盾构施工控制对刀盘扭矩及地表沉降影响试验研究

黄大维，石海斌,3，徐长节，罗文俊，熊 昊，李 雪

(1.华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.华东交通大学 江西省防灾减灾及应急管理重点实验，江西 南昌 330013；3.苏州轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215004；4.深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518000；5.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

盾构渣土输出控制是盾构掘进施工过程中的关键控制参数之一，渣土输出过快，将导致土舱饱满度过小；反之，则会导致土舱饱满度过大。单位掘进距离的盾构渣土输出质量直接关系到盾构施工过程中的地层损失，盾构施工过程中地层损失越大，盾构施工对周围地层扰动影响也越大，由此导致地表沉降大，进而影响到周边建(构)筑物。因此，如何科学地控制盾构渣土输出，对提高盾构隧道施工质量至关重要。

文献[1]通过遗传算法分析认为，刀盘扭矩与地表沉降有一定的关系，但未从机理上解释其内在相关性。文献[2]采用橡胶膜内排水的方式模拟盾构开挖，分析了地层损失对地表沉降的影响，认为土体损失率与地表最大沉降值呈线性关系。文献[3]通过数值仿真与现场实测分析表明，地表沉降量随着盾构机土舱压力的增大而减小。文献[4]指出土舱压力、渣土输出控制及同步注浆为影响施工期地表沉降的关键因素。文献[5-7]通过室内试验，分析认为盾构机顶推力直接影响盾构土舱压力，地层损失是地表沉降的主要原因。文献[8]分析表明，盾构掘进速度对盾构掘进变形影响明显。文献[9]分析表明，地表沉降受出土率及土舱内外压力差影响。文献[10]认为，地层条件与盾构掘进速度为影响地表沉降的主要因素。文献[11]认为土体的弹性模量对地表沉降影响显著。文献[12]分别分析了开挖面整体失稳及局部失稳的状态，发现开挖面失稳时内摩擦角及隧道埋深对极限支护压力的影响较为显著。文献[13]发现刀盘切削土体对开挖面稳定的削弱程度与隧道埋深与面板开口率有关，而刀盘面板对开挖面的稳固效果受隧道埋深以及施工状态影响。由现有研究分析可知，盾构顶推力控制、盾构渣土输出控制直接关系到盾构施工对周围地层的扰动。然而，盾构施工控制对地表沉降影响的内在机理有待进一步深入分析，现有的盾构施工控制主要由盾构施工技术人员凭经验确定，现场也未对渣土输出质量进行实时监测，渣土输出控制对盾构开挖掘进及地表沉降的影响暂无分析，也缺乏盾构渣土输出控制量化评价体系。

为此，本文采用自主研发的缩尺模型盾构机开展了试验研究，根据试验结果分析了渣土输出控制对刀盘扭矩的影响机制，以及渣土输出量对地表沉降的影响，并提出了相关建议。研究成果对提高盾构施工控制水平、减小盾构施工对周围地层扰动具有良好的指导意义。

1 缩尺模型试验简介

1.1 模型盾构机

为了开展盾构施工研究，自主研发了盾构施工模拟系统[14]。实际中的单洞单线地铁盾构隧道直径一般在6.0～6.8 m，所用盾构机的盾壳外径为6.4～7.3 m，经综合考虑后，设原型盾构机外径为7.0 m，按几何相似比为1∶10考虑，所以本模型盾构机的盾壳外径为0.7 m，长度为1.2 m，模型盾构机见图1(a)。盾构机刀盘外径为0.71 m，通过在开口位置设置可转动闸板(见图1(b))，达到刀盘开口率可调的目的。盾构机后端与始发架连接；始发架后端安装有反力架，反力架两侧各安装一个液压千斤顶，并将千斤顶前端与始发架连接。反力架与始发架可在纵梁上前后移动，盾构机顶推施工时在纵梁上安装销钉，防止反力架向后滑移，再通过千斤顶顶推始发架达到推动盾构机的目的。始发架内侧周围安装有减摩滑轮，因此千斤顶顶推力可近似为盾构机的顶推力。纵梁前端与土箱连接。盾构机渣土通过螺旋输送机输出，然后再通过渣土输送带输到尾端的接土箱上。盾构刀盘液压马达、螺旋输送机液压马达、顶推千斤顶的动力均由液压动力站提供。完成安装的盾构施工模拟系统见图1(c)。

