土压平衡盾构机在复合板岩地层掘进参数的确定

李海全

（中铁建海南投资有限公司，海南 陵水572400）

1 引言

确定盾构掘进参数是一项重要的工作，通常情况下，掘进参数的选择直接控制着掘进区的地表沉降。所以，盾构掘进参数的控制和优化对盾构掘进的顺利完成起着重要的作用。本文根据土压平衡盾构机的参数进行理论计算，并与现场实测参数值进行对比，结合掘进参数的效果分析，对复合板岩地层的盾构掘进参数提供更好的理论依据。

2 工程概况

全风化、强风化及中风化复合板岩的物理特性主要是：变余泥质、砂质结构，板岩内部存在大量的由黏土矿物组成的层理、片理、裂缝等软弱结构面。崩解特性较强，风化程度越高，崩解越强烈，遇水易软化、崩解。其主要参数见表1。

表1 盾构区间土体参数

以ZTE6250 土压平衡盾构机为例（主要技术参数见表2），该盾构机可以自动采集各施工参数。

表2 盾构机主要技术参数

3 掘进土压的设定

盾构隧道施工过程中，刀盘扰动改变了原天然土的静止弹性平衡状态，使刀盘附近的土产生主动或被动土压力。由于刀盘对土壤的推力不同，土仓产生的土压力也不同，土中的侧向土压力也在不断变化。侧向土压力的最大和最小极限值就是被动土压力和主动土压力。静止土压力在两者之间，即Ep＞Eo＞Ea。盾构机刀盘前土压力＞Ep时，土向盾构机方向移动，地面抬高[1]。盾构机刀盘前土压力＜Ea时，土会向下滑动，造成地层和地面沉降（见图1）。

图1 土压力范围示意图

根据盾构的特点及盾构施工原理，结合我国铁路隧道设计、施工的具体经验，采用朗金理论计算：

式中，σw为地下水压力；σp为被动土压力；σa即为主动土压力；q为土的渗透系数；γ为水的容重；σh为深度为h处的地层自重应力；c为土的黏聚力；φ为地层内部摩擦角；h为地下水位距离刀盘顶部的高度[2]。

采用上述计算公式，根据地层的埋深不同，复合板岩地层选取的计算参数为q=0.12cm/s，c=90kPa，φ=32°，h=12m，计算出复合板岩地层中盾构土压的理论值：Pmax≈0.12MPa，Pmin≈0.08MPa，因此，适合复合板岩地层的掘进土压值设定为0.08～0.12MPa。

4 总推力计算

在盾构掘进过程中，盾构机总推力主要由盾壳与地层的摩擦阻力F1、正面阻力F2、管片与盾尾的摩擦阻力F3、变相阻力F4、牵引力F5组成。而影响盾构机总推力的主要是摩擦阻力F1、F3和盾构机行进时的阻力F2，对此，计算公式如下：

式中，L为盾构壳体的长度，取12.5m；m为盾构主机的质量，取340t；D为盾体直径；K为土体的侧压力系数，取0.4；f为土与钢的摩擦系数，取0.45；H为盾构轴线埋深；γ为土体重力密度，取2.51；g为重力加速度；μC为盾壳与管片之间的摩擦因数，取0.3；mc为每环管片的质量；k为土体的侧压力系数。盾构机计算推力为：

式中，F′为盾构机总推力修正值；F为盾构机推力理论值；λ为修正系数。

通过盾构机总推力实际值与理论值对比分析：盾构机总推力实际值比理论值约大40%，提出了适合该地层的影响系数γ的具体数值，取1.3～1.5。理论值修正后，实测值的变化曲线与修正值的变化曲线比较接近，这表明总推力的修正值能较好地指导盾构机掘进时总推力的确定[3]。

