不同地层条件泥水盾构掘进参数演化规律研究★

龚学栋 胡宇琛 蒋亚龙 郭小龙 耿大新 章云生

(1.中铁隧道集团二处有限公司，江西 南昌 330209； 2.华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013)

1 概述

随着我国城市交通业的逐步发展，大量地铁建设项目应运而生，盾构法因其受地面干扰小、施工效率高、环境友好等显著优势，在地铁隧道施工中得到了广泛应用。在泥水平衡盾构掘进过程中，依据外部条件的变化而调整主要的掘进参数，从而保证隧道的安全高效掘进，不恰当的掘进参数易导致盾构掌子面失稳破坏、地层沉陷、盾构偏差过大、姿态控制难度大等问题[1]。为了确保泥水盾构施工质量，探明地层参数和主要掘进参数之间的相关性，并构建相应的数学模型显得尤为重要[2，3]。

近年来许多学者就不同地层条件下掘进参数的选取做了大量研究。路平等[4]结合天津地铁建国道站至天津站区间盾构施工参数记录，针对盾构掘进过程中的掘进速度和力学掘进参数进行了分析与模糊统计试验，并提出了针对力学掘进参数优化控制措施。肖超等[5]以长沙地铁2号线为工程依托，对盾构总推力和刀盘扭矩计算值与实测值进行对比分析，提出了典型板岩地层中土压平衡盾构掘进参数的控制值。赵博剑等[6]以深圳地铁11号线为工程背景，针对区间典型地段的不同地层，采用数理统计的方法分析了5种关键掘进参数与不同地层的相关性。

南昌相比于其他城市地质条件特殊，地层复杂，主要存在以下工程难点：1)江底段的隧顶最大埋深为25.8 m，隧道埋深大、水压力大；2)泥水盾构区间总长3.05 km，盾构施工时需空推过2座风井，该区间与国内其他城市地铁的穿江工程相比，掘进距离更长、施工风险更高、施工组织难度更大；3)赣江工程地质条件复杂，根据南昌地铁1号、2号线施工经验，分布有断层破碎带等不良地质条件，盾构过破碎带时易引起刀盘泥浆逃逸、江水回灌等安全风险。地层中多为富水砂层，当盾构穿越砂层段围岩时自稳性较差、透水性较强、水压较高，所以在南昌地区上软下硬地层最具特色，即指的是上部是砂层，下部是中风化泥质粉砂岩，下文统称为上软下硬地层。

2 工程背景

工程标段为南昌轨道交通4号线02工区二工区(东新站—安丰站)，安丰站—东新站盾构区间在西岸下穿淤泥质黏土、粉质黏土、砂砾层及强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，过江段为中风化泥质粉砂岩，东岸下穿中砂、粗砂、砂砾层、中风化泥质粉砂岩。各地层主要地层参数如表1所示。

表1 地层参数

3 掘进参数演化规律分析

本节就泥水平衡盾构总推力、刀盘扭矩、刀盘转速及盾构掘进速率4个主要掘进参数在3种典型地层中掘进时的演化规律展开研究。所选典型地层依次为：砂砾层(4环～81环)；上软下硬地层(82环～194环)，其中上部地层为砂砾层，下部地层为泥质粉砂岩，当82环～138环时，岩层厚度小于2 m，当139环～145环时，岩层厚度小于3 m，当146环～159环时，岩层厚度小于4 m，当160环～173环时，岩层厚度小于5 m，当174环～194环时，岩层厚度小于5.36 m；中风化泥质粉砂岩(878环～897环)。

3.1 刀盘总推力

对所研究地层进行相应的数据分析，不同地层总推力如图1所示。

由图1可知，盾构在砂砾层中掘进时，从盾构管片第4环(XK13+172.816)至第81环(XK13+57.158)，泥水盾构总推力在812 t～1 446 t之间浮动，经计算平均总推力为1 143.87 t。当在上软下硬地层中掘进时，泥水盾构总推力在890 t～1 925 t之间浮动，经计算得到平均总推力为1 145.20 t。当在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时，泥水盾构总推力在980 t～1 150 t之间变化，经计算平均总推力为1 068.50 t。

根据上述数据分析易得：泥水盾构在上软下硬复合地层(5 m<岩层厚度<5.36 m)掘进时所需的总推力最大，而在砂砾地层与上软下硬复合地层(岩层厚度<5 m)中掘进时所需总推力相近。总体而言泥水盾构在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时总推力相比于其他三种地层更加稳定，即地层土体均质性越强，盾构总推力变化幅度越小；在上软下硬地层掘进时，盾构总推力与地层的岩层厚度有关，当盾构掘进至标号为174环管片时(岩层厚度>5 m)，盾构总推力随着掘进纵深方向呈现一个显著增加趋势。