图1 土压平衡盾构模拟系统

1.2 试验数据采集

在往土箱内填土时，在吊车挂钩上放置挂称，对填土进行称量，从而控制填土密度。渣土输送带尾端的接土箱则放在称盘上，此称采用无线称重显示器，方便录像记录渣土输出质量。在土箱顶部安装沉降标尺，在盾构机始发架的纵梁上贴有标尺，试验过程中均通过摄像头对数据进行监测记录。盾构机的刀盘、螺旋输送机、顶推均通过触摸控制屏进行控制，同时对刀盘的转速与扭矩、螺旋输送机的转速与扭矩、顶推力进行数据采集与记录。

1.3 试验填土

为方便切割圆孔，土箱的盾构始发侧采用3 cm厚复合木板，木板上部与土箱其余三面均采用3 cm厚的有机玻璃板。土箱内部长为(盾构机前进方向)76 cm、宽为82.5 cm、高为107.5 cm，试验时盾壳顶部的覆土厚度约为30 cm。填土采用砂土，为了防止螺旋输送机的螺旋轴被卡，通过过滤筛剔除10 mm以上的大颗粒，试验用砂土的级配曲线见图2，试验时含水量约6.5%，密度约为1 663 kg/m3。试验时在盾构机顶推方向中轴线位置布设8个沉降标，每推进一环(几何相似比为1∶10，实际中一环为120 cm，所以试验时的一环为12 cm)记录一次地表沉降，每次试验顶推5环(共60 cm)。

图2 填土级配曲线

2 盾构施工控制对刀盘扭矩影响

2.1 盾构机刀盘扭矩组成

盾构机的刀盘扭矩主要由以下因素导致：①刀盘前面与开挖面的相互作用；②刀盘背面与土舱内土体相互作用；③刀盘径向边缘与周围土体相互作用。土舱内为开挖过程中进入的松散土体，掘进施工时土舱饱满度并不高，且试验所用土体为细砂；刀盘边缘光滑，在推进过程中③所导致的扭矩基本恒定，因此相比①所导致的扭矩而言，②、③所导致的扭矩要小得多。考虑到本次试验为分析渣土输出及刀盘开口率对刀盘扭矩的影响，为此假设刀盘扭矩由①所导致，即由刀盘前面与开挖面的相互作用所导致。

刀盘前面与开挖面相互作用又分为以下三部分：①刀盘面板与开挖面土体相互作用；②刀盘开口处土体与开挖面土体相互作用；③刀具与开挖面相互作用。刀具突出于刀盘面板，掘进施工时刀具以一定的深度刺入开挖面的原状土体中，因此刀盘切削开挖面土体由③起作用，③也是刀盘扭矩的主要部分。

但是刀盘前面与开挖面相互作用所导致的扭矩中不方便严格区分开，为了方便分析刀盘扭矩，假设刀盘与开挖面的平均水平作用力为P，刀盘与开挖面的摩阻系数为μ。刀盘与开挖面作用的微分单元扭矩计算式为

dM=rdf=r(Pμ)(2πrdr)

(1)

因此刀盘前面与开挖面相互作用导致的扭矩T的计算式为

(2)

式中：T为刀盘扭矩；M为刀盘与开挖面相互作用的摩阻力导致的弯矩；R为刀盘的半径；r为刀盘面上任意点的半径；df为半径r位置微分环的环向摩阻力；P为刀盘与开挖面之间的平均接触应力；μ为刀盘与开挖面的摩阻系数。

由式(2)可知，刀盘扭矩大小与平均接触应力及摩阻系数成正比。

2.2 渣土输出对刀盘扭矩影响

试验时填土密度控制在约1 663 kg/m3，根据盾构机每掘进1 cm对应的切削体体积计算，对应的理论单位掘进距离(1 cm)的渣土输出质量约为6.4 kg。为了分析单位掘进距离(1 cm)渣土输出对刀盘扭矩的影响，试验时设计了单位掘进距离的渣土输出质量分别为5.0、6.0、6.4、7.0 kg/cm。以单位掘进距离的渣土实际输出质量与理论输出质量的比值作为出土率，即

(3)

式中：ξ为出土率；Q实际为渣土实际输出质量；Q理论为渣土理论输出质量。

考虑到模型盾构机顶推速度控制难以达到与渣土输出质量刚好匹配，为此每次顶推5 mm，当渣土输出质量达到设计质量时，再进行下一次顶推。通过盾构施工模型试验，得到了不同出土率条件下盾构机顶推力与刀盘扭矩，并根据式(2)得到相应的刀盘与开挖面摩阻系数，结果见表1。因顶推前与顶推后盾构机顶推力与刀盘扭矩相差较大，为此分别进行记录数据。

