基于半舱气压法的大直径泥水盾构掘进参数与地表沉降研究

田勇坚，杜守继，孙伟良，程凯书

基于半舱气压法的大直径泥水盾构掘进参数与地表沉降研究

田勇坚1，杜守继1，孙伟良2，程凯书2

(1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2. 河南铁路投资有限责任公司，河南 郑州 450010)

以新郑机场至郑州南站城际铁路盾构段隧道施工为背景，针对泥水盾构在黏土地层中刀盘结泥饼问题，提出半舱气压工法，并对半舱气压法下开挖舱内液面高度、气压值的设定进行分析。研究半舱气压法下盾构掘进参数(掘进速度、推力、扭矩、转速)的变化特征，并给出掘进速度与其他盾构参数的关系式，同时对隧道掘进引起的地面沉降进行监测分析。研究结果表明：盾构掘进速度从4.9 mm/min增加至25.4 mm/min，隧道掘进造成的地面沉降稳定，最终沉降量为−4 mm，泥水盾构半舱气压工法在黏土地层隧道施工中具备一定的工程适用性。

盾构隧道；半舱气压法；黏土地层；盾构掘进参数；地表沉降

在黏土地层盾构施工过程中，盾构机常会遇到刀盘结泥饼问题，从而导致盾构掘进效率降低。王助峰等[1]从刀盘设计布置、冲刷系统改造等方面着手解决盾构刀盘结泥饼问题。李志军等[2]从盾构选型、控制盾构掘进参数和盾构操作规程角度，针对盾构在黏土地层下施工时出现的泥水盾构刀盘结泥饼问题提出了改进措施。YE等[3−4]通过研究渣土改良技术来防治盾构在黏土地层掘进中刀盘结泥饼问题。竺维彬等[5−6]研究了土压平衡盾构机辅助气压法的应用，发现在复杂地质情况下应用辅助气压法改善了盾构掘进状况，减小了无功损耗及刀盘结泥饼的风险，提高了掘进效率。对于泥水盾构在黏土地层施工过程中刀盘结泥饼问题，工程中一般从盾构机构造改造、掘进参数控制及降低刀盘前方土体黏附性等方面着手解决，但在实际施工运用中效果不佳。本文以新郑机场至郑州南站城际铁路隧道工程为背景，针对盾构在黏土地层中刀盘结泥饼问题，提出泥水盾构半舱气压工法，研究半舱气压法下盾构参数特征及掘进速度与其他盾构参数之间的相互关系，最后根据实测数据分析半舱气压法下地表沉降规律。

1 工程概况

新郑机场至郑州南站城际铁路(豫机城际铁路)位于河南省郑州市东南部，其自新郑机场T2航站楼城际铁路车站引出，向东下穿南水北调中线总干渠后，向南出地面引入新建的郑州南站，线路全长约11.1 km，线路走向图如图1所示。场地地貌属于平原区，场地地形平坦、开阔，局部略有起伏，地层为第四系冲积层。其中DK41+750至DK45+550段采用泥水平衡盾构法施工，盾构隧道全长3 800 m。

图1 豫机城际铁路走向图

隧道采用国产大直径泥水盾构机施工，盾构开挖直径为12.81 m，盾构主机长约13.8 m，整机长度78 m，刀盘重340 t，整机重2 200 t，刀盘驱动采用11个变频电机驱动，刀盘开口率约31%。

盾构隧道为双线铁路隧道，断面为圆形，衬砌环外径12 400 mm，内径11 300 mm，管片幅宽2 000 mm，管片厚度550 mm，管片混凝土强度等级为C50。每环衬砌环由9块管片组成，其中1个封顶块(F)，2个邻接块(L1和L2)和6个标准块(B1-B6)，管片错缝拼装，纵、环缝采用高强度斜螺栓连接，隧道衬砌圆环立面图如图2所示。

单位：mm

图3 地质剖面图

盾构隧道在DK44+620至DK44+720里程范围下穿南水北调中线总干渠，在DK44+690位置处盾构刀盘开始大部分处于粉质黏土层中，局部地段穿越细砂层，隧道埋深在31~37 m范围内。隧道下穿干渠段地质剖面图如图3所示。图3中隧道所穿越粉质黏土层土体天然密度为2.02 g/cm3，黏聚力为25.1 kPa，内摩擦角为21.2°，压缩模量为8.96 MPa，渗透系数为0.015 m/d。