3.2 刀盘扭矩

对所研究地层进行相应的数据分析，不同地层刀盘扭矩图如图2所示。

由图2结果进行分析可知，盾构在砂砾层中掘进过程时，刀盘扭矩在1 363 kN·m～3 131 kN·m之间浮动，经计算平均刀盘扭矩为2 244.23 kN·m。当在上软下硬地层中掘进时，刀盘扭矩在1 090 kN·m～3 870 kN·m之间浮动，经计算平均刀盘扭矩为1 871.61 kN·m。当在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时，刀盘扭矩在2 000 kN·m～2 400 kN·m之间浮动，经计算平均刀盘扭矩为2 225 kN·m。

施工过程中的具体表现是：盾构机在上软下硬复合地层(5 m<岩层厚度<5.36 m)中掘进时的刀盘扭矩最大，在中风化泥质粉砂岩中刀盘扭矩的变化波动范围要稍微平缓一些，这是因为中风化泥质粉砂岩区间的岩体较为均匀、岩体强度较为均匀，而在上软下硬地层中，岩层厚度始终在变化，此时更易使得刀盘结泥饼形成，进而刀盘扭矩增大，刀盘扭矩总体变化趋势与泥水盾构总推力基本一致。

3.3 刀盘转速

经对实时数据进行统计分析得到不同地层刀盘转速如图3所示。

由图3进行数据分析可知，盾构在砂砾层中掘进时，刀盘转速在1.0 r/min～1.1 r/min之间浮动，经计算平均刀盘转速为1.0 r/min。在上软下硬地层中掘进时，刀盘转速介于1.0 r/min～1.2 r/min之间，此时经计算得到平均刀盘转速为1.1 r/min。在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时，刀盘转速稳定在1.7 r/min，经计算平均刀盘转速为1.7 r/min。经过对比分析可知：盾构在砂砾层掘进时刀盘转速设定值大约在1.0 r/min；盾构在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时，刀盘转速稳定在1.7 r/min；盾构在上软下硬复合地层中掘进时,刀盘转速与岩层厚度有关,其中当岩层厚度小于2 m时，刀盘转速基本设定为1.1 r/min，当岩层厚度介于5 m和5.36 m之间时，刀盘转速设定值大约为1.0 r/min。可见刀盘转速设定值与所处地层有关且数值在一定范围内。这是因为盾构机结构的地质适应性是决定刀盘转速的关键因素之一，对于特定的盾构设备，其最大刀盘转动频率以及对应的齿轮箱频率是个定值，进而确定了刀盘转速的取值范围。当盾构进入复合地层掘进时工况复杂，在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时，岩层稳定，但黏性土细颗粒含量高，不易分离，刀盘易结泥饼。因此在不同的地层中掘进时，需要通过调整刀盘转动频率来调节刀盘转速，所以在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时刀盘转速设定值比另外两种更大。

3.4 盾构掘进速度

经数据对比得到不同地层掘进速度图如图4所示。

对图4中的数据进行分析可知，在砂砾层中掘进时，盾构掘进速度在24 mm/min～42 mm/min之间浮动，经计算平均掘进速度为36.5 mm/min。在上软下硬地层中掘进时，盾构掘进速度在15 mm/min～18 mm/min之间变化，经计算平均掘进速度为38.4 mm/min。在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时，掘进速度大小在30 mm/min～34 mm/min之间，经计算平均掘进速度为32.2 mm/min，从现场掘进数据点线图可以看出在中风化泥质粉砂岩地层中掘进时掘进速度是比较平稳的，在砂砾层和上软下硬地层时掘进速度随着盾构掘进推进有明显的变化规律，对于砂砾层来说，掘进速度随盾构掘进而逐渐减小，盾构在上软下硬地层(5 m<岩层厚度<5.36 m)中掘进时相比于岩层厚度小于5 m的情况下掘进速度有明显的下降趋势，从地层角度分析，泥水盾构在上软下硬地层掘进，由于岩层厚度是变化的，刀盘切削产生的碎屑易使得刀盘结泥饼形成。

4 结论

以南昌轨道交通4号线过江隧道为研究背景，对掘进参数与不同地层间关系进行研究，得到结论如下：

1)掘进参数取值与所处地层有关，刀盘转速在中风化泥质粉砂岩中时设定值最大，数值稳定在1.7 r/min，在砂砾层中时设定值最小，数值大约为1.0 r/min。

2)盾构掘进过程中，盾构总推力、刀盘扭矩及泥水仓压力在上软下硬(5 m<岩层<5.36 m)地层中设定值最大，最大值分别可达到1 925 t，3 870 kN·m以及1.9 bar，而该地层对应的掘进速度最小，最小值仅为17 mm/min。掘进参数的稳定性受岩体均匀性和岩体强度均匀性的影响，当岩体和岩体强度越均匀时，掘进参数越稳定。