福州地区不同地层泥水盾构参数控制研究

2021-06-24李希宏姚兆龙

施工技术(中英文) 2021年10期

李希宏，姚兆龙

(中交二航局成都城建有限公司，四川成都 610000)

0 引言

随着城市化发展，人口集中与现代化建设都大大增加了城市的交通压力，迫切需要开发城市地下空间潜能。城市地铁作为大型公共交通设施，可满足城市人口快速流动的需求。地铁隧道多位于经济较发达、人流较大的地段，为减小对地面交通的影响，地铁隧道多采用盾构法施工。盾构包含土压盾构、泥水盾构和复合型盾构。

蒋晓天等[1]以沈阳地铁11号线为依托，总结泥水盾构穿越富水砂砾层的掘进参数，为类似地层的掘进提供依据和参考。宋超业等[2]以琼州海峡通道为依托，提出盾构长距离掘进关键技术。然而，盾构法施工机械化程度高，以高自重的盾构机为主要施工器具，在复合软土地层中施工常常会出现盾构栽头和下沉，对盾构施工极为不利。彭康等[3]对上软下硬多变地层中泥水盾构的适应性进行合理设计，总结出多项盾构选型措施，有效提高施工效率。梁聪等[4]对盾构下穿京杭大运河过程中的盾构施工关键技术进行分析，表明选择合适的盾构机型、优化掘进参数及二次注浆能较好地保证盾构顺利下穿运河。秦佳佳[5]对合肥地区的盾构掘进参数进行有限元分析，验证掘进参数。杨建烽等[6]利用有限元软件对深圳地铁10号线岗莲区间进行沉降控制模拟，研究表明，同步注浆能有效控制成型隧道初期沉降，二次注浆作为辅助措施，可补救后期沉降。在富水软土地层进行盾构施工，常常会出现盾构姿态超限，而对此种情况的研究很少。

本文基于福州地区特殊软土地层进行研究分析，利用有限元分析3种不同地层中盾构法施工的沉降特性，结合实测数据，总结出适用于富水软土地层泥水盾构施工的掘进参数。

1 工程概况

江边村(始发)—鳌峰路(接收)区间为双线双洞盾构隧道，右线里程YDK37+764.431—YDK39+393.496，总长1 629.065m，共计1 357环；左线里程ZDK37+764.431—ZDK39+393.496，短链15.696m，总长1 613.369m，共计1 343环。采用2台气垫式泥水平衡盾构机施工。盾构区间跨越闽江，隧道掘进断面地质以淤泥质土、淤泥夹砂、粉细砂、粉质黏土和含泥中细砂为主，具体参数如表1所示。由表1可知，粉细砂地层的变形模量较淤泥夹砂地层高出4MPa，称隧道断面上部淤泥夹砂地层、下部粉细砂地层的交互地层为上软下硬交互地层。

表1 地质参数

2 数值模拟分析

根据福州地区的地质情况，利用MIDAS GTS/NX岩土分析软件，对盾构掘进过程中不同地层的地表沉降进行模拟[7-8]。盾构掘进地层主要包含淤泥夹砂②4-4、粉细砂③2及含泥中细砂②4-6。隧道埋深分别按10.6，25.3，25.0m考虑。

利用MIDAS GTS/NX软件分析典型地层单线掘进过程中的土体扰动情况，模型尺寸为60m×50m×50m，土体采用修正莫尔-库仑本构，隧道及同步注浆层采用弹性本构模型。由于地层地下水丰富，模拟过程中须考虑浮力影响，根据式(1)计算隧道底部施加相应水头的浮力值：

F=γwh

(1)

式中：γw为水的重度，一般取10kN/m3；h为水头高度。

不同地层下盾构掘进后的地表变形及受浮力后的地表变形模拟结果如图1，2所示，统计结果如表2所示。

图1 盾构掘进中的地表变形

表2 模拟结果

图2 受浮力后的地表变形

由图1,2可知，掘进过程中隧道附近的地层变形为拱底隆起，拱顶沉降，地表沉降规律符合Peck沉降原理，呈正态分布。由表2可知，粉细砂地层掘进过程中，地层扰动最小，且在埋深相近并受地下水浮力影响的情况下，较上软下硬交互地层的地表最大沉降量减小13.77mm，减幅达81.2%。受地下水影响后，各地层的沉降量均发生较大变化，淤泥夹砂地层中的沉降量下降40%，上软下硬交互地层中的沉降量下降6.7%，粉细砂地层中的沉降量下降17.6%。

3 实际掘进参数分析

盾构掘进过程中，由于地下情况复杂，盾构机自重大，需根据掘进地层和埋深对各项参数进行实时调整。本次盾构掘进地层以软土为主，采用安全系数较高的泥水气垫式盾构机，掘进过程中盾构姿态及盾构掘进对地表的扰动难以控制[9]。