2 半舱气压工法及应用

盾构在DK44+690位置处(1470环)所遇黏土地层范围变大，随后盾构机刀盘结泥饼现象严重，导致盾构掘进速度减慢，平均掘进速度只有4.93 mm/min，同时盾构机功耗增大，期间泥水循环系统中继泵轴承断裂一次，极大拖慢了施工进度。

为保证地表结构的安全并使其沉降在合理的范围内，盾构需要保证一定的掘进速度。为减轻刀盘结泥饼影响，DK44+714位置处(1 482环)停止推进空转刀盘，并在泥浆中加入清洗剂对开挖舱进行泡舱，但实际效果不明显，后续掘进速度依旧缓慢，刀盘结泥饼问题亟需解决。

2.1 半舱气压法原理

本工程所使用大直径泥水盾构机泥水压力控制模式为间接控制式，即盾构机调压系统通过调整气垫舱内的空气缓冲层压力，间接调节开挖舱内泥浆压力，确保开挖面压力稳定。本文中称这种开挖舱呈全舱泥水开挖状态掘进的方法为全舱泥水法。

为加快施工进度，盾构机在DK44+720位置处(1 485环)通过平衡阀将气垫舱与开挖舱联通，使得开挖舱与气垫舱液面高度相同，开挖舱上半部是压缩空气、下半部为泥浆，为维持开挖面稳定，上半部气压设定值较舱内腰线气压值小0.2 bar。此时开挖舱不再是全舱泥水，而是“半舱”泥水，故称为半舱气压法。采用该法后半个小时后速度突变，盾构掘进速度从2~5 mm/min增加至15~25 mm/min，出渣黏土块明显。随后盾构施工保持高速推进，且盾构机功耗下降，盾构参数稳定。

泥水盾构半舱气压法就是在泥水盾构掘进过程中，使盾构机开挖舱与气垫舱联通，平衡开挖面的介质由以泥水为主的“液相”介质变为以泥水与空气混合的“液相+气相”混合介质，开挖舱呈非全舱泥水开挖状态的盾构掘进方法。本工程半舱气压法示意图如图4所示。

图4 半舱气压法示意图

2.2 开挖舱液面高度及气压值的设定

开挖舱顶部气压值的合理设定是保证半舱气压法下盾构平稳掘进的关键。大直径泥水盾构开挖舱内泥浆压力的大小关系到开挖面的稳定与否[7]。半舱气压法下，开挖舱顶部气体承担给开挖舱底部泥浆施压的作用，同时气体压力的大小会对地表沉降产生影响。半舱气压法下气压值的设定依据主要是开挖舱内液气界面处前方开挖土层水土合算的侧向土压力，在施工过程中，先选用进行试验，再结合刀盘上方地表隆起或塌陷值逐步微调气压值，以刀盘正上方地表隆起值0~2 mm来确定值。同时半舱气压法下盾构施工对盾构铰接及盾尾密封处油脂注入提出了较高要求，若铰接及盾尾密封处油脂注入量不够、均匀度差以及压力不足，则可能发生气体击穿密封现象。

1 470~1 500环开挖舱液面高度变化曲线如图5所示，盾构机开挖舱压力变化曲线如图6所示，泥水盾构开挖舱参数平均值如表1所示。以1 470~ 1 484环为全舱泥水法区间，1 486~1 500为半舱气压法区间，由图5~6和表1知，在全舱泥水法下，开挖舱液位为1 240 cm，即开挖时呈满舱泥水状态。在半舱气压法下，开挖舱液位下降为890 cm，即开挖时泥水液面高度设定约为开挖舱高度的2/3，1号2号传感器位置即开挖舱顶部由液体压力变为了气体压力，压力略微上升，3号4号传感器位置即开挖舱中部压力下降，5号传感器位置处即开挖舱底部压力数值略微减小，这是气压调节的结果。

图5 开挖舱内泥浆液面高度变化曲线

本次施工采用半舱气压法共掘进215环(1 486~ 1 700)，期间液面高度设定约为开挖舱高度的2/3。由于开挖期间刀盘上方土层厚度及土层性质未发生较大改变，故开挖舱顶部气压值设定保持在3.2 bar左右。期间盾构机保持了高效、安全、稳定的掘进状态。

