富水砂黏地层盾构掘进参数与地层相关性研究

曹云飞，王旭春，韩 旭，吴文瑞，洪 勇

（青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033）

0 引 言

随着我国经济的蓬勃发展，居民出行频率大幅增涨，为了应对日益增长的交通量和人流密度对地面交通所造成的压力，国内较多城市开始兴建地铁，例如：西安、长沙、济南、青岛等。盾构法由于施工作业面小，且对地面交通影响较小，因而被广泛应用于城市地铁隧道施工。但盾构机在施工过程中，掘进参数会受到城市地质、水文等条件的限制，因此通过设置与地层相对应的掘进参数很有必要。

目前国内外关于掘进参数与地层的相关性研究已经取得了一些进展。张细宝等[1]利用现场掘进参数与理论公式分析相结合的方法，研究了盾构穿河前后掘进参数的主要影响因素。张莹等[2]基于现场盾构实际采样数据，对盾构工作参数进行了“归一化”处理，提出了利用掘进参数识别地质特性的方法。杨旸等[3]通过对富水圆砾地层与圆砾泥岩复合地层掘进参数对比分析，得出了与地层相应的掘进参数变化规律。李明阳等[4]基于Terzaghi松动土压力与 CSM 模型，对软硬交互地层盾构掘进参数进行了模拟与预测。赵博剑等[5]采用数理统计的方法分析了5种掘进参数与6种主要地层的相关性。杨怀远[6]利用地质特征组段划分的方法，分析了不同组段下掘进参数与地层的相关性。张志强等[7]基于TBM掘进参数的二次转换，对破碎带围岩稳定性进行了分析。于云龙等[8]通过对盾构掘进参数的二次转换，分析了砂黏复合地层掘进参数的变化规律。总之，目前研究多偏向于原始掘进参数与地层之间的相关性，且对于掘进参数的二次转换与地层的相关性研究，考虑地下水影响的较少。

因此，本文依托青岛地铁4号线沙子口站至崂山六中站区间，通过对复合比计算公式的改进以及掘进参数的二次转换，得到了陆域段与河域段掘进参数与复合比的关系。

1 工程概况

青岛地铁4号线沙子口站至崂山六中站区间，采用土压平衡盾构机施工，左线隧道长1 112.485 m，右线隧道长 1 114.920 m，左、右线隧道线间距为12～14 m，隧道最小平面曲线半径为450 m，最大纵坡18.485‰，拱顶埋深约7.0～17.2 m。盾构机的开挖直径为6 250 mm，管片外径6 000 mm，内径5 400 mm，环宽1 500 mm。本文以沙崂区间右线盾构隧道为工程依托，通过青岛地铁盾构施工管理信息系统获取 0～160环的掘进参数，由于右线掘进至160环时，左线还未始发，因此不考虑左线盾构掘进对右线地层的扰动。右线隧道在 0～160环洞身范围内主要为中粗砂与粉质黏土的复合地层，并在70～160环侧穿南九水河，因此该复合地层含水量丰富，0～160环隧道纵断面图如图1所示。

图1 0～160环隧道纵断面图Fig.1 Diagram of longitudinal section of 0-160 ring tunnel

本区段地层中，中粗砂与粉质黏土的物理、力学性质差异较大，因此盾构机在本区段掘进时，所对应的掘进参数会存在明显差别。穿越地层的物理、力学性质指标如表1所示。

表1 穿越地层的物理、力学性质指标Table 1 Physical and mechanical property indices of traversing strata

当复合地层在开挖面范围内沿地层分界线均匀分布时，复合比通常采用某一层占开挖面的面积比或高度比进行计算[8-10]。而对于本区间来说，沿隧道纵向砂层与粉质黏土层所占的比例在持续变化，若复合比采用上述方法，则计算结果会与实际地层产生较大偏差。

