城市地铁区间隧道扩径盾构掘进参数现场试验*

廖龙君，苏洪林，王业鑫，李 围

(1中国水利水电 第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2上海同隧土木工程技术有限公司，上海 浦东 201306)

0 引言

随着我国城市地铁的发展，出现了不同的地质条件和运营速度，导致了区间隧道断面大小不同，具有代表性的有外径6.2 m和6.0 m两种。随着运营速度的增加，管片外径也在增加，出现了6.6 m～8.3 m等多种形式。然而，我国大部分施工企业均承建了多种断面的城市地铁区间盾构隧道，导致了盾构设备不能通用的问题。对于管片外径相近的情况，如6.0 m、6.2 m和6.6 m，可以通过盾构直径扩大的方法提高盾构的应用范围。朱中意介绍了区间隧道直径由原来的6.2 m调整为6.6 m时盾构机小幅扩径改造设计方案，并分析了改造关键技术和经济效益[1]。

然而，改造后的盾构机用于现场掘进的效果是否达到预期目标，特别对于盾构机改造前后其掘进的区间隧道的地质条件差异明显的情况，需要进行现场掘进试验，在检验盾构机改造的效果基础上，给出掘进参数。关于城市地铁区间隧道盾构掘进参数的研究比较多，如魏新江等人通过对杭州地铁1号线盾构隧道施工进行现场监测，进行了土压平衡盾构掘进参数关系及其对地层位移的影响分析[2]。孟德鑫以深圳地铁11号线南山站—前海湾站区间、车公庙—红树湾区间为对象，对比分析了在砾质黏性土和全风化花岗石两种地层中不同掘进参数的效果[3]。路平等人结合天津地铁建国道站—天津站区间盾构掘进参数进行了统计分析，提出了优化控制措施[4]。关于盾构机直径改造后掘进参数现场试验的文献很少，仅有孟建乔就小松盾构机扩径改造后提出了盾构机施工注意事项[5]。

中国水利水电第七工程局有限公司承建的福州地铁六号线土建三标一工区滨海新城站—莲花站区间隧道管片外径6.2 m，要求盾构外径为6.48 m，采用了深圳地铁7号线桃深区间海瑞克盾构S812，其外径仅为6.28 m，需要进行扩径改造。本文就扩径后的盾构机进行了现场100环掘进试验，分析了掘进参数土压力、刀盘扭矩及其转速、总推力、掘进速度、出土量和同步注浆量，给出了建议值，为今后类似工程提供技术参考。

1 工程概况

滨海新城站—莲花站区间线路大致呈东-西走向，起点里程XK28+396.144、终点里程XK27+205.183，全长1190 m左右。线路纵断面大体呈“V”字坡，于SK27+800.933(XK27+800.933)设置一座联络通道及泵站。区间左右线线间距14 m，盾构机由滨海新城站始发、莲花站接收。该区间隧道覆土6.81(莲花站端头)～14.51 m(联络通道处)，始发端头处覆土约7.36 m。区间隧道主要穿越地层为软土(淤泥、淤泥质土)、含泥细中砂、砂质粘性土，如图1所示。地表情况较单一，主要为农田、池塘。施工影响范围内无重要建筑物，无地下管线情况。

图1 右线隧道地质纵断面图

该区间地表水体发育，分布少量小河涌，小河涌宽度10～30 m不等，水深1.00～4.00 m不等。小河涌未采用防渗措施，地表水体无明显水质污染，地表水受潮汐影响不明显。地下水稳定水位埋深为0.00～1.89 m，水位年变化幅度为1.0～1.5 m。

2 盾构掘进参数试验分析

2018年3月4日进行了盾构始发，3月4日至3月18日完成了盾构负环掘进拼装，3月18日至4月7日完成了盾构掘进100环试验。在试验段掘进过程中，动态跟踪优化了盾构掘进参数，包括土压力、刀盘扭矩及其转速、总推力、掘进速度、出土量和同步注浆量。