图6 开挖舱压力变化曲线

表1 泥水盾构开挖舱参数平均值

3 半舱气压法掘进参数分析

3.1 半舱气压法掘进参数特征

盾构机掘进至1 470环遇见大面积黏土土层，1 485环开始采用半舱气压法，以1 470~1 500环掘进参数为研究对象，共分为2个区间，1 470~1 484环为全舱泥水法区间，1 486~1 500环为半舱气压法区间。研究区间内盾构掘进参数变化图如图7所示，盾构掘进参数平均值如表2所示。

表2 研究区间盾构掘进参数平均值

注：表中“速度”指盾构掘进速度，盾构掘进速度定义为刀盘开挖时单位时间内盾构的行程。“开挖舱压力”为开挖舱内各压力传感器数值平均值的总平均值。

(a) 掘进速度；(b) 总推力；(c) 扭矩；(d) 转速

由于刀盘结泥饼，全舱泥水法下盾构机掘进速度缓慢，为加快在黏土地层中的掘进速度，采取增大转速同时提高总推力的措施，由图7可知，掘进速度并未明显改变，依旧保持较低水平，但扭矩呈现减小趋势。泥水盾构刀盘正面摩阻扭矩占总扭矩60%以上[8]，由于刀盘结泥饼现象严重，刀盘上一部分区域被泥饼覆盖，刀盘与土体间的摩擦因数降低，故扭矩在逐渐减小。

在使用半舱气压法后，由图7和表2可知，盾构在黏土地层中的掘进速度得到大幅度提升，掘进速度由4.9 mm/min增加到25.4 mm/min，提高了约4倍。盾构机功耗降低，推力由93 069 kN下降至74 473 kN，减少了约20%，扭矩由10 712 kN∙m下降至6 814 kN∙m，减少了约36%，并保持稳定。转速由1.43 rpm变化至1.40 rpm，未发生较大改变，说明盾构在推力、扭矩降低的情况下保持了高转速状态。

半舱气压法下，掘进过程中刀盘在泥浆和空气两者之间改换介质，此时泥浆对刀盘有很强的冲洗效果，能促使刀盘上泥饼掉落，同时当刀盘泥饼暴露在空气中时，泥浆对泥饼的浮力消失，部分泥饼会在自身重力和离心力作用下脱离刀盘，附在刀盘上泥饼减少，刀盘对土体的切削作用增强，刀盘切削土体效率变高，故盾构掘进速度提高。盾构有效推力、扭矩增大，故盾构总推力、扭矩降低，盾构掘进的功耗降低。同时，开挖舱内只有下半部有泥浆填充，有利于泥浆在搅拌装置下的流动，减小了泥水舱搅拌扭矩，增大了搅拌效率，切削下来的黏土块更容易混合在泥水舱内泥浆中由泥水循环系统输送到泥浆处理站，减少了事故的发生。

半舱气压法下，由于切削土体效率变高，盾构机可保持高转速低扭矩状态，而保持高转速低扭矩又可以在功率一定的前提下加大刀盘中泥饼的离心力，同时加快了刀盘在泥浆和空气两者之间改换介质的频率，增强了泥浆冲洗刀盘的效果，从而盾构机掘进效率可以得到进一步提升。同时，刀盘保持高转速，可降低刀盘贯入度，减小刀盘磨损，减小掘削下来的土块尺寸，降低了盾构在黏土地层中掘进堵管的风险，而刀盘扭矩的减小，可以减少刀盘对地层的扰动和盾构偏转。

黏土地层大直径泥水盾构刀盘结泥饼后，掘进速度变慢，全舱泥水法下提高转速及总推力均不能使掘进速度变快。使用半舱气压工法后，盾构掘进速度大幅度提升，盾构推力及扭矩均有明显下降，并可在高转速低扭矩状态下平稳掘进。故半舱气压法可有效解决黏土地层大直径泥水盾构刀盘结泥饼问题，使得盾构施工效率提升的同时还可降低盾构机功耗，减小盾构磨损，延长盾构机的使用寿命。

3.2 半舱气压法下掘进速度与其他盾构掘进参数关系分析

为探究黏土地层半舱气压法下掘进速度与盾构参数中总推力、刀盘转速、开挖舱压力之间的关系，指导半舱气压法下盾构施工，选择1 470~1 484，1 486~1 500环共30组样本数据，对采用不同工法的2区间各15组数据分别进行回归分析。