表1 不同出土率时盾构机顶推力与刀盘扭矩

由表1可知，出土率越大，完成顶推后的顶推力越小，而刀盘扭矩在出土率小于1时对应的刀盘扭矩越大，因此计算得到的刀盘与开挖面摩阻系数也越大。产生上述现象与“刀盘前面-开挖面相互作用”的三部分各自占比有关，出土率越大，土舱内的渣土量越少，即土舱饱满度越小，此时刀盘开口处土体也越少，因此“刀盘前面-开挖面相互作用”中刀盘开口处土体承担比越小；此时开挖下来的土体更容易进入土舱，因此刀具与开挖面的相互作用占比越大；在相同的水平相互作用力下，刀具比刀盘开口处土体的摩阻系数要大得多，因此在出土率小于1时，出土率越大，刀盘与开挖面的摩阻系数越大，刀盘扭矩越大。所以当出土率较小时，尽管水平推力较大，开挖面周围土体被盾构顶推力水平压实越密实，但刀盘与开挖面的摩阻系数反而越小。而随着出土率的继续增大，刀盘与开挖面的接触应力进一步减小，当出土率大于1时，开挖面周围土体几乎未被盾构顶推力进行水平向压实，所以尽管刀具与开挖面的相互作用占比越大，但刀盘扭矩出现了减小，且刀盘与开挖面的摩阻系数也减小，但相对2号试验，4号试验的刀盘与开挖面的摩阻系数要稍大。

不同出土率时螺旋输送机平均扭矩与转速见表2。由表2可知，螺旋输送机的平均扭矩随着出土率的增大而减小。不同瞬时出土率时对应的螺旋输送机扭矩见图3，由图3可知，出土率越大，螺旋输送机扭矩越小。这也再次证明：出土率越大，土舱饱满度越小，因此螺旋输送机前端绞入圆筒内的土体越少，螺旋输送机扭矩也越小，对应螺旋输送机平均转速越大。

表2 不同出土率时螺旋输送机平均扭矩与转速

图3 螺旋输送机扭矩与出土率的关系

由以上分析可知，盾构施工过程中的出土率直接影响土舱内的饱满度，进而影响“刀盘前面与开挖面相互作用”中“刀具与开挖面相互作用”的占比，通常情况下(一般出土率要小于1)出土率越大，“刀具与开挖面相互作用”的占比越大，刀盘与开挖面的摩阻系数越大，刀盘旋转过程中对开挖面的切削能力越强，刀盘扭矩也越大。当出土率大于1后，单次顶推距离相同时其顶推力有所下降，同时顶推力对开挖面土体的水平压实作用减小，刀盘扭矩出现减小。

2.3 刀盘开口率对刀盘扭矩影响

为了分析刀盘开口率对刀盘扭矩的影响，将刀盘上调节开口率的闸板卸掉，使刀盘开口率由25%增大至约35%，试验时将出土率控制为1，从而与上述的3号试验形成对比，试验结果对比见表3。从表3可以看出，当开口率增大后，刀盘面板与开挖面土体相互作用的占比减小，而刀盘开口处土体与开挖面土体相互作用的占比增大，因此刀盘与开挖面的摩阻系数减小。

表3 不同开口率条时盾构机顶推力与刀盘扭矩

由刀盘开口率对刀盘扭矩分析可知，刀盘开口率影响刀盘面板与开挖面土体相互作用的占比，从而影响刀盘与开挖面的摩阻系数。因刀盘开口处土体与开挖面土体之间的摩阻系数要大于刀盘面板与开挖面土体之间的摩阻系数，所以刀盘开口率越大，刀盘与开挖面摩阻系数越小。

3 盾构施工控制对地表沉降影响

3.1 渣土输出对地表沉降影响

单位掘进距离(1 cm)不同渣土输出量时的对应的地表沉降见图4。为了直观表示出各沉降曲线对应的开挖面位置，在图4中采用与沉降曲线相同颜色的虚线箭头指示出了开挖面位置。由图4(a)、图4(b)、图4(c)可知，在单位掘进距离的渣土输出质量小于或等于理论单位掘进距离(1 cm)的渣土输出质量(约为6.4 kg/cm)时，地表的最大沉降总体较为接近，但沉降曲线的形态不同。在渣土输出量为5 kg/cm时，在完成前两环掘进时，地表发生了一定的隆起；在完成第三环掘进后，地表出现了一定的沉降。在渣土输出量为6.4 kg/cm时，地表沉降最大值发生的位置比渣土输出量为5、6 kg/cm时对应的地表沉降最大值发生位置要偏后，且最大沉降值也稍有增长。