2.1 盾构机总推力

盾构机总推力变化如图2所示，其中：前10环在加固区内掘进，推力控制在900 tF(吨力，为10 kN)以内；11～60环在含泥中细沙中掘进推力控制在800～1500 tF范围；61～73环隧道范围内在上部含泥中细沙下部有约1 m厚的淤泥质土掘进时推力控制在1100～1400 tF之间；74～100环在含泥细中砂中掘进推力控制在1000～1500 tF范围。整体推力变化比较平稳，在推进过程中盾构机的姿态调整有一定波动。

图2 总推力变化图

2.2 刀盘扭矩及刀盘转速

始发阶段刀盘转速较低，控制在1 rpm，正常掘进后，根据推进速度逐步调整至0.9～1.3 rpm，扭矩整体平稳，前100环全断面含泥中细沙中掘进，刀盘扭矩在500～1600 kN·m之间，其变化过程如图3所示。

图3 刀盘扭矩变化图

2.3 掘进速度

盾构掘进速度变化过程如图4所示，进洞时处于全断面的含泥中细砂地层，1～5环速度控制在30 mm/min以内，6～90环地层仍处于全断面含泥中细砂中掘进速度控制在30～60 mm/min之内，80～100环时滚动角参数出现异常，为了矫正滚动角掘进速度降低至30 mm/min之内。

图4 掘进速度变化图

2.4 土压力

盾构掘进出加固区后区间隧道的埋深为9.74～13.24 m，为浅埋隧道，土压力P=k0rh=0.493*18.9*(9.74～13.24)=0.9～1.23 bar。在初始掘进时，严格按照理论土压值进行设定，在施工过程中根据地层沉降监测数据及时调整、优化土压的设定值。由于地表沉降量比较大，故在掘进过程中实际是采用略高于理论土压值方式掘进，如图5所示。

图5 土压力变化图

2.5 出土量

每环理论出渣量为：

(π·D2)L/4=(π×6.482)×1.2÷4 =39.5 m3

式中：D-刀盘开完直径；L-管片幅宽。含泥细中砂松散系数取1.2，故每环出土量约为47.4 m3。盾构推进出渣量控制在98%～102%之间，即46.5 ～48.3 m3/环之内。通过前100环出土情况统计分析，如图6所示，每环出土量平均值为45方，略低于理论值。

图6 出土量变化图

2.6 同步注浆量

同步注浆是盾构施工的重要工序，注浆饱满、均匀是控制地表沉降的有力保证。理论注浆量：

Q=V·λ=(6.482-6.22)×3.14×1.2×(150%～200%)/4=5.17～6.69 m3

λ为注浆率，取150%～200%，V为盾构施工引起的空隙。同步注浆变化情况如图7所示，注浆总量控制在4～7 m3。

图7 同步注浆量变化图

3 现场监测分析

在盾构掘进过程中进行了地表沉降监测，截至2018年4月7日滨海新城站—莲花站区间隧道右线掘进引起的地表沉降变化如图8所示。随着盾构掘进的进行地表沉降逐渐增大，累计沉降量最大值为-166.29 mm，超过了沉降控制值-30 mm(城市道路的沉降控制值)，其单日变化最大量为-26.12 mm。由于滨海新城站—莲花站区间隧道穿越的地方主要为农田和鱼塘，较大的沉降量不会引起太大的安全问题，但也必须控制沉降量。故通过调整掘进参数来减小地表沉降量，得出的掘进参数总推力800～1600 tF、刀盘扭矩1000～1600 kN·m、刀盘转速为1.0 rpm左右、掘进速度50 mm/min左右、土压力1.2～1.4 bar、出土量45方左右、同步注浆量5～7 m3。采用调整后的盾构掘进参数后，地面沉降已经趋于稳定。

图8 地表沉降变化图

4 结束语

本文依托福州地铁六号线滨海新城站—莲花站区间隧道工程，经对扩径后的盾构机现场100环掘进试验分析，结果表明深圳地铁用土压平衡盾构扩径后用于福州地铁是可行的，掘进参数的建议值为：总推力800～1600 tF、刀盘扭矩1000～1600 kN·m、刀盘转速为1.0 rpm左右、掘进速度50 mm/min左右、土压力1.2～1.4 bar、出土量45方左右、同步注浆量5～7 m3，为类似工程提供参考。