参考张厚美等[9]提出的多元线性回归模型：

式中：为掘进速度，mm/min；为推力，kN；为刀盘转速，r/min；为开挖舱压力，kN/cm2。

经回归分析，全舱泥水法区间由于地质条件差，导致掘进速度异常缓慢，而且事故频发，各盾构参数之间的相关性不高，相关系数只有0.19。半舱气压法区间盾构推进平稳前进，各盾构参数较稳定，各盾构参数之间的相关性较高，相关系数达到了0.92。经检验，半舱气压法下掘进速度模型总体上存在显著线性关系，回归结果如式(2)所示。

通过式(2)可得到1 486~1 500环掘进速度的拟合值，同时利用式(2)去预测1 501~1 510环掘进速度，掘进速度实际值与拟合值、预测值对比见图8。1 486~1 500环掘进速度实际值与拟合值之间的最大相对误差为37%，最小为0.17%，平均相对误差仅11%。1 501~1 510环掘进速度实际值与预测值之间的最大相对误差为27%，最小为2%，平均相对误差仅6%。故式(2)能较好体现本次半舱气压法盾构施工中掘进速度与盾构参数中总推力、刀盘转速、开挖舱压力之间的关系。

由式(2)可知，泥水盾构在黏土地层中使用半舱气压法，为提高掘进速度，可提高盾构转速，同时在保证地表沉降稳定及盾构密封不被击穿的前提下尽量提高开挖舱压力，但提高总推力并不能增加掘进速度，应根据情况合理设置盾构推力。

图8 掘进速度实际值与拟合值、预测值对比

4 半舱气压法地表沉降研究

隧道采用泥水平衡盾构机掘进施工，盾构施工会导致开挖土体产生地层损失从而引起地表沉降，而盾构机掘进参数的变化会引起土体地层损失率的变化从而对地表沉降产生影响[10-13]。在泥水盾构采用半舱气压法施工区域中选取5处人工监测点DBC1485-1525，对地表沉降监测数据进行分析，考察半舱气压法下地表沉降的规律。地表沉降监测断面布置情况如图9所示，图中JGC-01和JGC-02为采用全舱泥水法施工区域南水北调干渠两岸自动化测点。

单位：m

4.1 最终沉降分析

DBC1485-1525人工测点隧道轴线地面最终沉降量如图10所示。半舱气压法下，各测点沉降量变化幅度较小，地面沉降较稳定，沉降量平均值为−4.0 mm。全舱泥水法下南水北调两岸自动化测点JGC-01和JGC-02轴线最终沉降量平均值为 −4.8 mm。故黏土地层泥水盾构使用半舱气压法，盾构在保持掘进速度大幅度提升的状态下，地表沉降也能得到较好的控制。

盾构施工速度定义为单位时间内盾构的行程，在1 470~1 485环盾构施工速度平均值为1.7 mm/ min，在改用半舱气压法后即1485~1500环盾构施工速度平均值为10.6 mm/min。黏土地层中使用半舱气压法并保持盾构稳定掘进的前提下，施工速度得到大幅度提升，缩短了管片注浆时间，从而能及时填充隧道空隙，有效抑制盾尾地层损失，同时减少了盾构及后续拖车压缩下卧土层引起的地面 沉降。

半舱气压法下，开挖面上半部形成保护性气体，逼退了开挖面后地下水，并在盾体的开挖空隙中形成气压，阻止盾体上方地下水和盾尾注浆进入盾体与地层间的空隙，减少了地下水流失，同时保证了脱出盾尾部分土体的干燥，同步注浆不会受到地下水的稀释而质量上有所保证，有利于隧道结构安全性和减小地面沉降。