图4 单位掘进距离不同渣土输出量时的地表沉降

图4(a)～图4(c)单位掘进距离的渣土输出质量小于或等于理论单位掘进距离的渣土输出质量，即盾构掘进过程中并未发生超挖，但地表仍发生了沉降。由此可见，在单位掘进距离的渣土输出质量小于或等于理论单位掘进距离的渣土输出质量时，地表的沉降主要由开挖掘进对周围地扰动所致，因刀盘直径(71 cm)要大于盾壳的直径(70 cm)，由此不可避免地产生了地表沉降。而在渣土输出质量较小时，开挖面前面的部分土体被挤向四周，但在减小因刀盘直径大于盾壳的直径而导致的沉降效果并不明显。

在渣土输出质量为7 kg/cm时，地表沉降增加明显，导致此沉降主要与开挖面前方土体向开挖面发生位移有关，由此导致周围土压力减小[15]，即超挖导致沉降。同时刀盘开挖直径(71 cm)要大于盾壳的直径(70 cm)也将导致部分沉降。

综上分析可知，单位掘进距离的渣土输出量直接关系到盾构掘进过程中的超挖控制，从而影响地表沉降。当处于“欠挖”状态时，因开挖面的水平土压力要大于原地层的水平土压力，部分土体被挤向四周，当“欠挖”程度较大时(见图4(a))，甚至发生一定的地表隆起。但由于刀盘直径大于盾壳直径，盾壳上部土体荷载转为由盾壳承担时，会不可避免地导致一定的沉降。为此，松软地层施工的盾构机设计时，建议刀盘的直径不必大于盾壳外径，以便减小盾构施工过程中的地表沉降，甚至刀盘直径可稍小于盾壳外径，从而使盾构机顶推过程对周围土体达到“挤密”效果。

当处于“超挖”状态时，因开挖面周围土体向开挖面发生位移，因此导致地表沉降明显。在实际过程中，因盾构机顶推力不仅由开挖面水平荷载组成，盾壳与地层之间的摩擦力、后配套系统的牵引力均将由盾构机顶推力提供，加上原地层的水平荷载预测精度有限，因此，在实际盾构施工过程中，建议对渣土输出量进行实时称量，其结果为盾构机顶推速度控制提供参考依据。

3.2 刀盘开口率对地表沉降影响

将刀盘开口率调整为35%，渣土输出质量控制在6.4 kg/cm时(与理论单位掘进距离的渣土输出质量相同)，其地表沉降见图5。从图5与图4(c)对比可知，当单位掘进距离的渣土输出质量相同时，不同开口率对应的最大地表沉降接近，但沉降曲线的形态稍有不同。当开口率增大后，最大沉降位置距离始发端的距离更小。这是因为刀盘开口率增大后，开挖面上的土体更加容易进入土舱内，由于填充土舱进土体较多，因此与小开口率工况相比，地表沉降会提前发生。从表3中刀盘与开挖面摩阻系数也可看出，刀盘开口率越大，刀盘与开挖面摩阻系数越小，说明土舱的饱满度越大。

图5 大开口率下的地表沉降

4 结论

(1)盾构施工过程中的出土率直接影响土舱内的饱满度，进而影响刀具与开挖面相互作用的占比，当出土率要小于1时，出土率越大，刀盘与开挖面的摩阻系数越大，刀盘扭矩也越大。

(2)螺旋输送机扭矩受土舱饱满度影响显著，土舱饱满度越小(出土率越大)，渣土输出效率越低，因此螺旋输送机扭矩越小，转速越大。因此螺旋输送机扭矩与出土效率之间存在反比关系。

(3)当开口率增大后，刀盘面板与开挖面土体相互作用的占比要减小，而刀盘开口处土体与开挖面土体相互作用的占比要增大，因此刀盘与开挖面的摩阻系数要减小。

(4)当出土率小于1时，出土率对地表沉降影响较小；当出土率大于1时，出土率增大导致地表沉降量增加显著。出土率小于1仍发生沉降主要与刀盘开挖直径大于盾壳直径有关。

(5)基于盾构渣土输出控制的重要性，建议对盾构渣输出质量进行实时监测，对于具体工程应该建立盾构顶推量与渣土输出质量的关系。在松散软弱地层中施工时，建议盾构机刀盘不必大于盾壳外径。