复合地层盾构掘进参数相关性分析及掘进速度预测

文 佳李晓东梁 杰郝志强吴遥杰

(1.中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都 610213；2.南京地铁建设集团有限公司 江苏南京 210000；3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

1 引言

盾构掘进参数的合理设置是盾构安全高效掘进作业的基础，掘进参数设置不当易引发地层超挖、地面严重沉降、掌子面失稳、盾构损伤等诸多问题。国内外学者对盾构掘进参数进行了相关研究，赵博剑等[1]基于施工现场数据，对盾构掘进参数和地质参数进行了关联分析；李向红、王洪新等[2－3]通过理论研究和试验，得出了盾构掘进的数学模型、掘进参数之间的关系；陶冶、李锟等[4－5]通过数理统计方法，分析了盾构掘进速率与各掘进参数变化的敏感程度；李杰等[6－7]运用多元非线性回归分析方法，建立了盾构掘进速度预测模型；于云龙、张志奇等[8－9]通过分析盾构掘进数据，修正了传统盾构掘进速率模型；汪俊、李超[10－11]建立BP神经网络模型在复合地层进行掘进速度预测。现有研究主要针对盾构穿越岩石、砂层、黏土层等单一地层，而对于复合地层盾构掘进参数分析及预测研究较少，而复合地层因其地层复杂多样导致掘进参数控制较为困难，这可能增加盾构刀盘刀具的磨耗，威胁盾构施工安全。因此有必要对复合地层盾构掘进参数进行分析，研究掘进参数间的相关规律并建立盾构掘进速率预测模型，以期优化掘进过程。

本文依托南京至句容城际轨道交通工程麒麟镇站－东郊小镇站区间(下称麒东区间)土压平衡盾构现场掘进，通过统计分析了掘进参数间的相关性，在此基础上建立适用于复合地层的掘进速率预测模型，为复合地层掘进提供指导。

2 工程概况

2.1 区间概况

南京至句容城际轨道交通麒东区间工程盾构隧道主要穿越的地层复杂多样，强度不均，既包括中风化花岗岩等硬岩，也包括强风化花岗岩、全风化花岗岩等软岩，还有中～强风化泥质灰岩与残积土或粉质黏土等土层。区域穿越上软下硬复合地层。麒东右线隧道长1 257 m，隧道直径6.2 m，隧道最大埋深为19.97 m。通过钻孔实测获得的工程地质条件如图1所示。

图1 麒东区间右线地质条件及地层分区

为了更好地研究复合地层掘进参数变化规律，将复合地层复合比Fc定义为硬岩面积S硬岩占开挖面S开挖面的面积比，开挖面地层组成如图2a所示，对应的计算公式:

图2 开挖面地层组成和刀具分布

式中:θ为硬岩层对应的圆心角(°)；h1为硬岩层厚度(m)；R为开挖半径(m)。

2.2 地质分区

在本工程中，复杂多变的地层导致盾构掘进参数选择困难。随着地层条件的变化，施工控制参数应随之调整，但在实际施工中很难做到及时调整，为此根据大致的地层变化进行地层分类，采用单元链控制法[12]将盾构区间分成几类掘进分区，分析各类掘进分区的掘进参数，建立掘进参数之间的变化规律。根据麒东区间右线盾构穿越地层的软硬性质将区间分成6类掘进分区，如图1所示。

A类:全断面硬岩，断面为中风化花岗岩地层(γ-3、γ-3-1)。

B类:中风化花岗岩(γ-3、γ-3-1)与强风化花岗岩(γ-2)复合地层。

C类:全断面软岩，断面为强风化花岗岩(γ-2)，或含全风化花岗岩(γ-1)。

D类:全断面软岩，断面为中风化泥质灰岩(T2Z-3-1)/强风化泥质灰岩(T2Z-2)，包含溶洞及强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩(T2h-2)，可能含有溶洞，需对溶洞进行预处理。