因此为了更好的反应本区间复合地层沿隧道纵向的变化规律，本文将复合比定义为沿隧道纵向每一环开挖面积中黏土所占的比例。计算公式如下：

式中：f为复合比；S1为黏土所占的面积；S为纵断面图中每一环所对应的开挖面积。

2 掘进参数的选取与二次转化

2.1 掘进参数的选取

盾构机在正常掘进阶段，掘进参数会受到地层变化的影响，且各掘进参数之间还存在着复杂的关系。因此为了研究方便，本文选取正常状态下每一环掘进参数的平均值作为该环的代表值[11]。由于沙崂区间始发段采用高压旋喷加固地层的方法，加固长度为沿线路纵向12 m，为了消除加固区对掘进参数的影响，舍弃前 16环的掘进数据。最终本文采用两个掘进段进行分析，即 16～70环所对应的陆域段以及71～160环所对应的河域段。

2.2 掘进参数的二次转换

盾构机在砂黏复合地层掘进时，受地质条件不断变化的影响，推力、扭矩与单一地层相比波动较大[12]。且推力、扭矩、贯入度（即掘进速度/刀盘转速）是地层与盾构机联系的重要参数，而推力、扭矩又与掘进速度和刀盘转速有关，因此为了更好的研究推力、扭矩与地层复合比之间的关系，需要将推力、扭矩进行二次转换，即引入比推力与比扭矩，以此来消除掘进速度与刀盘转速对推力与扭矩的影响[2,8,13]，计算公式如下：

3 掘进参数分析

3.1 贯入度

贯入度作为研究比推力、比扭矩的重要参数，因此需要首先分析，贯入度与复合比的关系曲线如图2所示。

图2 贯入度与复合比的关系曲线Fig.2 Relationship curves between penetration degree and compound ratio

由图2（a）可得，陆域段贯入度与复合比曲线的变化趋势相同，如 16～47环复合比变化曲线呈上升趋势，变化范围为57.5%～78.6%，贯入度变化曲线也为上升趋势，变化范围为21.1～81.0 mm/r；48～70环复合比变化曲线呈下降趋势，变化范围为77.3%～33.2%，贯入度变化曲线也为下降趋势，变化范围为58.9～33.8 mm/r。可能造成的原因为：由于粉质黏土较中粗砂层来说较软，因此当复合比较高时，即粉质黏土所占的比例较高时，盾构掘进速度相对较快，导致盾构刀盘贯入度较高，即陆域段刀盘贯入度与地层复合比呈正相关。

由图2（b）可得，河域段的刀盘贯入度变化幅度较小，没有明显的变化趋势，且大部分控制在40～60 mm/r之间。可能造成的原因为，由于南九水河与海水相连，河道底标高约0.3～0.6 m，满潮时水位标高为 2.2 m，河道为自然河床，隧道拱顶距离河底的垂直距离约为 7.5 m，因此施工难度较大。为了保证盾构机的正常掘进，现场对盾构机的掘进速度进行了控制，导致刀盘贯入度稳定在一定范围。

3.2 推力

盾构机总推力主要由盾尾与管片衬砌间的摩擦力F1、正面阻力F2、盾壳侧面与地层间的摩擦力F3、转向阻力F4、贯入阻力F5、后配套牵引力F6组成，且主要受到掘进时正面阻力F2的影响，导致推力产生一定的变化。盾构机掘进时的正面阻力F2由切削岩土体的阻力F21与仓压阻力F22组成，计算公式如下[1]：

式中：n为滚刀安装的数量；Kd为岩石的滚压系数；qu为岩土体的抗压强度；ri为滚刀的刃角半径；θi为滚刀半刃角；φ为岩石自然破碎角；r为滚刀半径；λ为贯入度；D为盾构机外径；ps为土仓压力。

由于岩土体的抗压强度qu是影响切削岩土体阻力F21的主要因素[14]，土仓压力ps是影响仓压阻力F22的主要因素，因此地层类型与隧道埋深是影响正面阻力F2的主要因素。