图10 隧道轴线地面最终沉降量

4.2 沉降历时曲线分析

DBC1485-1525人工测点隧道轴线地面沉降历时变化曲线如图11所示，将地面沉降随盾构推进的整个历时变化过程分为5个阶段：1) 先行沉降阶段；2) 切口到达阶段；3) 盾构机身通过阶段；4)盾尾脱出阶段；5) 后续沉降阶段。各阶段沉降平均值与所占最终沉降平均值百分比如表3所示。由图11和表3可知，半舱气压法下，1阶段沉降占比达到了17.5%，盾构机到达前的先行沉降不容忽视。2阶段地表产生了1.2 mm的隆起，这说明开挖舱顶部虽为气体，但仍能使开挖面前上方土体产生明显隆起，所以在施工中需要严格控制气压值的大小。3阶段历时时间短，沉降量较小，可以忽略。但在4阶段，盾尾脱出后一天内的盾尾孔隙沉降就到达了1.9 mm，后续受同步注浆及二次注浆的影响，地表呈沉降或隆起状态，此阶段占最终沉降的百分比达到了55%，故在施工中盾尾孔隙沉降需要引起重视，应通过提高盾尾注浆质量来减小地表形变。由于掘进速度快，对土体扰动小，5阶段沉降较为平稳，但所占百分比较大，达到了52.5%。

图11 隧道轴线地面沉降历时变化曲线

表3 沉降历时变化各阶段沉降平均值与所占最终沉降平均值百分比

5 结论

1) 半舱气压工法可有效解决黏土地层大直径泥水盾构刀盘结泥饼问题，使得盾构掘进速度从4.9 mm/min增加至25.4 mm/min，同时推力由93 069 kN下降至74 473 kN，扭矩由10 712 kN∙m下降至6 814 kN∙m，转速保持在1.4 rpm左右，使得盾构施工效率提升的同时还降低了盾构机功耗。

2) 开挖舱液面高度的合理设定是采用半舱气压法的前提条件，开挖舱顶部气压值的合理设定是保证半舱气压法下盾构平稳掘进的关键。本次半舱气压法施工液面高度设定约为开挖舱高度的2/3，开挖舱顶部气压值设定保持在3.2 bar左右，期间盾构机保持了高效、安全和稳定的掘进状态。

3) 半舱气压法下掘进速度与推力、刀盘转速、开挖仓压力等盾构参数之间的相关性较高，回归分析相关系数达到0.92，由拟合结果知，可通过合理地增大盾构转速和开挖舱压力来提高盾构掘进 速度。

4)半舱气压法下地面沉降稳定且最终沉降得到较好控制，最终沉降量为−4.0 mm。同时半舱气压法下地表沉降历时曲线规律性较强，开挖舱气压值的设定及盾尾注浆的质量会对地表变形产生较大影响。

致谢：

感谢中铁十六局豫机城际项目一标段二工区工程部人员，本文第一作者在项目现场收集数据期间，他们给予了大力支持并提供了便利条件，也正是在中铁十六局技术人员使用半舱气压法施工的基础上，本文才得以对该工法作出分析和总结。

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Study on tunneling parameters and surface subsidence of large-diameter slurry shield based on half-chamber air pressure method

TIAN Yongjian1, DU Shouji1, SUN Weiliang2, CHENG Kaishu2

(1. School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. HenanRailwayInvestmentLimitedLiabilityCompany, Zhengzhou 450010, China)

Considering the issue of mud cake formation on cutter head of slurry shield in clay stratum, in the construction site of the intercity railway from Xinzheng Airport to Zhengzhou South Railway Station, the method of half-chamber air pressure was taking into consideration as an effective solution. For this purpose, the setting of liquid level and air pressure value in the excavation chamber under the method of half-chamber air pressure were discussed. Different variables for shield tunnelling such as tunnelling speed, thrust, torque, and rotation speed, under the half-chamber air pressure method, were analyzed. And the relationship between tunnelling speed and other shield tunnelling parameters were fitted out. In addition, the ground settlement which was caused by tunnelling was also monitored and assessed. The results show that the tunneling speed of the shield increase from 4.9 mm/min to 25.4 mm/min; furthermore, the ground settlement caused by tunnelling is stable，and the final settlement value is −4 mm. The half-chamber air pressure method is one of the applicable ways in the tunnelling construction in clay stratum.

shield tunnel; half-chamber air pressure method; clay stratum; shield tunnelling parameters; the ground settlement

U25

A

1672 − 7029(2019)10− 2530 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.10.020

2018−12−26

河南郑州机场城际铁路有限公司科技项目(2017-1)

杜守继(1963−)，男，山西孝义人，研究员，博士，从事隧道与地下工程研究；E−mail：dusj@sjtu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)