复杂地质条件下泥水式盾构掘进数据分析

张大鑫

石家庄铁道大学机械工程学院，河北 石家庄 050043

1 工程概况

南京长江隧道位于江苏省南京市，横越长江南北两岸，由浦口区直通河西新城区。隧道全长5850 m，分为左右汊两部分。右汊桥梁部分架桥连接市区和梅子洲，左汊隧道部分由掘进方向依次为浦口（江北）明挖段、盾构段、梅子洲（江南）明挖段。

左汊隧道部分为左右两线，盾构段施工时使用两台海瑞克泥水式盾构，左右线从浦口区（江北）同向始发[1]。隧道左线长3020 m，于2009年5月贯通；右线长3015 m，于2009年8月贯通，建成后为双向通行6车道路段，最高行车速度80 km/h。

2 掘进数据处理和统计

在采用盾构法进行施工时，会同时涉及几十个甚至上百个参数。分析掘进参数的第一步是从大量数据资料中正确选取合适的掘进参数。本文主要对掘进数据进行处理，得出每环的主要掘进参数，并利用SPSS软件进行初步统计。

2.1 掘进数据处理

南京长江隧道工程盾构段左线里程K3＋600～K6＋620，共3020 m，其所用海瑞克泥水盾构每环管片宽2 m，监测有R0001～R1510环原始掘进数据。

扬州瘦西湖隧道工程使用的正是南京长江隧道工程的两台海瑞克泥水盾构，两个工程的地质条件相似，施工技术相同。扬州瘦西湖隧道工程的掘进报告也是以环为单位，各个掘进参数的数值也应相近。

在掘进数据处理时发现，极端值对平均值有较大影响，因此，使用3σ准则剔除极端值。

2.2 主要掘进参数的选取

盾构机检测数据分析处理系统自动记录施工过程中的所有参数，包括推进油缸压力及行程、冲程、注浆孔压力、刀盘工作负载等上百个参数[2]。综合泥水盾构特点和实际施工经验，对掘进速度、贯入度、刀盘扭矩、总推力和刀盘转速进行分析和处理。

3 掘进速度分布规律

为进行纵向比较，在各地层中挑选能代表该地层特性的地段，从始发段（10～59环）、江北大堤段（100～149环）、江北粉细砂层（400～449环）、砂砾复合地层（650～699、850～899、1100～1149环）、江中冲槽段（1200～1249环）、江南粉细砂层（1284～1333环）、江南大堤段（1335～1384环）、到达段（1450～1499环）8种地层共选取500环使用SPSS软件进行参数分布规律分析[3]。

3.1 推进速度

推进速度是衡量盾构性能的主要标准之一，受盾构性能和地质条件影响[4]，始发段、江北粉细砂层、砂砾复合层、江中冲槽段、江南粉细砂层5种地层推进速度的，统计结果见如图1所示。

图1 推进速度曲线图

由图1显示可知，江中冲槽段前期覆土浅，推进速度低，后期覆土变厚，速度随之提高。砂砾复合层推进速度明显低于其他地层，并且在段内缓慢上升（见表1）。

由表1，对于推进速度，砂砾复合层平均值最小，为17.398 mm/min。江南粉细砂层、江南大堤段离散性较小，掘进较稳定。江中冲槽段和到达段的标准偏差较大，分别为6.654 mm/min和4.515 mm/min，对应了覆土厚度的影响。

3.2 参数合理范围

若原地层参数较平稳，只在平均值附近波动（如砂砾复合层的推进速度），采用3σ准则舍去直方图上频率较小的极值；若原地层呈上升或下降趋势（如江北粉细砂层的掘进速度），参数范围取原地层的最大值和最小值[5]如表2所列。

表1 地质条件下推进速度 单位：mm/min

表2 掘进参数合理范围

4 结语

本文依托南京长江隧道工程盾构段左线，研究成果如下。

（1）通过对工程穿越地层的调查，根据地质和工程特点，将左线盾构段分为始发段、江北粉细砂层、砂砾复合层、江中冲槽段、江南粉细砂层5种地层。

（2）用3σ准则处理原始掘进数据，剔除极端值，并利用SPSS软件的语法编辑功能实现批量处理。利用SPSS软件对掘进速度、贯入度、刀盘扭矩、总推力和刀盘转速5个主要掘进参数进行统计和处理。

（3）在各地层中挑选若干环能代表该地层特性的地段（砂砾复合层150环，其他7种地层各50环），由统计量化分析得出参数分布规律，进而得出5个主要掘进参数的合理范围。