3.3 扭矩

盾构机的刀盘扭矩主要由5部分组成，分别为刀盘正面与地层间的摩擦力T1、土仓内土体与刀盘背面间的摩擦力T2、刀盘侧面与地层间的摩擦力T3、刀具切削土体时地层产生的抗力T4、搅拌棒阻力T5，且引起扭矩发生变化的主要因素为T1与T4，两者的计算公式如下：

式中：K为侧向土压力系数；f为刀盘与地层之间的摩擦系数；γ为重度；H为盾构机轴线至地面的垂直距离；η为刀盘的开口率；D为盾构机外径；λ为贯入度；qu为岩土体抗压强度。

由于H为T1产生变化的主要影响因素，λ与qu是T4产生变化的主要影响因素，因此地层类型与隧道埋深也是刀盘扭矩产生变化的主要影响因素。

3.4 陆域段比推力、比扭矩

在不考虑地下水影响的条件下，对于砂黏复合地层来说，复合比与比推力、比扭矩之间的关系为反相关，即复合比越小则地层越硬，比推力与比扭矩越大[8]。对于本区段所研究的富水砂黏复合地层来说，复合比变化曲线与比推力、比扭矩的关系也为反相关。陆域段所对应的比推力、比扭矩与复合比的关系曲线如图3所示。

图3 陆域段掘进参数与复合比的关系曲线Fig.3 Relationship curves between tunneling parameters and compound ratio in land section

由图3（a）、3（b）可得，16～47环复合比变化曲线呈上升趋势，变化范围为57.5%～78.6%，而比推力与比矩具有明显的下降趋势，变化范围分别为 333.1～129.6 kN/mm 与 51.9～12.5 kN·m/mm；48～70环复合比变化曲线呈下降趋势，变化范围为77.3%～33.2%，但比推力与比扭矩具有明显的上升趋势，变化范围分别为 219.6～411.6 kN/mm 与20.1～47.3 kN·m/mm。

根据式（4）～（5）可得，陆域段隧道埋深变化较小（约为0.6 m），因此可以忽略F22，即造成推力产生变化的主要原因为切削岩土体的阻力F21，且F21与岩土体抗压强度qu呈正相关。受本区段地层富含地下水的影响，中粗砂相对于粉质黏土来说，强度较大且硬度较高，即中粗砂的qu比粉质黏土层高，因此当地层的复合比较高时，中粗砂层所占的比例越小，导致开挖面整体的qu较小，即qu与复合比呈反相关，因此F21与复合比也呈反相关。但由于陆域段刀盘贯入度与地层复合比呈正相关，因此陆域段比推力与地层复合比呈反相关关系。

根据式（6）～（7）可得，由于陆域段隧道埋深变化较小，因此可忽略T1的影响，且根据比扭矩的定义可得，T4中的贯入度可与比扭矩定义中的贯入度相互抵消，因此只考虑qu对刀盘扭矩的影响，且qu与刀盘扭矩呈正相关。又由上文可得，qu与复合比呈反相关，因此比扭矩与复合比之间也为反相关。

3.5 河域段比推力、比扭矩

河域段所对应的掘进环号范围为71～160环，并位于南九水河道下方，因此地层含水量更丰富，导致掘进参数与地层复合比变化曲线关系与陆域段相比有所不同。河域段掘进参数与复合比的关系曲线如图4所示。

图4 河域段掘进参数与复合比的关系曲线Fig.4 Relationship curves between tunneling parameters and compound ratio in river section

