杭州典型黏土地层盾构掘进参数及地层变形分析

2022-04-06罗宇勤郭丹烽陈登月俞嘉彬蒋伟男

华南地震 2022年1期

罗宇勤，赵焕，郭丹烽，陈登月，俞嘉彬，蒋伟男

（1.浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；3.杭州地铁集团有限公司，杭州 310003）

0 引言

随着城市建设的快速发展，为了缓解交通压力，越来越多的城市开始修建地铁。盾构法因机械化程度高、开挖速度快、对周边环境影响小等优点被广泛应用于城市地铁建设中。在盾构掘进过程中，对于特定地层，为了保证施工的安全性与高效性，需要设定合理的、匹配的盾构掘进参数（总推力、刀盘扭矩、刀盘转速等）。因此，如何确定这些盾构掘进参数之间的关系，并选择合适的参数范围，从而使地层受到的扰动最小，达到有效控制地表变形，减少对周围环境的影响是盾构施工中研究的热点。

针对盾构掘进参数间的关系与其合理控制范围，众多学者从理论和实测角度展开了研究。在理论研究方面，王洪新等[1-4]建立了土压平衡盾构掘进的数理模型，并在这一基础上推导了总推力、土仓压力、螺旋机转速、掘进速度之间关系的数学表达式；Do等[5]基于软件模拟了盾构机刀盘切削土体的过程，并根据经验公式得出了盾构机的推力及扭矩大小；金大龙等[6]通过模型试验，研究了盾构刀盘开口率引起的土仓内外压力变化规律，并基于试验研究内容，进一步利用粘性流体力学理论建立了相关公式。在实测分析方面，魏新江等[7]结合杭州地铁1 号线盾构隧道现场监测数据，研究了盾构了参数间的关系及其对地层位移的影响；尹苏江等[8]结合实测数据，总结了在大连岩层地质中，土压平衡盾构掘进中各个盾构掘进参数间的关系，并分析了其机理；李锟等[9]以深圳地铁16 号线为背景，依靠数理统计对刀盘扭矩、总推力等6 给盾构掘进参数的相关性进行了定量分析，并建立了预测模型；此外，文献[10-13]也是通过数理统计分析盾构掘进实测数据，得到了盾构掘进参数控制范围和各掘进参数间关系的规律。然而，目前对于盾构掘进参数的实测研究大多仅考虑了在某一地层下的合理取值范围，没有将隧道埋深考虑进去，且在分析过程中并未涉及地表沉降等监测情况。

本文以杭州地铁机场快线某区间盾构施工为工程背景，分别研究了在黏土地层中刀盘转速、刀盘扭矩、盾构机总推力、推进速度、平均土仓压力之间的相关性，并研究了隧道埋深对盾构掘进参数的影响。最后，结合轴线地表沉降分析，基于数理统计得到了在黏土地层中盾构掘进参数的推荐控制范围，以期为以后类似工程施工提供一定的指导。

1 工程概况

该区间隧道设计起止里程为右（左）K29+809.331～右（左）K31+703.672，右线长度约为1894.341 m，左线长度约为1910.794 m（含长链16.453 m）。线路平面曲线最小半径R=360 m，竖曲线最大坡度为：28.2‰下坡和22.2‰上坡。隧道顶埋深：20.6～43.7 m。设3 座联络通道，其中1座兼泵房设置。于K30+228.556 处设置1#联络通道，线间距为12 m；于K30+803.846设置2#联络通道兼泵房，线间距为11.5 m；于K31+328.566 设置3#联络通道，线间距12 m。盾构管片内径6.1 m，外径6.9 m，厚度400 mm。

本区间盾构主要穿越的地层为：5-1 粘土、5-2 粉质粘土夹粉土、6-2 淤泥质粉质粘土、7-1 粉质粘土、7-2粉质粘土夹粉土、8-1粉质粘土、9-1粉质粘土、11-1 粉质粘土、20-1d 全风化凝灰岩、20-2d 强风化凝灰岩。具体地质情况如图1 所示。拟分析段地层主要为7-1黏土，动力触探锥尖阻力qc=2.4～3.4 MPa，平均值2.86 MPa，侧壁摩阻力fs=56.5～178.1 kPa，平均值106.56 kPa。实测标准贯入试验锤击数N=14.0～22.0 击，平均值为16.8 击，属中等压缩性土层，工程性能较好。