E类:下部为软岩，强风化花岗岩(γ-2)与全风化花岗岩(γ-1)软岩，上部为土层，为黏土、粉质黏土(③-1ab-2)的复合地层。

F类:全断面土层，断面为黏土或粉质黏土(③-1ab-2)、(②-2b3)、残积土(γ-0)。

3 掘进控制参数分析

3.1 施工参数统计与预处理

借助盾构机的数据采集系统得到盾构隧道每环掘进过程中的各项施工参数包括:刀盘参数(刀盘转速、刀盘扭矩)、土仓压力、推进参数(掘进速度、贯入度、总推力)。根据设计资料，麒东右线选用铁建重工DZ423盾构机，刀盘刀具分布如图2b，其设备性能见表1。

表1 麒东区间右线盾构设备及性能参数

3.2 主要掘进参数

表2统计了麒东区间右线不同掘进分区内刀盘转速、刀盘扭矩、推力、土仓压力的平均值。

表2 麒东区间右线不同掘进分区掘进参数平均值

(1)刀盘转速

六类地层的刀盘转速平均值最大相差0.06 RPM，A类全断面硬岩地层的刀盘转速最大；B类复合地层则由于地层的复杂性，刀盘转速明显偏大，与A类接近；C、D类全断面软岩地层的刀盘转速相对前两种地层较小；E、F类地层由于地层较软弱而表现出明显更小的刀盘转速，其中E类上土下软岩复合地层的刀盘转速略微偏大。综上，刀盘转速随地层变软而降低。

(2)刀盘扭矩

总体而言，越软弱地层的平均刀盘扭矩就越低。B类复合地层的平均扭矩(3.66 MN·m)明显偏大，甚至大于A类全断面硬岩地层(3.33 MN·m)，这是由于B类是包含中风化花岗岩和强风化花岗岩的复合地层，地质条件较全断面硬岩地层更为复杂，因此盾构掘进过程中的参数更难控制，使刀盘扭矩异常增大，且扭矩的波动也明显较大。

(3)推力

麒东右线盾构推力主要在10 000～15 000 kN之间，平均推力为11 681 kN，相比铁建重工DZ423盾构机的最大推力为42 575 kN，盾构总推力尚有较大的富余，可满足本工程盾构推进需求，且地层越软弱，掘进推力越低。

(4)土仓压力

土仓压力为盾构机参数系统采集刀盘上各传感器位置的平均值。表2显示，地层越软弱，土仓压力越大，这是由于土压平衡盾构机依靠土仓内的土仓压力平衡前方开挖面的水土压力，当地层较软弱时，需要更大的土仓压力进行平衡。

3.3 掘进参数相关性分析

复合地层掘进参数之间存在相关性，参数间会相互影响。结合麒东右线988环掘进数据，对各参数与掘进速度之间的相关性进行说明，为后续预测模型建立提供依据。

(1)掘进速度、刀盘转速与贯入度的关系

理论上:掘进速度＝刀盘转速×贯入度。由图3可知掘进速度和贯入度呈线性关系，与二者的理论关系式吻合。刀盘转速随贯入度增大有减小的趋势，但变化不大，大致处在1.2 RPM附近，说明在复合地层和全断面硬岩等低贯入度区间，转速没有降低，这可能会导致刀盘扭矩剧烈波动，增加刀具磨损。

图3 各掘进分区掘进速度及刀盘转速与贯入度关系

(2)掘进速度与螺旋输送机转速之间的关系

将麒东区间右线掘进速度、螺旋输送机转速数据进行整理，如图4所示。

图4 麒东右线掘进速度－螺旋输送机转速关系

通过分析发现，掘进速度和螺旋输送机转速呈较高的线性正相关，根据该关系可以设定掘进速度和螺旋输送机之间参数的匹配。

(3)掘进速度与推力之间的关系

图5为麒东右线掘进速度和推力的关系。由图5a可知，随着推力增大，掘进速度先增大后减小，掘进穿越复合地层且地层条件不断变化，掘进速度随推力的变化规律性较弱，通常的“推进速度越大，推力越大”规律对复杂地层不一定适用。