由图 4（a）、4（b）可知，河域段的比推力、比扭矩的变化趋势与陆域段相比，较不明显，因此河域段采用平均值作为参考对象。如 71～92环复合比变化曲线呈下降趋势，变化范围为 31.9%～25.4%，比推力平均值为298.9 kN/mm，比扭矩平均值为26.5 kN·m/mm；93～118环复合比变化曲线呈上升趋势，变化范围为25.5%～76.9%，比推力平均值为205.1 kN/mm，比扭矩平均值为22.1 kN·m/mm；因此可以得出，93～118环的掘进参数均小于71～92环，且比推力、比扭矩与复合比变化曲线大致呈反相关。119～160环，复合比变化趋势为先降低后升高再降低，复合比变化范围为55.7%～97.3%，比推力、比扭矩没有明显的变化趋势，而是稳定在一定范围，比推力控制在109.6～234.9 kN/mm之间，比扭矩控制在14.0～26.5 kN·m/mm之间。

可能造成71～118环掘进参数与复合比关系的原因为：由于河域段的贯入度控制在一定范围，因此比推力与比扭矩的变化幅度与贯入度的关系较弱，可以忽略。71～118环受隧道埋深下降较大的影响（约为2.3 m），ps不断减小，导致F22不断减小。而根据陆域段的经验可得，F21与复合比呈反相关，因此当复合比呈上升趋势时，F21与F22均减小，当复合比呈下降趋势时，F21增加，F22减小，由此就导致河域段的比推力随复合比的变化趋势不太明显，但大致复合比关系曲线呈反相关关系。对于比扭矩来说，由式（6）～（7）可得，T1与H呈正相关，T4与λ、qu呈正相关，但由于忽略了贯入度的影响，因此只考虑H对T1、qu对T4的影响，即复合比增大时，T1与T4均减小；复合比减小时，T1减小，T4增大。因此刀盘扭矩的变化趋势也不太明显，但大致复合比关系曲线呈反相关关系。

可能造成 119～160环掘进参数与复合比关系的原因为：（1）该区段的隧道埋深很小且变化较小，导致比推力与比扭矩数值较小，因此变化趋势不明显；（2）由于已到达河床最低处，因此地层的含水量更加丰富，导致土体的性质变差，对掘进参数的影响程度减弱。

4 掘进效率评价

通过对本区间陆域段与河域段所对应的贯入度与掘进速度进行统计，可以得到盾构机在本区间的掘进效率，具体数据如表2所示。

表2 盾构掘进效率表Table 2 Shield tunneling efficiency table

由表2可得，盾构机在陆域段的贯入度均值与掘进速度均值较高，分别为51.0 mm/r和58.9 mm/min，在71～118环所对应的河域段，贯入度均值与掘进速度均值也较高，分别为50.7 mm/r和57.6 mm/min，且在119～160环所对应的河域段，贯入度均值与掘进速度均值最高，分别为52.6 mm/r和59.2 mm/min。因此，通过复合比的变化趋势来调整比推力、比扭矩，可以使盾构机保持较高的掘进效率。

5 结 论

（1）对于沿隧道纵向砂层与粉质黏土层所占的比例在持续变化的复合地层来说，采用沿隧道纵向每一环开挖面积中黏土所占的比例来计算复合比是合理的。

（2）对于富水砂黏复合地层来说，可利用复合比的变化趋势来调整比推力、比扭矩。

（3）对于陆域段的富水砂黏地层来说，比推力、比扭矩与地层复合比变化曲线之间关系为反相关，且复合比范围在33.2%～78.6%时，比推力控制在129.6～411.6 kN/mm之间，比扭矩控制在12.5～51.9 kN•m/mm之间。

（4）对于未穿越至河床最低点的河域段富水砂黏地层来说，比推力、比扭矩与地层复合比变化曲线之间关系大致呈反相关，且当复合比范围在25.4%～76.9%时，比推力控制在 125.0～380.1 kN/mm 之间，比扭矩控制在 14.5～40.8 kN•m/mm之间；当开始穿越河床最低区段，且复合比范围在 55.7%～97.3%时，比推力控制在109.6～234.9 kN/mm 之间，比扭矩控制在 14.0～26.5 kN•m/mm之间。