图1 地质纵断面图Fig.1 Geologic longitudinal section

2 盾构施工参数分析

2.1 盾构掘进参数间相关性分析

为了研究在黏土地层盾构掘进参数之间的关系，选取了该盾构区间先行线110 环至290 环共计181 环数据。由于盾构掘进参数有上百个，因此，要对所有盾构掘进参数进行整理分析是不必要且不现实的，为了保证盾构掘进参数的代表性，以及选取的参数尽可能全面、直观地反映盾构掘进控制和掘进状态，现场采集盾构主要掘进参数包括刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度、总推力和平均土仓压力，对上述参数进行皮尔逊相关性分析，结果如图2所示。

图2 盾构掘进参数相关性统计图Fig.2 Correlation statistics of shield tunneling parameters

由图可知，包括刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度在内的5个盾构施工参数之间存在一定的相关性。其中，盾构机总推力与刀盘扭矩之间、平均土仓压力与刀盘转速之间、平均土仓压力与总推力之间、盾构机总推力与刀盘转速之间具有低度相关性。

盾构机总推力与刀盘扭矩的关系如图3 所示。从图中可以看出，刀盘扭矩与盾构机总推力成正相关，即随着刀盘扭矩的增加，往往也伴随着总推力的增大。笔者认为，这是因为盾构机在黏土地层中掘进时，刀盘中心处易出现结泥饼现象，而为了应对这一情况，通常采用降低推进速度，同时增加刀盘扭矩和增大盾构总推力的措施，从而导致在一定程度上刀盘扭矩与盾构总推力变化趋势的同步性[14]。

图3 刀盘扭矩与总推力关系图Fig.3 Relationship between cutter head torque and total thrust

盾构机总推力与平均土仓压力的关系如图4所示。从图中可以看出，盾构机总推力与平均土仓压力成正相关。结合王洪新等的理论研究成果，盾构机总推力近似等于盾构机与前方土体的接触压力与推进时总阻力之和，而盾构机与前方土体的接触压力与土仓压力成正相关，因此，随着平均土仓压力的增大，盾构机总推力会逐渐增大。

图4 平均土仓压力与总推力关系图Fig.4 Relationship between average chamber earth pressure and total thrust

值得注意的是，根据相关性分析，可以发现盾构机总推力与推进速度之间几乎没有相关性，如图5所示。这与常识并不相符，根据牛顿第二定律可知：

式（1）中，F为盾构机总推力，单位为N，f为盾构过程中所受阻力，单位为N，m为盾构机质量，单位为kg，a为盾构机掘进加速度，单位为m/s2。

则在某时刻t盾构机推进速度为：

式中，v0为t0时刻对应的盾构机推进速度，v与v0的单位为m/s，a的单位为m/s2，t与t0的单位为s。参考工程实际记录情况，图5中盾构掘进参数进行过量纲转化。

图5 总推力与推进速度关系图Fig.5 Relationship between total thrust and advancing speed

由上述可得，在理论情况下，盾构机推进速度应与总推力成正比。但在实际情况下，盾构机推进速度受到多个因素的影响。在包括刀盘转速、扭矩在内的多个因素影响叠加下，弱化了总推力对推进速度的直接影响，从而在实测数据上，反映出盾构机推进速度受总推力影响不大的结果。

2.2 盾构掘进参数与隧道埋深

在研究盾构掘进参数与隧道埋深的关系中，笔者发现盾构机总推力与平均土仓压力与隧道埋深均有较为显著的正相关关系，即随着隧道埋深的增加，盾构机总推力与平均土仓压力显著增加，如图6、7 所示。这是因为在盾构掘进过程中，土仓压力近似等于静止土压力，虽然在实际过程中，考虑到盾构掘进对地层的扰动、注浆以及盾构通过后管片受力收缩等作用，往往会适当增加土仓压力，以达到减小地表沉降的目的，但土仓压力随着静止土压力增大而逐渐增大的趋势是不变的。结合上述土仓压力与总推力之间的关系，可以进一步解释隧道埋深的增加导致总推力增大的现象。总而言之，在黏土地层中，隧道埋深对盾构机总推力与平均土仓压力的影响归根结底是土压力的变化对两者的影响。

