富水砂卵石地层V形坡隧道土压平衡盾构施工掘进参数分析

罗锡波 张祖迪 何锁宋 郭琪琪 张雪松 胡绍斌 阳超 王玉锁

【摘 要】 文章以成都轨道交通9号线某V形坡盾构区间隧道为例，考虑V形坡的影响，对盾构施工掘进参数进行统计分析，得出掘进推力、土仓压力、刀盘扭矩和掘进速度在V形坡影响下的变化趋势。并进一步进行掘进参数间相关性分析，得出掘进速度受地质情况、刀盘扭矩、土仓压力和掘进推力等因素影响的结论，提出符合该地层条件下的掘进参数优化建议，为类似工程建设的盾构选型及掘进参数的选择提供参考。

【关键词】盾构隧道; 掘进参数; V形坡; 富水砂卵石地层; 相关性分析

随着城市地下空间的发展，越来越多的城市开始修建地铁，施工面临的地质情况也越来越复杂多样。盾构法因其具有对周围环境影响小、施工速度快、对地层沉降控制好、工程质量容易保证、地层适应性强等优点，在城市地铁建设中已经成为主要施工手段[1]。文献[2-3]通过现场实测数据，分析了各掘进参数间的关联性。文献[4]提出软硬不均地层复合盾构掘进参数的控制范围，并对适应性进行分析。文献[5-6]通过数值模拟，重点分析掘进参数与围岩级别的适应性，并提出了针对不同围岩级别的掘进参数的选择建议。

目前，针对富水砂卵石地层，已有大量文献对盾构掘进参数进行了分析研究，但研究V形坡对盾构掘进参数的影响较少，然而目前修建的城市地铁、水下隧道采用V形坡的工程案例越来越多，同一区间隧道、同一地层，盾构的掘进参数都可能不同，使得在规划阶段对盾构掘进速度的预测偏差较大。为此，本文以成都轨道交通9号线某V形坡盾构区间隧道为例，考虑V形坡的影响，对掘进参数进行分析，以期为类似工程工期预测、掘进参数的选择提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

成都轨道交通9号线某盾构区间工程地理位置如图1所示。

1.2 地质条件

该区段地质纵断如图2所示。

从图2中可以看出，此工程段为V字形坡段，左侧下坡段坡度值为25 ‰，右侧上坡段坡度值为23.628 ‰，为典型的富水砂卵石地层。盾构隧道主要穿越密实卵石土地层，卵石含量占65 %～80 %，粒径6～10 cm，卵石成分以岩浆岩、变质岩类岩石为主，分选性差，磨圆度较好，呈次圆形至圆形，局部卵石具有风化痕迹，夹杂少量粉细砂，磨圆度较差，呈次棱角状，砂质较纯，砂质成分主要为石英、长石等，分选性较好，级配较差。另外，此工程段地下水埋深一般为5.0～7.20 m，地下水平均埋深6.22 m，地下水标高为502.79～505.99 m。地下水主要存在于砂、卵石土中，水量较丰富，为孔隙潜水。

2 掘进参数分析

由于与盾构相关的参数有很多，并且每种参数有可能受多种因素的影响，所以应该选取那些可以体现不同因素作用，并且和当地的施工条件相结合。而对于成都轨道交通9号线某V形坡盾构区间，选取与地层因素关系较为密切的盾构机掘进推力、刀盘扭矩、土仓压力和掘进速度4个主要掘进参数进行统计分析，统计结果如表1所示。

对共计600 m的工程实际监测数据，进行分析，可以得到各掘进参数的整体分布情况及随掘进距离的变化规律。

2.1 掘进推力

上坡段与下坡段盾构掘进推力统计直方图如图3所示。

由表1、图3可知，下坡段掘进推力平均值为1 202.60 t，数值多集中在1 000～1 500 t之间，过大值出现次数较多;而上坡段掘进推力平均值为1 116.19 t，数值多集中在1 000～1 250之间，过大、过小值较少出现。通过单样本K-S检验，下坡段掘进推力的显著性系数为0.006，小于显著性水平0.05，不符合正态分布[7];上坡段掘进推力的显著性为0.08，大于显著性水平0.05，符合正态分布。可能的原因是掘进推力更容易受到下坡段的影响，在下坡段平均掘进推力偏大，变化幅度较大，易出现异常值，所以不符合正态分布。