5 刀盘扭矩计算

刀盘在正常工作时的扭矩曲线如图2 所示。

图2 刀盘驱动转速-扭矩曲线

在盾构刀盘切削岩石（土壤）的过程中，刀盘受刀头与土体之间的摩擦、地层阻力、混合土体阻力和刀具摩擦阻力产生的影响，是盾构刀盘扭矩形成的主要原因。因此，土压平衡盾构机刀盘扭矩由以下部分组成：（1）刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩T1；（2）刀盘背面与压力舱内的土体摩擦阻力扭矩T2；（3）刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩T3；（4）刀具切削土体时的地层抗力产生的扭矩T4；（5）刀盘搅拌阻力扭矩T5；（6）刀盘主密封摩擦阻力扭矩T6；（7）主轴承摩擦阻力扭矩T7。在实际传动中，前4 项刀盘扭矩在刀盘总扭矩的占比是95%以上。

刀盘扭矩计算过程如下：

式中，k为侧向土压力系数；f为刀盘与土体之间的摩擦因数；γ为土体的重力密度；H为地表到盾构机轴线的垂直距离；η为刀盘开口率；m为刀盘的质量；μ为刀盘系数；D为盾体外径；ω为刀盘转速；qu为岩土体单轴抗压强度；K1为与刀盘正面相比刀盘背面摩擦阻力扭矩计算的调节系数，一般取K1=0.6～0.8。

采用上述计算公式，计算出复合板岩地层中盾构刀盘扭矩理论值，计算参数的选取见表3。并对在复合板岩中掘进时刀盘扭矩进行修正。

表3 刀盘扭矩计算参数

盾构机掘进扭矩计算为：

式中，λ为修正系数。

对比分析刀盘扭矩实际值和理论值可知：刀盘扭矩的实际值与理论计算值有一定的差异。板岩地层中刀盘扭矩的理论值大于实际值。通过对典型盾构机刀盘扭矩理论计算值与实际值的比较，提出了适用于地层的影响系数γ的具体值，取0.6～0.7。理论值修正后，实测的刀盘扭矩值与修正值接近，说明修正后的刀盘扭矩值能更好地指导盾构掘进的刀盘扭矩。

6 注浆量及注浆压力的控制

6.1 每环注浆数量的设定

在盾构掘进过程中，要进行同步注浆，及时填补空隙，减少地面沉降，以此提高衬砌止水的效果。每环同步注浆量通常按照下式进行计算：

式中，L为管片宽度；D为盾构机刀盘直径；d为管片外径；λ为充填系数。针对复合板岩地层，渗透系数比较大（见表1），因此填充系数可取值范围为1.3～1.5。

然而，在实际施工中，若盾构超挖1cm，注浆量将增加10%左右。超挖区注浆量计算方法如下：

式中，ξ为计算系数；V为盾构超挖附加量；R为盾构曲线半径；C为刀盘到盾尾的长度；D为盾体直径[4]。

故实际注浆量Q=λ（Q+V）。经计算，每环注浆量大约为6m3。

6.2 注浆压力

在实际施工过程中要合理设置注浆压力，避免出现管片发生变形或错台、盾尾刷损坏等质量事故。复合板岩地层注浆压力一般取0.15～0.3MPa。

7 泡沫剂注入量的确定

根据强风化及中风化板岩地层的土层颗粒级配，通过室内试验确定泡沫添加率为45%，（即切削1m3渣土需注入泡沫450L），在60r/min 的低转速下，泡沫与土体（15kg）在3min 内可完全拌和均匀。按照发泡倍率10，土仓内土压力取0.09MPa，可以求得一环所需的起泡液的体积为45L。

按水、起泡剂的比例分别为97%和3%，配制45L 起泡液需起泡剂的体积为：0.03×45=1.35L。因此，掘进一环所需泡沫剂用量为1.35×46.44=62.7L。其中，46.44 为每环切削的渣土量。

8 结语

通过合理制订盾构施工参数理论值，为今后相似地层地铁隧道施工提供了一定理论依据。