图6 总推力与隧道埋深关系图Fig.6 Relationship between total thrust and tunnel buried depth

3 地表沉降分析

盾构掘进参数的控制对地表沉降的影响是不能忽视的。CHEN 等[15]指出土仓压力影响着开挖面的稳定性，当土仓压力小于开挖面前方水土压力时，开挖面会失稳，导致前方地表产生沉降。盾构机总推力与土仓压力对地表沉降的影响有着相似的原理。刀盘扭矩与盾构机穿越时的地表瞬时隆沉也有较高的正相关度[16]。而白廷辉等[17]通过试验验证了盾构推进速度会对地表隆沉产生显著影响。刀盘扭矩、盾构机总推力等盾构掘进参数虽然不是影响盾构掘进过程中地表沉降大小的全部因素，但地表沉降量的大小在一定程度上可以很好的反映盾构掘进参数的控制水平。

图8 为该盾构段轴线地表沉降图，从图中可以看出，盾尾通过三天后的地表沉降量基本控制在10 mm 以内，根据魏纲等[18]的研究，该地表沉降量可以假定为是由地层损失造成的，土体不产生压缩变形，能较好的反映盾构掘进对地层的影响。考虑到盾构施工速度较快，而黏土渗透性较差，土体的排水固结过程往往较久，因此，最大地表沉降量往往出现在盾尾通过几周后，其值也远大于盾尾通过三天后的地表沉降量。该区段最大地表沉降量基本控制在16 mm 以内。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013 相关规定，综合隧道工程安全等级、周边环境风险等级和地质条件复杂程度，判定该区间工程监测等级为二级，结合监测方案中的变形控制指标：地表沉降控制值为±30 mm。综合分析，该盾构段地表沉降大小在安全范围内，即盾构掘进参数的控制较为合理。

图8 轴线地表沉降图Fig.8 Axis surface settlement

4 盾构掘进参数控制范围

提取该盾构段181 环盾构掘进参数，绘制了盾构机总推力、刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度、平均土仓压力这5个盾构掘进参数的频数分布图，并进行了正态分布的拟合。如图9 所示，由图可知，在该盾构段，盾构机总推力集中分布在14 000～18 000 kN 之间，平均值为15 734.25 kN；刀盘转速集中分布在1.4～1.7 rpm 之间，平均值为1.54 rpm；刀盘扭矩集中分布在1000～2000 kN·m之间，平均值为1557.85 kN·m，推进速度集中分布在30～65 mm/min之间，平均值为46.19 mm/min；平均土仓压力集中分布在1.9～2.9 bar之间，平均值为2.4 bar。

图9 盾构掘进参数频数分布图Fig.9 Frequency distribution of shield tunneling parameters

为了更合理的确定盾构掘进参数的控制范围，基于数理统计相关知识，绘制了各盾构掘进参数的统计学指标实测数据表，如表1所示。

通过对表1进行分析：

表1 盾构掘进参数统计表Table1 Statistical table of shield tunneling parameters

（1）盾构机总推力的优化控制区间为14 200～17 500 kN，该区间囊括了约75%实测数据，其最优控制区间为15 524～15 945 kN。但考虑到在该地层下总推力与埋深之间近似成正比的关系，该控制区间仅适用于隧道埋深24～32 m 的情况下。结合上述分析，隧道埋深每增减1 m，对应的总推力也应相应增减380 kN左右。

（2）刀盘转速的优化控制区间为1.40～1.60 rpm，该区间囊括了约90%实测数据，其最优控制区间为1.52～1.55 rpm。

（3）刀盘扭矩的优化控制区间为1200～1900 kN·m，该区间囊括了约75%实测数据，其最优控制区间为1513～1602 kN·m。

（4）推进速度的优化控制区间为35～60 mm/min，该区间囊括了约75%实测数据，其最优控制区间为44.9～47.5 mm/min。

（5）平均土仓压力的优化控制区间为2.10～2.70 bar，该区间囊括了约75%实测数据，其最优控制区间为2.37～2.44 kN。但考虑到在该地层下平均土仓压力与埋深之间近似成正比的关系，该控制区间仅适用于隧道埋深24～32 m 的情况下。结合上述分析，隧道埋深每增减1 m，对应的平均土仓压力也应相应增减0.06 bar左右。