由表1、图4可知，随着掘进的深入，上、下坡段的掘进推力均逐渐减小，但下坡段标准差为167.15 t，变化较大;上坡段标准差为76.13 t，与下坡段相比变化较小。可能的原因是盾构在下坡地段所受摩擦阻力小于上坡地段，为保持同的贯入度，下坡地段掘进推力减少的幅度要大于上坡地段，所以趋势较陡。

2.2 土仓压力

上坡段与下坡段盾构土仓压力统计直方图如图5所示。

由表1、图5可知，下坡段土仓压力平均值为77 kPa，数值多集中在60～110 kPa之间，过小值较多;上坡段土仓压力平均值为91 kPa，数值多集中在70～125 kPa之间，过大、过小的情况较少。通过单样本K-S检验，上、下坡段土仓压力的显著性均为0.000，小于显著性水平0.05，不符合正态分布。可能是由于受V形坡影响，土仓压力波动较大，一直处于变化中。

上坡段与下坡段盾构土仓压力散点如图6所示。

由表1、图6可知，随着掘进的深入，下坡段的土倉压力逐渐增大，且标准差为14 kPa;上坡段的土仓压力逐渐减小，标准差为15 kPa，上、下坡段土仓压力变化幅度相差不大。可能是由于土仓压力主要跟覆土厚度、外界水压和预压有关，且此地路段为富水砂卵石层地段，受地形因素影响较大。从上图中可以看出上下坡段对土仓压力的影响规律比较明显，下坡地段，随着掘进的深入，覆土厚度逐渐加大，且更容易受地下水的影响，所以土仓压力逐渐增大;而上坡地段，随着掘进的深入，覆土厚度逐渐减小，所以土仓压力也随之逐渐减小。

2.3 刀盘扭矩

上坡段与下坡段盾构刀盘扭矩统计直方图如图7所示。

由表1及图7可知，下坡段刀盘扭矩平均值为263.94 t·m，数值多集中在150～350 t·m之间，过小值出现次数略多，上坡段刀盘扭矩平均值为228.42 t·m，数值多集中在125～360 t·m之间，过大、过小的情况较少。通过单样本K-S检验，下坡段刀盘扭矩的显著性为0.002，上坡段刀盘扭矩的显著性为0.04，均小于显著性水平0.05，不符合正态分布。可能是由于刀盘扭矩是被动值，受其他参数的变化及地层的影响极大，由于其他参数的变化和岩层地质的复杂性，造成刀盘扭矩波动性极大，数值也较为分散。

上坡段与下坡段盾构刀盘扭矩散点如图8所示。

由表1、图8可知，随着掘进的深入，下坡段的刀盘扭矩逐渐减小，且标准差为67.09 t·m，变化较大;上坡段的掘进推力逐渐减小，标准差为58.90 t·m，与下坡段相比变化稍小，但变化幅度差别不大。所以刀盘扭矩受上、下坡段变化的总体趋势规律不明显，数值呈现多尖峰的波动性。

2.4 掘进速度

上坡段与下坡段盾构掘进速度统计直方图如图9所示。

由表1、图9可知，下坡段掘进速度平均值为58.87 mm/min，数值多集中在45～75 mm/min之间，数值变化范围比较大，上坡段掘进速度平均值为69.15 mm/min，数值多集中在65～75 mm/min之间，通过单样本K-S检验，上、下坡段掘进速度的显著性均为0.000，小于显著性水平0.05，不符合正态分布。对比分析可以看出V形坡对掘进速度影响较大，下坡段数据较为分散，处于不断变化中，而上坡段数据较为集中，比较平稳。

