土压平衡盾构机在富水砂层地层掘进主要参数的确定

2020-11-23蔡虹耿坤曹广勇张自光亓培先

安徽建筑 2020年11期

蔡虹，耿坤，曹广勇，张自光，亓培先

（1.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽合肥 230012；2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽重点实验室，安徽合肥 230601）

1 引言

盾构机掘进参数的合理设置是很重要的工作，掘进参数的选择直接影响到工程能否顺利进行下去，所以要合理设置掘进参数，根据不同的地质条件，不同工况来设置。梁伟[1]等通过数值模拟来研究不同土仓压力对盾构下穿高速公路地表沉降的影响，来确定土仓压力的合理设定值；陈仁朋[2]等研究复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究，提出了推力计算修正公式和刀盘扭矩修正公式，并进行了验证；王洪新[3]采用多元统计分析方法，验证了盾构施工参数之间的关系，其研究成果可用于刀盘扭矩设计和施工参数预测；李海全[4]确定了土压平衡盾构机在复合板岩地层掘进参数；魏建华[5]等研究土压平衡盾构开挖面稳定机理与土仓压力的关系。

本文根据淮安东站地层特性，确定土压平衡盾构机主要掘进参数，保证盾构施工安全、快速、顺利完成，为类似地层提供参考。

2 项目背景

2.1 工程概况

淮安东站盾构工作井区间上行的右线长度563.664m，下行的左线长度561.901m，隧道是两条单线单洞圆形隧道，区间左线和右线都设一个半径是1000.4m的平曲线，隧道之间间距为13.4m～19.1m，纵断面成上坡趋势，坡度为4‰。盾构主要穿越粉砂层。如图1所示。

图1 掘进地层

2.2 水文地质条件

沿线地表水主要为盾构工作井东北部水塘内的水，勘察期间水深约0.8m，地表水和潜水水力的联系较为密切。雨季时补给潜水，旱季时接收潜水补给。对本工程有影响的承压水为第Ⅰ和第Ⅱ层承压水。第Ⅰ层承压水大部分埋藏于砂质粉土和粉砂层中，水量较丰富，无色、无味、透明，主要接受侧向径流补给。水位埋深1.36m～1.6m（平均值1.52m），水位标高为6.22m～6.48m（平均值6.36m）。第Ⅱ层承压水大部分埋藏于中砂和粉砂层中，主要接受侧向径流补给。水位埋深20.00m左右，水位标高为-12.50m。盾构掘进主要穿越地层是粉砂层，其土质特征如表1所示。

3 土仓压力的设定

盾构隧道掘进施工的过程中，刀盘的转动使原来的土体的静止弹性平衡状态发生了改变，这样就使靠近刀盘的土体产生主动土压力或者被动土压力。在盾构掘进时，如果把土仓压力值设定低，就会使掌子面前方的土体向盾构机刀盘的方向发生微小的偏移或者滑动，使得土体有向下滑动的趋势，为了防止土体产生向下滑动趋势，这样就会使土体的抗剪力变大。如果土体的侧向应力一直减小，这样土体的抗剪强度就会充分发挥，当土体的侧向土压力减小到极限值，这时候的土体就会处于极限平衡状态，与此相对应的土压力就被叫做主动土压力。因此，如果土仓压力设置值小的话，工作面前方的土体有可能会下陷，影响盾构施工安全。如果把土仓压力值设定高，盾构刀盘对土体的侧向应力变大，就会掌子面前方的土体产生上滑动的趋势，为了阻止土体产生向上滑动的趋势，土体的抗剪力增大，土体这时候就是另外一种极限平衡状态，就是被动极限平衡状态，与此对应的土压力叫做被动土压力，因此如果土仓压力设置值高，掌子面前方的土体有可能会隆起。由此发现土仓压力的合理设置尤为重要，保证掘进过程安全进行。

地层物理力学指标表1

根据施工经验采用郎金理论计算土仓压力理论值：

式中，σw代表地下水压力；σp代表被动土压力；σa代表主动土压力；q代表土的渗透系数；γ代表土的容重；σh代表深度为h处的地层自重应力；c代表土的粘聚力；γ代表地层内部摩擦角；h代表地下水为距离刀盘顶部的高度。

4 总推力设定

在盾构掘进过程中，盾构机总推力主要由正面阻力、盾壳与地层的摩擦力、变相阻力、管片与盾尾的摩擦阻力、牵引力组成。而影响盾构总推力值的主要由摩擦阻力和盾构机行进时的阻力，因此，计算公式如下：

f为盾体与周围土体间的摩擦系数；H为盾构轴线埋深；K为土体侧压力系数；γ为土体重力密度；Ka为主动土压力系数；L为盾构机壳体长度；G为盾构主机重量。

这些参数由土体参数、隧道覆土厚度等决定的。所以总推力与盾构施工区域的地形、地质条件密切相关。盾构设计时，盾构机的实际装备推力往往是在公式计算结果的基础上，考虑2～3倍的安全系数。

5 刀盘扭矩计算

在盾构刀盘切削土体的过程中，刀盘受刀头与土体之间的摩擦、地层阻力、混合土体阻力和刀具摩擦阻力产生的影响，是盾构刀盘扭矩形成的主要原因。因此，土压平衡盾构机刀盘扭矩由以下部分组成：

①刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩；

②刀盘背面与压力舱内的土体摩擦阻力扭矩；

③刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩；

④刀具切削土体时的地层抗力产生的扭矩。

在实际传动中，这4项刀盘扭矩在刀盘总扭矩的占比是95%以上。因此刀盘总扭矩计算由前四项刀盘扭矩组成。因此计算公式如下：

η为刀盘开口率；K1为刀盘背面摩擦阻力扭矩计算调节系数，一般取0.6～0.8；W为刀盘圆周侧面的宽度；vmax为盾构最大掘进速度；ne为刀盘额定转速；qu为土体单轴抗压强度。

刀盘扭矩与总推力一样，也受盾构施工区的地形、地质条件影响。实际设计时，刀盘扭矩通常在公式计算结果的基础上考虑1.1～1.4倍的安全系数。

6 工程效果分析

6.1 理论计算结果分析

土压平衡盾构机主要技术参数表2

通过上述计算公式和地层计算勘探报告，计算得出各个主要参数理论数值，如表3所示。通过现场前100环实际监测数据如表4所示，可以看出理论计算值符合现场实际施工要求。

理论参数值表3

前100环实际监测数据表4

地表沉降控制指标（单位：mm）表5

地表沉降（单位：mm）表6

6.2 沉降分析

当盾构施工时，盾构参数的合理设置会引起地层扰动，进而导致地面产生不同程度沉降回弹，这些变化超过一定范围时，对周围地面建筑物造成破坏。为此，必须加强监控量测，及时了解土体结构的变化，以此来调整盾构施工参数。监测控制值根据不同建筑物特点及鉴定情况适当提高监测变形控制值，在盾构施工过程中，使地表不出现沉降是很难做到的，其要点是如何将沉降值控制在安全范围内，可以根据盾构施工下穿构筑物的实际情况来确定地表变形控制指标。依据现场检测数据及现有的设备仪器的检测精度，地表沉降控制指标如表5所示，并将控制值的70%作为报警值。

总共15个监测点位于高铁路基穿越区，结果如表6所示，隆起值最大为1.5mm左右，下沉值最大为2mm左右，可以得出参数合理的设置，有效地控制了地表沉降。