掘进过程中对泥水盾构的刀盘切口水压力、扭矩、转速、油缸推进速度、同步注浆量及同步注浆压力等主要参数进行控制。选取本区间掘进过程中盾构机姿态良好部分进行参数统计分析，总结出适合福州地区特殊软土地层泥水盾构施工的掘进参数，供类似组合地层的盾构施工参考[10-13]。

3.1 刀盘切口水压

为保证刀盘掌子面稳定，需控制刀盘前方的切口水压力，根据盾构所处地层的地质情况和隧道埋深确定切口水压的理论上、下限值。

1)切口水压上限值

P上=P1+P2+P3=γwh+K0

[(γ-γw)h+γ(H-h)]+20

(2)

式中：P上为切口水压上限值(kPa)；P1为地下水压力(kPa)；P2为静止土压力(kPa)；P3为变动土压力，一般取20kPa；γw为水的重度(kN/m3)；h为地下水位以下的隧道埋深(算至隧道中心，m)；K0为静止土压力系数；γ为土的重度(kN/m3)；H为隧道埋深(算至隧道中心，m)。

2)切口水压下限值

P下=P1+P′2+P3=γwh+

(3)

对淤泥夹砂地层、上软下硬交互地层和粉细砂地层刀盘切口水压值进行统计，如图3所示。其中1-1代表淤泥夹砂地层中右部切口水压，1-2代表左部切口水压，1-3代表上部切口水压，其他地层以此类推。由图3可知，淤泥夹砂地层切口水压值最小，为0.134～0.167MPa；粉细砂地层切口水压值最大，为0.331～0.338MPa；上软下硬交互地层切口水压值介于其他2种地层之间，为0.266～0.291MPa；3种地层刀盘实际切口水压均介于理论计算值之间，参数取值合理。

图3 刀盘切口水压曲线

3.2 刀盘扭矩

刀盘扭矩值主要考虑切削土体、摩擦力矩、抵抗旋转产生的扭矩、渣土切削及搅拌渣土。统计3种地层中刀盘扭矩值，如图4所示。由图4可知，在粉细砂地层中掘进时，需较大扭矩值，产生这种现象的原因可能是粉细砂的内摩擦角较大，切削过程中受刀盘挤压后形成密实架构，导致后续切削工作困难，需增大扭矩。淤泥夹砂地层中掘进时的平均扭矩为537kN·m，粉细砂地层中掘进时的平均扭矩为1 115kN·m，上软下硬交互地层中掘进时的平均力矩为651kN·m。

图4 刀盘扭矩

3.3 刀盘转速

刀盘转速需根据掘进地层的地质概况进行调整，统计典型代表地层的刀盘转速数据，如图5所示。由图5可知，在淤泥夹砂地层中掘进的刀盘转速最快，平均转速为1.16r/min；在上软下硬交互地层中掘进的刀盘转速较慢，平均转速为0.73r/min；在粉细砂地层中掘进的平均转速为1.04r/min。

图5 刀盘转速

3.4 油缸推进速度

油缸推进速度根据4个分区油缸的平均速度求和平均得出，初入地层时，推进速度需进行适应性调整，待各项参数调整到位后，各地层中的平均推进速度基本上能保持平稳一致，平均推进速度在40mm/min附近波动，如图6所示。

图6 油缸推进速度

3.5 同步注浆统计分析

3.5.1同步注浆量

在盾构掘进过程中，由于盾体直径与管片直径间存在一定差值，为减小管片脱出盾尾后对原状地层产生的影响，掘进时需同步注浆，保证能及时填充壁后空隙。统计分析3种典型地层中的同步注浆量，如图7所示。由于粉细砂地层孔隙率高，同步注浆时考虑地层孔隙损耗，所以增加了同步注浆量，平均注浆量为7.27m3，淤泥夹砂地层孔隙率低，故同步注浆量较小，平均注浆量为6.21m3，上软下硬交互地层中的平均注浆量为7.05m3。

图7 同步注浆量

3.5.2同步注浆压力

同步注浆是从盾尾注入，为保证注浆均匀，设置4个点位进行注入，考虑各部位的地层差异，盾构、管片及浆液自重，对各部位的注浆口采用不同压力值注浆，统计分析3种地层中各注浆口的压力值，如图8所示。图中1-1表示淤泥夹砂地层右上部，1-2表示右下部，1-3表示左下部，1-4表示左上部，其他地层以此类推。正常掘进过程中左、右部切口水压控制值相等，故刀盘切口水压曲线重合。由图8可知，上部注浆压力值均小于下部，右下部的注浆压力在各地层中均高于其他部位，其中粉细砂地层和上软下硬交互地层的右下部注浆压力较大，可能是盾构所处地层的弹性模量较大，导致注浆难度大，不易注入。