机的最大总推力为34210kN，可见盾构总推力尚有较大的富余，总体上来看该设备满足盾构推进的需求。

在进入小半径曲线之前，总推力的变化趋势是先减小然后趋于稳定，进入小半径曲线之后总推力增大，对比100环～500环的掘进速度，掘进速度并没有明显地减小，说明100环之后的地层比较容易开挖，即不需要很大的推力也可以达到较大的掘进速度。

综上分析，土建6标段最大推力控制在20000kN以内(其中包含对铰接的克服)，就能够保证掘进速度，在这样的推力下不会对管片造成破坏。

3.3 螺旋机闸门开度和转速与出土量的关系

土压平衡盾构靠调整螺旋机转速和闸门开度来维持土压平衡，如果掘进速度不变，螺旋机转速加快时出土量增加，土舱压力变小；螺旋机转速减慢时出土量减小，土舱压力变大。如果掘进时盾构推进切削的土体体积等于被螺旋机排出的土体体积，则盾构前方的接触压力等于土体的静止侧向土压力，盾构将既不会挤压前方土体，也不会对前方土体卸载。此时即达到所谓的土压平衡状态。实际上完全做到土压平衡非常困难，推进时螺旋机排出的土体体积或者大于盾构切削的土体体积形成欠推进状态，或者小于盾构切削的土体体积形成超推进状态。

螺旋机出土是维持土压平衡盾构土压平衡的关键，螺旋机出土量与转速一般用下式计算：

Q=ηANP

(1)

式中：Q为排土量；η为排土效率；A为螺旋输送机有效断面积，按式(2)计算；N为转速；P为螺旋翼片的间距。

A=π/4(D12-D22)

(2)

式中：D1为螺旋机直径；D2为螺旋机轴直径。

通过上述公式，可以定量的计算螺旋机出土量。盾构在推进过程中，有出渣要求时，螺旋机闸门开度和转速将影响掘进速度。可以总结为没有螺旋机闸门开度和螺旋机转速，就没有掘进速度。

3.4 刀盘转动

刀盘转动参数包括刀盘扭矩和刀盘转速，刀盘扭矩参数为自然形成。刀盘转动在砂卵石地层中的主要作用：(1)扰动掌子面；(2)与推力联合破石；(3)与泡沫剂联合搅均土仓渣土；(4)与泡沫剂联合改良掌子面渣土；(5)加快掌子面渣土入仓。

3.4.1 刀盘转速

综合该卵漂石地层下盾构掘进的刀盘转速统计情况发现，整个区段内刀盘转速数值变化范围在1.0RPM～1.7RPM之间，数值主要落于1.3RPM～1.4RPM区段，平均值为1.35RPM，刀盘转速分布整体呈近似正态分布。

在100环之后，刀盘转速趋于稳定。在350环之后，盾构开始进入小半径曲线地段，刀盘转速根据线路情况进行调整，故参数波动较大，见图5、图6。

图5 刀盘转速图

图6 刀盘转速直方图

为分析不同地质条件对刀盘转速的影响，通过资料调研，选取上海软土地区、南京砂性土层及广州岩层中盾构掘进时的刀盘转速进行对比。本文依托工程盾构穿越地层主要为卵漂石，局部砂夹层，卵石含量占60%～80%(重量比)，充填物为细砂及圆砾，稍密～密实，盾构的刀盘转动速度平均值为1.21RPM。南京某地铁隧道主要穿越粉质粘土、粉土、粉细砂层，刀盘转速变化范围在0.9RPM～1.2RPM。广州某地铁隧道主要穿越微风化岩和中风化岩，岩质较硬，刀盘转速平均值为1.45RPM。而在类似上海地区的粘性软土地区，刀盘转速不超过1.0RPM。由此可见，当地层的强度越高，则刀盘转速越快，相反地，当地层强度越低时，刀盘转速越慢。从刀盘转速与土层强度的相互关系来看，当地层强度高时，盾构掘进时刀具切入土层的深度较小，则刀盘转动的阻力较小，在额定的功率下刀盘的转速相应越快。