上坡段与下坡段盾构掘进速度散点如图10所示。

由表1、图10可知，随着掘进的深入，下坡段的掘进速度逐渐增大，且标准差为12.23 mm/min，变化较大;上坡段的掘进速度变化趋势较为平缓，标准差为3.83 mm/min，可以看出掘进速度受上下坡段影响比较明显。但掘进过程中，地层稳定性不断发生变化，加上富水卵石地层本身的特点，掘进速度与掘进推力、刀盘扭矩的变化情况并非一致，说明我们通常认为的“掘进速度越大，掘进推力、刀盘扭矩越大”的规律对较为复杂的富水砂卵石地层不一定适用。

3 关键掘进参数间相关性分析

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合理范围内，下面将结合富水砂卵石地层V形坡段，进行掘进速度与各掘进参数之间的相关性分析。

根据成都轨道交通9号线某V形坡盾构区间施工资料，根据上、下坡段实测数据进行相关关系分析，其中显著性系数取值为0～1，当显著性系数小于0.05时，存在相关关系，反之则不存在[7]。采用SPSS软件得出相关关系分析结果如表2所示。

从表2中可以看出，在下坡段掘进速度与各掘进参数均是相关的，其中与土仓压力呈正相关，皮尔逊相关系数为0.314;与掘进推力和刀盘扭矩均呈负相关，皮尔逊相关系数分别为-0.068，-0.036。而在上坡段掘进速度与各掘进参数均不相关，可能的原因是上坡段地形更为复杂，掘进速度与

4 掘进参数优化建议

结合本工程富水砂卵石地层的地质情况，考虑V形坡的影响，应将各个掘进参数控制在合理范围内，使得盾构设备可以安全稳定的运行，同时保证掘进状态的稳定性。另外不同的刀具配置，不同的渣土改良，不同的出土量也会影响盾构掘进参数的变化，选择最适合本工程范围地层的掘进参数范围，保证盾构机的良好工作状态。

5 结论

通過对掘进参数的分析研究，得到如下结论：

（1）掘进参数受多种因素的影响，且可能存在叠加效应。在富水砂卵石地层，土仓压力和掘进速度受V形坡度影响变化趋势较为明显，土仓压力的大小在下坡段呈增加趋势，上坡段反之;掘进速度的大小在下坡段的增加幅度比上坡段要大得多。而V形坡对掘进推力、刀盘扭矩的影响不明显。

（2）掘进速度是盾构施工的核心，所有参数均应保证掘进速度处于合理范围。在本工程中，通过相关性分析，在下坡段掘进速度与各掘进参数均是相关的，而在上坡段掘进速度与各掘进参数均不相关。说明V形坡的存在会对掘进速度与各掘进参数间的相关性产生影响，掘进速度会受到地质情况、刀盘扭矩和掘进推力等因素的影响。

参考文献

[1] 杨旸，谭忠盛，彭斌，等.富水圆砾地层土压平衡盾构掘进参数优化研究[J].土木工程学报，2017，50（增1）：94-98.

[2] 张瑀.砂卵石地层下盾构关键掘进参数匹配关系研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[3] 王双龙.关于软弱地层中盾构掘进参数相关性的研究[C]//2016中国隧道与地下工程大会. 2016.

[4] 谭忠盛，洪开荣，万姜林。等.软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术[J].岩石力学与工程学报，2006，25 （增2）：3945-3952.

[5] 刘小刚，王玉锁，卢梦园，等.青岛地铁二号线双护盾TBM施工掘进参数统计分析[J].四川建筑，2020，40（1）：89-93.

[6] 王玉锁，何俊男，吴浩，等.基于摩尔-库仑准则的双护盾TBM掘进参数研究[J].铁道工程学报，2017，34（5）：83-88.

[7] 程琮.SPSS统计分析[M].北京：中国统计出版社，2016：113-206.

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