图5 麒东右线掘进速度－推力关系

进一步分析各掘进分区推力与掘进速度关系，由图5b可知，地层越硬，推力越大，掘进效率也越低。掘进分区地层硬度大小:A类>B类>C类>D类>E类>F类，和掘进速度－总推力数据点的分布规律基本符合。此外，B类复合地层掘进分区中盾构推力和掘进速度较C类均小，说明在B类复合地层分区中掘进时，盾构机功率富余较多，掘进速度还可以适当提高。

(4)掘进速度与刀盘扭矩之间的关系

图6为麒东区间右线不同掘进分区内掘进速度和刀盘扭矩的关系。由图6可知，与推力相似，随着刀盘扭矩的增大，掘进速度先增大、后减小，掘进过程中由于地层条件变化掘进速度随推力的变化情况规律性较弱，说明通常的“推进速度越大，扭矩越大”规律在复杂地层也不适用。

图6 麒东右线掘进速度－刀盘扭矩关系

4 复合地层掘进速度预测模型

4.1 模型参数选取

工程实践表明，盾构掘进过程中掘进速度受多个变量共同作用，是多个相关参数综合影响的结果。盾构机主要靠千斤顶对盾体施加向前的推力而向前推进，并依靠刀盘扭矩掘进，因此推力和扭矩对盾构推进起主要影响作用；而掘进速度v＝刀盘转速(ω1)×刀盘贯入度(r)，所以刀盘转速及贯入度也直接影响了掘进速度，且由上文分析可知掘进速度与贯入度存在较好的线性关系，因此选择刀盘转速作为预测参数。前文分析可知，土仓压力分布不均匀，因此选取土仓压力平均值作为预测参数之一。螺旋输送机转速控制着掘进过程中的出渣速度，并通过排土量进行土仓压力管理。此外本模型考虑复合地层的性质，引入复合地层的复合比作为回归参数。综上，选取的回归变量如表3所示。

表3 掘进速度模型参数选取

4.2 模型建立

利用上述模型参数进行模型构建，令:

模型回归结果如表4所示，回归统计结果显示回归相关系数R2＝0.89，说明自变量与回归统计结果具有很高的相关性。方差分析表明F＝142，SignificanceF<0.01，表明所建立的回归方程较为显著。对于多元线性回归，可直接根据t值的大小来判断因素的主次，各因素的主次顺序为:螺旋输送机转速>刀盘转速>土仓压力。“P-value”表示t检验偏回归系数不显著的概率，如果P-value<0.01，可认为该系数对应的变量对试验结果影响非常显著；如果0.01

表4 模型回归结果

4.3 模型验证与结果分析

采用上述掘进速度模型对麒东右线1～970环的施工参数进行验证，如图7所示。

图7 模型计算与实测数据对比

结果表明:上述推进速度计算模型得到的数据与实测得到的数据之间的相关系数为0.89，说明该模型能较好地拟合复合地层条件下的盾构推进速度。模型中螺旋输送机转速、刀盘转速、土仓压力对推进速度的影响相对较大。

5 结论

(1)针对复杂多变的地层环境，基于单元链控制法，将盾构掘进区段分成不同的掘进分区，并对掘进参数进行统计和相关性分析，获得不同地层掘进参数之间的变化规律。

(2)基于复合地层掘进参数的相关性分析，建立了复合地层掘进速度预测模型，引入了硬岩复合比作为回归参数，相较传统的掘进速度预测模型，考虑了复合地层的地质差异因素。

(3)将复合地层掘进速度预测模型运用于麒东区间工程掘进速度预测，该模型的预测相关系数R2＝0.89，验证了模型的准确性和可信度，可为同类地质条件下的复合地层盾构掘进速度预测提供指导。