3.4.2 刀盘扭矩

综合该卵漂石地层下盾构掘进的刀盘扭矩统计情况发现，整个区段内刀盘扭矩数值变化范围在1.2MN·m～4.67MN·m，平均值为3.1MN·m。统计得到的刀盘扭矩值主要落于2.5MN·m～4.5MN·m。

从刀盘扭矩图图7、图8看出，扭矩随着盾构的向前掘进，扭矩呈减小的趋势，原因是进入地层条件相对改善地段，盾构机参数逐步与漂卵石地层匹配，这样掘进速度可以逐步增大。到了350环之后，盾构机开始进入小半径曲线，刀盘扭矩逐渐增大，掘进速度降低。

图7 刀盘扭矩图

图8 刀盘扭矩直方图

为对比软土地区盾构掘进时刀盘扭矩情况，选取上海某盾构隧道工程，掘进土层为④层(灰色淤泥质粘土)、⑤1-1层(灰色粘土)及⑤1-2层(灰色粉质粘土)粉土，隧道中心埋深为13.42m～20.79m，数据样本约800个。根据采集的刀盘扭矩值发现，主要落于1MN·m～2MN·m，平均值为1.7MN·m。通过两者比较，可见卵漂石地层条件下盾构掘进时的刀盘扭矩要比软土地区大得多，这使得盾构机的刀盘、刀具磨损较严重，减短盾构机的寿命。

由前面的分析可知，影响刀盘扭矩大小的主要因素是刀盘正面、侧面与土体之间的摩阻力扭矩、刀盘背面与压力舱内土体的摩阻力扭矩、压力舱内刀盘和搅拌叶片的搅拌扭矩。根据卵漂石地层的特性，土层与刀盘、盾体的摩擦较大，因此卵漂石地层条件下盾构的刀盘扭矩较大。通过渣土改良方法对刀盘前方土体和土仓内渣土的性状进行改变，使之与刀盘的摩擦系数减小，是减小刀盘扭矩的一个有效途径。

通过上述分析得知，在该地层条件下，扭矩大小和刀盘转速不能限定，只要求能满足推进速度。扭矩和转速不作为掘进控制参数的主要依据，作为参考指标，不主动调整。刀盘转速符合设备要求，和扭矩成反比关系。

3.5 土仓压力

土压平衡盾构的平衡应该是出土量的平衡。由于刀盘面板的作用，在出土平衡时，开挖面处存在明显的挤压。其它条件相同且出土量平衡时，不同开口率盾构的土舱压力并不相等。

实际的施工过程中，盾构机的PLC参数系统采集各传感器位置的土仓压力值，在100环～310环之间，5#土压力传感器失灵，300环之后，1#、3#、4#土压力传感器测出来的数据异常，故剔除这些异常数据，现选取1环～310环的1#、2#、3#、4#土压力来分析。采集得到的各点土仓压力如下图9、图10。

图9 前300环土仓压力

图10 土仓压力规则系数

从上述隔板上传感器测得的土仓压力分布情况可以发现，土仓压力规则系数平均值是0.32，漂卵石地层中掘进时土仓压力自上而下的分布极不均匀，局部位置的土仓压力突然增大，说明土仓内的渣土流塑性状态差。

然而，我们通过分析认为，此参数为自然形成，在某些流动性较好的土层，通过螺旋机开口和转速就能建立土压平衡。在砂卵石地层具有骨架结构效应和滞后沉降现象来看，只要推进速度快，土仓压力不做为掘进控制参数。

4 结语

本文结合成都地铁4号线二期西延线区间凤～南区间左线隧道盾构施工，通过实际施工过程中遇到的各种工况及采取的处理措施得到的相关参数，得出在土建6标段施工的地层中，掘进速度是盾构施工的核心，所有参数均应保证掘进速度，在砂卵石地层可通过推力和螺旋输送机开度的配合来控制掘进速度，而刀盘转动和土仓压力在不影响渣土改良的情况下，只能做为判断掘进速度的参考指标，不参与控制掘进速度。这一套参数的总结和理念是成功的，为类似地质条件下盾构施工提供借鉴经验。